带通滤波器的Ansoft优化设计 --------微波固态电路及其CAD课程学习 顾伟 20301172 一. 滤波器的设计理论 滤波器分为低通/带通/高通/带阻四种, 现代滤波器理论在三四十年代趋完善，但设计时数字计算繁琐。四十年代中期后，电子计算机帮助人们完成了大量的常用滤波器特性的计算，并把结果制成通用的设计图
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，从而简化了设计过程，使综合法得到普及. 在滤波器综合设计法中，通常先综合设计低通原型滤波器，然后再由低通原型滤波器借助频率变换原理，通过网络转换得到所需的高通，带通，带阻滤波器。这些在相关书籍中有详细分析. 二. 滤波器电路优化设计 1.目标 学习Ansoft Serenade软件优化设计电路的一般过程和操作，优化设计带通滤波器，要求为： 通带：46—52MHz 带外抑制:频带两端(±f0×15%,f0为中心频率)处带外抑制到-45dB, 频带两端(±f0×30%,f0为中心频率)处及带外抑制到-50dB, 通带平坦：小于±0.5dB 插损：小于5dB 输入输出电阻：50 2.优化过程 2.1 方法一 利用Ansoft软件工具内的滤波器设计工具设计，只要按软件要求逐步输入滤波器种类和指标等进行设计优化。 2.2 方法二 使用软件的一般的优化方法，即通过建立原理图，仿真和优化。由于这种方法对于Ansoft serenede的学习比较全面，所以这也是本次设计采用的方法。并且在设计中根据预先的粗略设计计算，选择合适的滤波器形式和阶数，直接输入完整的5阶滤波器原理图。并且注意到元件初值对于优化过程和结果的重要影响，对于初值也预先作了一些计算。整个设计优化过程如下： (1) 建立电路原理图 1. 新建Project 启动Serenade Desktop，在Project目录中建立新的
工程
路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理
，取名为 filter，选取仿真类型为Harmonic电路仿真。 2. 编辑原理图文件 1.原理图编辑过程介绍 在界面上，最上方为工具栏，下面是丰富的工具栏，左边是工程目录，右下边是原理图编辑工作区。 所有的命令和元器件调用等操作都可在菜单选择，工具栏提供的是常用元件的访问和命令的快捷方式。元件的分类选择在Parts菜单中。利用工具栏选择时，鼠标在上面停留可以获得帮助信息。 双击工具栏可以将原件直接调入原理图，需要旋转按键盘的“R”键。 元件放置后自动弹出参数表，其中“﹡req﹡”必须输入元件初值，其余可以用缺省值。相关参数含义也可以在“info”按钮中得到帮助信息。需要注意的是元件值的单位，参数中元件值与单位间不能有空格，大小写不区分，如图为电容的参数设置： 连线：鼠标左键拖动元件直接连接端头，或者在编辑区单机右键选择连线命令。 选中：单击元件则单选，按Shift键可多选。 复制：按住Ctrl键拖动元件复制。 删除：选中元件后按Del。 改变参数设置：双击元件。 （二）电路仿真 电路的仿真需要三个基本的部分，即电路原理图，频率控制模块和电 路端口。另外还有基板定义等选项一般也需要设置。 在原理图编辑完成后，设置电路的输入输出端口，所在菜单为： Parts＞Shematic connectors＞Macrowave ports生成端口，设置参数，输入输出均为50欧姆。 频率模块的设置决定电路的仿真频率范围和频率间隔以及点数等： Parts＞Control blocks＞Linear frequency调出频率模块，根据实际电路设置为10MHz 150MHz 50KHz，如图： 建立的完整的电路原理图如下图所示： 电路仿真菜单选择Analysis ＞Analysis，也可以用快捷键F10。 仿真后观察结果选择Report＞Report editor，调出仿真报告，如图： 从其中选择显示的格式和内容，例如本次设计在输入元件初值仿真后得到结果如下图所示： 在图形显示区单击右键可以调出菜单改变线形，颜色，背景，刻度等，还可以选择放大或缩小部分区域，细致观察曲线的刻度值是否达标。 可以发现，滤波器在带内波动和带外抑制等方面都不能满足指标要求，需要进一步优化。 （三）优化设计 1.设置优化目标： 从菜单Parts＞control blocks＞linear optimization info调出优化目标对话框，如图： 根据指标要求设置为： frangel 41.6MHz 56.35MHz goals1 ms21 0.01db GT W=10 frange2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -60db LT 其中：LT表是小于，GT表示大于，W＝10用来对优化目标进行加权，即优先保证通带内性能。 2.设置优化变量 在需要优化的变量值两边加“？”，例如“？10pf ？”，还可以指定变化范围，例如“？1pf 10pf 100pf ？”。 3.进行优化 选择菜单Analysis＞optimization调出优化设置框，设置优化方式，迭代运算次数等，单击optimization按钮进行优化。优化设置报告框如下图： 从优化框输出的结果信息中可以看到元件优化值，优化偏差值F等。其中偏差F值越大表示优化结果离设定的优化目标越远，F＝0时完全达到优化目标。 经过反复的优化计算，发现带外抑制和带内衰减都比较容易达到要求，但是带内波动比较大，约有1db。可以适当修改优化目标，减小带内衰减要求，扩展通带大小或减低带外抑制要求，以达到带内波动要求。 例如将目标改成如下设置： frangel 41.6MHz 56.35MHz goals1 ms21 0.1db GT W=20 frange2 34.3MHz 63.7MHz goals1 ms21 -55db LT 进一步的优化显示，带内波动和高频段的带外抑制性能互相矛盾，必须寻找折中的点，兼顾两者的要求。 优化后滤波器的性质如下面的一些图所示： 对于带内波动，基本控制在0.4db以内： 通带部分的性质如下图所示.由于认为电容电感理想无耗，所以带内衰减极小，这一点与实际电路制作后的结果可能有较大的偏差。 整个滤波器的性质如图： 这次滤波器优化设计后，有以下一些总结： 1.选择合适的电路形式，设定较好的元件初值以及选择合适的优化方法对于优化非常重要。电路形式和初值设定的好可以很快的接近要达到的优化目标，设定的不好则需要经过反复的计算，甚至根本难以达到优化目标。 2.电路的优化也要考虑到实际可以实现。优化的结果有时候呈现多样性，对于电容电感的值必须适当。例如制作的电感值一般在几十nH以上才能制作。 3.优化过程中要合理地设定优化目标，注意各个性能要求之间的折中考虑。例如本次设计中带内波动和带外抑制之间的矛盾。
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