耦合微带滤波器原理图设计与仿真与优化

基本概念

微带滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。

驻波比：驻波比全称为电压驻波比，又名VSWR和SWR，为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写。指驻波波腹电压与波谷电压幅度之比，又称为驻波系数、驻波比。驻波比等于1时，表示馈线和天线的阻抗完全匹配，此时高频能量全部被天线辐射出去，没有能量的反射损耗;驻波比为无穷大时，表示全反射，能量完全没有辐射出去。

微波滤波器也可分为低通、带通、带阻、高通滤波器;按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型;根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器;按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、sir(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。

微波滤波器的原理：微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单。

微波滤波器的应用：微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的主要技术指标有:中心频率,通带带宽,带内插损,带外抑制,通带波纹等。

耦合微带滤波器是微带滤波器得一种常用形式，由多个长度为四分之一波长得耦合线节组成，在所需要得频点形成谐振，构成滤波器得频率响应特性。它的主要参数包括微带线长、线宽以及线间距等。

实验目标

5阶带通耦合微带线滤波器来说明使用ADS进行滤波器设计的基本方法和流程，设计指标：

通带为2.3~2.5GHz。

通带内衰减小于2dB，纹波小于1dB。

阻带小于2.1GHz，大于2.7GHz时衰减大于40dB

反射系数小于-20dB。

步骤

1、这里新建工作空间和新建原理图就不说了，在原理图设计窗口中选择“TLines-Microstrip”，从元件面板中选择微带线MCLIN插入到第一个平行耦合线之前以及第五个平行耦合线之后，并连接起来。

2、完成连线后，如下图所示，这就构成了五阶耦合微带线滤波器的主体电路。

3、完成电路图后需要对微带线的尺寸参数和电器参数进行设置，从“TLines-Microstrip”面板中选择微带线参数设置控制器MSUB插入原理图中，双击MSUB控制器，进行参数设置。

H=0.8mm，表示微带线基板厚度为0.8mm；Er=4.3，表示微带线相对介电常数为4.3；Mur=1，表示微带线相对磁导率为1；Cond=5.88e+7,表示微带线电导率；Hu=1.0e+33mm，表示微带线封装高度；T=0.03mm，表示微带线金属层厚度；TanD=1e-4，表示微带线损耗角正切；Rough=0mm，表示微带线表面粗糙度。

4、为了实现50Ω的阻抗匹配，必须设置滤波器两端微带线的特性阻抗为50Ω。根据如下的步骤进行计算。

出来的界面根据如下设置还，接着，“Systhesize”，计算出W和L的值。分别为1.52mm和17.33mm。

5、返回原理图，将W和L分别设置为1.52mm和17.33mm，由于平行耦合滤波器在结构上是完全对称的，所以在本次设计的5阶滤波器中，第1、5和2、4节耦合节在参数宽W、长L和间距S上完全相同。在这里设置这些参数为变量，以便在优化设计中进行修正，具体参数设置如下：

6、在原理图窗口选择变量[VAR]，插入原理图中对耦合节中的参数进行设置。双击变量控制器，在弹出的对话框中设置耦合节的W、L和S。为方便之后进行优化修正，这里还需要使用优化选项，设定参数值在一定的范围。以w1为例，具体方法如下：在“Name”栏中输入参数名“w1”，和之前一样，设置w1的范围。

用同样的方法对其他参数进行设置，设置完成之后，如下图所示：

7、完成原理图参数设置以后，就可以进行仿真参数的设置，和之前一样在原理图中家入S参数仿真的控制器，并对其进行设置

8、运行仿真，看S(2,1)和S(1,1)。从图可以看出，滤波器虽然通带正确，但在通带内纹波较大，且带内衰减最大，未能满足设计要求，而且通带内反射系数较大，信号较大的衰减，也不能达到设计要求，所以必须对其进行优化。

对滤波器电路参数的优化

1、和之前一样，在原理图窗口中选择优化控制器面板“Optim/Stat/Yield/DOE”，选择优化控制器Optim插入原理图中，并对其进行设置。

2、和之前一样，在优化控制器面板中加入四个优化目标，并对其进行设置。

第一个目标是：S(2,1)的优化值最小衰减-2dB

第二个目标是：S(2,1)的优化值最大衰减-40dB

第三个目标是：S(2,1)的优化值最小衰减-40dB

第三个目标是：S(1,1)的优化值最大衰减-20dB

设置的目标分别如下：

3、和之前一样，Simulate->Optimize，

进行“Simulate”，最后得到参数。

4、最后将数据返回到原理图中，进行仿真，得到S(1,1)、S(2,1)。

可以看出这个比之前的要好，基本可以满足优化要求。

5、再进行滤波器群延时的仿真和驻波比的仿真，在原理图中插入一个测量公式控制器Meas Eqn，和一个驻波比仿真控制器。

6、完成设置后，开始仿真，得到Meas1的曲线和VSWR1的曲线，Meas1表示的是通带内相频特性呈线性。

这就是一个优化的过程，如果一次优化没用达到设计目的，需要进行多次反复进行，直到达到预期的设计目标为止。