安徽建筑大学
毕 业 设 计 (论 文)
专 业 通信工程
班 级 10通信①班
学生姓名 高路
学 号 [1**********]
课 题 微波器件特性研究
——支线型微波带阻滤波器
指导教师 吴东升
2014年6月 6日
摘 要
由于射频（RF）和微波（MW）在通信、雷达、环境检测和导航等众多领域具有广泛的应用，尤其是在商业领域，如各人通信系统、卫星通信、远距离电话通信以及全球定位系统等，因此高频电路设计得到了工业界的重视和不断发展。
微波滤波器作为微波系统中一种广泛应用的器件，其性能指针的优劣直接影响微波系统性能的好坏。特别是带阻滤波器用来抑制高功率发射机的杂散输出以及非线性功放或带通滤波器产生的寄生通带等，被广泛应用于无线通信系统中。
本文介绍了微波滤波器的基本理论，分析了支线型微波带阻滤波器设计原理，针对中心频率为f0=2.0GHz，阻带带宽B=2.0GHz，通带衰减≤0.1dB，带外抑制≥30dB的技术指标，给出了开路支线型微波带阻滤波器的设计过程，得出了基本电路结构，利用ADS软件对其进行仿真和优化，验证了结构的合理性与正确性。
关键词：微波；微带滤波器；支线型带阻滤波器；ADS
Abstract
Due to radiofrequency（RF）and microwave(MW) has a wide application in many fields of communication, radar, environmental testing, and navigation, especially in commercial areas, such as each communications systems, satellite communications, long-distance telephone communication and global positioning system etc, so to get the attention of high-frequency circuit design and evolving industry.
Microwave filters microwave system as part of a wide range of applications, the performance of the pointer directly affect the performance of the microwave system is good or bad. Especially in the band rejection filter is used to suppress spurious high power transmitter output and the parasitic pass band or band-pass filter amplifier nonlinearity generated, are widely used in wireless communication systems.
This paper introduces the basic theory of micro-strip filter, analyze the microwave band-stop filter feeder design principles, for a center frequency of f0=2.0GHz. stop-band band-with B=2.0GHz, pass-band attenuation 30dB technical indicators are given open branch microwave band-stop filter design process draw the basic circuit structure, its use of ADS simulation and optimization software to verify the reasonableness and accuracy of the structure.
Key words: microwave; microwave filter; regional-type band-stop filter; ADS
目 录
第一章 绪论 ......................................................... 1
1.1课题背景及意义 ............................................... 1
1.1.1 滤波器的研究意义及发展趋势 ............................. 1
1.1.2 微波滤波器的前景 ....................................... 1
1.2课题的主要任务及研究方法 ..................................... 2
第二章 微波滤波器的基本原理 ......................................... 4
2.1 微波的概述 .................................................. 4
2.1.1微波概念与特点 ......................................... 4
2.2 微波滤波器的概述 ............................................ 4
2.2.1 微波滤波器的分类 ....................................... 5
