1、實驗一耳微波濾波器的設計制作與調試右（一）實驗目的了解微波濾波電路的原理及設計方法。學習使用ADS軟件進行微波電路的設計, 優化，仿真。掌握微帶濾波器的制作及調試方法。（二）實驗內容使用ADS軟件設計一個微帶帶通濾波器, 并對其參數進行優化、仿真。根據軟件設計的結果繪制電路版圖，并 加工成電路板。對加工好的電路進行調試，使其滿足設 計要求。（三）微帶濾波器的技術指標通帶邊界頻率與通帶內衰減、起伏阻帶邊界頻率與阻帶衰減通帶的輸入電壓駐波比通帶內相移與群時延寄生通帶右（三）微帶濾波器的技術指標（續）前兩項是描述衰減特性的， 是濾波器的主要技術指標, 決定了濾波器的性能和種類（高通、低通、帶通、帶

2、阻等）。輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。群時延是指網絡的相移隨頻率的變化率，定義為dY/df ,群時延為常數時，信號通過網絡才不會產生 相位失真。寄生通帶是由于分布參數傳輸線的周期性頻率特性引 起的，它是離設計通帶一定距離處又出現的通帶， 設計時要避免阻帶內出現寄生通帶。本節內容是介紹使用ADS軟件設計微帶電路參數的優化、仿真，版圖的仿真等。下面開始按順序詳細介紹ADS軟件的使 用方法。（四）ADS軟件的使用帶通包括原理圖繪制,右ADS軟件的啟動啟動ADS進入如下界面右創建新的工程文件點擊File-New Project設置工程文件名 稱（本例中為Filter）及存儲路徑點擊Len

3、gth Unit設置長度單位為毫米兇Sdcct the LengthUnit and the L聊ut Untor theproject.Unts廣milmilrreicr1 . i廣miaonI rrwjth Unit廠ScC defoulOK I Cancel I時I右創建新的工程文件（續）工程文件創建完畢后主窗口變為下圖同時原理圖設計窗口打開Qkyvrk*紳創3i _j剛m ：i也|、陋IQIJI洞總IQ AI二d耳6匕闔山 rn 卿、|念I IBtel微帶濾波器的設計平行耦合線帶通濾波器的設計下圖是一個微帶帶通濾波器及其等效電路， 它由平行的 耦合線節相連組成，并且是左右對稱的，每一個

4、耦合線 節長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)，構創建新的工程文件（續）di罕_L竽卄c3- ur4E9-t：o*ac悴JZomaWK|Lumped-ComponenlG成諧振 電路。我們以這種結構的濾波器為例，介紹一下設計的過程。等效電路右 微帶濾波器的設計(續)設計指標：通帶3.0-3.1GH乙 帶內衰減小于2dB,起 伏小于ldB, 2.8GHz以下及3.3GHz以上衰減大于40dB,端口反射系數小于-20dBo在進行設計時，主要是以濾波器的S參數作為優化冃標 進行優化仿真。S21(S12)是傳輸參數，濾波器通帶、阻 帶的位置以及衰減、起伏全都表現在S21(S12)隨頻率變 化曲線的形

5、狀上。S11(S22)參數是輸入、輸出端口的反 射系數，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數過大，就會導致反射損耗增大，并且影 響系統的前后級匹配，使系統性能下降。右 生成濾波器的原理圖在原理圖設計窗口中選擇微帶電路的工具|TLines-Microstnp在工具欄中點擊選擇耦合線Mcfil豈并在右側的繪圖區放置選擇微帶線MLIN猊以及控件MSUB亟 分別放置在繪圖區中選擇畫線工具將電路連接好, 連接方式見下頁圖窗口左側的工具欄變為右圖所示卜3門hlT7r,liicKh?JUBcrd8a n Mell4=Mclin應oMciowQ-CD-3號WCAP1生成V1LINFL1| +

6、卜subst=hMSur)r . V1SUBV1SUO1.40.25 rumzr-9.64ur13ond=1 0E*50HU=IMCFIl C52Subst=BMSubrW=0.625mms=oL=2.25 mm5 mmMCFILCUn3 廠| SUtL5t=eMSuD1B.w=?625rpm.egMSub右設置微帶電路的基本參數上頁圖中五個Mcfil表示濾波器的五個耦合線節，兩 個MLIN表示濾波器兩端的引出線蟲擊圖上的控件MSUB設置微帶線參數H:基板厚度(0.8 mm)Er:基板相對介電常數(4.3)Mur:磁導率(1).Cond:金屬電導率(5.88E+7)Hu:封裝高度(1.0e+3

