微带低通滤波器的设计与仿真
分类：电路设计
嘿嘿，学完微波技术与天线，老师要求我们设计一个微带元器件，可以代替实验室里的元器件，小弟不才，只设计了一个低通滤波器。
现把它放到网上，以供大家参考。
带低通滤波器的设计
一、题目
第三题：低通滤波器的设计
技术参数：f < 800MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm。
仿真软件：HFSS、ADS或IE3D
介质材料：介电常数εr = 2.65，板厚1mm
二、设计过程
1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为f < 800MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。
介质材料：介电常数εr = 2.65，板厚1mm。
2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的宽度及长度，确保各段长度均小于λ/8（λ为带内波长）。
3、设计过程：
（1）确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器，Ώs = fs/fc = 1.82，Ώs -1 = 0.82及Lr = 0.2dB，Ls >= 30，查表得N=5，原型滤波器的归一化元件参数值如下：
g1 = g5 = 1.3394，g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1.0000。
该滤波器的电路图如图1所示：
图1
（2）计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50Ώ，则有
C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*8*10^8*50) = 5.3293pF， C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*8*10^8*50) = 8.6182pF，
L2 = L4 = Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*8*10^8) = 13.2994nH。
（3）计算微带低通滤波器的实际尺寸：
设低阻抗（电容）为Z0l = 15Ώ。
经过计算可得W/d = 12.3656，εe = 2.4437，则
微带宽度 W1 = W3 = W5 = W = 1.000*12.3656 = 12.3656mm，
各段长度l1 = l5 = Z0l*Vpl*C1 = 15* 3*10^11/sqrt(2.4437)*5.3293*10^-12
= 15.3412mm，
l3 = Z0l*Vpl*C3 = 15* 3*10^11/sqrt(2.4437)*8.6182*10^-12
= 24.8088mm，
带内波长λ = Vpl/f =3*10^11/(sqrt(2.4437)8*10^8) = 239.8873mm，λ/8 = 29.9859mm，
可知各段均小于λ/8，符合要求。
设高阻抗（电感）为Z0h = 95Ώ。
经过计算可得W/d =0.85，εe = 2.0402，则
微带宽度W2 = W4 = W =1.0000*0.85 =0.85mm，
各段长度l2 = l4 = Vph*L2/Z0h = 29.4031mm，
带内波长λ = Vpl/f = 3*10^11/(sqrt(2.0402)*8*10^8) = 262.5396mm，λ/8 = 32.8175mm，
可知各段均小于λ/8，符合要求。
（4）参数修正
经过反复优化与调试，最终确定的低通滤波器的各参数如下：
低阻抗线W1 = W3 = W5 = 14.30mm
l1 = l5 = 18.50mm
l3 =26.97mm
高阻抗线W2 = W4 =1.05mm
l2 = l4 =30.77mm
三、仿真调试与结果
本仿真基于ADS软件，设计中的低通滤波器的电路原理图如图2所示：
按图连线，设置好参数后，运行仿真，得到S（2,1）（dB）关于f（MHz）的曲线图如图3及图4所示：
图2
由图3可以看出，设计的低通滤波器在频率大于1100MHz时，即通带外300MHz处，才使得滤波器的插入损耗L大于20dB，不满足设计要求。
但由图4可知，通带内损耗小于2dB，符合要求。
图3
图4
据此，在电路原理图上设置一个变量控制器以及优化控制器，用以优化滤波器的参数，如图5所示：
图5
通过优化以后，再仿真得到的滤波器特性曲线如图6与7所示：
由图6可以看出，设计的低通滤波器在频率大于900MHz时，即带外100MHz处，滤波器的插入损耗L大于20dB，满足设计要求。
图6
由图7可以看出，设计的低通滤波器在频率小于760MHz时，滤波器的插入损耗小于2dB，在800MHz处不到6dB，约有40MHz 的误差，基本满足设计要求。
图7
参数调整好后，导出微带线的版图，如图8所示：
图8
调整好布局，对其进行仿真（注意端口的放置，图中端口1、2分别放在上下两个顶点处），得图9所示特性曲线：
图9
可以看出，该曲线与原理图的仿真相近，只是带外100MHz（即900MHz~1100MHz）损耗仍旧小于20dB，1100MHz以后才有大于20dB的损耗，存在约200MHz的偏差。
如需要更加精确的仿真结果，则要重新反复地优化微带的参数。
附1：Smith圆图
图10
附2：寄生通带
图11
如图所示，在高频段会产生一些寄生通带，不知何因？还请高手不吝赐教！
四、AUTOCAD图
最后导出AUTOCAD图，添加标注，AUTOCAD图如图10所示
图12
这个图拿去做板的话不适用，得自己用autoCAD画出来，并标上尺寸。
如图13所示：
图13。