烟台大学毕业论文（设计）
分类号 编号
烟 台 大 学
毕 业 论 文（设 计）
基于ADS的微带滤波器设计
申请学位： 工科学士学位
院 系： 光电信息科学与技术学院 专 业： 电子信息工程 姓 名： 曹瑞明
学 号： 200813503302
指导老师：朱荷艳
2012年5月20日
烟台大学
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烟台大学毕业论文（设计）
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【摘要】
烟台大学毕业论文（设计）
滤波器是最基本的信号处理器。滤波器的主要特性包括低通、高通、带通、带阻衰减。
而微带滤波器则是一类被大量设计使用的微波滤波器。别的型号的滤波器一般都可以在低通滤波器的原型上转化过来。微带电路拥有频带比较宽，体积较小质量轻等较多的长处。本篇论文重点是论述使用被大量应用的切比雪夫带通滤波器去完成既定的滤波器设计要求，利用微波设计软件ADS全局优化设计 并结合实用的解决方案对带外抑制和插入损耗进行优化设计，最终得到比较理想的带通滤波器。重点阐述ADS 设计流程中的参数优化、器件仿真、矩量法分析等相关内容。
关键词 微带带通滤波器; 结构仿真; ADS
Abstract: This paper introduces a design of low noise amplifier by using the ADS simulator method.The overall first elaborated the low noise amplifier main technical and performance indicators, on the basis of low noise amplifier of indicators to synchronous circuit design, optimization and ADS simulation, finally causes the low noise amplifier design results meet the design initial expectations, and success completion of the low noise amplifier circuit design.
Key words：low noise amplifier；receiver；noise figure；matching network.
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目录
第一章 绪论 .................................................................................................................................................................. 6 1.1 微带滤波器简介 ..................................................................................................................................................... 7
1.2微带滤波器的主要参数 ......................................................................................................................................... 7 第二章 ADS ........................................................................................................................................................................ 9 2.1 ADS简介 ................................................................................................................................................................ 9 2.2 ADS的仿真功能 ............................................................................................................................................................ 9
3.1微带滤波器的设计 ............................................................................................................................................... 10 本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下： ..................................................................................... 10 通带截止频率：3GHz。 ........................................................................................................................................... 10 通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。 ..................................................................................... 10 阻带增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由滤波器的S21参数确定。 .................................................... 10 通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。 ................................................................................... 10 在 进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随 频率变化的曲线上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。 ................. 10 了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。 ................................................. 11 4.1建立工程 ............................................................................................................................................................... 11 新 建工程，选择【File】→【New Project】，系统出现新建工程对话框。在name栏中输入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files栏中选择ADS Standard：Length unit——millimet，默认单位为mm，如图12.2所示。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。 .............................. 11 4.2原理图和电路参数设计 ....................................................................................................................................... 11 工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。 ............................................................. 11 1）在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左侧的工具栏变为如图12.3所示。并选择6个MLIN、5个MLOC、1个MSUB按照图12-4所示的方式连接起来。 ................................................ 11
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............................................................................................................................................................................. 16
3.2 低噪声放大器的仿真设计 .................................................................................................................................. 16
3.2.1 选择合适的器件 ..................................................................................................................................... 16 3.2.2 测量晶体管的S参数及确定工作点 ..................................................................................................... 17 3.2.3 低噪声放大器的稳定性判断 ................................................................................................................. 20 3.2.4 匹配网络的设计 ..................................................................................................................................... 21 3.2.5 单级放大器的优化 ................................................................................................................................. 25 3.2.6 两级级联放大器的优化 ......................................................................................................................... 30 3.2.7 电路容差分析 ......................................................................................................................................... 36
第四章 总结 ....................................................................................................................................................................... 39 致谢 ..................................................................................................................................................................................... 40
第一章 绪论
我们利用微波滤波器只让频率正确的的信号通过阻碍频率不同的信号的特性来区分信号。滤波器的性能对微波电路系统的性能指标有很大的影响，因此设计微波电路系统时设计出具有高性能的滤波器很重要。微带电路在微波电路系统应用广泛路。具有个体，质量轻、频带分布宽等特点，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而别的滤波器可以通过低通滤波器为原型转化过来。其中最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。因此本节将重点研究如何 设计并优化微带滤波器
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1.1
微带滤波器简介
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滤波器是一个的二端口网络，对频率适合的信号进行传输，对频率不匹配的信号进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤。典型的频率响应包括低通、高通、带通、带阻衰减。如图1-1所示.
