低通滤波器设计

——低通滤波器的设计

一、设计背景

滤波器是一种把不同频率分开的元件，为了保留有用频段的信号而将无用频段的信号滤除，其本质是一种具有特定频率响应的元件。

四种基本类型的滤波器电路是：低通滤波电路、高通滤波电路、带通滤波电路、带阻滤波电路。

低通滤波器是一种能传输低频段信号、隔除高频段信号的元件，即对低频段信号的衰减小、对高频段信号的衰减大，可通过其S参数中的S21（传输系数）或插入损耗（IL(dB)10lgS21）反映出来。

低通滤波器可以按照不同的特性参数进行设计。巴特沃兹滤波电路具有衰减的单调性，并且可以在通带内获得最大的平坦度。巴特沃兹滤波电路的设计参数来源于二项式，可以获得最平滑的衰减特性，也被称为最大平滑滤波电路。契比雪夫滤波电路的衰减在通带外有单调性，而在通带内存在等幅波动。契比雪夫滤波电路的设计参数来源于契比雪夫多项式，可以调整参数通带内波纹的幅度，所以称为等波纹滤波电路。椭圆滤波电路的衰减在通带内和通带外都不具单调性，均会出现一定幅度的波动。椭圆滤波电路的设计参数来源于椭圆函数，设计过程较为复杂。

二、设计要求

用插入损耗法设计微带阶跃阻抗低通滤波器，要求实现最平坦响应特性。截止频率为2.5GHz ，在4GHz处插损必须大于20dB ，滤波器阻抗50。最高可实现阻抗120，最低可实现阻抗20。介质基片0.158cm，介电常数4.2，铜导体厚度0.5mil。

三、设计过程

1、选择网络结构

由于要求实现最平坦响应特性，因此优先选择理想的巴特沃兹低通滤波器，选择的L-C网络结构如下所示：

2、确定阶数和g值

根据条件截止频率为2.5GHz ，在4GHz处插损大于20dB ，查图表知所需低通滤波器至少为6阶，再查表得到巴特沃兹低通滤波器的g1至g6的值：0.5176、1.4142、1.9318、1.9378、1.4142、0.5176 。

3、计算电长度

等效为电感的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效为电容的传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最小值，设传输线能做到的特性阻抗的最大值和最小值分别为Zh、Zl，则等效为串联电感和并联电容所需传输线的长度为：

lLRsZhCZRsl

l

其中，L和C是低通滤波器原型的元器件值，Rs是滤波器阻抗。

具体计算微带线电长度如下：

l10.517620501.4142501201.931820501.9318501201.414220500.51765012018018011.9 33.8 44.3 46.1 32.4 12.4

l2l3180180l41l5180180l6

4、确定微带线尺寸

利用ADS微带线的计算工具完成对微带线的计算：

在【LineCalc】的计算窗口中，设置好相应参数，进行计算，如图所示：

于是，可以得到各微带线尺寸如下： 微带线序号 微带线宽度 1 11.301300mm 2 0.409358mm 3 11.301300mm 4 0.409358mm 5 11.301300mm 6 0.409358mm 微带线长度 2.067440mm 6.671750mm 7.6950mm 9.0990mm 5.629010mm 2.4476309mm 四、仿真、优化及分析

1、原理图仿真和优化

根据各微带线的尺寸，搭建低通滤波器的原理图，如下所示：

仿真结果如下：

从上图的S21曲线可以看出：

在2.5GHz处，S21的值为-4.355dB；在4GHz处，S21的值为-21.365dB。即：在2.5GHz处不满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。

由于S21曲线不满足技术指标，需要调整原理图，对原理图进行优化，优化原理如下：

修改电路元器件的取值方式，将微带线的宽度和长度设置为变量，设置如下： TL1微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l1 mm； TL2微带线设置为宽度W=w2 mm,L=l2 mm； TL3微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l3 mm； TL4微带线设置为宽度W=w2 mm,L=l4 mm； TL5微带线设置为宽度W=w1 mm,L=l5 mm； TL6微带线设置为宽度W=w6 mm,L=l6 mm。

