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射频滤波器的设计与仿真

摘要

射频滤波器，主要用于电子设备、频率高工作更大的衰减高频电子设备产生的干扰信号。射频滤波器是最基本射频设备。能够由微带线组成，也能够由电阻,电容等组成。
由实践可知，很多射频系统中的元件不存在准确频率选择性，因此往往需要添加滤波器，用来极其准确地完成设定的选择特性，所以对射频滤波器的设计有重要的意义。在射频有源电路的各级之间都可以借助滤波器对射频信号进行隔离、选择或是重新组合。
在设计模拟电路时，需要对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做放大或衰减处理。这是十分重要的任务，因此本文将重点研究如何设计和实现这个任务的射频电路——射频滤波器。

关键词：射频，微波滤波器，微带线，workbench ,Advanced Design System；

The design and simulation of radio frequency filters

ABSTRACT

Rf filter, mainly used in electronic devices, high frequency work greater interference signal attenuation of high frequency electronic device. Rf filter is the most basic radio frequency devices. Can consist of microstrip line, also can by resistance, capacitance, etc.
The practice shows that a lot of rf components do not exist in the system accurate frequency selective, so often need to add the filter, used extremely accurately complete set of selected features, so the design of rf filter has an important significance. Between active rf circuit at all levels can use filter to segregate, choice or rearrange the rf signal.
In analog circuit design, the need for high frequency signal at a particular frequency or frequency component in the spectrum for amplification or decay process. It is very important task, so this article will focus on how to design and implement the task of rf circuit, rf filter.

Keywords: Rf, Microwave filter, Microstrip line, The workbench; ADS;

目 录

第一章 绪论 1
1.1 课题研究的背景及意义 1
1.2 国内外滤波器的研究现状及发展趋势 2
1.2.1 国内外滤波器的发展现状 2
1.3 论文组织 3
第二章 射频滤波器 4
2.1 滤波器的分类 4
2.2 滤波器的主要参数 4
2.3 滤波器的综合设计和分析方法 6
2.3.1 综合设计方法 6
2.3.2 分析方法 7
2.4 常见的射频滤波器 7
第三章 worhbench设计与仿真 9
3.1 workbench软件介绍 9
3.2 模拟带通滤波器设计 9
3.2.1 设计目的 9
3.2.2 设计要求 9
3.3滤波器的设计原理及组件选择 9
3.3.1 滤波器介绍 9
3.3.2 有源滤波器的设计 10
3.3.3 滤波器类型的选择分析 10
3.3.4 741运算放大器 12
3.4.workbench电路仿真设计 13
3.4.1 仿真电路图： 13
第四章 微带滤波器的设计与仿真 16
4.1 微带线 16
4.1.1 微带线传输的主模 16
4.1.2 微带线的特性参量 16
4.2 耦合微带线 16
4.3 微波谐振器 18
4.3.1 微波谐振器的基本参量 18
4.3.2 谐振腔的等效电路 20
4.4 基本阻抗匹配理论 20
4.4.1 匹配电路的概念和意义 20
4.4.2 射频电路匹配网络 21
4.5 微带滤波器的设计与仿真 21
4.5.1 微带滤波器的基本原理 21
4.5.2 微带耦合滤波器的设计 22
4.5.3 电路参数设置 22
4.5.4 原理图仿真 23
4.5.5 滤波器电路的优化 25
4.6 本章小结 28
参考文献： 29