还可以从不同角度对滤波器进行分类：
(1)按功能分，低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，可调滤波器。
(2)按用的元件分，集总参数滤波器，分布参数滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体滤波器，声表面波滤波器，等。
图1-1
1.2微带滤波器的主要参数
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（1）中心频率：一般取f0=（f1+f2）/2，f1、f2为带通或带阻滤波器左、右相对下降1dB
或3dB边频点。窄带滤波器常以插损最小点为中心频率计算通带带宽。
（2） 截止频率：指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频点。通常以1dB或3dB相对损耗点来标准定义。
（3） 通带带宽：指需要通过的频谱宽度，BWxdB=（f2-f1）。f1、f2为以中心频率f0处插入损耗为基准，下降X（dB）处对应的左、右边频点。通常用X=3、1、0.5 即BW3dB、BW1dB、BW0.5dB 表征滤波器通带带宽参数。分数带宽=BW3dB/f0×100%，
（4） 纹波：指1dB或3dB带宽（截止频率）范围内，插损随频率在损耗均值曲线基础上波动的峰-峰值。
（5） 带内波动：通带内插入损耗随频率的变化量。1dB带宽内的带内波动是1dB。
（6）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。理想匹配VSWR=1：1，失配时VSWR＞1。对于一个实际的滤波器而言，满足VSWR＜1.5：1的带宽一般小于BW3dB，其占BW3dB的比例与滤波器阶数和插损相关。
（7） 回波损耗：端口信号输入功率与反射功率之比的分贝（dB）数，也等于|20Log10ρ|，ρ为电压反射系数。输入功率被端口全部吸收时回波损耗为无穷大。
（8） 阻带抑制度：衡量滤波器选择性能好坏的重要指标。该指标越高说明对带外干扰信号抑制的越好。
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第二章 ADS
2.1 ADS简介
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ADS – 全名Advanced Design System，由安捷伦推出，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统、RFIC设计软件；也是国内高校、科研院所使用最多的软件。可以实现包括时域和频域、数字与模拟、线性与非线性、噪声等多种仿真分析。并进行成品率分析与优化，提升了电路的设计效率，是一款好用的的微波射频电路、系统信号链路的设计工具。
2.2 ADS的仿真功能
Ads有着非常强大的仿真能力，可以进直交流仿真，s参数仿真，谐波平衡增益压缩电路包络预算电磁仿真等，这些仿真可以进行现行非线性仿真，电路仿真，频域时域仿真等。
1线性分析
线性分析可以对线性非线性电路进行线性分析，主要是对频域、小信号电路进行仿真分析。
2高频spice瞬态分析
高频spice瞬态分析分析电路的瞬间响应属于时域仿真分析。
3电路包络分析
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电路包络分析可以将高频调制信号分解为时域和频域两个部分进行处理。
4谐波平衡和增益压缩分析
谐波平衡和增益压缩分析是频域打信号非线性稳态电路的仿真分析方法。
第三章 基于ADS的微带滤波器设计
3.1微带滤波器的设计
本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：
通带截止频率：3GHz。
通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。
阻带增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由滤波器的S21参数确定。
通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。
在 进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随 频率变化的曲线上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。
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了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。
4.1建立工程
新 建工程，选择【File】→【New Project】，系统出现新建工程对话框。在name栏中输入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files栏中选择ADS Standard：Length unit——millimet，默认单位为mm，如图12.2所示。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。
