微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重 要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何 设计并优化微带滤波器。

1  微带滤波器的原理

微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以 通过低通滤波器的原型转化过来。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。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路 串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还 是值得应用的。

2  滤波器的分类

最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1给出了这四种滤波器的特性曲线。



按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及椭圆型等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。

3 微带滤波器的设计指标

微带滤波器的设计指标主要包括：

1绝对衰减（Absolute attenuation）：阻带中最大衰减（dB）。 

2带宽（Bandwidth）：通带的3dB带宽（flow—fhigh）。

3中心频率：fc或f0。

4截止频率。下降沿3dB点频率。

5每倍频程衰减（dB/Octave）：离开截止频率一个倍频程衰减（dB）。 

6微分时延（differential delay）：两特定频率点群时延之差以ns计。 

7群时延（Group delay）：任何离散信号经过滤波器的时延（ns）。

8插入损耗（insertion loss）：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB 

9带内波纹（passband ripple）：在通带内幅度波动，以dB计。

10相移（phase shift）：当信号经过滤波器引起的相移。 

11品质因数Q（quality factor）：中心频率与3dB带宽之比。 

12反射损耗（Return loss） 

13形状系数（shape factor）：定义为。 

14止带（stop band或reject band）：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如60dB点）的带宽。

工 程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰 减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网 络的相移随频率的变化率，定义为 dU/df ，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计 时要避免阻带内出现寄生通带。

4  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。

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。





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)

TanD:损耗角正切(1e-3)
 
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。



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。



4） 双击两边的引出线TL1、TL6，分别将其宽与长设为0.31006 mm和1.5 mm。其余的微带线长度设为9.18284，宽度是滤波器设计和优化的主要参数，因此要用变量代替，便于后面修改和优化。微带滤波器的结构是对称的，因此 设置了W1、W2、W3、W4、W5共5个变量。

双击每个微带线设置参数，W分别设为相应的变量，单位mm。在设置宽度的5个变量时，为了让它们显示在原理图上，要把Display parameter on schematic的选项勾上。设置完变量的原理图如图12.8所示。



5）由于原理图中的MLIN和MLOC的宽度都是变量，因此需要在原理图中添加一个变量控件。单击工具栏上的VAR 图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各微带线的W参数。

在 Name栏中填变量名称，Variable Value栏中填变量的初值，点击Add添加变量，然后单击Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按钮设置变量的取值范围，其中的Enabled/Disabled表示该变量是否能被优化，Minimum Value表示可优化的最小值Maximum Value表示可优化的最大值，如图12.9，12.10所示。





微带滤波器中微带线的变量值及优化范围设置如下。
 
W1=0.1679 opt{ 0.1 to2 }，表示W1的默认值为0.1679，变化范围为0.1到2。
 
W2=0.4772 opt{ 0.1 to 2 }，表示W2的默认值为0.4772，变化范围为0.1到2。
 
W3=0.5124 opt{ 0.1 to 2 }，表示W3的默认值为0.5124，变化范围为0.1到2。
 
W4=0.1269 opt{ 0.1 to 2 }，表示W4的默认值为0.1269，变化范围为0.1到2。
 
W5=0.1203 opt{ 0.1 to 2 }，表示W5的默认值为0.1203，变化范围为0.1到2。

这样一个完整的微带低通滤波器的电路就完成了，如图12.11所示。



4.3  S参数仿真设置和原理图仿真

 上面已经详细的阐述了原理图的设计以及电路参数的设置，下面介绍S参数仿真设置和原理图仿真。在执行仿真之前，先进行S参数仿真设置。

1）S参数仿真设置

在原理图设计窗口中选择S参数仿真工具栏，Simulation-S_Param。选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2，并放置两个地，按照图12.12连接好电路。

选择S参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长。双击S参数仿真控制器，参数设置如下。

Start=0 GHz，表示频率扫描的起始频率为0 GHz。

Stop=5 GHz，表示频率扫描的终止频率为5 GHz。

Step=0.01 GHz，表示频率扫描的频率间隔为0.01 GHz。 

完成参数设置的S参数仿真控制器如图12.13所示。



调整电路原理图和各种控件，最终得到的电路原理图如图12.14所示。



这样就完成了微带低通滤波器S参数的仿真设置，下面开始对滤波器进行仿真。

2） 原理图仿真

单 击工具栏上的simulate按钮或是点击simulate→simulate，当仿真结束后，系统会自动弹出一个数据显示窗口，在数据显示窗口中插入一 个S21参数的矩形图，再点击maker→New，可在图中加一标记，如图12.15所示。从图中可以看出，S21参数曲线是一个低通滤波器的形状，但是 与设计指标的要求还有一定的差距。以同样的方式插入一个S11参数的矩形图，加上一个Marker点，如图12.16所示。从图中可以看出，S11在通带 内基本满足工程设计的要求，但是还有待于进一步改善，使端口的反射系数更小。





通过仿真我们可以看出，滤波器的参数指标还不满足要求，这就需要我们通过优化仿真来使滤波器的参数满足设计的要求，下面就来介绍关于电路优化方面的内容。

4.4优化电路参数

由于滤波器的参数并未达到指标要求，因此需要优化电路参数，使之达到设计要求。优化电路参数的具体步骤如下：

1) 在原理图设计窗口中选择优化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中选择优化控件optim，双击该控件设置优化方法和优化次数，常 用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。设置完成的控件如图12.17所 示。



