5.2.2 设计集总参数低通滤波器
对于实际的集总参数低通滤波器,集总参数元件之间需要有传输线连接,由于分布参数的影响,传输线会对滤波器的技术指标有影响。因此,需要考虑加入传输线后滤波器的设计情况。
1.设计指标
(1)通带频率范围为0.1GHz内
(2)通带内衰减小于0.5dB
(3)在0.2GHz时衰减大于40dB
(4)系统特性阻抗为50Ω
(5)微带线基板的厚度为1mm,基板的相对介电常数为4.2
(6)连接集总参数元件的微带线,长选为2.5mm,宽选为1.5mm
2.创建一个原理图视窗
新建工作空间q502中创建一个原理图视窗e1。
3.设计原理图
在原理图视窗e1中,根据图5.9搭建低通滤波器原理图电路。其中,电感和电容之间由微带线连接。
(1)设置微带线参数。在原理图的元件面板列表上,选择微带线TLines-Microstrip元件面板。在微带线元件面板上,选择MSUB插入原理图的画图区,双击MSUB打开Edit Instance Parameters设置对话框,对微带线参数设置如下。
① H=1mm,表示微带线基板的厚度为1mm
② Er=4.2,表示微带线基板的相对介电常数为4.2
③ Mur=1,表示微带线的相对磁导率为1
④ Cond=4.1E+7,表示微带线导体的电导率为4.1E+7
⑤ Hu=1.0e+033mm,表示微带线的封装高度为1.0e+033mm
⑥ T=0.05mm,表示微带线的导体层厚度为0.05mm
⑦ TanD=0.0003,表示微带线的损耗角正切为0.0003
⑧ Rough=0mm,表示微带线表面粗糙度为0mm
(2)在微带线元件面板上,选择MTEE插入原理图的画图区。MTEE是微带线的T形结,T形结的宽度分别用W1、W2和W3表示。设置W1=1.5mm,W2=1.5mm和W3=1.5mm
(3)在微带线元件面板上,选择MLIN,插入原理图的画图区。MLIN是一段长度的微带线,将它们的数值都设置为W=1.5mm和L=2.5mm
(4)在原理图的元件列表上,选择集总参数Lumped-Components元件面板。在集总参数元件面板上,分别选择电感L和电容C插入原理图的画图区。
(5)选择S参数仿真元件面板,在元件面板上选择负载终端Term,2次插入原理图中,定义负载终端Term1为输入端口,负载终端Term2为输出端口。在原理图工具栏中单击接地按钮,将地线(GROUND)2次插入原理图,让负载终端Term接地。
(6)单击工具栏中的连线按钮,按图5.9连接起来,连接方式及参数如图5.12所示。
图5.12 带有终端负载的低通滤波器原理图
4. 原理图仿真
(1)在S参数仿真元件面板上,选择S参数仿真控件SP插入原理图的画图区,对S参数仿真控件SP设置
(2)现在可以对原理图仿真了。在原理图工具栏中单击仿真按钮,运行仿真,仿真结束后,数据显示视窗自动弹出。在数据显示视窗中,选择矩形图方式显示数据,横轴为频率,纵轴为用分贝(dB)表示的S21,在S21曲线上插入3个Marker,S21曲线如图5.13所示。
图5.13 低通滤波器数据显示
(3)比较图5.13与图5.11可以看出,S21曲线发生了变化,这是由于微带线产生了相移和衰减,但由于低通滤波器的通带频率较低,S21曲线变化不大。
5. 原理图调谐
下面采用调谐改变电感L1、电感L2和电容C2的取值,以期达到合格的曲线
(1)将e1另存为e2,在e2中打开调谐窗口。单击原理图工具栏中的调谐按钮,同时弹出3个窗口,分别是Tune Parameters窗口、仿真状态窗口和数据显示窗口。其中,Tune Parameters窗口用于调谐。
(2)设置调谐元件,将电感L1、电感L2和电容C2设置为可调谐元件。单击原理图中的电感L1,弹出Instance Tune Parameters对话框,在该对话框中选中L,然后单击OK按钮,将电感L1设置为可调谐元件。用同样的方法将电感L2和电容C2设置为可调谐元件。
(3)这时,调谐窗口Tune Parameters中出现电感L1、电感L2和电容C2的调谐范围,如图5.14所示。
图5.14
(4)在调谐窗口Tune Parameters中,保持Max、Min和Step数值的默认状态,然后移动滑块或点击箭头,手动调节电感L1、电感L2和电容C2的数值滚动条。可以看到,调谐窗口Tune Parameters中的Value值在不断变化,同时数据显示视窗中的S21图形和Marker插入处的数值也在不断变化。调谐的结果如图5.15所示。
图5.15 调谐的过程
(5)通过调谐电感L1、电感L2和电容C2的值,使S21的曲线达到满意结果后,单击调谐窗口中的Update Schematic按钮,然后单击Close按钮,关闭Tune Parameters窗口。这时原理图中的电感L1、电感L2和电容C2已经更新为调谐后的值。
(6)单击数据显示视窗中的保存按钮,保存调谐后的曲线。
(7)调谐的优点是可以观察技术指标的变化趋势。上面是调谐电感L1、电感L2和电容C2的值,本设计也可以同时调谐电感L1、电感L2、电容C1、电容C2和电容C3的值。当调谐的元件较多时,经常采用优化来达到技术指标。