4.2原理图和电路参数设计
工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。
1）在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左侧的工具栏变为如图12.3所示。并选择6个MLIN、5个MLOC、1个MSUB按照图12-4所示的方式连接起来。
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2）设置图12-4中的控件MSUB微带线参数
H:基板厚度(0.1 mm)
Er:基板相对介电常数(2.16)
Mur:磁导率(1)
Cond:金属电导率(6.14E+7)
Hu:封装高度(1.0e+33 mm)
T:金属层厚度(0.001 mm)
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TanD:损耗角正切(1e-3)
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Roungh:表面粗糙度(0 mm)
完成设置的MSUB控件如图12.5所示。
3）滤波器两端的引出线是50 Ohm的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具算出。选择【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。在打开的窗口中输入如图12-6所示的内容。
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在Substrate Parameters栏中填入与MSUB相同的微带线参数。
在Component Parameters栏中填入中心频率（本例为3.0GHz）。
Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长。
Electrical栏中的Z0和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟，点击Synthesize和Analyze栏中的和箭头，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算。本例中Z0为50Ohm，E_Eff为45deg，W为0.31008mm，L为9.18284mm。另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息，如图12.7
所示。
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3.2 低噪声放大器的仿真设计
3.2.1 选择合适的器件
选择适用于工作频率且具有可接受的增益和噪声系数的BJT、JEFT 和MESFET。工作频率在6GHz 以下时，大多使用双极晶体管；工作频率在6GHz以上时，大多选用场效应晶体管。而且，一般晶体管的截至频率不小于2-3倍的工作频率。低噪声放大器需要更高的截至频率。选取NEC 公司生产的NE3210S01 N 沟道HJ－FET，它的性能如图1所示，增益在2－4GHz 的频宽内在18dB 以上，噪声系数低于0.5dB，符合低噪声放大器的设计指标。查到在特定偏置下的所选取晶体管的每个工作点的S 参数，选取合适的工作点，来设计电路原理图中的偏置电路。合适且稳定的工作点决定晶体管的动态范围并保证低噪声放大器不出现平顶失真，而且直接影响放大器的高频稳定性，本文选择典型
的静态工作点VDS＝2.0V，ID＝10MA 。
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图1-NE3210S01 的S 参数以及增益、噪声特性
3.2.2 测量晶体管的S参数及确定工作点
在需要的频带内通过ADS的S参数仿真求出晶体管的S参数，对比手册提供的S 参数，不断调整栅源电压VGD来修正S 参数获得合适的偏置电路。因为温度对回路的Q 值的影响，所以在S 参数仿真时应注意根据结果所给出的信息调整偏置电路模型的温度， 本晶体管仿真的环境温度
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16.85℃。偏置电路调整好之后：VGD＝-0.526v, ID=9.87mA,VD=2.0V。
图2-Fet 外围偏置
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图3-将
sprarameters 禁用
图4-低
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噪管的I－V 特性
3.2.3 低噪声放大器的稳定性判断
K-Δ 公式或负载端和源端稳定系数圆可以判断稳定性，K-Δ 公式用来判断低噪声放大器是否绝对稳定。对放大器的第一级的主要用以以降低噪声系数，所以常处于条件稳定，但是采用双端共轭匹配设计最大增益低噪声放大器，处于绝对稳定的射频电路才能保证复数共轭的成立。
