1、ADS微帶短截線低通濾波器設計摘要線通信技術的蓬勃發展，人們對個人無線通信需求不斷增加，加速全球信息時代的到來成為首要任務。在現代生活中主要分為無線通信和有線通信。射頻和微波的廣泛使用，使有線通信得到廣泛關注。微波無源器件的不斷發展也使通信技術不斷進步，而微帶濾波器是微波電路中主要器件，在微波電路中要使用濾波器濾出不用頻譜，選擇合適通信道路，對電路性能有很大影響。因此設計合適的濾波器成為設計師考慮的主要問題。由于微帶電路具有小體積，頻率寬，易于集成和優化等特點，成為設計師在做微波濾波器的首選。濾波的主要作用是保證讓頻帶內的信號通過，抑制頻帶外的信號。由于低通濾波器結構簡單，設計容易成為設計濾波

2、器的基礎。微波電路中，低通濾波器用在系統前端，使后端電路不受損壞，其陡峭衰減和寬阻帶等高性能成為現今濾波器研究熱點。本文從微波濾波器在實際電路應用出發，詳細介紹高性能低通濾波器設計理論。通過大量國內外文獻閱讀，分析，總結出微帶濾波器的發展，性能優化等方法。并在文中詳細介紹使用ADS設計基于理查德變換和科洛達規則理論的微帶短截線低通濾波器。關鍵詞：微帶低通濾波器， ADS，寬阻帶，無線通信MicrostripStub LowpassFilter Design Based On ADSAbstractWith the rapid development of wireless communicat

3、ion technology, the demand for personal wireless communications continues to increase and accelerate the advent of the global information age has become a top priority. In modern life is divided into wireless and wired communications. Widespread use of RF and microwave, so wired communication receiv

4、ed extensive attention. The continuous development of microwave passive components also makes communication technology continues to progress, and microstrip filter is a microwave circuit main components in microwave circuits using a filter to filter out without spectrum, select the appropriate commu

5、nication path, the circuit performance is greatly influences. Therefore, the design of suitable filter designer considered a major problem.Since the microstrip circuit having a small size, wide frequency range, ease of integration and optimization features, a designer doing microwave filter of choic

6、e. The main role is to ensure that the signal filtering by band, band signal suppression. Due to the simple low-pass filter structure, design is easy to become the basis of the design of the filter. Microwave circuits, the low-pass filter is used in front of the system, so that the rear end of the c

7、ircuit from damage, its steep attenuation and wide stopband other high-performance filter becomes hot topic nowadays.This article from the microwave filter, in actual circuit applications departure, details of high-performance low-pass filter design theory. Through a lot of literature to read, analy

8、ze, summarize the development and performance optimization of microstrip filter method. And discussed in detail based on the use of ADS and transform rule theory of Kuroda and Richards to design stubs low pass filter.Key words Microstrip low-pass filter, ADS, broad stop band, wireless communication目

9、錄摘要······························ABSTRACT··················&

10、#183;·········目錄·····························第一章 緒論··········

11、;·················1 1.1課題研究背景···························11.2 國內外研究現狀··

12、·························2第二章 微帶濾波器設計理論基礎······················&#

13、183;····3 2.1 濾波器的分類及類型···························3 2.2 濾波器的主要參數·············

14、83;·············6 2.3 低通濾波器歸一化原形···························7第三章 分布參數設計濾波器原理····&

15、#183;······················10 3.1 高低阻抗傳輸線等效原理························&

16、#183;··10 3.2 理查德變換和科洛達規則···························11第四章 基于ADS微帶短截線低通濾波器設計·············&#

17、183;····13 4.1 ADS中的設計與仿真···························13 4.2 結果參數分析·············&#

18、183;·············17 第五章 總結與展望···························18 參考文獻······&

19、#183;····················19第一章緒論1.1課題研究背景伴隨著科技的快速發展，人們通信手段的不斷增強，社會逐步進入信息化時代。通信領域經歷了從有線到無線的快速發展。人們聯系方式也從固話發展到移動，無線上網Wi-Fi在全國各地公共服務不斷普及。通信鄰域的信息傳播也從低頻向高頻發展。在社會強大的需求下和科研人員技術不斷支持和發展情況下，能夠滿足現在不斷變化的射頻（RF）和微波