7、3 mm)T：金屬層厚度(0.03 mm)TanD:損耗角正切(le-4)Roungh:表血粗糙度(0 mm)右 設置微帶電路的基本參數(續)修改微帶線參數窗口 (左圖)，也可以點擊MSUB下面 的文字直接進行修改(右圖)，但要注意數字與單位MSubMSUBMSubl H=0.8mrh 之間有一個空格.MSublH=p.8 mmEr=4.3 Mur=1Cond=5.88E+7 Hu=1;0e+033 mT=0 .03 nim右微帶線計算工具濾波器兩邊的引出線是特性阻抗為50歐姆的微帶線，它的寬 度W可由微帶線計算工具得到，具體方法是點擊菜單欄Tools LineCalc Start Linec

8、alc,出現一個新的窗口（如下頁圖）。在窗口的 Substrate Parameters 欄中填入與 MSUB 中相同的微帶線參數。在 Cpmpnet Parameters 填入中心頻率（木例中為 3.05GHz）。Physical 欄中的 W 和 L 分別表示微帶線的寬和長。Electrical 欄中的 Z0 和 E_Eff 分別衣妙瞥|戈的特性阻抗和相位延遲。點 I i ? Synthesized I Analyze 欄中的ZJ 口箭頭，可以進彳 j：W、L 與 Z0、E_Eff 間的相互換算。填入50 Ohm和90 deg可以算出微帶線的線寬1.52 mm和長度13.63mm（四分之一波

9、長）。17微帶線計算工具（續）微帶線計算工具（續）另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態以及錯右設置微帶器件的參數雙擊兩邊的引出線TL1、TL2,分別將其寬與長設為152 mm和2.5 mm（其中線長只是暫定,以后制作版圖時還會修 改）。平行耦合線濾波器的結構是對稱的，所以五個耦合線節中， 第1、5及2、4節微帶線長L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。 耦合線的這些參數是濾波器設計和優化的主要參數，因此 要用變量代替，便于后而修改和優化。雙擊每個耦合線節設置參數，W、S、L分別設為相應的變 量，單位mm,其屮的W1與W2參數代表該器件左右相鄰兩 側的微帶器件的線寬，它們用來確定器件間的位置關系。在設置

10、Wi、W2時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter onschematic的選項勾上。耦合線節參數設置窗口設置微帶器件參數后的原理圖tJ 1L1 -SuDst=T/SubrW=1.52 mmL=2 5 mmMSubMSUBMSuOI-H=Q 8 mmEr=4.3E_H-MCFIL CLirUMCFIL CUn2 SuDSt=：MSuDlMW=w2 mmS-S2 mm1I2 mm W1=W1I IMCFILHu=*1.0e-H333-mmT=O.O3mmTanD=1e-4 .Rough=0 mmCUn3SuDSt=TMSub-W=w3mmS=53 mmL=I3 mm

11、W1=w2 mm -W2=*2mmlMCFILCLln4Sub$t=*MSuW1 =w3 mmW2耐1 mmMCFILCUnOSuDst二W=w1 mmS=sl mmL=Hmm W1 =w2mmW2=1.52mmSubst=*MSuDlW=152mrnL=2 5 mmMUMTL21添加變量單擊工具欄上的VAR|卿圖標，把變量控件VAR放置 在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設置窗口，依次 添加各耦合線節的W, L, S參數。在name欄屮填變量名稱，Variable Value欄屮填變量 的初值，點擊Add添加交量，然后單擊Optimization/Statistics Setup .按鈕設置變量

12、的取值 范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被 優化（見下頁圖）。耦合線節的長L約為四分之一波長（根據屮心頻率用微 帶線計算工具算出），微帶線和縫隙的寬度最窄只能 取0.2 mm（最好取0.5 mm以上）。1變量設置窗口:Variables and equations:VARyBfabic “ E gadon E ntiyInstance N ame| Standard31小1N-OTCSelect ParameterVariaWeVdueS| New3Equdbon Edig.0p(imu:olcn/SU/i5ts Setup.Corrporont ODICTS |O

13、K |Apply |匚arce |FUse |Hob |w2=1OQ0.21O3) w3-1opK 0.2 to 3 JH-136opt(Wto15i2-13&opt(10to15)=lJ6opl(10tol5)右S參數仿真電路設置在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真的工具欄simulation-SParam選擇Term團放置在濾波器兩邊，用來定義端 口1和2,點擊LJ圖標，放置兩個地，并按照 下頁圖連接好電路。選擇S參數掃描控件團放置在原理圖中，并設 置掃描的頻率范圍和步長，頻率范圍根據濾波 器的指標確定（要包含通帶和阻帶的頻率范圍）。S參數仿真電路設置（續）rermi VLNMun=1