2）在优化面板列表中选择优化目标控件Goal放置在原理图中，双击该控件设置其参数，如图12.18所示。

Expr是优化目标名称，其中dB(S(2,1))表示以dB为单位的S21参数的值。

SimlnstanceName是仿真控件名称，这里选择SP1

Min和Max是优化目标的最小与最大值。

Weight是指优化目标的权重。

RangeVar[1]是优化目标所依赖的变量，这里为频率freq。

RangeMin[1]和RangeMax[1]是上述变量的变化范围。

这 里总共设置了三个优化目标，前二个的优化参数都是S21，用来设定滤波器的通带和阻带的频率范围及衰减情况，最后一个的优化参数是S11，用来设定通带内 的反射系数(这里要求小于-25dB)，具体如图12.19所示。由于原理图仿真和实际情况会有一定的偏差，在设定优化参数时，可以适当增加通带宽度。对 于其它的参数，也可以根据优化的结果进行一定的调整。





3） 设置完优化目标后把原理图存储一下，然后点击工具栏中的Simulate按钮开始进行优化仿真。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果(如图 12.20)，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标，下面还列出了各优化变量的值，当优化 结束时还会打开数据显示窗口。在数据显示窗口中我们可以观察S11参数和S21参数，如图12.21所示。从图中可以看出，滤波器的S11参数和S21参 数满足设计要求。





需要注意的是在一次优化完成后，要点击原理图窗口菜单中的Simulate -> Update Optimization Values保存优化后的变量值(在VAR控件上可以看到变量的当前值)，否则优化后的值将不保存。
如果一次优化不能满足设计指标要求，根据情况需要对优化目标、优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当的调整，经过数次优化后，当CurrentEf的值为0，即为优化结束。
4）优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。点击原理图工具栏中的按钮，然后点击优化控件OPTIM，则控件上打了红叉表示已经被关掉。要想使控件重新开启，只需点击工具栏中的按钮，然后点击要开启的控件，则控件上的红叉消失，功能也重新恢复了。对于原理图上其他的部件，如果想使其关闭或开启，也可以采取同样的方法。

5）点击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。在数据显示窗口观察滤波器的S11和S21曲线，其结果与优化结果相同。

4.5其他参数

在 进行原理图仿真时，还可以看到滤波器的群时延以及输入的电压驻波比等参数。双击S参数控件，在其设置窗口的Parameters选项卡中勾上Group delay选项，就会在仿真时计算群时延。把左侧工具栏设为Simulation-S_param，并把VSWR控件放置在原理图中，即可计算输入驻波 比。

要观察这两个参数的曲线，只需在仿真后出现的图形显示窗口中添加delay(2,1)及VSWR的曲线即可。当优化完成后，还可以把S参数仿真的频率范围加大，看看滤波器的寄生通带出现在什么频率上。

4.6 版图的生成与仿真

原理图的仿真是在完全理想的状态下进行的，而实际电路板的制作往往和理论有较大的差距，这就需要我们考虑一些干扰、耦合等外界因素的影响。因此需要在ADS中进一步对版图仿真。

1） 版图的生成

版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，可作为对原理图设计的验证。
①首先要由原理图生成版图，生成版图前先要把原理图中用于S参数仿真的两个Term以及接地去掉，不让他们出现在生成的版图中。去掉的方法与前面关掉优化控件的相同，都是使用按钮，把这些元件打上红叉。

② 然后点击菜单中的Layout -> Generate/Update Layout，弹出一个设置窗口（如图12.22），直接点OK，又出现一个窗口（如图12.23），再点OK，完成版图的生成，这时会打开一个显示版图 的窗口，里面有刚生成的版图(如图12.24) 。

③版图生成后先要设置微带电路的基本参数(即原理图中MSUB里的参数)，点击版图窗 口菜单中的Momentum -> Substrate -> Update From Schematic从原理图中获得这些参数，点击Momentum -> Substrate -> Create/Modify可以修改这些参数。

④为了进行S参数仿真，需要在滤波器两侧添加两个端口，点击工具栏上的Port按钮，弹出port设置窗口，点击OK关闭该窗口，在滤波器两边要加端口的地方分别点击添加上两个port端口。

2） 版图的仿真

① 点击Momentum -> Simulation -> S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的Sweep Type选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10 (因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击Update按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真过程中会出现一 个状态窗口显示仿真进程。







②仿真运算要进行一段时间，仿真结束后将出现数据显示窗口，观察S11和S21曲线，性能有不同程度的恶化（如图12.25），此处S11的值大概为-24dB，S21的值大概为-48dB，基本达到了指标要求。



③如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是微带线的宽度取值不合适，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化。

④在返回原理图重新优化时，要先使刚才打红上叉的部件恢复有效，然后才能进行优化，之后重复前面所述的过程，直到版图仿真的结果达到要求为止。

3） 版图的制作

版图的仿真完成后要根据结果用Protel软件或是AutoCAD绘制电路版图，绘制版图时要注意以下几点。

①所用电路板是普通的双层板，上层用来绘制电路，下层整个作为接地。

②在绘制版图时受加工工艺的限制，尺寸精度到0.01 mm即可，线宽和缝隙宽度要大于0.2mm

③考虑到加工电路板时的侧向腐蚀问题，微带线的宽度和长度要适当增加。

④版图的大小要符合规定尺寸，以便于安装在测试架上。