微带低通滤波器的设计与仿真.docx
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微带低通滤波器的设计与仿真
微带低通滤波器的设计与仿真
分类:
电路设计
嘿嘿,学完微波技术与天线,老师要求我们设计一个微带元器件,可以代替实验室里的元器件,小弟不才,只设计了一个低通滤波器。
现把它放到网上,以供大家参考。
带低通滤波器的设计
一、题目
第三题:
低通滤波器的设计
技术参数:
f<800MHz;通带插入损耗;带外100MHz损耗;特性阻抗Z0=50Ohm。
仿真软件:
HFSS、ADS或IE3D
介质材料:
介电常数εr=2.65,板厚1mm
二、设计过程
1、参数确定:
设计一个微带低通滤波器,其技术参数为f<800MHz;通带插入损耗;带外100MHz损耗;特性阻抗Z0=50Ohm。
介质材料:
介电常数εr=2.65,板厚1mm。
2、设计方法:
用高、底阻抗线实现滤波器的设计,高阻抗线可以等效为串联电感,低阻抗线可以等效为并联电容,计算各阻抗线的宽度及长度,确保各段长度均小于λ/8(λ为带内波长)。
3、设计过程:
(1)确定原型滤波器:
选择切比雪夫滤波器,Ώs=fs/fc=1.82,Ώs-1=0.82及Lr=0.2dB,Ls>=30,查表得N=5,原型滤波器的归一化元件参数值如下:
g1=g5=1.3394,g2=g4=1.3370,g3=2.1660,gL=1.0000。
该滤波器的电路图如图1所示:
图1
(2)计算各元件的真实值:
终端特性阻抗为Z0=50Ώ,则有
C1=C5=g1/(2*pi*f0*Z0) =1.3394/(2*3.1416*8*10^8*50) =5.3293pF,
C3= g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*8*10^8*50) =8.6182pF,
L2=L4=Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*8*10^8) =13.2994nH。
(3)计算微带低通滤波器的实际尺寸:
设低阻抗(电容)为Z0l=15Ώ。
经过计算可得W/d=12.3656,εe=2.4437,则
微带宽度 W1=W3=W5=W=1.000*12.3656=12.3656mm,
各段长度 l1=l5=Z0l*Vpl*C1= 15* 3*10^11/sqrt(2.4437)*5.3293*10^-12
=15.3412mm,
l3=Z0l*Vpl*C3 = 15* 3*10^11/sqrt(2.4437)*8.6182*10^-12
= 24.8088mm,
带内波长λ=Vpl/f=3*10^11/(sqrt(2.4437)8*10^8)=239.8873mm,λ/8=29.9859mm,
可知各段均小于λ/8,符合要求。
设高阻抗(电感)为Z0h=95Ώ。
经过计算可得W/d=0.85,εe=2.0402,则
微带宽度 W2=W4=W=1.0000*0.85=0.85mm,
各段长度l2=l4=Vph*L2/Z0h =29.4031mm,
带内波长λ=Vpl/f=3*10^11/(sqrt(2.0402)*8*10^8) =262.5396mm,λ/8=32.8175mm,
可知各段均小于λ/8,符合要求。
(4)参数修正
经过反复优化与调试,最终确定的低通滤波器的各参数如下:
低阻抗线 W1=W3=W5=14.30mm
l1=l5=18.50mm
l3=26.97mm
高阻抗线 W2=W4=1.05mm
l2=l4=30.77mm
三、仿真调试与结果
本仿真基于ADS软件,设计中的低通滤波器的电路原理图如图2所示:
按图连线,设置好参数后,运行仿真,得到S(2,1)(dB)关于f(MHz)的曲线图如图3及图4所示:
图2
由图3可以看出,设计的低通滤波器在频率大于1100MHz时,即通带外300MHz处,才使得滤波器的插入损耗L大于20dB,不满足设计要求。
但由图4可知,通带内损耗小于2dB,符合要求。
图3
图4
据此,在电路原理图上设置一个变量控制器以及优化控制器,用以优化滤波器的参数,如图5所示:
图5
通过优化以后,再仿真得到的滤波器特性曲线如图6与7所示:
由图6可以看出,设计的低通滤波器在频率大于900MHz时,即带外100MHz处,滤波器的插入损耗L大于20dB,满足设计要求。
图6
由图7可以看出,设计的低通滤波器在频率小于760MHz时,滤波器的插入损耗小于2dB,在800MHz处不到6dB,约有40MHz的误差,基本满足设计要求。
图7
参数调整好后,导出微带线的版图,如图8所示:
图8
调整好布局,对其进行仿真(注意端口的放置,图中端口1、2分别放在上下两个顶点处),得图9所示特性曲线:
图9
可以看出,该曲线与原理图的仿真相近,只是带外100MHz(即900MHz~1100MHz)损耗仍旧小于20dB,1100MHz以后才有大于20dB的损耗,存在约200MHz的偏差。
如需要更加精确的仿真结果,则要重新反复地优化微带的参数。
附1:
Smith圆图
图10
附2:
寄生通带
图11
如图所示,在高频段会产生一些寄生通带,不知何因?
还请高手不吝赐教!
四、AUTOCAD图
最后导出AUTOCAD图,添加标注,AUTOCAD图如图10所示
图12
这个图拿去做板的话不适用,得自己用autoCAD画出来,并标上尺寸。
如图13所示:
图13
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