ADS射频电路设计学习笔记：常见滤波器的仿真设计

创作时间:

作者:

@小白创作中心

ADS射频电路设计学习笔记：常见滤波器的仿真设计

引用

CSDN

https://blog.csdn.net/weixin_65176607/article/details/144471225

本文详细介绍了ADS射频电路设计中常见滤波器的仿真设计方法，包括集总元件滤波器和分布参数滤波器的设计。通过手动调谐和ADS自动优化的具体步骤，以及丰富的仿真结果和优化过程，为射频电路设计工程师提供了实用的参考指南。

一、集总元件滤波器（LC 低频）

下图为低通滤波器的原型电路，我们可以手算把它进行频率转化为所需的滤波器
结果显示在1.3GHz以内，插损是比较低的，大概是在1GHz左右。
这里我们要求其是1.7-1.9GHz的抑制要优于25dB，然后1.9-3GHz要优于40dB甚至更好。
所以仅仅通过原型的低通滤波器是远远达不到指标的，因此我们要增加其传输零点来加强高频的抑制比。

1. 手动调谐

这里我们通过增加三个并联谐振网络，来加强高频的抑制比。
我们尝试将其进行调谐。看看能否有一些变化。
例如刚才加入的并联电容是1pF，这里我们调整其容值
减小C5容值，可以发现在1.3GHz的时候损耗变大了，1.7-1.9GHz的时候抑制变好了，同时截止频率往左移，说明第一个并联谐振网络的电容是对其截止频率有影响的。
然后我们再来看第二个并联谐振电容，m4凹进去更多了
当改变第三个并联谐振电容，中间鼓包越来越严重了，后面又多形成了一个谐振点。

2. ADS自动调谐方法

控件参数设置

对于这种滤波网络，我们可以通过手动的调谐，但是我们也可以通过ADS的自动优化功能进行调谐。
我们要把刚才所有器件的值都设置为变量
然后我们要添加变量控件。
在这里把刚才的器件值进行设置
如果并联谐振的电容容值设置太大，谐振频率会往左偏离太多，所以只能设置为一个范围，如0-5pF。
点击设置变量范围
Tuning是用于设置手动调谐的
optimization是自动优化的，我们把其状态设置为Enabled
设置为最大值为5pF，最小值为0pF。
当把变量设置好以后，我们添加优化控件
这就是优化控件
这里需要设置优化方式type，是随机优化还是梯度优化。
一般来说如果范围变量又多又大的情况下，我们是选取随机优化
如果变脸比较少，只有一个或两个变量，我们选取梯度优化
所以这里我们选取随机优化
number of iterations为优化的次数。次数越多消耗的时间越长，取决于电脑的性能。
然后增加目标优化
这里我们要把权限给打开
expression是需要设置的表达式
analysis是仿真分析的控件SP1，就是s参数仿真的控件
weight是权重，就是同时有好几个优化目标的时候，哪个是最主要的，哪个是次要的。
limit lines是变量设置，优化目标是在0-1450MHz这个范围，最小值要大于0.3
一般有两个参数要优化，插入损耗和驻波VSWR。这两个参数决定好了，那么整个网络就决定好了。
我们再来查看GOAL2，要求驻波要优于-25dB，即驻波要在1.2以内，这样全反射信号才能抑制
在带外1.7G-1.9GHz，要求抑制小于-30
由于低通滤波器可能会在高频下会翘起来，所以我们还要增加其他的带外，就是把高频的抑制给拉下来，使其小于-50dB

方法一：手动调谐后用ADS专门优化控件

这四个目标设置好后，可以有两种方式进行验证
第一种是利用ADS专门的优化控件进行优化
会对这10000个点里面进行最优的分析。
当数据都仿真完以后，会有最优的结果显示出来，然后update design更新原理图，或者进行其他的仿真验证。
然后打优化后的结果图
在1.3GHz以内的插损是比较好的，还是有-20以上，