2.2.2 微波滤波器的技术指标 ................................... 6
2.3 传输线基本理论 .............................................. 7
2.3.1 传输线的特性参量 ....................................... 7
2.3.2 微带线基础 ............................................. 7
2.3.3 微带传输线的损耗 ....................................... 9
2.4 原型低通滤波器 .............................................. 9
2.4.1 微带滤波器的理论基础 ................................... 9
2.4.2 原型滤波器基础 ......................................... 9
2.4.3 原型低通滤波器到带阻滤波器的频率变换 .................. 11
第三章 微波带阻滤波器设计 .......................................... 12
3.1 微带短截线带阻滤波器的理论基础 ............................. 12
3.1.1 理查德变换 ............................................ 12
3.1.2 科洛达规则 ............................................ 12
3.2 设计微波带阻滤波器的理论分析 ............................... 13
3.2.1 确定所设计的微波滤波器的性能指标 ...................... 13
3.2.2 确定微型波滤波器类 .................................... 14
3.2.3 选择介质基片和薄膜 .................................... 14
3.2.4 确定微波滤波器的设计方法 .............................. 14
3.3微波滤波器的计算 ............................................ 14
第四章 ADS软件仿真 ................................................ 19
4.1 ADS软件概述 ................................................ 19
4.1.1 ADS主视图 ............................................ 19
4.1.2 原理图视窗 ............................................ 19
4.1.3 数据显示视窗 .......................................... 19
4.1.4 布局图视窗 ............................................ 19
4.2 S参数的概念 ................................................ 20
4.3 带阻滤波器的原理图 ......................................... 21
4.3.1 利用ADS的工具tools完成对微带线的计算 ................ 21
4.3.2 原理图设计 ............................................ 22
4.4 原理图的优化及仿真 ......................................... 23
4.5版图生成及仿真 .............................................. 24
4.5.1版图生成 .............................................. 24
4.5.2 版图仿真 .............................................. 25
4.6设计小结 ........................................................................................................................... 26
参考文献 ......................................................................................................................................... 27
致 谢............................................................................................................................................... 28
微波器件特性研究
——支线型微波带阻滤波器
电子与信息工程学院 通信工程专业 2010级1班 高路
指导教师 吴东升
第一章 绪论
1.1课题背景及意义