第一章 绪论

1. 1课题研究的背景及意义

根据电气和电子工程师协会对于频谱划分的方式，通常把频30MHz,--4GHz的频段范围称为射频，另外处于300MHz～300GHz的频段范围。叫做微波。低频率比微波叫做窄频带,主要包含长、中、短等波、无线电频率(rf)在最广泛意义的是指300千赫~ 300GHZ频段范围内的电磁波,射频和微波频段。
过往的若干年期间，射频和微波在系统中的应用呈上升形式，其中原因主要由以下几个方面：
高频带带来了宽带的效应；
小体积的系统受益于相对小尺寸的器件；
有更多可利用而且不拥挤的频谱；
短波长促进了雷达系统的高分频率；
比较宽敞的信号之间，它们之间的干扰也小；
运行速度较高；
电子设备工作的快速发展,越来越多的高频电磁干扰频率、频率干扰一般会达到几百兆赫,甚至上GHz。由于电压或电流的频率越高,辐射会更有可能,它是高频干扰信号辐射干扰问题日益严重。因此,需要一个辐射衰减的高频信号有较大的filter。
由于卫星、移动和无线技术的不断发展,微波滤波器已变成射频微波领域的一个极其关键的部分。军事电子设备和国内电子设备都需要不同的形式,射频微波滤波器的功能多样性。因为每个滤波器普遍都存在自身的长处和不足,并依据实际使用和相对的技术指标对所需求的滤波器选择是必要的。

1.2国内外滤波器的研究现状及发展趋势

1．2．1国内外滤波器的发展现状
国内外发展状况：
国外：
在二十世纪初,美德的专家发明了LC滤波器,紧接着诞生了首个多回路复用系统;在1950年,日渐完善了无源滤波器的发展,在60年代,滤波器正是随着计算机技术、集成技术和材料工业的发展而迈向了相比之前更高水平,在向功率损耗低、高精度,小体格,多重功用,稳定,可靠性强以及便宜的价格的趋向发展;1978年,单片RC有源滤波器;随后几年,致力于钻研各种新式的滤波器,不遗余力提高性能和扩张使用范围;90年代,着重从事各种滤波器和各种产品的开发和应用。
国内：
大规模应用滤波器是从50年代后期开始的,当它比较多的使用是过滤以及提交是过滤的必经之路。经50多年的发展,开发和不断研究,过滤技术已纳入国际发展速度,但因为缺乏专业开发技术、集成过程以及材料产业发展缓慢,导致众多新类型的滤波器器的开发使用相比于国际发展仍然有一定差距。
在我们国家,大约1978名教师和研究生开始工作,是真正的自1980年以来,人们的注意。清华大学在1983年被制成一块现金流量表,成都大学工程和工厂,现金流量表还发展成一段。目前主要是要使用现金流量表应用和MOS工艺技术难题,由于使用者不理解,导致目前国内相关方面的应用不是很常见。
我国目前的滤波器类型和频率能够供大部分设备使用。总体来说,目前有源过滤器的技术比不上无源，因此尚未在国内大规模生产以及使用。可以从以下比例生产使用程序在各种滤波器:LC滤波器的应用(50%);晶体滤波器(20%);机械过滤器(15%);陶瓷滤波器谐波表面1%;其余的各种过滤器占13%。根据这些应用程序的使用情况显示,要使电子产品等产业在国内形成大规模的集成,其中滤波器的集成从始自终是一个关键任务。
1.3 论文组织

论文分为四个章节，从第一章开始依次为：
第一章，讲述射频滤波器的背景、研究意义以及滤波器的国内外发展状况
第二章，阐述相关滤波器的类别、主要参数、分析方法等，以及常见的几种射频滤波器。
第三章，简单介绍了软件workbench以及模拟带通滤波器的设计原理，算法及仿真图表与分析。
第四章，微带线理论知识、基本参量，微波谐振器等。ADS软件仿真及其优化。

第二章 射频滤波器

2.1滤波器的分类

存在许多类型的射频滤波器,可以从相关角度进行类别划分。总体来说，重要的划分有下面几个：
（1）按信号通过的频段可以分为：低通、高通、带通以及带阻滤波器，在理想状态下，各自的频率响应图下示：

（2）按照不同传递函数的逼近可以分为：巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆函数滤波器。这几种原型滤波器的衰减响应如图。

