切比雪夫带通滤波器

课程设计

题 目 切比雪夫带通滤波器的设计

学生姓名 学号 所在院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子1104 指导教师 聂翔 完成地点 博远楼计算机实验室

2014年1月08日

微波滤波器在卫星通信、雷达技术、电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。无论是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦，切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。本文借助ADS2008仿真软件，设计出一种切比雪夫带通滤波器，简化了设计步骤，节省了设计时间。

关键字：ADS软件 带通滤波器 切比雪夫

1设计方法与参数 ............................................................................................................................ 3

1.1将带通原型参数变换为低通原型参数； ......................................................................... 3 1.2参数计算 ............................................................................................................................. 3 2软件仿真........................................................................................................................................ 4

2.1创建项目 ............................................................................................................................. 4 2.2利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算 ................................................. 5 2.3设计原理图 ......................................................................................................................... 5 2.4原理图仿真 ......................................................................................................................... 6 2.5原理图优化 ......................................................................................................................... 8 2.6版图生成与仿真 ............................................................................................................... 12 3设计心得： .................................................................................................................................. 13 参考文献......................................................................................................................................... 14

1设计方法与参数

设计带通滤波器的方法有很多种，但最为产检的是低通原型滤波器综合法和数值法，这两种方法与设计师多种可能解决方案之间的抉择紧密关联。相对与巴特沃兹滤波器，切比雪夫滤波器具有的较窄的过渡带，但这是以牺牲滤波器通带和阻带的波纹性换来的。主要的技术指标：

（1）中心频率f0:2.5GHz;

（中心频率f0

，fh、fl分别为带通滤波器的上、下边

界频率。）

（2）输入输出阻抗：50；

（3）带内波动: 3dB;（通带内插入损耗随频率的变化量） （4）相对带宽：20%;（信号带宽与中心频率之比） （5）阶数：3阶

1.1将带通原型参数变换为低通原型参数；

w'f0ff0由低通原型滤波器变换为带通滤波器的公式为：；

w1'BWf0f

为带通滤波器中心频率，fh、fl分别为带通滤波器的上、下边界频率。

其中f0BW为滤波器的带宽BW=fh-fl。

依据切比雪夫低通滤波器原型的归一化元件值可得：3阶带通滤波器元件值依次为：g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0。

1.2参数计算

使用归一化设计参数g1-g4和归一化带宽BW可以得到通带滤波器的设计参数

1Ji,i1

Z0

1BWJn,n1

Z0

由上式的通带电路设计参数可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值为：

2

ZO|i,i1Z01Z0Ji,i1Z0Ji,i1 2ZE|i,i1Z01Z0Ji,i1Z0Ji,i1 

式中Z0为特征阻抗，取值为50，

将g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0带入上述式中依次得到：

J0,1=0.0140、J1,2=0.0119、J2,3=0.0119、J3,4=0.0140

解出特征阻抗为：

奇模：ZO|0,1=39.50、ZO|1,2=37.95、ZO|2,3=37.95、ZO|3,4=39.50 偶模：ZE|0,1=109.50、ZE|1,2=97.45、ZE|2,3=97.45、ZE|3,4=109.50

2软件仿真

2.1创建项目

启动ADS软件，弹出主视窗。选择主视窗中的【file】菜单->【new project】，弹出【new

project】对话框，在【new project】对话框输入项目名称和这个项目默认的长度单位。

2.2利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算

ADS软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算，使用者可以利用计算工具提供的图形化界面进行设计。对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，若给定平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗，可以计算平行耦合微带线导体带的角度和间隔距离。下面利用ADS软件提供的计算工具，完成对平行耦合微带线的计算。在原理图上，选择【tools】菜单->【LineCalc】->【Start LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口。如图示。

设置所需参数。在【LineCalc】计算窗口选择如下： Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7。 Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。 H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。

Hu=1.0e+033，表示微带线的封装高度为1.0e+033。 T=0.05mm，表示微带线的导体厚度为0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003. Freq=2.4GHZ，表示计算时采用的频率为2.4GHZ. Ze，表示计算时偶模的特性阻抗。 Zo，表示计算时奇模的特性阻抗。

2.3设计原理图

在原理图的元件面板列表中，选择【TLines-Microstrip】，元件面板上出现对应的元件图标。在元件面板上选择Mcfil，4次插入原理图的画图区，可以设置这段微带线的导体带宽度W，导体带间隔S和长度L。分别双击画图区的4个Mcfil，将4个Mcfil的数值根据