20、（MW）電路得到人們的廣泛關注，在各個高校和研究機構都開展了各種研究，并取到不少成績。人們通信需求的不斷增大只有使用更高的載波頻率才能獲得更寬的頻帶。現在廣泛使用的移動通信（GSM和3G，4G）、無線網絡、射頻識別領域，無人飛機遙控等民用和軍用領域都達到GHZ頻段。使得人們對適用此頻段的射頻和微波電路獲得更大的關注，而此領域的射頻和微波電路設計方法也在不斷的發展創新。在當今無線通信領域應用最多的是射頻系統，射頻無線通信系統的主要功能模塊包括射頻濾波器、射頻放大器、射頻震蕩器及混頻器組成，這些模塊具有相似的結構。無線通信系統接收和發送的射頻信號是模擬信號,這個射頻模擬信號需要用濾波器濾出雜散信號

21、和放大器放大有用信號,濾波的作用是保證只能讓頻帶內的信號通過,抑制頻帶外的噪聲,放大器的目的是提高發射器發射信號或放大所接收到的微弱有用信號,所以濾波器在信號的發射與接收過程中起著關鍵的必不可少的作用,是不可或缺器件,其性能的好壞直接決定著整個系統的通信質量好壞。由于通信技術的高速發展,對電路的集成化程度、穩定性、可靠性以及體積的大小等要求越來越高。隨著新型半導體器件工作頻率達到微波波段，而通信系統前端的電路模擬在現在技術下還不能進行高度集成化，所以這些微波無源器件的小型化和高度集成化仍是現在社會面臨的技術難題。所以在微波濾波器設計中也面臨這樣的難題，許多工程技術人員在解決這個問題。傳統的方法

22、做出的器件尺寸1很大，無法集成。研發周期也很長無法滿足現代通信設備更新換代要求，而微帶濾波器所具有的體積小，寬頻帶，質量輕，易于集成等優點得到設計師的廣泛關注。1.2國內外研究現狀隨著無線通信技術的不斷發展，國內國外研究者逐漸從新型材料和新型結構兩方面開始設計和研制新型濾波器。微帶低通濾波器具有尺寸小，易于加工，易于集成等優點在射頻和微波頻段得到廣泛應用。改變介質基片，微帶低通濾波器也能擴寬適用頻率范圍。任何微波濾波器都能以低通為原型進行構建。由于微帶線自身獨特的性質使微帶濾波器設計靈活2-4，在新技術的應用中并向高性能發展。微帶濾波器在使用集總參數設計時在電容和電感會在微波波段產生寄生效應，

23、使濾波器的濾波性能造成極大的惡化，因此在高頻段 要使用分布參數進行設計，要用終端開路的微帶傳輸線代替并聯電容，而在微帶電路中串聯短路的微帶傳輸線不容易實現因此要進行不同的變換，將電路轉化為比較容易實現的形式。而近年來工程設計人員主要基于新結構和新材料的應用來提高器件的性能和集成度，尤其是將人工材料用于低通濾波器的設計中在國內外有很多研究者進行研究5-8.他們將左手材料和復合左右手材料用于濾波器設計中，這些材料具有負的介電常數，低損耗和寬頻帶特性，在濾波器設計中運用這些材料或左手結構設計都能提高濾波器的特性。另一種設計是基于缺陷地結構（DGS），同樣能夠得到高性能和緊湊型濾波器，但是這些基于新型

24、結構濾波器，結構復雜，設計方法比較麻煩，對工程人員要求比較高。在濾波器設計中，先進的商業軟件ADS為濾波器設計提供了很大的幫助，使設計周期大為縮短，基于ADS濾波器設計也有很多研究9-13。 本文提出了一種基于ADS設計的微帶短截線低通濾波器的原理和方法。首先利用ADS軟件設計出集總參數電路原理圖，然后利用理查德變換將集總元件換成短截線，并增加單位元件利用科洛達規則將串聯短截線轉換為并聯短截線設計濾波器。第二章低通濾波器設計理論2. 1濾波器的分類及類型在電路系統中濾波器作為處理信號的基本組件，主要是把不同頻率信號進行分離，使電路能夠獲得正常工作。衡量濾波器性能的主要指標是通過以下幾方面，頻率

