射频分布参数滤波器的仿真 - 图文

实验4 分布参数滤波器的仿真

实验目的：

通过仿真理解和掌握微带滤波器的实现方法。

实验原理：

1．理查德（Richards）变换

通过理查德（Richards）变换，可以将集总元器件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元器件到分布参数元器件的变换。 2．科洛达（Kuroda）规则

科洛达（Kuroda）规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则即可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。在科洛达规则中附加的传输线段称为单位元器件，单位元器件是一段传输线，当f = f0时这段传输线长为?8 。 3．设计步骤：

1.根据设计要求选择归一化滤波器参数 2.用λ/8传输线替换电感和电容

3.根据Kuroda规则将串联短线变换为并联短线 4.反归一化并选择等效微带线

实验内容：

1.设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。

实验步骤：

微带短截线低通滤波器设计举例

下面设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。设计微带短截线低通滤波器的步骤如下。

（1）滤波器为3阶、带内波纹为3dB的切比雪夫低通滤波器原型的元器件值为

集总参数低通原型电路如图11.29所示。

（2）利用理查德变换，将集总元器件变换成短截线，如图11.30（a）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。

（3）增添单位元器件，然后利用科洛达规则将串联短截线变换为并联短截线，如图11.30（b）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。

（4）与图11.29对应的微带短截线滤波电路如图11.30（c）所示，图11.30（c）

中归一化特性阻抗已经变换到实际特性阻抗。

图11.29 集总参数低通原型电路

图11.30（a） 集总元器件变换成短截线的低通电路

图11.30（c） 微带短截线低通滤波电路 ADS仿真步骤： 1．创建原理图

2．利用ADS的工具tools完成对微带线的计算

下面利用ADS软件提供的计算工具tools，完成对微带短截线尺寸的计算。 （1）设置微带线参数。在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标。在微带线元器件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区，在画图区中双击MSub，弹出【Microstrip Substrate】设置对话框，在【Microstrip Substrate】对话框中对微带线参数设置如下。

H=2mm，表示微带线基板的厚度为2mm。

Er=2.3，表示微带线基板的相对介电常数为2.3。 Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。

Cond=4.1E+7，表示微带线导体的电导率为4.1E+7。

Hu=1.0e+033mm，表示微带线的封装高度为1.0e+033mm。 T=0.05mm，表示微带线的导体层厚度为0.05mm。

TanD=0.000 3，表示微带线的损耗角正切为0.000 3。 Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度为0 mm。 完成设置的微带线MSUB控件如图11.33所示。

图11.33 微带线参数设置

（2）在微带线元器件面板上，选择微带线MLIN，插入到原理图的画图区。 （3）在画图区中选中微带线MLIN，然后选择【tools】菜单→【LineCalc】→【Send Selected Component To LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，【LineCalc】计算窗口如图11.34所示。

图11.34 微带线尺寸计算窗口 在图11.34中，【LineCalc】计算窗口Substrate Parameters栏内的微带线参数已经赋值，微带线参数的赋值与图11.33的赋值一致。 （4）在【LineCalc】计算窗口，设置如下。 将频率Freq设置为4GHz。

将微带线的特性阻抗设置为217.5Ω。 将微带线的长度相移设置为45°。 上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。

W=0.079 6mm，表示微带线的宽度为0.079 6mm。 L=7.268mm，表示微带线的长度为7.268mm。 （5）在【LineCalc】计算窗口，继续计算。 将频率Freq设置为4GHz。

将微带线的特性阻抗设置为50Ω。 上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。

W=5.974mm，表示微带线的宽度为5.974mm。

（6）在原理图画图区中，计算终端开路的微带线MLOC。选择【tools】菜单→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口，在【LineCalc】计算窗口中，将Substrate Parameters栏内的微带线赋值，微带线参数的赋值与图11.33的赋值一致。在【LineCalc】计算窗口，将参数设置如下。 将频率Freq设置为4GHz。

将微带线的特性阻抗设置为64.9Ω。 将微带线的长度相移设置为45°。 上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。

W=3.920mm，表示终端开路的微带线宽度为3.920mm。 L=6.759mm，表示终端开路的微带线长度为6.759mm。 （7）在【LineCalc】计算窗口，继续计算。 将频率Freq设置为4GHz。

