微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統具有很重 要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優點，近年來在微波電路系統應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，因此本節將重點研究如何 設計并優化微帶濾波器。

1  微帶濾波器的原理

微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以 通過低通濾波器的原型轉化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯短截線或是短路 串聯短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由于它設計簡單，因此在某些地方還 是值得應用的。

2  濾波器的分類

最普通的濾波器的分類方法通常可分為低通、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。



按濾波器的頻率響應來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等；按濾波器的構成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類；按濾波器的制作方法和材料可分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

3 微帶濾波器的設計指標

微帶濾波器的設計指標主要包括：

1絕對衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。 

2帶寬（Bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow—fhigh）。

3中心頻率：fc或f0。

4截止頻率。下降沿3dB點頻率。

5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開截止頻率一個倍頻程衰減（dB）。 

6微分時延（differential delay）：兩特定頻率點群時延之差以ns計。 

7群時延（Group delay）：任何離散信號經過濾波器的時延（ns）。

8插入損耗（insertion loss）：當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB 

9帶內波紋（passband ripple）：在通帶內幅度波動，以dB計。

10相移（phase shift）：當信號經過濾波器引起的相移。 

11品質因數Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。 

12反射損耗（Return loss） 

13形狀系數（shape factor）：定義為。 

14止帶（stop band或reject band）：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點（如60dB點）的帶寬。

工 程應用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰 減特性的，是濾波器的主要技術指標，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小；群時延是指網 絡的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時延為常數時，信號通過網絡才不會產生相位失真；寄生通帶是由于分布參數傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設計通帶一定距離處又出現的通帶，設計 時要避免阻帶內出現寄生通帶。

4  微帶濾波器的設計

本小節設計一個微帶低通濾波器，濾波器的指標如下：

通帶截止頻率：3GHz。

通帶增益：大于-5dB，主要由濾波器的S21參數確定。

阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數確定。
 
通帶反射系數：小于-22dB，由濾波器的S11參數確定。

在 進行設計時，我們主要是以濾波器的S參數作為優化目標。S21(S12)是傳輸參數，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現在S21(S12)隨 頻率變化的曲線上。S11(S22)參數是輸入、輸出端口的反射系數，如果反射系數過大，就會導致反射損耗增大，影響系統的前后級匹配，使系統性能下降。

了解了濾波器的設計原理以及設計指標后，下面開始設計微帶低通濾波器。

4.1建立工程

新 建工程，選擇【File】→【New Project】，系統出現新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unit——millimet，默認單位為mm，如圖12.2所示。單擊OK，完成新建工程，此時原理圖設計窗口會自動打開。

4.2原理圖和電路參數設計

工程文件創立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設計過程。
 
1）在原理圖設計窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側的工具欄變為如圖12.3所示。并選擇6個MLIN、5個MLOC、1個MSUB按照圖12-4所示的方式連接起來。





2）設置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數 

H:基板厚度(0.1 mm)
 
Er:基板相對介電常數(2.16)
 
Mur:磁導率(1) 

Cond:金屬電導率(6.14E+7)

Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)

T:金屬層厚度(0.001 mm)

TanD:損耗角正切(1e-3)
 
Roungh:表面粗糙度(0 mm)
 
完成設置的MSUB控件如圖12.5所示。



3）濾波器兩端的引出線是50 Ohm的微帶線，它的寬度W可由微帶線計算工具算出。選擇【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。在打開的窗口中輸入如圖12-6所示的內容。



在Substrate Parameters欄中填入與MSUB相同的微帶線參數。
 
在Component Parameters欄中填入中心頻率（本例為3.0GHz）。
 
Physical欄中的W和L分別表示微帶線的寬和長。
Electrical欄中的Z0和E_Eff分別表示微帶線的特性阻抗和相位延遲，點擊Synthesize和Analyze欄中的和箭頭，可以進行W、L與Z0、E_Eff間的相互換算。本例中Z0為50Ohm，E_Eff為45deg，W為0.31008mm，L為9.18284mm。另外打開的一個窗口顯示當前運算狀態以及錯誤信息，如圖12.7所示。



4） 雙擊兩邊的引出線TL1、TL6，分別將其寬與長設為0.31006 mm和1.5 mm。其余的微帶線長度設為9.18284，寬度是濾波器設計和優化的主要參數，因此要用變量代替，便于后面修改和優化。微帶濾波器的結構是對稱的，因此 設置了W1、W2、W3、W4、W5共5個變量。

雙擊每個微帶線設置參數，W分別設為相應的變量，單位mm。在設置寬度的5個變量時，為了讓它們顯示在原理圖上，要把Display parameter on schematic的選項勾上。設置完變量的原理圖如圖12.8所示。



