ADS微帶濾波器設(shè)計(jì)方法（課堂PPT）

1、.1實(shí)驗(yàn)一微波濾波器的設(shè)計(jì)制作與調(diào)試 .2（一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康膎了解微波濾波電路的原理及設(shè)計(jì)方法。n學(xué)習(xí)使用ADS軟件進(jìn)行微波電路的設(shè)計(jì)，優(yōu)化，仿真。n掌握微帶濾波器的制作及調(diào)試方法。.3（二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容n使用ADS軟件設(shè)計(jì)一個(gè)微帶帶通濾波器，并對(duì)其參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化、仿真。n根據(jù)軟件設(shè)計(jì)的結(jié)果繪制電路版圖，并加工成電路板。n對(duì)加工好的電路進(jìn)行調(diào)試，使其滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。.4（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)n通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏 n阻帶邊界頻率與阻帶衰減n通帶的輸入電壓駐波比n通帶內(nèi)相移與群時(shí)延n寄生通帶 .5（三）微帶濾波器的技術(shù)指標(biāo)（續(xù)）n前兩項(xiàng)是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性

2、能和種類(lèi)(高通、低通、帶通、帶阻等)。n輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。n群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 d/df ，群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真。n寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線(xiàn)的周期性頻率特性引起的 ，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。 .6（四）ADS軟件的使用軟件的使用n本節(jié)內(nèi)容是介紹使用ADS軟件設(shè)計(jì)微帶帶通濾波器的方法：包括原理圖繪制，電路參數(shù)的優(yōu)化、仿真，版圖的仿真等。n下面開(kāi)始按順序詳細(xì)介紹ADS軟件的使用方法。.7ADS軟件的啟動(dòng)軟件的啟動(dòng)n啟動(dòng)ADS進(jìn)入如下界面.8創(chuàng)建新的工程文件n點(diǎn)擊File-N

3、ew Project設(shè)置工程文件名稱(chēng)（本例中為Filter）及存儲(chǔ)路徑n點(diǎn)擊Length Unit設(shè)置長(zhǎng)度單位為毫米.9創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）n工程文件創(chuàng)建完畢后主窗口變?yōu)橄聢D.10創(chuàng)建新的工程文件（續(xù)）n同時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口打開(kāi).11微帶濾波器的設(shè)計(jì)n平行耦合線(xiàn)帶通濾波器的設(shè)計(jì)n下圖是一個(gè)微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線(xiàn)節(jié)相連組成，并且是左右對(duì)稱(chēng)的，每一個(gè)耦合線(xiàn)節(jié)長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)(對(duì)中心頻率而言)，構(gòu)成諧振電路。我們以這種結(jié)構(gòu)的濾波器為例，介紹一下設(shè)計(jì)的過(guò)程。等效電路.12微帶濾波器的設(shè)計(jì)（續(xù)）n設(shè)計(jì)指標(biāo)：通帶3.03.1GHz，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz

4、以下及3.3GHz以上衰減大于40dB，端口反射系數(shù)小于-20dB。n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)行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線(xiàn)的形狀上。S11(S22)參數(shù)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。如果反射系數(shù)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。.13生成濾波器的原理圖n在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇微帶電路的工具欄n窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)橛覉D所示n在工具欄中點(diǎn)擊選擇耦合線(xiàn)Mcfil 并在右側(cè)的繪圖區(qū)放置n選擇微帶線(xiàn)MLIN 以及控件M