（3） 按照原型可以分为：分布参数原型滤波器和集总参数原型滤波器。
（4） 按照实现方式可以分为：无源、有源、晶体和声面表波滤波器。
2.2 滤波器的主要参数
1． 中心频率：
以滤波器通频带的频率f0 f0 =(f1和f2)/ 2,f1,f2带通或带阻filter左和右相对衰落频率点1 dB或3 dB。窄带filter通常集中在插入损耗的最小点作为中心频率。
2．通带宽度（或带宽）
是指对应于三分贝衰减的频率差,表达式是:
=-
3． 插入损耗
频谱宽度需要由BWxdB =(f2 - f1)。F1,f2的中心。频率f0以插入损耗为准,下跌X(分贝)频率所对应于左边频点和右边频点。由于filter原始信号在电路的引入,处于中心或截止频率的衰减损失特性,比如要求所有带内插入损耗应强调。
4． 纹波
可以用响应幅度最大小值之间的差来表示衡量通带内信号响应的平坦度情况。单位用dB或奈贝表示。
5．回波损耗（或反射损耗）
端口信号的输入功率和反射功率之比的分贝数(dB),为20 log10 |ρ|，其中ρ是电压反射系数。当端口把输入功率整个吸收时所有回波损耗是无限的
6．群时延
波产生的传输延迟,它的值是在一定频率相位(相移)的变化率频率、一阶导数的频率的阶段。假设在一个频率范围内,相位特性曲线是一条直线,然后群延迟是一个常数,则肯定不能生成失真的信号包络。
在滤波器的这些参数里、插入损耗和回波损耗,是一个微波网络矩阵(S)和散射矩阵的值,因此能够考虑把滤波器作为二端口网络来分析。

散射矩阵(S)着重反映了端口事件中,入射电压波和反射电压波之间的联系，所以能够直接使用矢量分析仪进行测量,还能够利用网络分析计算。一旦你知道网络的S参数,然后就能够把它转换为其他矩阵参数(如阻抗矩阵以及导纳矩阵等等)。因此,微波网络的S参数是非常重要关键的一个参量。微波可以被认为是一个二端口网络，所以利用功率分析的关系，可如图（2.2.1）所示：

图（2.2.1）
图中， 是入射功率， 是反射功率， 是通过滤波器的功率， 是负载功率。根据能量守恒关系：
=+
经过滤波器的功率 ，负载会吸收掉一部分的功率，即负载功率 ，因此可以得到：
≤
如果滤波器无损耗，则=；如果输入端又无反射， =0，则= 。和用分贝（dB）表示如下：

再由电压的关系分析，假设(n=1,2）表示入射到 n端口的电压波振幅，(n=1,2）表示经过 n端口反射的电压波振幅。则通过入射的电压波和反射电压波的关系就可得出散射矩阵或【S】矩阵：

表示当所有端口接匹配负载时从i 端口看去的反射系数； 则为当所有端口连接匹配负载时从 端口j到端口i的传输系数。
假设端口2 接匹配负载，则和 分别表示端口1 和端口2 的功率，与端口电压成平方关系，插入损耗IL 是的分贝表示形式。反射系数 就是 ，回波损耗也就是的dB表示形式。

2.3 滤波器的综合设计和分析方法
2.3.1 综合设计方法

滤波器的综合设计方式有插入损耗法和镜像参量法两种 。
插入损耗的方法是使用一个系统的集成实现频率响应方法,所以它可以控制在通带和阻带相位和振幅特征,设计一个完整的滤波器频率响应。起始的归一化频率和阻抗低通滤波器原型,通过转换,将其转换为所需的滤波器,而且还简化了设计程度。
镜参数方法是一种ABCD参数基于两端口网络分析方法的过滤输入/输入。主要是通过比较容易的级联两个滤波器,从而达到需要的衰减特性和截止频率,但是它不提供全部工作频率范围内的频率响应的具体属性。其中,插入损耗法便是最常见的现代滤波器设计的方式。
综合方法如图（2.2.2）所示：