1.1.1 滤波器的研究意义及发展趋势
随着无线通信的发展，对通信系统的性能要求越来越高，高性能滤波器在通信系统中起着非常重要的作用，微波滤波器是微波领域关键性器件，具有选频、分频和隔离信号等重要作用，其中微波无源滤波器装置，结构简单，运行可靠，维护方便，因此广泛地应用与通讯、雷达环境检测、导航等系统，是这些领域必不可少的部件。
现今国内外学者主要针对如何充分利用频率资源，扩充系统容量，改善通信服务质量，来做大量的研究工作，并提出了一些行之有效的方法，主要包括使用无源滤波器和有源滤波器两种形式。1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年美国出现了第一个多路复用系统，50年代无源滤波器技术日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，到70年代滤波器致力于低功耗、高精度、小体积、多功能、高稳定性和价廉方向努力，导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器的飞速发展。到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到了应用。80年代，主要致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。而九十年代主要致力于将各类滤波器应用于各类产品中。现代滤波器的课题为扩大它的工作频率与相对带宽、降低滤波器成本，以适应飞速发展的通信领域。
1.1.2 微波滤波器的前景
在微波技术中，微波滤波器是一个极其活跃的分支，近年来的发展趋势如下：
（1） 设计方法从繁到简，从粗糙到精确。过去用场与波的方法对一些简单
的微波滤波器结构进行分析和设计，已经感到相当的困难。如今却可以成套地应用现代网络综合理论成果，融入到各种微波滤波器，并可以应用电子计算机解出大量曲线和数据，简化人工计算，提高设计成果；
（2） 从个别应用到一般应用。早先由于微波滤波器的分析、设计和制造均繁琐及难，因此当时人们直接应用单腔谐振腔。随着微波理论和技术的发展，微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大；
（3） 形式多样和多元化、标准化。由于应用的广泛和设计制造工艺的进展，微波滤波器以从极少的几个品种发展到数以十计个结构类型。一些常用的结构已组件化和标准化。印刷电路式或微波集成电路式的微波滤波器亦开始广泛研制；
（4） 各种新型材料用于微波滤波器。微波材料的进步及其在微波滤波器中的应用，大大提高了滤波器的性能。例如微波铁氧体、铁电体、等离子体、超导体都已开始成功地用于微波滤波器中；
（5） 调谐的高速和自动化。众所周知，当初微波单腔谐振器的调谐已相当困难，更不用说由多个谐振器组合的滤波器了。但现在已经可以对微波滤波器进行快速电调，例如忆铁石榴石磁调滤波器和变容管电调滤波器就是最好的范例；
（6） 与其它有源或无源微波组件和器件的结合日益密切。而且，微波滤波器已成为无源微波组件的主角之一，它不仅能完成本身的任务，而且能代替其它一些微波组件的功能，或者把另外一些微波组件看成微波滤波器结构来进行设计；
（7） 向新波段进军。人们对亚毫米波和毫米波滤波器的兴趣正在日益增长。研制这一新波段的滤波器，除了发展厘米波波段已有的技术外，还广泛引用光学上的成果，可以预料随着新型功率源和传输线的研制，这些新波段滤波器的研制工作将更加活跃。
1.2课题的主要任务及研究方法
本毕业设计主要任务是综合运用通信专业学生所学的电路、信号与系统、电磁场与电磁波技术以及微波技术等专业基础理论知识和专业知识，根据技术要求选择合适的微波电路形式，综合出微波滤波器的具体结构形式；借助于微波专业软件（ADS）进行微波电磁场分析，根据分析结果修正设计参数；设计出符合要求的微波滤波器。提高学生理论联系实际、独立解决问题、系统思考的能力，从而基本掌握科研或新品研发的工作流程，积累一定的项目规划及设计的经验。此
外，通过毕业设计，培养学生严谨治学的态度和团队精神，为今后从事科研、生产工作打下坚实的基础。
本次设计以切比雪夫低通原型设计法为基础,利用频率对应关系，将带阻滤波器的插入衰减特性转换成低通原型滤波器的插入衰减频率特性，按要求确定滤波器的节数，求得原型低通滤波器的g参数值，求得各微带线的阻抗值，利用ADS软件可计算出微带线的长度和宽度，按要求设计滤波器的结构形式为支线型，选择介质基板参数。再利用ADS软件画出原理图并进行电磁仿真分析。
第二章 微波滤波器的基本原理
2.1 微波的概述
2.1.1微波概念与特点
微波是频率非常高的电磁波，微波的频率范围并无统一的规定，通常是指频率为300MHz到3000GHz范围内的无线电波。微波在实际应用中，常将它分为分米波、厘米波、毫米波、和亚毫米波四个波段。
传输线传输微波时，由于高频电流的集肤效应，产生导体损耗和辐射损耗严重，必须采用微波传输线，故微波电路与低频电路有本质区别。从学科领域上讲，微波技术应属于电磁场工程。因此微波波段与其它波段相比，具有以下特点：
（1）微波的波长很短。一般来说，电磁波的波长越短，波束的定向性和分辨能力越高，天线的尺寸可以更小。因此，利用微波波长短的特点，可以设计体积小、方向性和增益都很高的天线应用于雷达、导航和通讯等系统，接受各种物体反射回来的微弱信号，从而确定物体的方位和距离，或传递信息。
（2）微波的频率很高。由于微波的频率很高，可用频率很宽，相对频宽可达数百甚至上千兆赫，故信息的容量大。所以微波具有巨大的信息潜力，在多路通讯上的应用很重要。