列表中的数值设置，在微带线元件面板上选择MLIN，两次插入原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。分别双击可以设置。选择S参数仿真元件面板，在元件面板上选择负载终端Term，两次插入原理图，再插入两次地线，完成连线如下图

2.4原理图仿真

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。在S参数仿真元件面板【Simulation-S_Param】上，选择S参数仿真控件SP，插入原理图区，对S参数控件设置如下start=1.0GHz，stop=4GHz，step=20MHz

仿真后波形如下

所以要进行优化。

2.5原理图优化

修改平行微带线段的取值方式，将平行耦合微带线段的导体带宽度W、两个导体带的间

隔S和耦合微带线的长度L设置为变量，并设置相邻平行耦合微带线的尺寸，分别在下面窗口中设置4段微带线

设置完成后，在原理图的工具栏选择【VAR】按钮，插入原理图的画图区。在画图区双击VAR，弹出【Variables and Equations】对话框，在对话框中对变量w1、s1、l1、w2、s2、l2的范围进行设置得到

在原理图中插入优化控件Optim，双击优化控件Optim，设置优化次数为100次

在原理图中插入3个目标控件GOAL,双击设置如下

最后所得的优化原理图为

得到仿真的波形图如下，

如上图所示，优化后并不满足设计要求。最后通过工具栏中【Simulate】—>【Tuning】进行调谐。如下图所示：

得到仿真图如下：

S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；

S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；

S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数； S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数； 对于互易网络，有：S12＝S21； 对于对称网络，有：S11＝S22

从上表可以看出：

M4为中心频率为2.5GHz在中心，满足技术指标，

M1为上边频2.24GHz，M2为下边频2.76GHz，满足技术指标 由M2和M3得带内波纹为2.940dB

相对带宽20%满足技术指标（2.24-2.76GHz）

2.6版图生成与仿真

（1）在原理图视窗上，单击原理图工具栏中的【Deactive or Active Component】按钮，然后单击两个端口的Term、接地、和优化控件，去掉阶梯阻抗带通滤波器两个端口的Term、接地和优化控件，不让它们出现在生成的班图中。 （2）选择原理图上的【Layout】菜单>【Generate/Update Layout】，弹出【Generate/Update Layout】设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮。默认它的设置。

（3）完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，如图所示。原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。

（4）选择版图工具栏上的端口Port，两次插入版图，输入端口设置为端口1，输出端口设置为端口2.

（5）下面设置微带线的基本参数。为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本参数与原理图中微带线的基本参数一致。选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。

3设计心得：

本文以切比雪夫带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器设计方法与利用微波电路仿真工具设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为20%的切比雪夫带通滤波器，并给出仿真结果，同时对仿真结果进行了分析。仿真结果表明利用这种方法设计的切比雪夫带通滤波器达到了要求的指标，本次的设计是我们在学习ADS2008的基础上跟同组同学的讨论，设计，遇到问题大家一起解决，也让我学到了与同学之间的合作。

本次设计遇到的难题是优化的时候，首先进行自动各个值设计为变量，并输入优化范围，如果还达不到要求，可以把优化范围扩大，优化次数加大，如果还没达到技术指标，可以进行手动优化，本次我们设计采用自动优化和手动优化相结合。

参考文献

1、徐兴福编著《ADS2008射频电路与仿真实例》 电子工业出版社 2009 p99-139

2、黄玉兰编著《ADS射频电路设计基础与典型应用》 人民邮电出版社 2008 p138-149 3、黄玉兰编著 《基于ads的低通滤波器的实现》 人民邮电出版社 2009 p5-9 4、黄玉兰编著 《射频电路设计理论与基础》人民邮电出版社2012.12:p101-107；p129-163.

5、王子宇 王心悦 等译 2013.8:p112-182；

射频电路设计-理论与应用》

电子工业出社《

课程设计

题 目 切比雪夫带通滤波器的设计

学生姓名 学号 所在院(系) 物理与电信工程学院 专业班级 电子1104 指导教师 聂翔 完成地点 博远楼计算机实验室

2014年1月08日

微波滤波器在卫星通信、雷达技术、电子对抗及微波测量仪器中都有广泛的应用。无论是发射机还是接收机，都需要选择特定频率的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦，切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小。本文借助ADS2008仿真软件，设计出一种切比雪夫带通滤波器，简化了设计步骤，节省了设计时间。

关键字：ADS软件 带通滤波器 切比雪夫

1设计方法与参数 ............................................................................................................................ 3

1.1将带通原型参数变换为低通原型参数； ......................................................................... 3 1.2参数计算 ............................................................................................................................. 3 2软件仿真........................................................................................................................................ 4