图（2.2.2）
2.3.2 分析方法
滤波器常用分析方法有：微波网络理论、微带线理论、腔体理论、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）以及时域有限差分法。其中微波网络理论、传输线理论和腔体理论属于传统的分析方法，而后面三种则属于数值分析方法。

2.4 常见的射频滤波器

现在常见射频滤波器为下面的几个：
1．体波及声表面波滤波器
特点是插入损耗低、带外抑制较高、频率响应平坦、体积小、承受功率高、整合兼容性高，另外品质因数高，温度特性优良，因此应用比较广泛，但是主要适合窄带应用。
2．波导滤波器
最早出现，具有低插入损耗、高功率容量、结构简单、良好的频率选择性等特点，在射频频段体积较大，成本较高。
3．介质滤波器
具有低损耗、高介电常数、频率温度系数和热膨胀系数小、可承受高功率等特点，但是由于工艺水平较低和加工成本过高，应用并不是很普遍。主要包括陶瓷、晶体等滤波器。
4．同轴线滤波器
通带插入损耗低、结构紧凑，但当工作频率变高时，尤其是超过10GHz 时，其加工误差带来的的影响是不容忽视的。
5．微带滤波器
具有结构简单,体积小,容易和电路集成,容易加工和低成本等。它主要是通过采用不同的介质衬底,形成输电线路,使其适用的频率范围宽。正是由于这些特点,它是常见的无线电频率滤波器。
2.5 本章小结
本章主要写了滤波器的分类、重要参数、设计方式，以及几种常见射频滤波器。
分析滤波器的插入损耗和回波损耗两个参数,优化设计滤波器仿真提供了一部分理论基础。

第三章 worhbench设计与仿真

3.1 workbench软件介绍

Electronic Workbench是一种电子电路仿真的软件，能够演示各种电路工作状态，模拟各种各样电路以及缩放其显示出来的波形。目前Electronic Workbench已经是一种经典灵巧，比较好用而且能够准确描述电路波形的模拟数字电路仿真软件。
Electronic Workbench包括：函数发生器,示波器、数字万用表、光谱仪、…首先设计好电路,连接好电路和仪器,设定好所有仪器的参数设置,调整电源电压,开关电源。它能够演示各种电路工作的状态,能够模拟各种电子电路,能够放大显示的波形,能够仿真数字电路,模拟电路和数字电路(线性)与模拟(线性)电路的工作点,例如波形、频率、周期、有效值,等等。。
3.2 模拟带通滤波器设计

3.2.1设计目的
1．了解有源滤波器和无源滤波器的设计方式以及内容过程。
2娴熟的掌握仿真软件(工作台或电路仿真)电路设计以及运行仿真结果。
3设计电路仿真和微波组件来构建相应的电路。
4结合目前已有的仪器和仪表对系统调试。
5．掌握理论联系实践的方法。

3.2.2 设计要求

设计一个低通滤波器，是有源二阶，并且最高截止频率为2KHz，通带电压放大倍数为2，当频率为10KHz时，幅度衰减量高于30分贝。

3.3滤波器的设计原理及组件选择

3.3.1滤波器介绍
滤波器是一种用于使不同的频率信号进行分离的组件。滤波器的关键作用是为了抑制不需要的信号,让其无法通过滤波器,只让需要的信号通过。事实上许多微波组件都有特定的频率特性,可以使用滤波器的理论进行分析。源于集中参数滤波器理论相对健全,因此,虽然微波滤波器在很多方面都有自己的特点,但是在一定的频率范围内,分析微波滤波器的特点,可以使用相应的集总等效电路进行了分析。因此,对于很大部分的微波滤波器,能够采用集总参数滤波器的设计原则以及处理方式，再根据得到的分析结果，在具体的微波结构形式中充分显现。
现在用单端口，双端口网络的理论知识进行微波滤波器的设计，开发。由于在设计模拟电路时，需要对高频信号在特定的频率或频段内的频率分量做放大或衰减的处理，因此必须研究如何实现模拟信号的滤波。