（3）微波能穿透电离层。利用这一特点，可实现卫星通讯和宇宙通讯。同时为人类打开探测外层空间的“宇宙窗口”，使得对外空探测、导航、定位宇航和射电天文学的研究和发展成为可能。
（4）微波的量子特性。利用这一特点，可研究分子和原子核的结构，开辟了新的分支领域微波波谱学和量子电子学。
（5）微波的研究方法和低频电路不同。微波电路中，波长和电路尺寸可相比拟，或更小，波在传播过程中，具有明显的相位滞后现象；电压和电流概念已失去其明确的物理意义，必须采用场和波的概念及方法才能对系统作完全的描述。微波测量则以功率、波长和驻波比的测量代替了低频电路中的电压、电流和频率的测量。
2.2 微波滤波器的概述
滤波器是一种能使一部分频率的信号顺序通过，而其它频率的信号大幅衰减的电路。工程上常用滤波器进行模拟信号的处理，如数据传输、抑制干扰等。
2.2.1 微波滤波器的分类
微波滤波器可以按照不同的标准进行分类。
按作用分类，有低通、高通、带通、带阻滤波器四种基本类型， 按实现的传递函数分类，可以分为 Butterworth(巴特沃斯)、Chebyshew (切比雪夫)、Elliptic(椭圆函数)、Gaussian(高斯)、Bessel(贝塞尔)、切比雪夫变换器型滤波器，其中前三种较为常用。按实现方式分为集总元件、分布参数滤波器两种。分布参数滤波器又分为印制板电路（微带、悬置微带线）、机械腔体、介质谐振子等形式。按使用组件分类有无源滤波器、有源滤波器、晶体滤波器、声表面波滤波器等；按工作方式分类有吸收式滤波器、反射式滤波器；按传输线类型分类可分为介电谐振器、波导谐振器、同轴线谐振器、微带线谐振器、带状线谐振器等构成的滤波器；按实现结构形式分类有平行耦合线滤波器、梳状线滤波器、交指线滤波器、发夹线滤波器和开路支节滤波器等；按频带大小分类有宽度、窄带滤波器等。
图2.1 四个普通滤波器的特性曲线
低通滤波器，即低频信号能通过，而高频信号不能通过的滤波器，f0称为截止频率，低通滤波器只允许频率低于截止频率f0的信号顺利通过。
高通滤波器与低通滤波器的性能刚好相反，即只允许频率高于截至频率的信号通过而低频信号不能通过。由于受集成运放带宽的限制，高通滤波器的通带也是有限的。
带通滤波器容许一定频率范围信号通过, 但减弱(或减少)频率低于下限截止频率和高于上限截止频率的信号的通过。
带阻滤波器即不允许某一频率带范围内的信号通过，而允许其余频率的信号通过的滤波器。与高通滤波器相似，受运放带宽限制，高频段的通带宽度也是有限的。
2.2.2 微波滤波器的技术指标
RF 插入损耗：在理想情况下，插入到射频电路中的理想滤波器，不应在其通带内引入任何功率损耗。然而，在现实中，无法消除滤波器固有的、某种程度的功率损耗。插入损耗定量地描述了功率响应幅度与0dB 基准的差值，其数学表达为：
IL=10login=-10log(1-Γin) （2.1） 2PL
波纹：通带内信号响应的平坦度可以采用以下方法定量，定义波纹系数；采用dB或奈贝（Neper）为单位表示响应幅度的最大值与最小值之差。
带宽：对于带通滤波器，带宽的定义是通带内对应于3dB衰减量的上变频和下变频的频带差。
BW3dB=fU3dB-fL3dB （2.2）
矩形系数：矩形系数是60dB带宽与3dB带宽的比值，它描述了滤波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度。
fU60dB-fL60dBBW60dB
（2.3） SF==3dB3dB3dBBWfU-fL
阻带抑制：在理想情况下，我们希望滤波器在阻带频段内具有无穷大的衰减量。但实际上我们只能得到与滤波器组件数目相关的有限衰减量。
中心频率：即工作频带的中心，一般取 f0=
滤波器左、右相对下降1dB或3dB变频点。 带宽：指需要通过的频谱宽度，或相对带宽∆=∆f。 fof1+f2，f1,f2为带通或带阻2
带内驻波比：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指标，其值越接近1说明越匹配。
群时延特性：当滤波器为延时网络时必须考虑。群延时特性是否为线性，由滤波器通带内的相移频率特性的线性程度所决定。当相移特性为理想直线性时，脉冲信号通过网络时无畸变，其延时为tp=
群延时tp=ϕ。如相移特性为非线性时，我们取ωdϕ表示信号的延时，此时群延时特性也是非线性的，如果群延时特dω
性的非线性严重，脉冲信号通过后将发生严重的畸变。
2.3 传输线基本理论
微波传输线与金属波导相比，它具有体积小、重量轻、使用频带宽、可集成化并能构成各种用途的微波组件等优点，但损耗稍大，Q值较低，功率容量小。
凡用来导引电磁波传输的导体或介质系统均可称为传输线。当传输的横向尺寸远比信号波长大时，或可比拟，这样的传输线称为长线，反之，称为短线。传输线上具有分布参数性质，传输线上的电压和电流不仅是时间上的函数，同时还是距离上的函数。传输线理论本质上属于分布参数电路理论，传输线即可以作为传输媒介，也可以用来制作各种类型的器件，如谐振电路、滤波器、阻抗匹配电路、脉冲形成网络等。根据传输线上的分布参数是否均匀分布，可将其分为均匀传输线和不均匀传输线。
2.3.1 传输线的特性参量
传输线的特性参量主要包括：传播常数、特性阻抗、相速和相波长、输入阻抗、反射系数、驻波比和传输功率。
特性阻抗为传输线上入射波电压与入射波电流之比，或反射波电压与反射波电流之比的负值。距终端z处的反射波电压与入射波电压之比定义为该处的电压反射系数Γ（uz)，即
Ur(z)A2e-jβzA2-j2βzΓu(z)===e-jβz Ui(z)A1eA1
（2.4）
2.3.2 微带线基础
