PAGEPAGE21實(shí)驗(yàn)三射頻濾波器實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．掌握射頻低通、帶通濾波器的工作原理2．學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化和仿真3．學(xué)會(huì)使用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試濾波器的幅頻特性二實(shí)驗(yàn)原理1低通濾波器集總元件低通原型濾波器是設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)。一般低通原型濾波器的兩種可行結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，它是個(gè)LC梯型網(wǎng)絡(luò)，兩端各接純電阻負(fù)載，（a）與（b）兩電路互為對(duì)偶，即串聯(lián)電感與并聯(lián)電容存在對(duì)換關(guān)系。圖3-1低通原型濾波器的電路低通原型的頻率響應(yīng)通常有最平坦響應(yīng)和等波紋響應(yīng)兩種。最平坦型濾波器的衰減曲線中沒(méi)有任何波紋，所以稱為最大平滑濾波器，也稱巴特沃斯濾波器。其衰減函數(shù)為（3-1）其中歸一化頻率。等波紋型濾波器的頻率響應(yīng)在通帶內(nèi)有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，故稱為等波紋型，也稱為切比雪夫響應(yīng)。其衰減函數(shù)為（3-2）與巴特沃斯低通原型相比較，對(duì)于給定的通帶衰減和濾波器節(jié)數(shù)，切比雪夫低通原型的阻帶衰減斜率陡峭得多。2帶通濾波器發(fā)卡式濾波器是半波長(zhǎng)耦合微帶濾波器的一種變形結(jié)構(gòu)，是把半波長(zhǎng)耦合諧振器折合成“U”字形構(gòu)成的。發(fā)卡式濾波器是由若干個(gè)發(fā)卡式諧振器并排排列組合而成，這些諧振器之間主要是通過(guò)其邊緣區(qū)域的電磁場(chǎng)相互交叉耦合的。因此，這部分區(qū)域決定了發(fā)卡式濾波器之間的耦合特性和耦合強(qiáng)度。在每個(gè)諧振器兩臂的開放端，電場(chǎng)強(qiáng)度分布達(dá)到最大；而在其兩臂的中間部分，磁場(chǎng)強(qiáng)度分布達(dá)到最大。如圖3-2所示，根據(jù)諧振器間的相對(duì)位置，發(fā)卡式諧振器可以分為四種基本耦合結(jié)構(gòu)：電耦合、磁耦合、第一及第二類混合耦合。圖中，a為諧振器臂長(zhǎng)，b為臂間距，w為線寬，s為兩諧振器間距，d為兩諧振器偏移距離。圖3-2微帶型發(fā)卡式諧振器的4類基本耦合結(jié)構(gòu)對(duì)于相同的微帶線結(jié)構(gòu)，如果兩個(gè)諧振器的s和d減小，其耦合性能必定增強(qiáng)。此外，諧振器之間的耦合強(qiáng)度可以通過(guò)耦合系數(shù)來(lái)進(jìn)行分析。耦合系數(shù)越大，耦合性能越強(qiáng)；反之則耦合性能越弱。發(fā)卡式諧振器信號(hào)源的輸入輸出方式可采用抽頭方式或縫隙耦合方式。發(fā)卡式諧振器的諧振頻率主要由以下參數(shù)確定：發(fā)卡臂長(zhǎng)a、線寬w以及兩臂之間的距離b。通常取發(fā)卡諧振器的臂長(zhǎng)約為，為微帶介質(zhì)中的帶內(nèi)波長(zhǎng)，，為所設(shè)計(jì)的帶通濾波器的通帶中心頻率，，式中和為濾波器通帶所對(duì)應(yīng)的頻率點(diǎn)。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備及裝置圖本實(shí)驗(yàn)主要是通過(guò)使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測(cè)試RF帶通及低通濾波器的散射參數(shù)（S11、S12、S21、S22）來(lái)熟悉濾波器的性能。連接圖如下，將網(wǎng)絡(luò)分析儀的1端口接到濾波器的輸入端口，將濾波器的輸出端口接到網(wǎng)絡(luò)分析儀的2端口。實(shí)驗(yàn)中使用的低通集總濾波器模塊，為11階電容輸入式LC梯形網(wǎng)絡(luò)；微帶帶通濾波器模塊，為5節(jié)發(fā)卡式濾波器，信號(hào)源輸入輸出采用抽頭線方式，兩端接以50歐姆匹配負(fù)載。其PCB圖分別如下所示。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟學(xué)習(xí)使用ADS軟件設(shè)計(jì)濾波器的方法及步驟。使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3620測(cè)量微波帶通和低通濾波器的散射參數(shù)。1.使用ADS設(shè)計(jì)濾波器1.1低通濾波器啟動(dòng)ADS進(jìn)入主窗口，點(diǎn)擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱及存儲(chǔ)路徑，點(diǎn)擊LengthUnit設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米，工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口中顯示出該工程，同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開。