25、范圍，帶內波紋，插損，阻帶抑制等參數。因此，濾波器按不同的方法分類有很多種。對信號進行處理可以分為模擬和數字濾波器，按照濾波器的用途可以分為低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器14按照材料和制作方法可以將濾波器分為波導濾波器，同軸線濾波器，帶狀線濾波器，微帶濾波器。在工作頻率上可分為窄帶和寬帶濾波器，通過頻響特性可分為最平坦式和等波紋式及其他形式15。圖2-1濾波器分類圖在電路設計中，我們主要涉及模擬濾波器的設計和應用，通常用無源元件來設計，在頻率很低時，我們可以用電容和電感集總參數來表示濾波器的等效電路。它的基本原理是電容和電感的諧振，是利用兩元器件的電抗隨頻率的變化而變化構成的，

26、是能量在兩者之間沒有損耗的相互轉化，最終傳至輸出端口。將噪聲通過無耗電抗原件反射回信號線，運用有損耗原件構成的濾波器將不需要的頻率濾除。當信號頻率升高到一定程度后，信號波長和濾波器的尺寸相比擬，這時設計方法就和低頻段不同，不能使用集總參數模型等效，要考慮使用分布參數模型對工作電路進行分析。在眾多濾波器中微帶濾波器以其高性能，設計周期短，小尺寸，易于同其他元器件集成和加工得到廣泛應用。隨著技術的進步，高性能基板材料逐步開發并在微帶濾波器上應用，是的微帶濾波器頻率應用范圍進一步加寬。以下是四種理想濾波器的幅頻特性：圖2-2四種理想濾波器圖2-2中（a）是低通濾波器，從圖中的幅頻特性可以看出當信號頻

27、率低于截止頻率時，信號可以無損耗的通過，隨著頻率的升高當超過截止頻率時，信號的衰減區域無窮大。圖（b）是高通濾波器，它的幅頻特性與低通濾波器不同，在工作頻帶允許高頻信號無耗通過，當信號頻率低于截止頻率時，信號將急劇衰減。圖（c）是帶通濾波器，它允許中心頻率兩側信號無耗通過，使其他頻率范圍內信號衰減為無窮大。圖（d）是理想帶阻濾波器，阻止中心頻率兩側上截止頻率和下截止頻率之間的信號，允許頻帶外的信號無損耗的通過濾波器。根據頻響可以將濾波器分為通帶內最大平坦，通帶內有等幅波紋起伏，通帶和阻帶內都有等幅波紋起伏和通帶內有線性相位等響應，于此相對應的濾波器是巴特沃斯濾波器，切比雪夫濾波器，橢圓函數濾波

28、器和線性相位濾波器等。（a）低通濾波器的最平坦響應（b）切比雪夫低通濾波器響應（c）橢圓函數低通濾波器的響應圖2-3 三種濾波器的頻響特性如圖所示（a）所示在通帶內沒有任何波紋，既插入損耗隨頻率變化最平坦，具有單調衰減的一類濾波器，稱為最大平坦濾波器或者巴特沃斯濾波器，頻響特性是在時是低通濾波器的通帶，當時為低通濾波器的阻帶，時為阻帶和通帶的分界點，此處插損要給出指標值。在通帶內巴特沃斯濾波器沒有任何波紋，在阻帶內衰減隨頻率急劇增加。圖（b）給出的是切比雪夫濾波器，從圖中可以看出，在通帶內有等波紋的響應，所以也稱等波紋濾波器。他的頻響特性是時是低通濾波器的通帶，可以看到波紋的幅值是相等的在通帶