微带线是一种可以在印刷电路板PCB上制造的用来传播微波信号的传输线，适合制作微波集成电路的平面结构传输线。相对于传统的波导技术来说，微带线是迄今为止最便宜、最轻便和最紧凑的传输线。与金属波导相比，其优点有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等，但损耗稍大、功率容量小。
微带线是由介质基片以及其两边的导体带条和接地板所构成，而带条图形是用印刷技术敷在介质基片上的。
图2.2 微带线的结构示意图
图2.2中 r表示介质基片的有效介电常数，H表示介质基片的厚度，T表示导体薄膜的厚度。微带线为开放式双导体微波传输线,传输的主模是横电磁TEM（Transverse Electric and Magnetic）波。在微带传输线中，导体与接地板之间填充有介质基片，而其余部分为空气，导体周围的填充介质分别由媒质A（基片）和媒质B（空气）两种媒质组成。任何模式的电磁场除了应满足介质与理想导体的边界条件外，还应满足介质与空气交界面的边界条件。单独的TEM模式不能满足微带线边界条件的要求，因此，在微带传输线中传输的电磁波的模式含有横电TE（Transverse Electric）模和横磁TM（Transverse Magnetic）模。
一般而言，基片的介电常数大于空气的介电常数，因此电场强度E在基片中的分布比较大，而且基片相对于外部空气媒质而言较薄，磁场强度H在基片中的分布也大于在空气媒质中的分布，所以从电磁场的分布角度看，微带传输线中传输的电磁波可以近似认为TEM模，或者说，在微带传输线中传输的电磁波为准TEM模。微带中的能量大部分集中在中心导体下面的介质基片中进行传播
微带线常用材料中导体带和接地板均由金属材料制成。对于金属材料有以下几点要求：
1.高的导电率；
2.低的电阻温度系数；
3.对基片的附着性能好；
4.好的刻蚀性和可焊接性；
5.易于沉淀和电镀。
对于介质基片材料的选择，应有以下几个方面的考虑：
1.相对介电常数较高，且随频率的变化小；
2.材料的损耗小；
3.介质纯度高，具有较好的均匀性及一致性；
4.热导性及热稳定性好，且与导体的粘附性能好；
5.有一定的机械强度且易于机械加工；
6.抗腐蚀性强，化学性能稳定。
因此，导体带和接地板均由导电良好的金属材料（如银、铜、金）构成。微带线一般用薄膜工艺制造，介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料，常用的介质基片材料有氧化铝陶瓷、氧化铍、蓝宝石、铁氧体、聚四氟乙烯等。导体薄膜应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。
2.3.3 微带传输线的损耗
微带传输线损耗是在设计微波滤波器、双工器、谐振器等微波无源器件时需要特别考虑的。
微带传输线是半开放式结构。微带传输线的损耗包括导体损耗、介质损耗、辐射损耗等。微带传输线是半开放式结构，辐射损耗是微带线向外辐射电磁波引起的能量衰减。
2.4 原型低通滤波器
2.4.1 微带滤波器的理论基础
当频率不高时，滤波器主要是由集总元件电感和电容构成，但当频率高于500MHz时，滤波器通常由分布参数组件构成，这是由于两个原因造成的，其一是频率高时电感和电容应选的组件值小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数组件；其二是此时工作波长与滤波器组件的物理尺寸相近，滤波器组件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。我们这次设计采用短截线方法，通过频率变换，将带阻滤波器的插入衰减特性转换成低通原型滤波器的插入衰减频率特性。
2.4.2 原型滤波器基础 对于原型低通滤波器，通常用Ω=ω作为相对于角频率ωc的归一化频率，ωc
对于低通和高通滤波器ωc是截止频率，而带通和带阻相对于中心频率。通常用原型低通滤波器主要有巴特沃斯原型滤波器、切比雪夫原型滤波器和椭圆函数原型滤波器。
（1）巴特沃斯原型滤波器
由于这种滤波器的衰减曲线中没有任何波纹，所以也称为最大平滑滤波器。
对于低通滤波器，插入损耗可由损耗因数确定：
IL=-10log(1-Γin)=10logLF=10log+a2Ω2N2 （2.5）
其中Ω是归一化频率，N是滤波器阶数。一般情况下a=1,这样，当Ω=时插入损耗IL=10log2,即截止频率点上的插入损耗为3dB。 ω=1 ωc
在巴特沃斯原型滤波器中，超过截止频率点后，滤波器衰减会急剧上升。当Ω
巴特沃斯滤波器有很好的相位特性，较低的带内插损，带内损耗起伏小。但是过渡带损耗变化较平缓，这使得它不适合于微波电路的原型设计。
（2）切比雪夫原型滤波器
切比雪夫原型低通滤波器的插入损耗
L=10lg(1+k2Tn2(Ω))dB (2.6)
上式中Tn(Ω)为切比雪夫多项式。
图2.3 最平坦与切比雪夫响应
（3）椭圆原型滤波器
插入衰减特性为
2L=10lg1+ε2Cn(ω)dB （2.7） []
椭圆滤波器不仅在通带内出现等波纹变化，而且在阻带内也有等波纹变化，从而使得其通带到阻带的过渡带变化非常陡峭。
本次选用切比雪夫原型滤波器，因为它虽然在通带内有波纹，但它的起伏是
控制在Lp以内，而且其过渡带要比巴特沃斯原型要陡峭的多。
2.4.3 原型低通滤波器到带阻滤波器的频率变换
设低通原型滤波器的频率变量为ω'，带阻滤波器的频率变量为ω，低通原型滤波器ω'=0的点，变换成ω=0和ω=∞的点，而ω'=∞时，变换成ω=ω0，
图2.4 低通原型响应及其相应的带阻滤波器响应
而低通到带阻的变换式是：
ω'πω=αtan （2.8） 'ω12ω0
式中，a=tan(π
4∆)，∆=f2-f1，ω0=0.5(ω1+ω2）。 f0
'为低通原型滤波器的截止频率，ω0为阻带中心频率，ω2为上边频频率，其中ω1