ADS的FilterDesignGuide可以快速準(zhǔn)確的生成各種濾波器，此處我們用它來(lái)設(shè)計(jì)集總低通濾波器。（1）．確定設(shè)計(jì)指標(biāo)切比雪夫型低通濾波器，截止頻率450MHz，帶內(nèi)衰減小于1dB,阻帶480MHz以上衰減大于20dB。（2）.運(yùn)行設(shè)計(jì)指導(dǎo)在原理圖窗口點(diǎn)擊命令DesignGuide->Filter,彈出Filter對(duì)話框，選擇FilterControlWindow并點(diǎn)擊OK，彈出新窗口FilterDesignGuide，在原理圖中放置Smart元件后它將被激活。選擇命令View->ComponentPalette-All或在工具欄中點(diǎn)擊ComponentPalette-All圖標(biāo)，原理圖左側(cè)就會(huì)出現(xiàn)Smart元件面板?；蛘咴谠韴D設(shè)計(jì)窗口中選擇濾波器設(shè)計(jì)指導(dǎo)工具欄也可以打開Smart元件面板。（3）．放置Smart元件并設(shè)計(jì)濾波器在原理圖左側(cè)的FilterDG工具欄中選擇Smart元件放置在原理圖中，此時(shí)FilterDesignGuide窗口被激活。點(diǎn)擊FilterAssistant標(biāo)簽，設(shè)定濾波器的詳細(xì)參數(shù)，包括通帶和阻帶頻率及衰減、濾波器類型、源及匹配負(fù)載阻抗等。設(shè)置好濾波器的響應(yīng)后，點(diǎn)擊Redraw觀察響應(yīng)曲線的變化，若達(dá)不到指標(biāo)要求，可適當(dāng)更改參數(shù)。響應(yīng)曲線達(dá)到指標(biāo)要求后，點(diǎn)擊Design按鈕，進(jìn)行濾波器的自動(dòng)設(shè)計(jì)。原理圖中的Smart元件已具有所要求的濾波器特性，而且濾波器具體電路已經(jīng)創(chuàng)建好了。點(diǎn)擊工具欄中的PushIntoHierarchy圖標(biāo)可以進(jìn)入DT元件來(lái)檢驗(yàn)電路，點(diǎn)擊PopOut跳回到上層電路。（4）．檢驗(yàn)濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果點(diǎn)擊FilterDesignGuide窗口中的SimulationAssistant標(biāo)簽，設(shè)置掃描頻率范圍，例如從200MHz到700MHz，步長(zhǎng)為10MHz，然后點(diǎn)擊Simulate按鈕觀察結(jié)果，一個(gè)模板會(huì)運(yùn)行S參數(shù)仿真并顯示結(jié)果。檢驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，比較理想響應(yīng)曲線與實(shí)際曲線的差異，移動(dòng)MarkerM1、M2可以讀取曲線任意點(diǎn)處的數(shù)值，移動(dòng)MarkerA、B會(huì)比較該段內(nèi)的輸入?yún)?shù)和仿真結(jié)果。由圖可以看出，電路參數(shù)滿足設(shè)計(jì)的指標(biāo)要求。1.2發(fā)卡式帶通濾波器啟動(dòng)ADS進(jìn)入主窗口，點(diǎn)擊File->NewProject設(shè)置工程文件名稱及存儲(chǔ)路徑，點(diǎn)擊LengthUnit設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米，工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口中顯示出該工程，同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開。確定設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶1.0~1.4Ghz，帶內(nèi)衰減小于3dB，起伏小于1dB，0.6Ghz以下及1.8Ghz以上衰減大于50dB,端口反射系數(shù)小于-25dB。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行仿真。S12（S21）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全部表現(xiàn)在S12（S21）隨頻率變化曲線的形狀上。S11（S22）是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。生成濾波器原理圖在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具欄；在工具欄中點(diǎn)擊選擇耦合線、彎頭以及T型接頭并在右側(cè)的繪圖區(qū)放置；選擇微帶線、開路短線以及控件MSUB分別放置在繪圖區(qū)中；選擇畫線工具將電路連接起來(lái)，連接方式如下圖所示。