在【VAR】中设置各变量的合适的取值范围，其中，由于最高可实现阻抗值120对应的微带线宽度为0.40mm , 最低可实现阻抗值20对应的微带线宽度为11.30mm ,因此w1的取值不能大于11.3mm，w2的取值不能小于0.40mm。

设置两个优化目标GOAL，分别对应满足：2.5GHz处的S21值在-3dB左右，这里设为[-3.02dB，-2.98dB]；4GHz处的S21值小于-20dB,这里设置最大值为-20dB。

利用优化器件OPTIM，进行优化，当找到最优化结果时，可显示S21曲线，

显示各变量的取值。

优化后的原理图和仿真图如下所示：

从上图的S21曲线可以看出：

在2.5GHz处，S21的值为-3dB；在4GHz处，S21的值为-20.010dB。即：在2.5GHz处满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。

2、版图仿真

将优化后的原理图生成版图，如下所示：

版图仿真结果中的S21曲线如下：

从上图的S21曲线可以看出：

在2.497GHz处，S21的值为-6.917dB；在4.010GHz处，S21的值为-27.931dB。即：在2.5GHz处不满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。

因此，该版图仿真出的S21曲线不满足技术指标，需要继续调整原理图，对原理图再次进行优化。

3、再优化及版图仿真

由于上一次优化时在原理图仿真时满足条件：在2.5GHz处的S21值在-3dB以内，而在版图仿真时则不能满足该条件。因此再次优化时可将优化目标中的该要求改进，如可要求达到2.5GHz处的S21值越接近0dB越好。即设置两个优化目标GOAL，分别对应满足：2.5GHz处的S21值越接近0dB越好，这里设置最小值为0dB；4GHz处的S21值小于-20dB,这里设置最大值为-20dB。

利用优化器件OPTIM，进行优化，当找到最优化结果时，可显示S21曲线，显示各变量的取值。

优化后的原理图和仿真图如下所示：

从上图的S21曲线可以看出：

在2.5GHz处，S21的值为-0.608dB；在4GHz处，S21的值为-20.006dB。即：在2.5GHz处满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。

将该再优化后的原理图生成版图，如下所示：

版图仿真结果中的S21曲线如下：

从上图的S21曲线可以看出：

在2.503GHz处，S21的值为-2.819dB；在3.986GHz处，S21的值为-28.338dB。即：在2.5GHz处满足技术指标，在4GHz处满足技术指标。

因此，该版图仿真出的S21曲线满足技术指标，即所设计的满足要求的变量取值如下：

即最终所设计的满足要求的6阶低通滤波器的各微带线尺寸如下：

微带线序号 1 2 3 4 5 6

微带线宽度 11.2146mm 0.4335mm 11.2146mm 0.4335mm 11.2146mm 0.4355mm 微带线长度 3.87168mm 6.59198mm 6.06851mm 7.20078mm 5.59552mm 3.28401mm 五、心得体会

本次课程设计要求用插入损耗法设计低通滤波器，通过计算、设计原理图、仿真、优化等过程，最后得到设计方案，基本满足技术指标。在设计之前，通过查阅资料，比以前更深入地了解了滤波器的基本原理，初步知道了要设计一个满足特定技术指标的低通滤波器，应如何入手，一步步设计出来并修正改善。 在设计期间，也遇到很多困难，发现不少问题。首先，对于ADS软件，我们都是首次接触使用，在使用计算工具、搭建电路原理图、仿真、优化、生成版图等过程中易出现各种小问题，都需要细心解决。其次，在本次课程设计中用了两种仿真方式：原理图仿真和版图仿真，两者仿真出的结果差异较大，又因后者的仿真结果更加精确，为设计增加了难度，于是形成了“仿真—优化—仿真—再优化—仿真”的设计过程。又有，在优化时设置多少变量、选择怎样的取值范围、达到怎样的目标，都需要考虑，而在本次课程设计中，将微带线的所有尺寸都进行了优化，实际上并不一定需要优化所有的尺寸。由此也可以看出，用ADS设计电路时的选择余地其实相当大，ADS的实用性也很强。