图5噪声系数圆,等增益圆和输入匹配点的确定
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图6源稳定系数圆图和负载稳定系数圆图
3.2.4 匹配网络的设计
在增益15dB 的圆上选取接近最小噪声点的源反射系数作为输入匹配点，如图5 中m1 所示，本文取ΓS=Γopt= 0.768∠9.872 ，得到最佳噪声系数匹配条件，使放大器满足噪声要求并且实现足够大的增益。图6 显示出了源稳定系数圆图和负载稳定系数圆图，从标记m3、m4 可以看出源稳定系数圆和负载稳定系数圆均与smith 圆图相离，又由于S11，S22 均小1，所以输入和输出都符合绝对稳定。输出匹配点Γout 根据如下公式
求出。
匹配网络的有很多的设计方法，有图解法，计算机辅助设计法等。本文利用ADS 的smith 圆图综合工具完成匹配网络的自动设计。在元件面板列表中选取Simth 圆图工具Smith Chart Matching，然后选取工具菜单栏中的Smith Chart Utility 工具，输入负载的反射系数，然后通过ADS提供的智能元件设计阻抗匹配，最终生成子网络。采用由集总元件构成的没有损耗的L型网络，如图7所示为实用Simith 工具得到的匹配电路的拓扑结构。图8为低噪声放大器输出子网络。
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图7 使用史密斯圆图工具
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图8经过调整
后达到匹配
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图9匹配后的电容值
图10匹配后的电感值
输出匹配网络的设计采用S 参数优化方法， S 参数设计法是将晶体管看做是一个黑盒子，只知道它的端口参数，是从系统或者网络的角度出发来设计放大器。首先设定匹配网络集总器件为优化变量，优化的目标为噪声系数、增益、输入驻波比、输出驻波比等，给上述原理图增加优化仿真器OPTIM 和优化目标控件GOAL。注意在OPTIM 中设定仿真变量，并将设计目标值作为仿真目标，优化仿真变量设计参数，然后选择适合的优化方式，常用的主要是Random（随机法）和Gradient（梯度法） ，随机法通常用于大范围搜索时使用，梯度法则用于局域收敛，不同方法有不同的元件变量渐进方式，应根据收敛速度和误差函数公式进行选择。最后选择迭代次数后进行优化仿真， 通过不断对优化变量的调整， 得到满足稳定性、噪声系数和增益等目标的电路，实际在进行分析的时
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候，还需要根据具体情况及有关理论加入一些有助于提高电路性能的细节。匹配后仿真原理图如图9 所示，此处把集总元件构成的匹配网络用微带线代替，选取射频介质基板的参数为：介电常数εr=4.3,基板厚度H=0.8mm。
3.2.5 单级放大器的优化
1.优化目标
在2.1G 到2.4G 的频段上，输入输出驻波比小于-10dB，增益在12dB 到14dB之间，噪声系数nf（2）小于0.8dB，稳定系数Mu1 大于1。
2.优化方式
通过设置Optium 中的优化方式来对Var 中的变量进行优化，以满足上述设计要求。这里可以选择Random 方式或者Gradient 等方式进行自动优化这些电路参量。也可通过使Tuning来手动调节。Random 的优化方式有利于快速找到比较好的参数初始值，以便为以后的优化打好基础。而Gradia nt的优化方式可以更精确的找到较好的优化值，但是缺点是速度较慢。应用tunning 时应该把Optim禁用，通过改变参量的最大最小值和步长也可以得到较好的仿真效果。
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图11Random 优化方式
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图12Tune 后
各个元件的取值
图13单级放大器原理图
3.仿真参数和波形
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4.图14仿真参数和波形
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图15 S 参数
图16 稳定系数和噪声系数
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图17输入输出驻波比优化后的仿真参数
3.2.6 两级级联放大器的优化
1. 两级级联匹配原理
为了进一步改善低噪声放大器的增益、增益平坦度及稳定性，可以采用多级放大器级联的形式满足需求。本文所选择的低噪管具有很低的噪声系数和较高的1dB 压缩点，在仿真中直接将两级相同的单级放大器通过耦合电容进行耦合，前级采用最佳噪声输入匹配，后级采用双共轭匹配，经过匹配网络调谐和进一步优化后，得到性能更加良好的电路。
2. 优化目标
在2.1G 到2.4G 的频段上，输入输出驻波比小于-10dB，权重为5；增益在最小值为17dB，权重为10；噪声系数nf（2）小于0.5dB，权重为5；稳定系数Mu1大于1 权重为10。