2.1创建项目 ............................................................................................................................. 4 2.2利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算 ................................................. 5 2.3设计原理图 ......................................................................................................................... 5 2.4原理图仿真 ......................................................................................................................... 6 2.5原理图优化 ......................................................................................................................... 8 2.6版图生成与仿真 ............................................................................................................... 12 3设计心得： .................................................................................................................................. 13 参考文献......................................................................................................................................... 14

1设计方法与参数

设计带通滤波器的方法有很多种，但最为产检的是低通原型滤波器综合法和数值法，这两种方法与设计师多种可能解决方案之间的抉择紧密关联。相对与巴特沃兹滤波器，切比雪夫滤波器具有的较窄的过渡带，但这是以牺牲滤波器通带和阻带的波纹性换来的。主要的技术指标：

（1）中心频率f0:2.5GHz;

（中心频率f0

，fh、fl分别为带通滤波器的上、下边

界频率。）

（2）输入输出阻抗：50；

（3）带内波动: 3dB;（通带内插入损耗随频率的变化量） （4）相对带宽：20%;（信号带宽与中心频率之比） （5）阶数：3阶

1.1将带通原型参数变换为低通原型参数；

w'f0ff0由低通原型滤波器变换为带通滤波器的公式为：；

w1'BWf0f

为带通滤波器中心频率，fh、fl分别为带通滤波器的上、下边界频率。

其中f0BW为滤波器的带宽BW=fh-fl。

依据切比雪夫低通滤波器原型的归一化元件值可得：3阶带通滤波器元件值依次为：g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0。

1.2参数计算

使用归一化设计参数g1-g4和归一化带宽BW可以得到通带滤波器的设计参数

1Ji,i1

Z0

1BWJn,n1

Z0

由上式的通带电路设计参数可以得到奇模和偶模特征阻抗，其值为：

2

ZO|i,i1Z01Z0Ji,i1Z0Ji,i1 2ZE|i,i1Z01Z0Ji,i1Z0Ji,i1 

式中Z0为特征阻抗，取值为50，

将g0=1.0、g1=1.5963、g2=1.0967、g3=1.5963、g4=1.0带入上述式中依次得到：

J0,1=0.0140、J1,2=0.0119、J2,3=0.0119、J3,4=0.0140

解出特征阻抗为：

奇模：ZO|0,1=39.50、ZO|1,2=37.95、ZO|2,3=37.95、ZO|3,4=39.50 偶模：ZE|0,1=109.50、ZE|1,2=97.45、ZE|2,3=97.45、ZE|3,4=109.50

2软件仿真

2.1创建项目

启动ADS软件，弹出主视窗。选择主视窗中的【file】菜单->【new project】，弹出【new

project】对话框，在【new project】对话框输入项目名称和这个项目默认的长度单位。

2.2利用ADS的计算工具tools完成对微带滤波器的计算

ADS软件中的工具tools，可以对不同类型的传输线进行计算，使用者可以利用计算工具提供的图形化界面进行设计。对于平行耦合微带线来说，可以进行物理尺寸和电参数之间的数值计算，若给定平行耦合微带线奇模和偶模的特性阻抗，可以计算平行耦合微带线导体带的角度和间隔距离。下面利用ADS软件提供的计算工具，完成对平行耦合微带线的计算。在原理图上，选择【tools】菜单->【LineCalc】->【Start LineCalc】命令，弹出【LineCalc】计算窗口。如图示。

设置所需参数。在【LineCalc】计算窗口选择如下： Er=2.7，表示微带线基板的相对介电常数为2.7。 Mur=1，表示微带线的相对磁导率为1。 H=1mm，表示微带线基板的厚度为1mm。

Hu=1.0e+033，表示微带线的封装高度为1.0e+033。 T=0.05mm，表示微带线的导体厚度为0.05mm。 Cond=5.8E+7，表示微带线导体的电导率为5.8E+7。 TanD=0.0003，表示微带线的损耗角正切为0.0003. Freq=2.4GHZ，表示计算时采用的频率为2.4GHZ. Ze，表示计算时偶模的特性阻抗。 Zo，表示计算时奇模的特性阻抗。

2.3设计原理图

在原理图的元件面板列表中，选择【TLines-Microstrip】，元件面板上出现对应的元件图标。在元件面板上选择Mcfil，4次插入原理图的画图区，可以设置这段微带线的导体带宽度W，导体带间隔S和长度L。分别双击画图区的4个Mcfil，将4个Mcfil的数值根据