3.3.2 有源滤波器的设计

有源滤波器的设计,它是依据给定指标的要求,确定滤波器的阶数n,选择相应具体的电路形式,计算电路中每个元素的具体数值,对电路进行安装以及调试,使滤波器满足设计指标的要求,具体内容下示：
（1）确定滤波器的阶数，主要是由阻带衰减速率要求来作为确定依据。
（2）选择具体的电路形式。
（3）建立一个系数方程，利用电路的传递函数以及归一化分母多项式滤波器的传递函数。
（4）对方程组进行求解，求出电路中各个元件的数值。
（5）对电路进行安装以及调试,确保电路性能达到要求的指标。

3.3.3滤波器类型的选择分析

我们选择巴特沃斯滤波器电路。因为这种滤波器的衰减曲线不存在波纹，其特点是通频带内的频率响应曲线呈最大限度平坦，起伏微乎其微，却在阻频带逐渐降低，直至变成零。由于要求30 分贝/八度,选取二阶有源低通滤波器电路,其中n = 2。

有源二阶low pass filter的电路如图（3.3.1）所示,压控电压源二阶滤波电路的特点是:运算放大器是同相连接的方式,使滤波器为高输入阻抗、输出阻抗很低,滤波器等效为电压源,它的优势是电路性能稳定,增益只需要简单的调整。

图（3.3.1）

在集成运算放大器输出之间的集成运放同相输入之中接入一个负面的反馈,处于不同的频段,其反馈的极性也是不一样的,当信号频率f > > fc截止频率(fc),每级RC电路的移相- 90度,两个级别的RC电路的相移- 180度,电路的输出电压和输入电压反相,所以通过电容C引到集成运算放大器同相位的端口的反馈是负面的反馈,反馈信号会减弱输入信号的作用,减少电压放大倍数,所以反馈将使二阶有源低通滤波器快速衰减振幅高频率端的频率特征,只让低频信号通过。巴特沃斯低通滤波器的性能·参数公式是:

公式中是通带内的电压放大倍数，Q是品质因子，是截止角频率，。

电路元器件值表

截止频率=2Khz，C=0.01uF;
‚增益=2，=C=0.01uF;

ƒ为了得到相对应 的电阻值，需要求出k值，由k值与相应的相乘求得R；而K=100/（*C）.
我们取K=5，由公式ƒ及电路元器件值表中Av=2得R1=1.126*5=5.63kΩ，取R1为5.6kΩ；R2=2.25*5=11.25kΩ，取R1为11kΩ；R3=R4=33.76kΩ，取33kΩ。将其代到设计值，则可以得到相应的电路图，如图（3.3.2）所示：

图（3.3.2） 低通filter实验的电路图
3.3.4.741运算放大器

741高增益运算放大器

741芯片是增益运算放大器，往往在军工业和商业应用等领域有广泛的应用，,例如单片硅集成电路可以提供输出短路保护以及闭锁自由操作。其中：
第2管脚是负输入端；
第3管脚是同相位端口中的输入端；
第4管脚是负直流源输入端，第7管脚是正直流源输入端；
第6管脚为输出端；第8管脚是悬空端；
第1和第5管脚则是为了提高运算中的精度。
在操作之前,应该首先把直流输出电位调零,确保在输入为零的时候,输出是零,当运算放大器输入外部有零终端接入时,可以按照需求的组件连接调零电位计R3，在调整为零,将输入端接地，电位器R3接入调零端,输出电压与直流电压表测量Uo,仔细调整电位器,让Uo变为零(失调电压为0)。