将微带线的特性阻抗设置为70.3Ω。 将微带线的长度相移设置为45°。 上述设置完成后，单击【LineCalc】计算窗口中的Synthesize按钮，在【LineCalc】窗口中显示出计算结果如下。

W=3.405mm，表示终端开路的微带线宽度为3.405mm。 L=6.790mm，表示终端开路的微带线长度为6.790mm。

（8）通过上述计算得到的数据，是微带短截线低通滤波器的尺寸。由上述计算得到的微带线的宽度和长度列表如下。 表11.2 计算微带短截线的尺寸 节 特性阻抗 相移 微带线的宽度 微带线的长度 微带线 217.5Ω 45° 0.079 6mm 7.268mm 单位元器件 微带短截线1 64.9Ω 45° 3.920mm 6.759mm 微带短截线2 70.3Ω 45° 3.405mm 6.790mm 微带短截线3 64.9Ω 45° 3.920mm 6.759mm 系统阻抗 50Ω 5.974mm 3．设计原理图 在微带短截线Filter_Stub1原理图上，根据图11.30搭建微带短截线低通滤波器原理图电路，搭建原理图的步骤如下。

（1）保留前面设置的微带线参数，删除原理图中的一个微带线MLIN，这时原理图中只有图11.33所示的微带线MSUB控件。

（2）在原理图的元器件面板列表上，选择微带线【TLines-Microstrip】，元器件面板上出现与微带线对应的元器件图标。在微带线元器件面板上，选择微带线MLIN，4次插入到原理图的画图区，将4个MLIN微带线的宽度W和长度设置如下。

传输线TL1设置为宽度W=5.974mm、长度L=5mm。

传输线TL2设置为宽度W=0.079 6mm、长度L=7.268mm。 传输线TL3设置为宽度W=0.079 6mm、长度L=7.268mm。 传输线TL4设置为宽度W=5.974mm、长度L=5mm。

（3）在微带线元器件面板上，选择微带线的T形结MTEE，3次插入到原理图的画图区，将3个T形结MTEE设置如下。

T形结MTEE1设置为W1=5.794mm、W2=0.079 6mm和W3=3.920mm。 T形结MTEE2设置为W1=0.079 6mm、W2=0.079 6mm和W3=3.405mm。 T形结MTEE3设置为W1=0.079 6mm、W2=5.794mm和W3=3.920mm。

（4）单击工具栏中的 按钮，将前面的MTEE和MLIN连接起来，连接方式如图11.35所示。

（点击查看大图）图11.35 3个MTEE和4个MLIN连接

（5）在微带线元器件面板上，选择终端开路的微带线MLOC，3次插入到原理图的画图区，将3个MLOC设置如下。

终端开路的微带线TL5设置为宽度W=3.920mm、长度L=6.759mm。 终端开路的微带线TL6设置为宽度W=3.405mm、长度L=6.790mm。 终端开路的微带线TL7设置为宽度W=3.920mm、长度L=6.759mm。

（6）单击工具栏中的 按钮，将前面的MTEE、MLIN和终端开路的微带线MLOC连接起来，连接方式如图11.36所示，图11.36为微带短截线低通滤波器。

（点击查看大图）图11.36 微带短截线低通滤波器 4．原理图仿真与调谐

在仿真之前，首先设置S参数仿真控件SP，SP对原理图中的仿真参量给出取值范围，当S参数仿真控件SP确定后，就可以仿真了。

（点击查看大图）图11.37带有终端负载的微带短截线低通滤波器原理图

（1）在S参数仿真元器件面板上，选择S参数仿真控件SP，插入到原理图画图区，对S参数仿真控件SP设置如下。 频率扫描类型选为线性Linear。 频率扫描的起始值设为0GHz。 频率扫描的终止值设为6GHz。 频率扫描的步长设为0.1GHz。 其余的参数保持默认状态。

单击S参数仿真控件设置窗口中的OK，完成对S参数仿真控件的设置，S参数仿真控件SP如图11.38所示。

（2）现在可以对微带短截线低通滤波器的原理图仿真了。在原理图工具栏中单击 按钮，运行仿真，仿真结束后，数据显示视窗自动弹出。

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