5、SUB 分別放置在繪圖區(qū)中n選擇畫(huà)線(xiàn)工具 將電路連接好，連接方式見(jiàn)下頁(yè)圖.14生成濾波器的原理圖（續(xù)） .15設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)n上頁(yè)圖中五個(gè)Mcfil表示濾波器的五個(gè)耦合線(xiàn)節(jié)，兩個(gè)MLIN表示濾波器兩端的引出線(xiàn)n雙擊圖上的控件MSUB設(shè)置微帶線(xiàn)參數(shù)nH:基板厚度(0.8 mm)nEr:基板相對(duì)介電常數(shù)(4.3)nMur:磁導(dǎo)率(1)nCond:金屬電導(dǎo)率(5.88E+7)nHu:封裝高度(1.0e+33 mm)nT:金屬層厚度(0.03 mm)nTanD:損耗角正切(1e-4)nRoungh:表面粗糙度(0 mm).16設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)（續(xù)）17微帶線(xiàn)計(jì)算工具n濾波器兩邊的引出線(xiàn)是

6、特性阻抗為50歐姆的微帶線(xiàn)，它的寬度W可由微帶線(xiàn)計(jì)算工具得到，具體方法是點(diǎn)擊菜單欄Tools - LineCalc - Start Linecalc，出現(xiàn)一個(gè)新的窗口(如下頁(yè)圖)。n在窗口的Substrate Parameters欄中填入與MSUB中相同的微帶線(xiàn)參數(shù)。n在Cpmpnet Parameters填入中心頻率(本例中為3.05GHz)。nPhysical欄中的W和L分別表示微帶線(xiàn)的寬和長(zhǎng)。nElectrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線(xiàn)的特性阻抗和相位延遲。n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。n填入50 Oh

7、m和90 deg可以算出微帶線(xiàn)的線(xiàn)寬1.52 mm和長(zhǎng)度13.63 mm(四分之一波長(zhǎng))。.18微帶線(xiàn)計(jì)算工具（續(xù)） .19微帶線(xiàn)計(jì)算工具（續(xù)）n另外打開(kāi)的一個(gè)窗口顯示當(dāng)前運(yùn)算狀態(tài)以及錯(cuò)誤信息。.20設(shè)置微帶器件的參數(shù)n雙擊兩邊的引出線(xiàn)TL1、TL2，分別將其寬與長(zhǎng)設(shè)為1.52 mm和2.5 mm(其中線(xiàn)長(zhǎng)只是暫定，以后制作版圖時(shí)還會(huì)修改)。n平行耦合線(xiàn)濾波器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱(chēng)的，所以五個(gè)耦合線(xiàn)節(jié)中，第1、5及2、4節(jié)微帶線(xiàn)長(zhǎng)L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。耦合線(xiàn)的這些參數(shù)是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。n雙擊每個(gè)耦合線(xiàn)節(jié)設(shè)置參數(shù)，W、S、L分別設(shè)為相應(yīng)的變量，單

8、位mm，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(xiàn)寬，它們用來(lái)確定器件間的位置關(guān)系。在設(shè)置W1、W2時(shí)，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項(xiàng)勾上。.21耦合線(xiàn)節(jié)參數(shù)設(shè)置窗口 .22設(shè)置微帶器件參數(shù)后的原理圖 .23添加變量n單擊工具欄上的VAR 圖標(biāo)，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標(biāo)彈出變量設(shè)置窗口，依次添加各耦合線(xiàn)節(jié)的W，L，S參數(shù)。n在name欄中填變量名稱(chēng)，Variable Value欄中填變量的初值，點(diǎn)擊Add添加變量，然后單擊Optimization/Statistics Setup按鈕設(shè)置變量的取值

9、范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優(yōu)化（見(jiàn)下頁(yè)圖）。n耦合線(xiàn)節(jié)的長(zhǎng)L約為四分之一波長(zhǎng)(根據(jù)中心頻率用微帶線(xiàn)計(jì)算工具算出)，微帶線(xiàn)和縫隙的寬度最窄只能取0.2 mm(最好取0.5 mm以上)。.24變量設(shè)置窗口.25S參數(shù)仿真電路設(shè)置n在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真的工具欄n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，并按照下頁(yè)圖連接好電路。n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)。.26S參數(shù)仿真電路設(shè)置（續(xù)） .27優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置n在原理圖設(shè)計(jì)窗口