3.4.workbench电路仿真设计

3.4.1仿真电路图：

图（3.4.1） 有源低通filter仿真电路

在仿真软件workbench对其电路进行仿真工作后，得出滤波器的频域特性曲线，可以得到最后的仿真结果，如下图（3.4.2）所示：

图（3.4.1）
从图（3.4.1）中可以看出，该设计所需要的仿真效果大致达到。

第四章 微带滤波器的设计与仿真

4.1微带线

微带线作为最广泛应用于微波传输线的集成电路。它可以印刷在非常薄的介质衬底,它的横截面积大小与波导相比,同轴电缆要小很多。与其它波导相比,同轴电缆组件,大大减少体积,重量,大大简化了电路的技术和结构。
它是一种准TEM波传输线,计算更为复杂,但结构相对比较简单。由于它是方便安装以及调试、电路过渡程度高,所以是选择射频|微波电路的设计的首要选择。
微带结构主要用于做低阻抗传输线，为了保证信号传输时的低功率损耗，低迟延，在选择基板材料时，需要选择介电常数合适的，另外介质损耗角的正切需要比较小，要对其进行严格尺寸计算和加工。

4.1.2微带线传输的主模

微带线的空气介质,是双导体系统,并且导体周围存在统一的空气,所以它可以无色散三TEM模式存在。但事实上介质基片微带线生产,尽管它仍然是双导体系统,却源于空气介质和介质界面的存在,让问题变得比较复杂化。利用电磁场理论,可以证明得到在两种不一样介质的传输系统中,纯TEM模式是不存在,只存在TE模式和TM模式的混合模式。但在微波频率低的频段,由于存在弱色散现象,传输模式只能类似于TEM模式。所谓准TEM模式。

4.1.3微带线的特性参量

,微带线通常工作在弱色散区,它的工作模式,TEM模式的分析根据分析,一种“准静态分析”的方式。
有之前分析可知TEM模传输线的特性阻抗，它的计算表达公式为：

因此只需要一个微带线的相速度和单位长度电容分布,就可以计算出微带线的特性阻抗。

4.2耦合微带线

当两组平行的传输线之间相互接近的时候，相互会生成电磁能量耦合，这两组传输线就构成了耦合微带线。

耦合微带线横截面

耦合分析的传输电路,由于复杂的边界条件,使用场解法一个方法更麻烦,经常用奇偶模法进行了分析,即叠加定理分析。
耦合微带线、电场的分布条件下的奇偶模激励如下图所示:

源于奇.偶模的场分布不一样，因此单位长度上对地的奇偶模分布电容也不一样，通常以和来表示。利用传输线的理论很容易给出耦合微带线的奇偶模特性阻抗，各自的表达式为：

对于耦合微带线，源于四周存在非均匀的介质，奇偶模的相速并不相等。与分析微带线一样，可以把奇偶模等效相对介电常数分别当做和。运用准静态分析法即可以得到相对介电常数分别是(空气)和介质基片的耦合微带线中每条导带单位长度上对地的奇偶摸分布电容(1),(1)和()，（），则耦合微带线奇偶模的 等效相对介电常数分别是
，
耦合微带线奇偶模的相速度和相波长分别为
，
，

耦合微带线的奇偶模特性阻抗与尺寸ω/h，s/h的关系曲线

4.3微波谐振器

微波谐振器也被称为微波谐振腔,广泛应用于微波信号源。微波滤波器和波长计中。它相当于LC谐振电路的低频集总参数,是一种基本的微波组件。速调管谐振器,磁控管微波管的一个重要组成部分,等等。
微波谐振器可以使输电线路两端的两端短路或开路，传输线的电磁波以驻波分布,所以电磁能量不能传输,只有来回波动。所以微波谐振器作为微波组件是有存储能量和频率选择性的特点。

4.3.1微波谐振器的基本参量
谐振频率
谐振频率是指谐振腔里这种模·式的场量发生振荡时的频率，用谐振波长也可以表示。谐振频率是概述谐振器中电磁能量振荡规律的参数。
品质因数Q
微波谐振腔的品质因数Q是一个重要的参数,它表示谐振器选择性的优点,能量损失的大小,定义为：