5）由于原理圖中的MLIN和MLOC的寬度都是變量，因此需要在原理圖中添加一個變量控件。單擊工具欄上的VAR 圖標，把變量控件VAR放置在原理圖上，雙擊該圖標彈出變量設置窗口，依次添加各微帶線的W參數。

在 Name欄中填變量名稱，Variable Value欄中填變量的初值，點擊Add添加變量，然后單擊Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按鈕設置變量的取值范圍，其中的Enabled/Disabled表示該變量是否能被優化，Minimum Value表示可優化的最小值Maximum Value表示可優化的最大值，如圖12.9，12.10所示。





微帶濾波器中微帶線的變量值及優化范圍設置如下。
 
W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W1的默認值為0.1679，變化范圍為0.1到2。
 
W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 }，表示W2的默認值為0.4772，變化范圍為0.1到2。
 
W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 }，表示W3的默認值為0.5124，變化范圍為0.1到2。
 
W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 }，表示W4的默認值為0.1269，變化范圍為0.1到2。
 
W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 }，表示W5的默認值為0.1203，變化范圍為0.1到2。

這樣一個完整的微帶低通濾波器的電路就完成了，如圖12.11所示。



4.3  S參數仿真設置和原理圖仿真

 上面已經詳細的闡述了原理圖的設計以及電路參數的設置，下面介紹S參數仿真設置和原理圖仿真。在執行仿真之前，先進行S參數仿真設置。

1）S參數仿真設置

在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真工具欄，Simulation-S_Param。選擇Term放置在濾波器兩邊，用來定義端口1和2，并放置兩個地，按照圖12.12連接好電路。

選擇S參數掃描控件放置在原理圖中，并設置掃描的頻率范圍和步長。雙擊S參數仿真控制器，參數設置如下。

Start=0 GHz，表示頻率掃描的起始頻率為0 GHz。

Stop=5 GHz，表示頻率掃描的終止頻率為5 GHz。

Step=0.01 GHz，表示頻率掃描的頻率間隔為0.01 GHz。 

完成參數設置的S參數仿真控制器如圖12.13所示。



調整電路原理圖和各種控件，最終得到的電路原理圖如圖12.14所示。



這樣就完成了微帶低通濾波器S參數的仿真設置，下面開始對濾波器進行仿真。

2） 原理圖仿真

單 擊工具欄上的simulate按鈕或是點擊simulate→simulate，當仿真結束后，系統會自動彈出一個數據顯示窗口，在數據顯示窗口中插入一 個S21參數的矩形圖，再點擊maker→New，可在圖中加一標記，如圖12.15所示。從圖中可以看出，S21參數曲線是一個低通濾波器的形狀，但是 與設計指標的要求還有一定的差距。以同樣的方式插入一個S11參數的矩形圖，加上一個Marker點，如圖12.16所示。從圖中可以看出，S11在通帶 內基本滿足工程設計的要求，但是還有待于進一步改善，使端口的反射系數更小。





通過仿真我們可以看出，濾波器的參數指標還不滿足要求，這就需要我們通過優化仿真來使濾波器的參數滿足設計的要求，下面就來介紹關于電路優化方面的內容。

4.4優化電路參數

由于濾波器的參數并未達到指標要求，因此需要優化電路參數，使之達到設計要求。優化電路參數的具體步驟如下：

1) 在原理圖設計窗口中選擇優化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優化控件optim，雙擊該控件設置優化方法和優化次數，常 用的優化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局部收斂。設置完成的控件如圖12.17所 示。



2）在優化面板列表中選擇優化目標控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設置其參數，如圖12.18所示。

Expr是優化目標名稱，其中dB(S(2,1))表示以dB為單位的S21參數的值。

SimlnstanceName是仿真控件名稱，這里選擇SP1

Min和Max是優化目標的最小與最大值。

Weight是指優化目標的權重。

RangeVar[1]是優化目標所依賴的變量，這里為頻率freq。

RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述變量的變化范圍。

這 里總共設置了三個優化目標，前二個的優化參數都是S21，用來設定濾波器的通帶和阻帶的頻率范圍及衰減情況，最后一個的優化參數是S11，用來設定通帶內 的反射系數(這里要求小于-25dB)，具體如圖12.19所示。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設定優化參數時，可以適當增加通帶寬度。對 于其它的參數，也可以根據優化的結果進行一定的調整。