10、中選擇優(yōu)化工具欄n選擇優(yōu)化設(shè)置控件 放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置優(yōu)化方法及優(yōu)化次數(shù)。n常用的優(yōu)化方法有Random(隨機(jī))、Gradient(梯度)等。n隨機(jī)法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂.28n選擇優(yōu)化目標(biāo)控件Goal 放置在原理圖中，雙擊該控件設(shè)置其參數(shù)。nExpr是優(yōu)化目標(biāo)名稱(chēng)，其中dB(S(2,1)表示以dB為單位的S21參數(shù)的值。nSimlnstanceName是仿真控件名稱(chēng)，這里選擇SP1nMin和Max是優(yōu)化目標(biāo)的最小與最大值。nWeight是指優(yōu)化目標(biāo)的權(quán)重。nRangeVar1是優(yōu)化目標(biāo)所依賴(lài)的變量，這里為頻率freq。nRangeMin1和RangeMax1是

11、上述變量的變化范圍。.29優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)） .30優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)）n這里總共設(shè)置了四個(gè)優(yōu)化目標(biāo)，前三個(gè)的優(yōu)化參數(shù)都是S21，用來(lái)設(shè)定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況(這里要求通帶衰減小于2 dB，阻帶衰減大于40 dB)，最后一個(gè)的優(yōu)化參數(shù)是S11，用來(lái)設(shè)定通帶內(nèi)的反射系數(shù)(這里要求小于 -20 dB)，具體數(shù)值見(jiàn)下頁(yè)圖。n由于原理圖仿真和實(shí)際情況會(huì)有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時(shí)，可以適當(dāng)增加通帶寬度。對(duì)于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行一定的調(diào)整。.31優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)置（續(xù)） .32進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化n設(shè)置完優(yōu)化目標(biāo)后最好先把原理圖存儲(chǔ)一下，然后就可以進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化了。n點(diǎn)擊工具欄中

12、的Simulate 按鈕就開(kāi)始進(jìn)行優(yōu)化仿真了。在優(yōu)化過(guò)程中會(huì)打開(kāi)一個(gè)狀態(tài)窗口顯示優(yōu)化的結(jié)果(見(jiàn)下頁(yè)圖)，其中的CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)，0表示達(dá)到了優(yōu)化目標(biāo)，下面還列出了各優(yōu)化變量的值，當(dāng)優(yōu)化結(jié)束時(shí)還會(huì)打開(kāi)圖形顯示窗口。n在一次優(yōu)化完成后，要點(diǎn)擊原理圖窗口菜單中的Simulate - Update Optimization Values保存優(yōu)化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當(dāng)前值)，否則優(yōu)化后的值將不保存。.33進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化（續(xù)）n經(jīng)過(guò)數(shù)次優(yōu)化后，CurrentEf的值為0，即為優(yōu)化結(jié)束。優(yōu)化過(guò)程中根據(jù)情況可能會(huì)對(duì)優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍

13、、優(yōu)化方法及次數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。.34觀(guān)察仿真曲線(xiàn)n優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀(guān)察仿真的曲線(xiàn)。方法是點(diǎn)擊原理圖工具欄中的 按鈕，然后點(diǎn)擊優(yōu)化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經(jīng)被關(guān)掉。n要想使控件重新開(kāi)啟，只需點(diǎn)擊工具欄中的 按鈕，然后點(diǎn)擊要開(kāi)啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復(fù)了。n對(duì)于原理圖上其他的部件，如果想使其關(guān)閉或開(kāi)啟，也可以采取同樣的方法。.35關(guān)閉優(yōu)化控件后的原理圖 .36觀(guān)察仿真曲線(xiàn)n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。.37觀(guān)察仿真曲線(xiàn)（續(xù)）n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