替换实际器件

返回原理图，由于采用的是理想的器件，但实际上电感在8GHz下根本不能使用，即使仿真出来的结果是好的，但还是不能使用的。
这里我们把电容都用村田的电容进行替换，注意一定要添加说明的控件
电容容值用接近的电容进行替换。
然后来仿真验证结果
但是显示运行报错了，主要是因为C30的容值太小了，实际的电容容值没有这么小的，所以这里显示NULL。
其实对应的是C6，约等于0.26pF。还有C1容值也很小，只有0.7pF。
但实际上这里选的高频电容的最小值是1.0pF。所以选不了这个值
这里我们默认把C30给开路，把C32选择1pF的值代替进行仿真验证。
可以看到仿真的结果
这里我们把s43和s33拿出来做比较
对比两个图，可以发现在4GHz以上，带寄生参数的元件仿真图就开始不一样了，就开始往上翘了，其寄生参数远比其本身电感量要大。
因此在高频下，与理想元件是有差别的。在低频下1GHz以内是可以使用LC这类集总滤波器，但是在高频达到3GHz以上，这些集总元件就就不再适合去使用了。
这里我们可以增加它的传输函数零点电容，让其在高频下的抑制能够有所好转。

方法二：ADS自动电路设计控件（较常用）

上一个方法是通过手算元器件的值，然后通过频率转换成所需要的频率。但实际并不需要这么复杂
在滤波器控件中调用低通滤波器
像这种集成的低通滤波器，更经常使用的是在一个区域内，大概是在1GHz以内可以正常使用。越到高频电感和电容会变化很大。
这里我们假设有Fp为500MHz，而截止频率Fs为1GHz，带内插损Ap为3dB带宽，带外抑制As为20dB。
选择design guide，选择滤波器filter。
选择滤波器控制窗口
可以看到截止频率Ap为3dB（左边蓝色线）在500MHz左右，在1GHz要满足20dB以上的抑制（右边红色线）
设置完之后点击下面的Design，就设计完成了。
然后点击查看内部原理图
这个原理图是ads自动帮我们生成的
返回上一层原理图
然后运行仿真
同样我们可以在ADS设计好的滤波器电路里面适当增加其传输零点
在每个电感上再并联一个电容，将其谐振在低频，高频就能抑制住了。
同样可以采用自动调谐或手动调谐。

二、分布参数滤波器（微带/带状线高频）

带状线/微带线/波导在进行匹配的时候，有明显的特点是其寄生效应不是很大，因为其用到较少的电感电容器件。
在微带电路控件中，MSUB是微带的板材参数设置
H为介质层的厚度；Er为设计的介电常数；Mur为相对磁导率；Cond为电导率，一般为5.8*10^7；Hu为腔体高度，就是上层封闭的高度，一般默认微带式半封闭的，也就是散射空间很宽；T为铺铜厚度，典型值为1.4mil，即0.035mm；TanD为正切损耗角，是板材本身的参数；Rough为表面光滑度
这里我们选用罗杰斯RO4350b板材，介电常数为3.66，板厚度为20mil
这个为高低阻抗滤波器，也叫阶跃滤波器，
设置的变量跟前面设置的集总滤波器参数差不多
首先其是低通滤波器，是一个通低频阻高频的滤波器，其截止频率为2GHz。一般1GHz以内采用集总，2G或者10GHz以上更多用微带线或者波导。
在2GHz的插损为0.2dB，在3GHz以上设置为20dB以上。
高低阻抗就是一高一低的阻抗，系统特性阻抗Z0是50欧，ZL就是低阻抗线25欧，ZH高阻抗线100欧，利用这两个一高一低的阻抗线来设计传输参数
先选中高低阻抗滤波器
然后点击DesignGuide的Passive circuit无源电路
选择无源电路控制窗口
如果所有的其他参数都设置好了，唯一要点的是Design
然后点击进去高低阻抗滤波器，就可以发现所有的器件都已经设置好了
一共有10节的滤波器
然后我们来验证生成的电路效果怎么样，连接好器件
可以看到其还是不太符合标准，就是在3GHz没有到20dB。因此还需要再进行优化
比如我们可以通过高低阻抗滤波器里面的delta这个参数进行优化。它是通过改变微调器长度变化量来进行调整的。这里我们尝试将其设置为10mil
重新运行仿真设计，相对于前面，在2GHz的插损太大了，但是抑制变好了
每更改一次变量都会有不同的结果，比如这里再把delta更改为30mil，2GHz的插损从刚才的-0.3变成-0.6，可以发现抑制和损耗是相矛盾的。
第二个，我们可以通过自己对其调谐，进入滤波器
就进入下一层的菜单了
这里我们可以把所有的MSTEP的长度都进行调谐
按住crtl，选中其长度
这里我们就可以对其一个一个变量进行调整了
这里可以发现减小TL1的长度，插损降低，但是抑制在变好。
最后滤波器优化后得到的曲线是这样的。
优化好之后点击update保存一下结果