式中：——谐振器中的储能；
——谐振器中的损耗功率。
在发生谐振时，谐振器中电磁场的总储能是：
‚
V——谐振器的体积；
Ε，μ——谐振器内煤质的介电常数和磁导率。
谐振器的功率亏损一般主要是导体亏损，它可以下式计算
ƒ
式中：S——谐振器内部导体的表面区域
——导体内表面电阻
——内导体表面电流线性密度
——导体内表面的切向磁场
将‚和ƒ代入式中，可得：

上述中=,σ为导体的电导率，δ是导体表面的集肤深度，为，故,因此有

4.3.2谐振腔的等效电路
事实上微波谐振器都是具有耦合结构的。假如只存在唯一一个耦合腔的结构那么可以相当于一个单端口网络;如果具有输入/输出耦合结构则相当于两端口网络。因为有
耦合的谐振腔利用长解法很难得到工艺设计知识的要求,所以经常使用网络分析方法,即将有耦合的谐振腔分成耦合结构和谐振腔两个部分然后找出他们的等效电路。任何形式的耦合谐振器,可以分解成耦合电路和谐振的组合电路,极大地简化了问题的分析。
单个谐振腔的等效电路
单模工作时的微波谐振腔能够看做是相应的RLC串联谐振回路或是GLC并联谐振回路。
对于串联谐振回路，其输入阻抗为

式中：=1/——谐振角频率；
R——输入阻抗的实部；
X=ωL-——共振时，输入阻抗的虚部应为零。
谐振腔在外电路中表现出的输入阻抗在窄带内如果具有这样类似的特性，则可以等效为串联谐振回路。

4.4 基本阻抗匹配理论

4.4.1 匹配电路的概念和意义
在源和负载之间添加一个无源无损秏网络用来实现源和负载的匹配，这种无源网络称为匹配电路。匹配电路的功能就是将一个阻抗变换到另外一个想要的阻抗上去。
匹配电路的含义是当源和负载阻抗不匹配,通过设计一个合适的无源网络负载和电源阻抗之间的转换,得到较小的输电损失。实现最大功率传输,必须是负载阻抗和源阻抗之间匹配。

4.4.2 射频电路匹配网络
在射频系统中，匹配电路的设计不是采用单一的匹配指数，匹配电路不仅要满足功率传输，还可能要满足噪声因数、最好的工作频率、功率容量等。在不同的最优指标的要求电路的设计是不同的。在设计射频电路匹配网络时，往往有许多方面的因素会影响到匹配电路设计的性能指标，当然在这些众多的影响因素中，主要是通过电路的简单性、连接电路的种类以及是否可调节这三方面来设计、搭建最佳匹配电路。