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图18优化目标
3. 优化方式
通过设置Optium 中的优化方式来对Var 中的变量进行优化，以满足上述设计要求。这里可以选择Random 方式或者Least Path 等方式进行自动优化这些电路参量。也可通过使用Tuning 来手动调节。Least Path 是一种最快找到最好优化参数的优化方式。由于两级放大电路电路参数联动比较厉害，因此只能用Least Path优化后再用Tuning 进行微调。
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图19 Least Path 优化方式
Tuning 进行
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微调
4. 两级放大器原理图
两级放大器原理图
5.仿真参数和波形
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优化后的仿真参数
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S参数
稳定系数和噪声系数
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输入输出驻波比
3.2.7 电路容差分析
YIELD分析能够按照变量元件的离散分布分析出产品达到性能目标的合格率，通常我们能够给出我们所采用的器件的连续或离散变化特性，它们符合电子产品的分布特性正态分布、高斯分布或其他分布。YIELD 分析基于Monte Carlo方法，需要建立一定数量的随机试验。设计变量在容差范围内变化，随机试验中符合设计目标需要的试验次数（PASSNUMBER）和失败的实验次数将会得到，从而估算出产品的试验合格率。首先给电路原理图增加YIELD 仿真器及YIELD 参数，对放大器在所设定目标下的合格率进行分析。设置元件参量变化符合正态分布，δ＝±5％，设定设计目标YIELD SPEC ，这里取S 参数、噪声系数和稳定系数为设计目标，YIELD 试验次数设置为250 次。仿真结果如图所示，合格率为71％。为了设计出的产品既要保证合格的指标又要满足较高的合格率，我们必须进行优化合格率设计。YIELD 仿真器及优化控制器如图所示。
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合格率仿真分析结果
优化后的合格率仿真结果
YIELD 优化控制器
从图的表格可以看出，优化设计给出的参数在容差变化范围内对应的产品合格率影
响明显，优化后的合格率上升为84%。优化YIELD 仿真分析后得到最大合格率下的电路参
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数优化值，但最大合格率下的电路参数与最佳性能优化后的电路参数值稍微有些变动。经过对
S 参数的再次分析可以看出，最大合格率优化后的电路性能不如最佳参数优化的性能好。这表明最佳性能设计不一定达到最大合格率产品，最大合格率设计也不一定输出最佳性能的产品。作为投入批量生产的产品，我们必须选择最大合格率设计。
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第四章 总结
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从以上的仿真设计分析过程中，我们首先应用了ADS 的S 参数仿真分析，设计出满足稳定性要求的低噪声放大器的初始电原理图并进行最佳性能仿真分析。由仿真结果可以看到，工作频带2.1－2.4Ghz,，平均增益20dB，S11和S22均在-20dB一下，噪声系数在0.35dB以下，输入输出驻波比在1.2 左右，带内无条件稳定，均满足设计指标。最后采用ADS 的
合格率仿真器分析最佳性能参数下产品的合格率，并采用了优化合格率分析使产品最终达到高性能与高合格率。
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致谢
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本文是在朱荷艳老师精心指导和大力支持下完成的。朱老师以其严谨求实的治学态度、高度的敬业精神、兢兢业业、孜孜以求的工作作风和大胆创新的进取精神对我产生重要影响。他渊博的知识、开阔的视野和敏锐的思维给了我深深的启迪。同时，在此次毕业设计过程中我也学到了许多了的知识，实验技能有了很大的提高。
其次，本文最终得以顺利完成，也是与本学院其他老师的帮助分不开的，虽然他们没有直接参与我的论文指导，但在开题时也给我提供了不少的意见，提出了一系列可行性的建议，还要感谢在写论文期间，和我一起探讨论文问题的同学。他们给予了我很大的帮助。没有他们的帮助我是无法在规定的时间内完成论文的。
最后，再次对关心、帮助我的老师和同学表示衷心地感谢
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