14、個(gè)設(shè)置窗口(見(jiàn)下頁(yè)圖)，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(xiàn)。n用同樣的方法依次加入S22，S21，S12的曲線(xiàn)，由于濾波器的對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，S11與S22，以及S21與S12曲線(xiàn)是相同的。n為了準(zhǔn)確讀出曲線(xiàn)上的值，可以添加Marker，方法是點(diǎn)擊菜單中的Marker - New，出現(xiàn)Instert Marker的窗口，接著點(diǎn)擊要添加Marker的曲線(xiàn)，曲線(xiàn)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(xiàn)上各點(diǎn)的數(shù)值。.38選擇仿真曲線(xiàn)參數(shù)及其單位.39觀(guān)察仿真曲線(xiàn).40觀(guān)察仿真

15、曲線(xiàn)（續(xù)）n觀(guān)察S11(S22)和S21 (S12)曲線(xiàn)是否滿(mǎn)足指標(biāo)要求(包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于1dB的要求)，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了。n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。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線(xiàn)節(jié)的微帶線(xiàn)寬是否相差過(guò)大，如果相差過(guò)大就會(huì)造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。.41版圖的仿真n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，不讓他們出現(xiàn)在生成的原理圖中。去掉

16、的方法與前面關(guān)掉優(yōu)化控件的相同，都是使用 按鈕，把這些元件打上紅叉(見(jiàn)下頁(yè)圖)。n然后點(diǎn)擊菜單中的Layout - Generate/Update Layout，彈出一個(gè)設(shè)置窗口，直接點(diǎn)OK，又出現(xiàn)一個(gè)窗口，再點(diǎn)OK，完成版圖的生成，這時(shí)會(huì)打開(kāi)一個(gè)顯示版圖的窗口，里面有剛生成的版圖(見(jiàn)后面幾頁(yè)的圖) 。.42用于生成版圖的原理圖.43生成版圖的設(shè)置窗口 .44版圖仿真的窗口 .45版圖的仿真n版圖生成后先要設(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 - Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數(shù)

17、，點(diǎn)擊Momentum - Substrate - Create/Modify可以修改這些參數(shù)。.46版圖的仿真（續(xù)）n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，做法是點(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(見(jiàn)下圖中的P1、P2)。.47版圖的仿真（續(xù)）n點(diǎn)擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真設(shè)置窗口，該窗口右側(cè)的Sweep Type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

18、得太多)。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(kāi)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(見(jiàn)下頁(yè)圖)。n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(xiàn)顯示窗口，觀(guān)察S11和S21曲線(xiàn)，性能有不同程度的惡化，此處要求S21在通帶內(nèi)衰減小于2.5dB，起伏小于1dB，阻帶衰減大于40 dB。S11在通帶內(nèi)最好小于-15dB。.48版圖仿真設(shè)置窗口以及狀態(tài)窗口 .49版圖仿真的曲線(xiàn) .50版圖的仿真n如果版圖仿真得到的曲線(xiàn)不滿(mǎn)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，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線(xiàn)節(jié)間的線(xiàn)寬相差過(guò)大或者其它的參數(shù)取值不合適，可以改變

19、優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線(xiàn)與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。n在返回原理圖重新優(yōu)化時(shí)，要先使剛才打紅上叉的部件恢復(fù)有效，然后才能進(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。.51其他參數(shù)n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Group delay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。n要觀(guān)察這兩個(gè)參數(shù)的曲線(xiàn)，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(xiàn)即可。n在優(yōu)化完成后，還可以把S參數(shù)仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現(xiàn)在什么頻率上。.52ADS使用小結(jié)n以上介紹了使用ADS進(jìn)行微帶電路設(shè)計(jì)的一些基本方法，在實(shí)際使用軟件時(shí)還會(huì)遇到各種具體的問(wèn)題，多看Help是最好的解決方法。n在優(yōu)化仿真過(guò)程中，要明確物理概念，避免無(wú)意義的工作。nADS軟件的功能十分強(qiáng)大，應(yīng)用很廣，這里我們只介紹了其中很少的一部分，如果對(duì)