29、內。用dB表示波紋高度。當時為低通濾波器的阻帶，在阻帶內衰減是單調遞增的。時為阻帶和通帶的分界點，此處插損要給出指標值。橢圓函數濾波器不同于巴特沃斯和切比雪夫濾波器在阻帶內有單調上升衰減，為了獲得截止陡度，從而設定了一個最小的阻帶衰減。從圖（c）中可以看到阻帶和通帶內有等波紋響應。 巴特沃斯濾波電路，切比雪夫濾波電路和橢圓濾波電路的特性對比如下表所示表2-1 濾波電路特性比較巴特沃斯濾波器切比雪夫濾波電路橢圓濾波電路參數來源二項式切比雪夫多項式橢圓函數帶外衰減可達無窮大可達無窮大有限值波紋無通帶內通帶內和通帶外電路復雜性適中適中復雜特征最大平滑等波紋最陡峭2. 2濾波器的主要參數一個濾波器的性

30、能好壞，是由他的只要參數所決定的，因此了解濾波器的參數對我們設計一個性能優越的濾波器來說至關重要。通常主要參數包括：插入損耗，通帶寬度，波紋系數，矩形系數，品質因數和阻帶抑制。下面我們來看下濾波器的主要參數。插入損耗：對一個理想濾波器來說，濾波器網絡是由沒有損耗的元器件（電感，電容，傳輸線）組成，通帶內對傳輸信號是無損耗的，因此定義為從信號源入射到濾波電路的功率與到達負載的功率的比值，采用分貝表示為（2-1）在實際電路中，插損是由于濾波器傳輸信號輸入端口的阻抗不匹配造成的。如果用表示濾波電路輸入端口的電壓發射系數，則插損可以表示為（2-2）通帶寬度：定義為在通帶內為3dB衰減對應的上邊頻截止頻

31、率和下變頻截止頻率的差值，通常可以用表示濾波器通帶帶寬。單位頻率是赫茲。圖 2-4 帶寬波紋系數：通常用來描述濾波電路通帶內的平坦度，用分貝作單位。波紋系數表示在通帶內電路響應的最大值和最小值之差。在切比雪夫電路中可以通過設置波紋系數來調控設計電路，如該濾波電路為通帶內最小衰減0dB，最大衰減為3dB，則該電路的波紋系數為3dB。矩形系數：通常用60dB帶寬和3dB帶寬的比值來定義矩形系數SF。描述濾波器在截止頻率附近陡峭變化的頻響特性。比值越接近1，濾波器性能越好。可以表示為：（2-3）品質因數：濾波器在諧振頻率下，平均儲能和一個周期內的平均能量消耗之比，品質因數Q可用如下公式表示：（2-4

32、）其中為一個周期內的平均儲能，為單位時間內平均儲能，為諧振頻率。通常在討論濾波器電路時需要考慮和區分加載品質因數和空載品質因數。阻帶抑制：用阻帶抑制來衡量一個濾波器選擇性能的好壞。一般在理想狀態下希望濾波電路通帶外的衰減能夠達到無窮大，但實際中只能使衰減值達到有限值。所以定義了阻帶衰減參數，超過這值就認為衰減達到足夠大，通常定義為60dB。如下圖所示帶通濾波電路響應都可以表示上面的主要參數。圖2-5帶通濾波器電路的典型響應2.3低通濾波器設計歸一化原型在工程設計中，低通，帶通，高通濾波器通常是由有限個元器件組成的電抗網絡，而這些濾波器的特性網絡是十分復雜的。為了得到某個頻率發生突變產生所要的濾

33、波電路，要使平滑曲線在某個頻率點發生變化，而實際中所用的函數為連續函數，在截止頻率不可能發生突然變化16-17在實際設計中工程人員通過靠近理想理想濾波器的頻響特性曲線進行制作。通常采用最大平滑巴特沃斯濾波器，等波紋切比雪夫濾波器，橢圓函數濾波器來實現所要濾波功能。如下圖所示一般歸一化低通濾波器可通過以下電路結構進行設計。其中巴特沃斯和切比雪夫濾波器都是通過這兩種電路結構構成。（a）（b）圖 2-6標出歸一化元件值的兩種多節低通濾波器等效電路圖2-6中兩種電路結構相互對稱，其頻響特性相同，都可以成為制作低通濾波器的基本形式。各個元件值g有如下方式確定：m=(1,···