3） 設置完優化目標后把原理圖存儲一下，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進行優化仿真。在優化過程中會打開一個狀態窗口顯示優化的結果(如圖 12.20)，其中的CurrentEF表示與優化目標的偏差，數值越小表示越接近優化目標，0表示達到了優化目標，下面還列出了各優化變量的值，當優化 結束時還會打開數據顯示窗口。在數據顯示窗口中我們可以觀察S11參數和S21參數，如圖12.21所示。從圖中可以看出，濾波器的S11參數和S21參 數滿足設計要求。





需要注意的是在一次優化完成后，要點擊原理圖窗口菜單中的Simulate -> Update Optimization Values保存優化后的變量值(在VAR控件上可以看到變量的當前值)，否則優化后的值將不保存。
如果一次優化不能滿足設計指標要求，根據情況需要對優化目標、優化變量的取值范圍、優化方法及次數進行適當的調整，經過數次優化后，當CurrentEf的值為0，即為優化結束。
4）優化完成后必須關掉優化控件，才能觀察仿真的曲線。點擊原理圖工具欄中的按鈕，然后點擊優化控件OPTIM，則控件上打了紅叉表示已經被關掉。要想使控件重新開啟，只需點擊工具欄中的按鈕，然后點擊要開啟的控件，則控件上的紅叉消失，功能也重新恢復了。對于原理圖上其他的部件，如果想使其關閉或開啟，也可以采取同樣的方法。

5）點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現數據顯示窗口。在數據顯示窗口觀察濾波器的S11和S21曲線，其結果與優化結果相同。

4.5其他參數

在 進行原理圖仿真時，還可以看到濾波器的群時延以及輸入的電壓駐波比等參數。雙擊S參數控件，在其設置窗口的Parameters選項卡中勾上Group delay選項，就會在仿真時計算群時延。把左側工具欄設為Simulation-S_param，并把VSWR控件放置在原理圖中，即可計算輸入駐波 比。

要觀察這兩個參數的曲線，只需在仿真后出現的圖形顯示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲線即可。當優化完成后，還可以把S參數仿真的頻率范圍加大，看看濾波器的寄生通帶出現在什么頻率上。

4.6 版圖的生成與仿真

原理圖的仿真是在完全理想的狀態下進行的，而實際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要我們考慮一些干擾、耦合等外界因素的影響。因此需要在ADS中進一步對版圖仿真。

1） 版圖的生成

版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算，其結果比在原理圖中仿真要準確，但是它的計算比較復雜，需要較長的時間，可作為對原理圖設計的驗證。
①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參數仿真的兩個Term以及接地去掉，不讓他們出現在生成的版圖中。去掉的方法與前面關掉優化控件的相同，都是使用按鈕，把這些元件打上紅叉。

② 然后點擊菜單中的Layout -> Generate/Update Layout，彈出一個設置窗口（如圖12.22），直接點OK，又出現一個窗口（如圖12.23），再點OK，完成版圖的生成，這時會打開一個顯示版圖 的窗口，里面有剛生成的版圖(如圖12.24) 。

③版圖生成后先要設置微帶電路的基本參數(即原理圖中MSUB里的參數)，點擊版圖窗 口菜單中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic從原理圖中獲得這些參數，點擊Momentum -> Substrate -> Create/Modify可以修改這些參數。

④為了進行S參數仿真，需要在濾波器兩側添加兩個端口，點擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設置窗口，點擊OK關閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點擊添加上兩個port端口。

2） 版圖的仿真

① 點擊Momentum -> Simulation -> S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的Sweep Type選擇Adaptive，起止頻率設為與原理圖中相同，采樣點數限制取10 (因為仿真很慢，所以點數不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設置填入左側列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。仿真過程中會出現一 個狀態窗口顯示仿真進程。







②仿真運算要進行一段時間，仿真結束后將出現數據顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化（如圖12.25），此處S11的值大概為-24dB，S21的值大概為-48dB，基本達到了指標要求。



③如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優化仿真，產生這種情況的原因是微帶線的寬度取值不合適，可以改變優化變量的初值，也可根據曲線與指標的差別情況適當調整優化目標的參數，重新進行優化。

④在返回原理圖重新優化時，要先使剛才打紅上叉的部件恢復有效，然后才能進行優化，之后重復前面所述的過程，直到版圖仿真的結果達到要求為止。

3） 版圖的制作

版圖的仿真完成后要根據結果用Protel軟件或是AutoCAD繪制電路版圖，繪制版圖時要注意以下幾點。

①所用電路板是普通的雙層板，上層用來繪制電路，下層整個作為接地。

②在繪制版圖時受加工工藝的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，線寬和縫隙寬度要大于0.2mm

③考慮到加工電路板時的側向腐蝕問題，微帶線的寬度和長度要適當增加。

④版圖的大小要符合規定尺寸，以便于安裝在測試架上。