圖中四個(gè)Mcfil表示濾波器的四個(gè)耦合線節(jié)，MLIN和MSOBND表示耦合線節(jié)之間的連接線。設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)雙擊原理圖中的控件MSUB設(shè)置微帶線參數(shù)。也可以點(diǎn)擊MSUB下面的文字直接進(jìn)行修改，但要注意數(shù)字與單位之間有一個(gè)空格。H：介質(zhì)基板厚度（1mm）Er：介質(zhì)基板相對(duì)介電常數(shù)（4.6）Mur：磁導(dǎo)率（1）Cond：金屬電導(dǎo)率（銅5.88E+7）Hu：封裝高度（1.0E+33mm）T：金屬層厚度（0.02mm）TanD：損耗角正切（0）Rough：表面粗糙度（0mm）計(jì)算引出線寬度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(jì)算工具得到，具體方法是點(diǎn)擊菜單欄Tools->LineCalc->StartLineCalc，出現(xiàn)一個(gè)新的窗口：在窗口的SubstrateParameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線參數(shù)在ComponentParameters欄中填入中心頻率（本例中為1.2GHz）Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長(zhǎng)；Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲；點(diǎn)擊Synthesize和Analyze欄中的箭頭，可以進(jìn)行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算填入50Ohm和90deg可以換算出微帶線的線寬1.82mm和長(zhǎng)度33.68mm（四分之一波長(zhǎng)）。另外打開的一個(gè)窗口顯示當(dāng)前運(yùn)算狀態(tài)以及錯(cuò)誤信息。設(shè)置微帶器件的參數(shù)雙擊濾波器兩邊的引出線，分別將其寬與長(zhǎng)設(shè)為1.82mm和2.5mm（其中線長(zhǎng)只是暫定，以后制作版圖時(shí)還會(huì)修改）。因?yàn)榘l(fā)卡式濾波器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以四個(gè)耦合線節(jié)中，第1、4及2、3節(jié)微帶線長(zhǎng)L、寬W和間距S的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)。雙擊每個(gè)耦合線節(jié)設(shè)置其參數(shù)，W、L、S分別設(shè)為相應(yīng)的數(shù)值，其中的W1與W2參數(shù)代表該器件左右相鄰兩側(cè)的微帶器件的線寬，它們用來(lái)確定器件間的位置關(guān)系。S參數(shù)仿真電路設(shè)置在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄；選擇Term放置在濾波器兩邊，用來(lái)定義端口1和2，點(diǎn)擊圖標(biāo)，放置兩個(gè)地，并如圖所示連接好電路；選擇S參數(shù)掃描控件放置在原理圖中，并設(shè)置掃描的頻率范圍和步長(zhǎng)，頻率范圍根據(jù)濾波器的指標(biāo)確定（要包含通帶和阻帶的頻率范圍）。觀察仿真曲線點(diǎn)擊工具欄中的Simulate按鈕進(jìn)行仿真，仿真結(jié)束后會(huì)出現(xiàn)圖形顯示窗口。點(diǎn)擊圖形顯示窗口左側(cè)工具欄中的按鈕，放置一個(gè)方框到圖形窗口中，這時(shí)會(huì)彈出一個(gè)設(shè)置窗口，在窗口左側(cè)的列表里選擇S（1，1）即S11參數(shù)，點(diǎn)擊Add按鈕會(huì)彈出一個(gè)窗口設(shè)置單位（這里選擇dB），點(diǎn)擊兩次OK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，由于濾波器的對(duì)稱結(jié)構(gòu)，S11與S22，以及S21與S12曲線是相同的。為了準(zhǔn)確讀出曲線上的值，可以添加Marker，方法是點(diǎn)擊菜單中的Marker->New，出現(xiàn)InsertMarker的窗口，接著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線，曲線上出現(xiàn)一個(gè)倒三角標(biāo)志，點(diǎn)擊拖動(dòng)此標(biāo)志，可以看到曲線上各點(diǎn)的數(shù)值。電路參數(shù)調(diào)諧在原理圖中，用Shift或Ctrl鍵來(lái)同時(shí)選中需要調(diào)諧的元件，點(diǎn)擊命令Simulate->Tuning或工具欄上的TuneParameters按鈕，打開調(diào)諧器，同時(shí)仿真圖形顯示窗口和調(diào)諧參數(shù)窗口會(huì)一同彈出。還可以在原理圖中點(diǎn)擊需要調(diào)諧的元件，彈出一個(gè)可調(diào)諧參數(shù)的選擇窗口后勾選相應(yīng)的參數(shù)值加入到調(diào)諧參數(shù)窗口中，并設(shè)置其當(dāng)前值、調(diào)諧范圍及調(diào)諧步長(zhǎng)。