ω1为下边频频率。
第三章 微波带阻滤波器设计
3.1 微带短截线带阻滤波器的理论基础
由集总元器件低通滤波器原型可以转换成分布参数带阻滤波器，分布参数带阻滤波器采用微带短截线实现，其中理查德德变换用于将集总元器件变换为传输线段，科洛达规则可以将各种滤波器元器件分隔开。
3.1.1 理查德变换
通过理查德变换可以将集总元器件的电感和电容用一段终端短路或开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线这一特性，可以实现集总元件到分布参数的变换。
带阻滤波器对应于电路的串联和并联连接方式，在中心频率点必须有最大和最小阻抗，考虑到λ0长传输线在中心频率点f=f0处正切函数为无穷大，正好4
符合带阻滤波器的要求，带阻滤波器将集总元器件转换成分布参数元器件时采用了λ0长传输线。 4
低通原型转换为带阻滤波器，需要引入带宽系数bf,bf为
⎛πω1bf=cot 2ω0⎝⎡π⎛ω2-ω1⎫⎤⎫⎪⎪=cot⎢2 1-2ω⎪⎪⎥ （3.1）
0⎭⎭⎦⎣⎝
ω=ω1在下边频ω1，采用λ0长传输线的理查德变换，有如下关系(bf)S=1，
这相当于低通原型的截止频率Ω=1，在上边频ω2，采用
变换，有如下关系Ω=-1，由上述可知采用
带阻滤波器。
3.1.2 科洛达规则 λ0长传输线的理查德λ0长传输线可实现低通原型变换为
采用理查德变换后，串联元件变换为串联微带短截线，并联元件将变换为并联短截线。由于串联微带短截线是不可实现的，需要用科洛达规则将串联短截线变换成并联短截线。
3.2 设计微波带阻滤波器的理论分析
滤波器的设计方法一种称为镜象参数法。
它以滤波网络的内在特性为根据。是人们一向用来设计滤波器的老办法。这种方法的特点是:
根据滤波网络的具体电路,用分析的方法推算出变换器损耗的特性。然后再将这些具体电路拼凑起来,使总的Lr特性满足所需要的技术要求。用这种方法设计出来的滤波器一般为K式 滤波器和m式滤波器等。这种方法的优点是理论根据简单。它的缺点是在分析过程中没有考虑外接负载的影响,故在具体的设计要求提出后,需要反复试探,才能得到设计结果。
另一种方法从插入损耗入手,它是近年来应用的很多的设计方法。这种方法的特点是:根据所提出的技术要求,决定插入损耗Lr在（R2=R1时也就是娈换器损耗Lr)与频率ω的函数关系,然后根据这个函数关系,应用网络理论综合出具体的电路结构。所以这种方法和前面的一种方法正好是相反的这种方法根据要求推求电路,而镜象参数法则是应用已知的特性电路拼凑出满足要求的结构，这种方法的优点是设计准确,而且设计是已经考虑到外接负载的影响,无需经过多次试探的手续。它的缺点是需要用到比较难深的网络理论。但是,这个缺点是可以弥补的,因为只要一当把满足各种要求的母型滤波器设计出来以后,后来的设计手续变成了简单的查表读图和应用浅近数学方法换算数据,从实用角度来说比镜象参数法还要简单得多。
以上两种方法均不是最简最佳的方法，目前滤波器设计就逐渐过渡到以综合设计为基础的原型电路设计法。原型电路就是以L,C作为组件的集总参数低频电路，其中L,C的数值都根据滤波器的指标要求，以不同的综合设计方法求得，由此得出一系列规格化的组件数值列成表格成为原型电路组件参数表。再进行具体滤波器设计时，不必每次进行计算，而只需要根据一定的变换关系把原型电路组件参数转化为实际滤波器的组件值，就实现了微波滤波器的设计。原型电路的组件参数已经综合化而达到“最佳化”，且设计参数均已“规格化”，设计时只需得出原型滤波器与实际滤波器之间的变换关系。
3.2.1 确定所设计的微波滤波器的性能指标
针对中心频率为f0=2.0GHz,阻带带宽B=2.0GHz，通带衰减≤0.1dB，带外抑制≥30dB设计一个支线型微波带阻滤波器。
3.2.2 确定微型波滤波器类
由于中心频率f0=2.0GHz大于500MHz，所以滤波器由分布参数组件构成。选用的滤波器为微带滤波器，类型为支线型。
3.2.3 选择介质基片和薄膜
本设计选用的介质基片为陶瓷，其相对介电常数εr=9.6，厚度h=1mm；微带薄膜采用铜做导体，它的厚度T=0.005mm。
3.2.4 确定微波滤波器的设计方法
以切比雪夫低通原型设计法为基础，利用频率对应关系，将带阻滤波器的插入衰减特性转换成原型低通滤波器的插入衰减频率特性，根据计算出的归一化频率和衰减特性在0.1dB波纹的切比雪夫低通滤波器衰减特性表确定滤波器的阶数，最后计算微带线的特性阻抗。本设计选用0λ0长的传输线而其相移为90。4
依据以上计算的指标利用ADS软件计算出微带线的长度和宽度。根据要求滤波器类型为支线型设计原理图，进行S参数仿真。在此基础上进行参数优化，以获得满足技术指标的S参数仿真图，并生成微波带阻滤波器电路版图。
3.3微波滤波器的计算
（1）阶数计算
首先计算上边频和下边频：
由 f0=f1+f2 ① 2
B=f2-f1 ②
得f1=1GHz，f2=3GHz
计算0.1分贝点的相对带宽：
∆=f2-f1=1 f0
计算a值：
a=tan(π
4∆)=1
计算对应于f=f0-0.30=1.70GHz频率的比值：
ω'πωπ*2π*1.70*109
=atan=tan=4.2 9'ω12ω02*2π*2*10
图3.1 0.1分贝波纹的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性
根据图3.1通带内最大衰减值0.1分贝波纹的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性曲线可知滤波器的阶数N=3。
根据阶数和衰减波纹值，可得到对应的下列低通原型参数：
表1：切比雪夫滤波器元件参数（0.1dB波纹，N=1到8）