34、;，N)歸一化的目的是為了提高設計的通用性。通常要將低通原型中元件值進行歸一化，對頻率進行歸一化處理。其中=1，=1。我們可以用公式表示元器件歸一化情況對于電阻和電感：(2-5)電感表示為：(2-6)電容表示為：(2-7)其中R，C，L表示電路實際元件值，而R，C，L表示一歸一化的原件值。第三章分布參數設計濾波器原理3.1高低阻抗傳輸線等效原理如下圖所示終端有載傳輸線ZL，其最終傳輸線的輸入阻抗和導納可寫為18圖3-1終端接負載傳輸線（3-1）（3-2）我們可以定義為從傳輸線輸入端口看進去，當這段傳輸線的阻抗很高時，而且負載的阻抗較低時我們可以將這段傳輸線等效為串聯電感。其滿足關系為：當Z0&

35、gt;>ZL，L<時,(3-3)由，（L0表示一段長為1的傳輸線電感，C0表示電感）上式可表示為（3-4）同理可得，當Z0<<ZL，L>時 (3-5)由此可以看出從傳輸線輸入端口看進去，當這段傳輸線的阻抗很低時，而且負載的阻抗較高時我們可以將這段傳輸線等效為并聯電容。（a）串聯電感（b）并聯電容圖3-2高低阻抗傳輸線等效示意圖由此可以得出串聯電感可以用一段阻抗很高的傳輸線代替，并聯電容可以替換為一段阻抗很低的傳輸線。3.2 Richard變換和Kuroda規則隨著濾波電路工作頻率的提高，當工作頻率達到射頻時集總元件構成的濾波電路，由于元件產生的寄生參數影響，濾波電

36、路性能遭到嚴重破壞，已經不能達到濾波效果。此時需要使用基于分布參數構建的濾波電路。分布參數濾波電路也是在集總參數濾波電路的基礎上發展而來的。就是將集總參數元件用恰當的分布參數替換達到工作效果。因此，Richards提出了一種獨特的變換方法實現電路從集總元件到分布參數的變換。就是將一段開路或短路傳輸線用分布的電感或電容元件替代。當一段傳輸線的特性阻抗為Z0，終端短路的傳輸線具有純電抗特性，其輸入阻抗Zin可表示為（3-6）電長度可以用下面的關系式來表示他與頻率的關系，例如當長度為的傳輸線，相應的工作頻率為，則電長度為（3-7）其中為傳播常數，為相速度，為歸一化頻率。將式（15）帶入（14）可得基

37、于頻率變化的傳輸線電感特性與集總元件之間的關系：（3-8）其中，是由Richard變換而來。同時電容特性集總參數元件的功能可有一段開路傳輸線來完成，如下式所示：（3-9）Richard變換可由下圖來表示：圖3-3Richards變換原理Kuroda規則就是用單位元件進行電路變換規則。使用終端短路或者開路傳輸線來進行替換，是濾波電路更容易實現濾波效果。如下圖所示為四個恒等關系：（a）（b）（c）（d）圖 3-4Kuroda規則的四種電路變換形式Kuroda規則的四種電路變換形式，將串并聯傳輸線直接轉換，把無法實現的特征阻抗值轉換成可實現的。此方法使濾波電路設計變得更加靈活多樣。第四章基于ADS的

38、設計和仿真4.1 ADS中的設計與仿真使用ADS能夠方便快捷的設計濾波器，減少工程人員的工作量，使設計周期縮短。本文主要講述使用ADS軟件設計濾波器先把集總參數濾波器設計出，然后轉化為微帶濾波器。本文詳細講述使用理查德變換和科洛達規則實現低通濾波器的過程。下面以微帶短截線低通濾波器為例詳細介紹設計過程。設計指標為：濾波器響應為低通濾波器，通帶頻率范圍為0GHZ 4GHZ，通帶內衰減小于3dB，在6GHZ時衰減大于25dB，系統特性阻抗為50歐姆。設計步驟如下：（1）啟動ADS軟件，創建原理圖，在執行菜單中選【Design Guide】【Filter】。選擇“Filter Control Win