列表中的数值设置，在微带线元件面板上选择MLIN，两次插入原理图的画图区，MLIN是一段长度的微带线，可以设置这段微带线的宽度W和长度L。分别双击可以设置。选择S参数仿真元件面板，在元件面板上选择负载终端Term，两次插入原理图，再插入两次地线，完成连线如下图

2.4原理图仿真

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。在S参数仿真元件面板【Simulation-S_Param】上，选择S参数仿真控件SP，插入原理图区，对S参数控件设置如下start=1.0GHz，stop=4GHz，step=20MHz

仿真后波形如下

所以要进行优化。

2.5原理图优化

修改平行微带线段的取值方式，将平行耦合微带线段的导体带宽度W、两个导体带的间

隔S和耦合微带线的长度L设置为变量，并设置相邻平行耦合微带线的尺寸，分别在下面窗口中设置4段微带线

设置完成后，在原理图的工具栏选择【VAR】按钮，插入原理图的画图区。在画图区双击VAR，弹出【Variables and Equations】对话框，在对话框中对变量w1、s1、l1、w2、s2、l2的范围进行设置得到

在原理图中插入优化控件Optim，双击优化控件Optim，设置优化次数为100次

在原理图中插入3个目标控件GOAL,双击设置如下

最后所得的优化原理图为

得到仿真的波形图如下，

如上图所示，优化后并不满足设计要求。最后通过工具栏中【Simulate】—>【Tuning】进行调谐。如下图所示：

得到仿真图如下：

S11：端口2匹配时，端口1的反射系数；

S22：端口1匹配时，端口2的反射系数；

S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数； S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数； 对于互易网络，有：S12＝S21； 对于对称网络，有：S11＝S22

从上表可以看出：

M4为中心频率为2.5GHz在中心，满足技术指标，

M1为上边频2.24GHz，M2为下边频2.76GHz，满足技术指标 由M2和M3得带内波纹为2.940dB

相对带宽20%满足技术指标（2.24-2.76GHz）

2.6版图生成与仿真

（1）在原理图视窗上，单击原理图工具栏中的【Deactive or Active Component】按钮，然后单击两个端口的Term、接地、和优化控件，去掉阶梯阻抗带通滤波器两个端口的Term、接地和优化控件，不让它们出现在生成的班图中。 （2）选择原理图上的【Layout】菜单>【Generate/Update Layout】，弹出【Generate/Update Layout】设置窗口，单击窗口上的【OK】按钮。默认它的设置。

（3）完成版图的生成过程后，版图视窗会自动打开，画图区会显示刚刚生成的版图，如图所示。原理图中构成滤波器电路的各种微带线元件模型，在版图中已经转化成实际微带线。

（4）选择版图工具栏上的端口Port，两次插入版图，输入端口设置为端口1，输出端口设置为端口2.

（5）下面设置微带线的基本参数。为了使版图的仿真结果有效，必须使版图中微带线的基本参数与原理图中微带线的基本参数一致。选择版图视窗中的【Momentum】菜单>【Substrate】>【Update From Schematic】命令，从原理图视窗得到微带线的基本参数。

3设计心得：

本文以切比雪夫带通滤波器原理为基础，将传统的滤波器设计方法与利用微波电路仿真工具设计滤波器的方法相结合，设计了一个相对带宽为20%的切比雪夫带通滤波器，并给出仿真结果，同时对仿真结果进行了分析。仿真结果表明利用这种方法设计的切比雪夫带通滤波器达到了要求的指标，本次的设计是我们在学习ADS2008的基础上跟同组同学的讨论，设计，遇到问题大家一起解决，也让我学到了与同学之间的合作。

本次设计遇到的难题是优化的时候，首先进行自动各个值设计为变量，并输入优化范围，如果还达不到要求，可以把优化范围扩大，优化次数加大，如果还没达到技术指标，可以进行手动优化，本次我们设计采用自动优化和手动优化相结合。

参考文献

1、徐兴福编著《ADS2008射频电路与仿真实例》 电子工业出版社 2009 p99-139

2、黄玉兰编著《ADS射频电路设计基础与典型应用》 人民邮电出版社 2008 p138-149 3、黄玉兰编著 《基于ads的低通滤波器的实现》 人民邮电出版社 2009 p5-9 4、黄玉兰编著 《射频电路设计理论与基础》人民邮电出版社2012.12:p101-107；p129-163.

5、王子宇 王心悦 等译 2013.8:p112-182；

射频电路设计-理论与应用》

电子工业出社《