在調(diào)諧參數(shù)窗口的Simulate欄的下拉列表中選擇AfterEachChange，這樣每次改變?cè)膮?shù)值后就會(huì)自動(dòng)進(jìn)行S參數(shù)仿真了。點(diǎn)擊元件欄中的箭頭或者滑動(dòng)滑塊來(lái)改變?cè)膮?shù)值，觀察仿真曲線窗口中S11（S22）和S21（S12）曲線的即時(shí)變化情況。調(diào)節(jié)過(guò)程中，點(diǎn)擊UpdateSchematic按鈕可以更新原理圖中的相應(yīng)參數(shù)。當(dāng)仿真曲線已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求時(shí)，關(guān)閉調(diào)節(jié)窗口，即可進(jìn)行版圖仿真。版圖的仿真版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此作為對(duì)原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。首先要由原理圖生成版圖。生成版圖前先要把原理圖中用于S參數(shù)仿真的兩個(gè)Term以及接地去掉，去掉的方法是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。然后點(diǎn)擊菜單中的Layout->Generate/UpdateLayout，彈出一個(gè)設(shè)置窗口，確保SharingComponent是P1（原理圖中的Port1），這樣從左到右電路版圖才能正確形成。點(diǎn)擊OK，出現(xiàn)一個(gè)對(duì)話框顯示版圖窗口中產(chǎn)生的元件數(shù)目，點(diǎn)擊OK，完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開一個(gè)顯示版圖的窗口。版圖生成后要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（即原理圖中MSUB里的參數(shù)），方法是點(diǎn)擊版圖窗口菜單中的Momentum->Substrate->UpdateFromSchematic從原理圖中獲得這些參數(shù)，點(diǎn)擊Momentum->Substrate->Create/Modify可以驗(yàn)證和修改這些參數(shù)。為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個(gè)端口，方法是點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)擊加上兩個(gè)port，將版圖放大后可以看到兩個(gè)端口P1、P2。點(diǎn)擊Momentum->Simulation->S-parameters彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的SweepType選擇Adaptive，起止頻率設(shè)為與原理圖中相同，采樣點(diǎn)數(shù)限制取10（因?yàn)榉抡婧苈?，所以點(diǎn)數(shù)不要取的太多）。然后點(diǎn)擊Update按鈕，將設(shè)置填入左側(cè)列表中，點(diǎn)擊Simulate按鈕開始進(jìn)行仿真。仿真過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示仿真進(jìn)程。仿真運(yùn)算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化。如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，此時(shí)要先使打上紅叉的部件恢復(fù)有效才能進(jìn)行優(yōu)化，之后重復(fù)前面所述的過(guò)程，直到版圖仿真的結(jié)果達(dá)到要求為止。其他參數(shù)在進(jìn)行原理圖仿真時(shí)，還可以看到濾波器的群時(shí)延以及輸入的電壓駐波比等參數(shù)。雙擊S參數(shù)控件，在其設(shè)置窗口的Parameters選項(xiàng)卡中勾上Groupdelay選項(xiàng)，就會(huì)在仿真時(shí)計(jì)算群時(shí)延。把左側(cè)工具欄設(shè)為，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計(jì)算輸入駐波比。要觀察這兩個(gè)參數(shù)的曲線，只需在仿真后出現(xiàn)的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。2.使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量濾波器步驟一調(diào)用誤差校準(zhǔn)后的系統(tǒng)狀態(tài)步驟二測(cè)量低通濾波器設(shè)置頻率范圍：起始頻率200MHz，終止頻率700MHz。設(shè)置源功率：將功率電平設(shè)置為-10dBm。按照裝置圖連接待測(cè)器件；將測(cè)量點(diǎn)數(shù)改為101。選擇正向傳輸測(cè)量，觀察S21即濾波器的正向插入損耗曲線，讀出其