4.5 微带滤波器的设计与仿真

4.5.1 微带滤波器的基本原理
1. 基本原理：
微带滤波器有很多类型，其中最常用、最普遍的就是耦合微带线滤波器,由多个长度为四分之一波长的耦合线节组成，在所需要的频点形成谐振，构成滤波器的频率响应特性。它是由平行的耦合线连接而成,构成谐振电路。构成微带耦合滤波器的为单个的耦合线节单元组成。
这种单独耦合线单元非但具备典特有的带通滤波器特性，而且单独的耦合线节单元的频率响应该具有周期性。对此而言，在工作时，具备带通滤波器特性的耦合线节单元应该尽量限定使用高频为了避免高频寄生通带响应。使用单个的耦合线节单元,不足以产生一个优良的响应，也不能提供一个陡峭的带通filter阻带。所以在这样的情况下，通常会采用数个耦合线节单元之间的级联来组成工作的滤波器。
2. 设计指标
本节将构思一个微带耦合型的带通滤波器，具体的设计指标如下：
通带2.3-2.5GHz，主要由滤波器的参数决定。
在通带内，滤波器的衰减量要低于2dB；低于1dB的起伏，由滤波器的s21参数决定。
在通带之外的频率段设定指标，具体是低于2.1GHz和高于2.7GHz的部分衰减量高于40dB，主要由滤波器的s21参数决定。
端口反射系数低于-20分贝，由filter的s11决定。
针对上述提出的设计指标，在开始电路设计当中，关键是对filter的s参数进行分析，用滤波器的S参数作为优化目标开始仿真。（）作为传输参数，滤波器通带，阻带的具体位置以及衰减程度，起伏大小都可以通过（）随频率变化的曲线中看到。（）参数是输入和输出端口的反射系数,从而能够算出输入和输出电压驻波比，假如反射系数过于大，反射损耗将会变大，而后导致前后系统级配置的影响,系统性能受到下降影响。
4.5.2微带耦合滤波器的设计
1设计原理图
图（4.5.1） 加入MLIN的电路原理图

4.5.3电路参数设置

对于微带线电路，对两种类型的参数需要逐个进行设置，它们是尺寸参数和电气参数。

图 （4.5.2） 微带线计算工具窗口
3仿真参数设置
1. 在ADS元件库中选取一个S参数仿真控制器，将其放入到电路图当中。
双击S参数模拟仿真控制器，按照以下的要求设置其中的参数：
Start=1.9GHz，表示频率扫描的起始频率为2.7GHz；
‚Stop=2.9GHz，表示频率扫描的终止频率为3.4GHz；
ƒStep=10MHz，表示频率扫描的频率间隔为10MHz。

图（4.5.3） 最终仿真原理图

4.5.4原理图仿真

图（4.5.4） 滤波器的s21参数设置

图（4.5.5） 滤波器的s11参数设置
4.5.5滤波器电路的优化
如上述图（4.5.4）和图（4.5.5）可以看到S（2,1）参数，虽然看到滤波器的通带正常，但是由于通带内波纹较大，而且在图中标注的地方最大衰减达到了-10.877dB，不满足设计要求；同样的方式插入S（1,1），可见在通带内反射系数较大，信号会有较大衰减，也达不到设计要求。考虑到这种情况，只能对滤波器参数需要优化修正，以满足设计要求。

图（4.5.6） S(2，1)输出波形

由上图（4.5.6）可见，滤波器通带内衰减量低于2分贝，波纹低于2分贝，阻带下限低于2.1GHz后的衰减量大于40dB，阻带上限大于2.7GHz后的衰减量也满足大于40dB的要求,所以以上修正均达到要求。

图（4.5.7） S(1，1)输出波形

依据上述方法插入S（1,1），如上图（4.5.7）所示，可见在通带内反射系数最大为-15.766，也基本符合满足-20dB的设计要求。

再进行滤波器群时延的仿真和驻波比的仿真，如下图所示在原理图中插入一个测量公式控制器Meas Eqn，同时再插入一个驻波比仿真控制器。

图（4.5.8） 相频特性输出波形

如图（4.5.8）所示，在通带内相频特性呈线性。
图（4.5.9） 驻波比输出波形

如图（4.5.9）所示，驻波比为1.257,满足设计要求。

4.6本章小结

本章主要介绍了微带线的一些基本理论知识，包括微带线的基本特性参量，微带线传输的主模以及耦合微带线；利用ADS软件进行微带耦合滤波器的仿真以及参数设置，求解等。掌握和了解了微带线知识以及ADS软件操作以及仿真。

参考文献：

[1]. 金秀梅. 射频滤波器的研究与设计[J]. 安徽大学, 2011年4月1日.
[2]. 徐晓. 微带线带通滤波器的研究[J]. 武汉理工大学, 2007年4月1日.
[3]. 王皓陈，王志明. 超高频带通滤波器的设计与仿真[J]. 《现代电子技术