'=1,n=1到8） 切比雪夫0.1 dB波纹的组件值（其中g0=1,ω1
表1给出了n=1到8的切比雪夫低通滤波器对应于LA(dB)=0.1时的组件数值
可由表1的列表得n=3组件参数值g值为：
g0=g5=1.0 g1=g3=1.0316g2=1.1474
由滤波器的阶数为三阶分析微带线的阻抗为对称结构。
表2 并联基型带阻滤波器的准确设计公式：
由表2可知n=3时，各微带线的阻抗为：
'a=a=1 Λ=ω1
z1=zA(1+
11
)= 50(1+)=98.5Ω
1*1*1.0316Λg0g1
z2=
zAg050*1
==43.6Ω Λg21*1.1474
z3=
zAg0150*11
(1+)=(1+)=98.5Ω g4Λg3g411*1.0316*1
z12=zA(1+Λg0g1）=50(1+1*!*1.0316)=101.6Ω z23=
zAg050*1
(1+Λg3g4)=(1+1*1.0316*1)=101.6Ω g41
第四章 ADS软件仿真
4.1 ADS软件概述
ADS软件是由美国安捷伦公司开发的微波电路和通信系统的仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统和RFIC设计软件，也是国内高校、科研院所和大型IT公司使用最多的软件之一。其功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行成品率分析与优化，提高复杂电路的设计效率，是优秀的微波射频电路、系统信号链路的设计工具，是射频工程师必备的工作软件之一。
ADS是由主视窗、原理图视窗、数据显示视窗、布局图视窗4种工作视窗组成。
4.1.1 ADS主视图
主视窗主要用来创建或打开已经存在的项目，并具有文件浏览和项目管理等功能。在主视窗可以创建若干个项目（Project）,每个项目中可以创建若干个设计（Design）,ADS使用项目自动组织和储存数据。在主视窗还可以查看ADS自带的例程。主视窗是ADS系统与其它软件系统联系的桥梁，通过主视窗中的文件浏览（File Browser）区，可以向上浏览到Windows系统的所有文件，也可以进入ADS浏览ADS系统中所有文件。
4.1.2 原理图视窗
原理图视窗是ADS软件被使用最频繁的视窗，为电路提供了设计和仿真的环境。在原理图视窗可以创建和修改电路图，可以添加变量和方程，可以指定层及参数，可以使用文本和插入注释，可以由原理图生成版图等。
4.1.3 数据显示视窗
电路在原理图视窗和布局图视窗仿真后，仿真结果可以在数据显示视窗显示出来。数据显示窗有多种方法显示仿真结果，包括用图形显示仿真结果和用数据列表显示结果等。当仿真结果显示出来后，数据显示视窗还提供多种方式读取数据进行出理。
4.1.4 布局图视窗
电路图在原理图视窗中设计完成后，需要转到布局图视窗，完成相应电路的
版图设计，版图设计更符合电路所处的实际环境，ADS软件采用矩量法对电路版图进行电磁仿真。
4.2 S参数的概念
在高频/微波电路中，由于波长较短，组件的尺寸就无法再被视为一个节点，某一瞬间组件上所分布的电压、电流会不一致。因此基本的电路理论不再适用，而必须采用电磁场理论中的反射及传输模式来分析电路。元器件内部电磁波的进行波与反射波的干涉使电压和电流失去了一致性，电压电流比为稳定状态的固有特性也不再适用，取而代之的是“分布参数”的特性阻抗，此时的电路以电磁波传送与反射为基础要素，即反射系数、衰减系数、传送的延迟时间。
分布参数电路采用场分析法，但场分析法过于复杂，因此需要一种简化的分析方法。微波网络法广泛运用于微波系统的分析，是一种等效电路法，在分析场分布的基础上，用电路的分析方法将微波组件等效为电抗或电阻器件，将实际的波导传输系统等效为传输线，从而将实际的微波系统简化为微波网络，将“场”的问题转化为“路”的问题来解决。
S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号，以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。二端口网络S参数的含义如下,
S11：端口2匹配时，端口1的反射系数
S22：端口1匹配时，端口2的反射系数
S12：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数 S21：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数
通常可以将单根传输线或一个过孔等效成一个二端口网络。一端Port1接输入信号，另一端Port2接输出信号，那么S11表示回波损耗，既有多少能量被反射回源端（Port1）,该值越小越好，一般建议S11小于0.1，即-20dB；S21表示插入损耗，既有多少能量被传输的目的源（Port2），该值越大表示传输的效率越高，理想值是1，即0dB。
S参数仿真面板与仿真控制器,ADS中在Simulation-Param类组件面板中提供了所有S参数仿真需要的控件例如： （1）S参数仿真控制器（SP）
S参数仿真控制器是控制S参数仿真的最主要控件，使用S参数仿真控制器
可以设置S参数仿真的频率扫描范围、仿真执行的参数和噪声分析等相关参数。 （2）终端负载（Term）
S参数仿真面板中的终端负载元器件用来定义电路端口的标号以及各电路端口的终端负载阻抗。
4.3 带阻滤波器的原理图
4.3.1 利用ADS的工具tools完成对微带线的计算
利用ADS提供的工具tools,可以进行微带线物理尺寸和电参数之间的数值计算。
（1）设置微带线参数