14、. TL1 Z-50 OhrtSufeSt-MSulOlW=1 52 mmL*25frmMSubMM甘曲*H=0fi men &43Mur=lCEW 春Hu-10e*33mtng 於mtn TenD-le-4Rcugh=Omm口M!rLCU11SMbstMa-tjl-.H-Pl.旨L! trip.Ctm2.口勺mm皿罰=幡心1“L祁irmw-w2 trtn毅 T 寧m 50 minL-Grr.W1wt min.W2*w3 rum MCHL Xln3 .Ww3 rmS-73rrrn 2VA11-1 gf 0.2 to 3 ).和2mg(a?to3).W3-1 oct( 0.2 to 3

15、)M=i3opi 10 to 15卜Q-13 cpG=13opi(10to15 pt(0W3 .x2-1 cpt(P5.to3 83*1opt( 0to3 SjPatAH*- SW .沖2 7 4 siep-io44t*Wl.StrcCUMaWWSutd-W*w2 mrSs2mnL72 mm W1 *vr3 rrm W2-v1 rmS-PARAMETERSCD MCHL- CUnS.Subst-*MSubrVSMWI mnS-31 rr,m* LM1 rrtn VM濟2 rrwn W2-1S2MT IM.WTL2Subst-XSuM-vy-r52inm l2 5nvnTirtrtTrm2 2皿

16、2右優化目標的設置在原理圖設計窗口中選擇優化|Optim/Stat/Yield選擇優化設置控件團放置在原 理圖中，雙擊該控件設置優化 方法及優化次數。常川的優化方法有Random（隨機）、Gradient（梯度）等。隨機法通常用于人范圍搜索，梯 度法則用于局部收斂選擇優化目標控件Goal畫|放置在原理圖中，雙 擊該控件設置其參數。1Expr是優化日標名稱，其中dB（S（2,l）表示以dB為單位 的S21參數的值。SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1Min和Max是優化目標的最小與最大值。Weight是指優化目標的權重。RangeVarl是優化目標所依賴的變量，這里為頻率

17、freq。RangeMinl和RangeMaxl是上述變量的變化范圍。優化3 |Opt icni/At ion: 1Op=,SP1 Mm-2Mw|311GHzNone |EqudtcnEditcMWegbUlOORan8Wf1|=Fe!Mn=.2M*KFghMOO .RanjieVarJIMax40Wesh!100RarpeVerllKfreqRxnoel4i(1h2.7bHxRrocf4a-|11-2tfMrv： Max-40 V/CFIQORar9eV(1Ktre3.3CHXRacgeVer(1req-RaemU!-299 GHz RE沁0上3 11 G2LJMi-FLCUn S*s1 i

18、ntn L41伽W1 1SZwMT .yRtncicn&rccFcrrr*2妣曲M 00 P-2DO5MCr $oui-Msay VWM fTES81 mnVARI1-1吶0 2 to 3 ) w2 1c(02to3)、v3 1 c3M3Sagtf 10to 15 心Mgo 1CCt0?tO.3 .MSubl KBOSrrctiErM3Mjr-1HJ.1 Qe*O33 rrr T*0 (6 fftn * TflrtHD優化目標的設置（續）L 2Wl-w2 rwnV2w2 rr Update Optimization Values保存優化后的 變量值（在VAR控件上可以看到變量的當前值）

19、，否則優化 后的值將不保存。（見下頁圖），其屮的CurrentEF表示與優化口標的偏差， 數值越小表示越接近優化冃標，0表示達到了優化冃標, 下面還列出了各優化變量的值，當優化結束吋還會打開 圖形顯示窗口。占 進行參數優化（續）經過數次優化后，CurrentEf的值為0,即為優化結束。優化過程中根據情況可能會對優化冃標、優化變量的取值范圍、優化方法及次數進行適當右觀察仿真曲線要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄屮的翹按鈕, 然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能 也重新恢復了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關閉或開啟，也可以采取同樣的方法。的調整。線優。曲擊抻的點關險應耐片 !鮒沖4

20、1汽嚴SOAL觀察仿真曲線關閉優化控件后的原理圖Extr-dB(S(2.1) )r&oH5tbnceNixre-aSP1,Wv.2Max- WWMQO .R4reMr(1卜卜2 99 OHz CHrGOALGOA1Te*m2S-PARAMETERSGO0J.OptiTKknC Eg -dB(2.DrSXWr1arceN8rTe-3 3GHz RaroeMax|13.4GHrSMStort-2 7OHXStop-34 OttSteo-IOhttr如ghM8 . RanVartlhlrwTRftWMn(1|.2 7GHz RaneMa申)-28GHXG*Mi . CrOnGkaMExpr-

21、( (：S1.1) )r StTGsf鈕fctrMQK 2CV4-HFt-tOORarVcMr.3 11=CZ- KhJ ._1 TL1I +1OtwSubrtMSOjr ,7-CUnl VAwl trTS51twn LSI fWT Wb;$2mM-1W-152rm.L2 5 wn3JD知H*08fUTEr-43 - Mur.Sd-5$Se 7OeXXprrfnTO03rrim T-1ePhxgh-OxSar.e-bo. I ,UxfcteMA5ct-ve 3*CLA2 “stw&T .Vw2 rrmS-a2ifLM2iwn ffffifftnVA1 wl-074S6aBc9t(05t