39、dow”點擊OK，如下濾波器設計窗口。（2）單擊工具欄中圖標，得濾波器的耕種模型，在“Filter DG-All”元件面板中選擇低通濾波器模型（low-pass filter DT）放入原理圖中。圖4-1“Filter DG-All”元件面板（3）重新回到開始的設計向導中，并打開“Filter Assistant”標簽。可以看到如下帶有濾波器參數設置和幅頻設置窗口。圖4-2濾波器參數設置（4）在濾波器設計向導中輸入設計參數后點擊“Redraw”，所有參數輸入后點擊“Design”。系統給出一個滿足要求的集總參數濾波器。圖4-3濾波器電路原理圖（5）為了設計滿足要求的濾波器需要使用分布參數設計濾

40、波電路19-20單擊濾波器設計向導中圖案，打開轉換助手對話框，如下圖：圖4-4轉換助手對話框（6）選擇“LC to Tline”選項，單擊集總參數電感和電容，變為終端短路傳輸線和終端開路傳輸線。如圖（a）（b）圖4-5電感電容轉換電路（7）經過變換最后得到如下電路圖。圖4-6 LC轉換為短截線構成的電路圖（8）接著進行Kuroda轉換，單擊“TLine to TLine”需要在端口和負載出添加單位元件。點擊“Before Network”和“After Network”。圖4-7 加入單位元件后原理圖（9）在濾波器轉化助手對話框中選擇如下結構完成轉換圖4-8科洛達變換轉換后的結構為：圖4-9

41、運用科洛達變換后結構圖（10）最后點擊“LC，TLine to Microstrip”設置基板厚度和基板相對介電常數。點擊“Transform”將短截線變為微帶線。圖4-10低通濾波器原理圖（11）選擇S參數仿真控制器，設置掃頻范圍，去掉Port1和Port2，加上兩個終端負載term接地，并進行仿真。圖4-11仿真結果（12）去掉兩個負載端口和接地線，兩端重新添加Port端口，選擇【Layout】中的【Generate/Update Layout】生成濾波器版圖。圖4-12 低通濾波器版圖4.2結果參數分析從圖4-11仿真結果中可以看到在2.4GHz時S21的值為-2.991dB,在3.77

42、GHz時S21的值為-0.087dB滿足通帶內衰減小于3dB，在6GHz時S21的值為-33.764dB此時衰減大于25dB同樣滿足設計要求，但是從圖中可以看到通帶頻率范圍并沒有達到4GHz，需要進一步的優化電路。第五章 終結與展望本文首先介紹射頻電路和微波電路在現代通信領域的發展和廣泛應用，從而提出了濾波器在射頻和濾波電路中的重要作用。之后詳細介紹了國內外在濾波器設計中的不同成績和研究方法。指出新材料和新型結構對微帶濾波器性能的提高，之后提出基于ADS軟件設計濾波器的原理和方法。并詳細介紹了使用ADS運用理查德變換和科洛達規則進行濾波器設計的詳細過程。本文主要提出一種使用集總參數設計微帶短截

43、線的低通濾波器的方法步驟，并生成版圖達到設計效果。參考文獻1徐曉東,微帶帶通濾波器的研究D.武漢:武漢理工大學,2007.2清華大學微帶電路編寫組.微帶電路M.北京:人民郵電出版社,1975.3黃秋原,董詩波.射頻電路中匹配網絡的設計和分析J.武漢理工大學學報:交通科學與工程版,2007,31(6):1 061- 1 063.4 Okabe H, Caloz C, Itoh T. A compact enhanced-bandwidth hybrid ring using a left-handed transmission line sectionC/Microwave Symposium Digest, 2003 IEEE MTT-S International. IEEE, 2003, 1: 329-332.5Genc A, Baktur R. A tunable bandpass filter based on varactor loaded splitring resonatorsJ. Microwave and Optical Technology Letters, 2009, 51(10): 2394-2396.6Durán-Sindreu M