从主视窗中创建原理图视窗，在原理图元器件面板上选择MSUB插入到原理图的画图区，双击MUSB，在对话框中修改微带线参数：
H=1mm,表示微带线基板的厚度为1mm。
εr=9.6,表示微带线基板的相对介电常数为9.6。
T=0.005mm,表示微带线导体厚度为0.005mm。 （2）插入微带线MLIN计算其长度和宽度
在原理图选举tools菜单中的LineCalc计算窗口，其设置如下： 将频率Freq设置为2GHz。
将微带线的特性阻抗设置为98.5欧。 将微带线的长度相移设置为90︒。
设置完后，单击Synthesize按钮，可得： W=0.126176mm,表示微带线的宽度为0.126176mm L=15.5889mm,表示微带线的长度为15.5889mm
阶数名称 微带短截线1 微带短截线2
特性阻抗 101.6欧 43.6欧
相移
90︒
微带线的宽度 微带线的长
度
0.126176mm 15.5889mm 1.28521mm 0.142832mm 0.982217mm
14.5235mm 15.5523mm 14.7133mm
90︒ 90︒
微带短截线3 98.5欧 系统阻抗
50欧
表3 各微带线的长度与宽带
同理计算出其它的微带短截线的长度和宽度如表3
4.3.2 原理图设计
原理图设计中微带线用T形结连接
图4.1 支线型微波带阻滤波器原理图
支线型带阻滤波器S参数仿真波形如下：
m3
f
req=3.070GHzm1
freq=980.0MHzm2
freq=990.0MHzdB(S(2,1))
dB(S(1,1))
freq, GHzfreq, GHz
图4.2 S参数仿真波形
由仿真波形图4.2可看出S11波形中在1.0GHz值为-18.273不满足技术指标。
4.4 原理图的优化及仿真
将微带线段导体带的宽度W设置为变量，TL4和TL5中的W设为x1，TL7和TL8中的W设置为x2,TL6中的W设置为x3,对T形结中相应的W做设置。
在原理图的工具栏，选择变量VAR按钮插入原理图区，分别对变量x1,x2,x3进行设置，其设置如下：
在Name栏填入W=x1。
在Variable Value栏填入0.126176。
单击Tune/Opt/DOE Setup按钮打开Setup设置窗口，在Setup窗口中选择优化Optimization按钮，在Optimization Status栏选择Enabled。
在Minimum Value栏填入0.1。 在Maximum Value 栏填入1.2。
同理设置终端开路MLOC,即TL7,TL8的宽度W=x2,TL6的宽度W=x3。 最后的结果如图
4.3
图4.3 变量控件
在原理图的元器件面板上选择优化控件OPTIM插入原理图中，并设置优化次数为150次。
插入4个目标控件Goal,对宽度进行优化，S(2,1)的期望值小于-0.001，S（1,1）期望值大于-50dB其设置结果如图4.4，4.5：
图4.5 原理图的目标控件
图4.4 原理图中的目标控件
优化完成的S参数仿真波形如下：
freq, GHz
图4.6 优化后的S参数的仿真波形
由图4.6可值优化后其波形基本符合参数指标。
4.5版图生成及仿真
4.5.1版图生成
将原理图生成版图前，使用工具栏按钮Deactivate or Activate Components关闭S参数仿真的两个“Term”及接地。
执行菜单命令Layout，生成版图的如图4.7：
图4.7 由微带短截线带阻滤波器的原理图生成的版图
选择工具栏中的端口Port，2次添加到版图窗口，输入端口设置为端口1，输出端口设置为端口2。单击Momentum菜单栏中的Substrate中的Update From Schematic设置微带线的介质基板基本参数。
4.5.2 版图仿真
执行Momentum菜单→Simulation→S-parameter命令，设置起止频率0GHz，4GHz和采样点数20。仿真波形如下：
图4.8 微带短截线带阻滤波器版图的仿真数据
由图4.8仿真波形可看出中心频率f0 2.0GHz，通带衰减≤0.1dB，带外抑制≥30dB，符合所要求的技术指标。
4.6设计小结
本次设计主要设计一个支线型微波带阻滤波器，随着通信系统的发展，对通信系统的性能要求越来越高，高性能滤波器在通信系统中起着非常重要的作用，微波滤波器是微波领域关键性器件，具有选频、分频和隔离信号等重要作用。本次的设计思想是在现有的切比雪夫原型低通滤波器基础上，通过频率变换计算出带阻滤波器的归一化频率，根据已有的0.1dB切比雪夫滤波器原型衰减的归一化频率的关系曲线可以确定这些波纹值所需要的N值。通过带阻滤波器特性阻抗公式计算出特性阻抗，从而可以在ADS工具上计算出微带线的长度和宽度，根据要求在ADS上画出结构为支线型滤波器的原理图，进行S参数仿真，通过优化得到最符合技术指标的波形图。并生成滤波器电路版图完成本次设计。
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致 谢
本论文是在吴东升老师的悉心指导下完成的，我的每一点进步都是吴老师严格要求、不断教诲的结果。吴老师渊博的科学知识，严谨的工作作风，亲切随和的性格，敏锐的科学洞察力都使我受益匪浅。在尊敬的导师身上，我不仅学到了扎实、宽广的专业知识，也学到了做人的道理。在此谨向恩师致以最诚挚的敬意和感激。另外，在设计过程中，与小组成员讨论过程也让我受益良多，我从同学那学到不同的思维方式，不同的学习方法。
在多年的学习生活中，还得到了许多领导和老师的热情关心和帮助。
在日常学习和生活中，班里同学以及舍友也给予了我很大的帮助。
在此，向所有关心和帮助过我的领导、老师、同学和朋友表示由衷的谢意！衷心的感谢在百忙之中评阅论文和参加答辩的各位老师、教授！