22、o3). w21j0XWxtl 429l8cni3dd28ciM( (i0toi5)Q13.4020cpl(l0hl5 ) tiosdioea0.5to3) ). 52r1j5(051o( (3) &3-2X?45 (05lo3)L-H IMCHi X2 . suwt-tsubrW-w3rnL 3g W1 rm.W2ww2trtn .Zl Mcrt Xo4 .Subtf-*MSub1*Ww2 rrtnSS2ML-C血V?lw3rTMCHL cuts .SMwtry. VWwl trnS1 ELM1 W1*w2frmW21-52mKLNTL2 grt WSvtolW-1 52 mnL2A

23、rrm點擊工具欄中的Simulate會出現圖形顯示窗口。按鈕進行仿真，仿真結束后右觀察仿真曲線（續）點擊圖形顯示窗口左側工具欄中的茴按鈕，放置一個方 框到圖形窗口中，這時會彈出一個設置窗口（見下頁圖）， 在窗口左側的列表里選樣S（l,l）即Sil參數，點擊Add按鈕 會彈出一個窗口設置單位（這里選擇dB）,點擊兩次0K后， 圖形窗口中顯示出S11隨頻率變化的曲線。用同樣的方法依次加入S22, S21, S12的曲線，山于濾波 器的對稱結構，S11與S22,以及S21與S12曲線是相同的。為了準確讀出曲線上的值，可以添加Marker,方法是點擊 菜單中的Marker - New,出現Inster

24、t Marke的窗口,接 著點擊要添加Marker的曲線， 曲線上出現一個倒三角標志, 點擊拖動此標志，可以看到曲線上各點的數值。選擇仿真曲線參數及其單位卩lot Ircu &Plot TypeHow would ycu Ike to handled出？ FFFAFFAinromplex DatA(:SYou are dddhgth* onVcocrfrfex d恥to a ply WdataTracesKII2.2I -sssAddAddVt.C dBmC MgriudePhO3CC Real partC ImagnarypariCDeAaietr end EquejonsPMZPa

25、tzmPcrtZ(2) sConcelCancel |I觀察仿真曲線觀察S11(S22)和S21 (S12)曲線是否滿足指標要求(包括優化目標中未設定的帶內起伏小于ldB的要 求)，如果已經達到指標要求，就可以進行版圖 的仿真了。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算, 其結果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算 比較復雜，需要較長的時間，在此作為対原理圖 設計的驗證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各 耦合線節的微帶線右觀(freq. GHz10-遷2.72 8free. GHz寬是否相差過大，如果相差過 大就會造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這 就需要改變變量初值重新進行優化。右版圖的仿

26、真首先要由原理圖生成版圖， 生成版圖前先耍把原理圖 中用于S參數仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他 們出現在生成的原理圖中。者掉的方法與前而關掉優 化控件的相同，都是使用啊按鈕，把這些元件打上 紅叉（見下頁圖）。然后點擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout,彈出一個設置窗口，直接點0K,又出現一個窗口，再 點0K,完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖的 窗口，里面有剛生成的版圖（見后面兒頁的圖）。用于生成版圖的原理圖JWi152e2$utot-M$ubrWw2 rrn $2mm LC2frtfi WIF,M W2*w3wewsti.nr Sinrt-*S

27、PrM5X-2I卜 FYRnQMc(11-2.99 GHXIRwy 11GHz* I Seojt GOALCfUfnGoflfl .Expr.-S(2.1) )r皿*a-g.紹*8 RanjtVerfl KtfTRXeMr(1-2d9 3Hz f1 GHz8M.expc*S(2.1) )r$*Tir9rceFiT*!i*$Pl 加.Mxr-.OVEhHiOO RtneV葉5?#43( (lWerGHz.GoMC0HvOo3expfdD( (s( (2.i) )rMTf WetrlOO .FUryr(1|-1fcrRXeMrO)-33OHxMSubEZ3Mur*1怦7 .“a 0e*033im) )T0;03mn TtnOl-4Rough-0*CLinl .SU05C-MSUJ1W-vrl mnrffnL-M ftrnVw2xVAW1 w4-0745686c(05to3) w2-1D3599Cft(OStQ3) 429Wc(05to3)t1130o(l0to 15)X2-13.4O2BoM(1OtOl5) O13.4V1cM(10to15)4 6565 opt0 5to3CZJHZZMCAl OroW-w3mS-s3frmZfVY1w2mW2rw2irmdSubwsr V-w2mn Ss2x L-I2ftnV1w