利用ADS 仿真设计超宽带（UWB）滤波器

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豫古
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1 利用 AWR 仿真设计超宽带 (UWB) 滤波器东南大学毫米波国家重点实验室小组成员 : 夏冬刘畅陆平

2 摘要本文给出了利用 AWR 仿真设计超宽带 (UWB) 滤波器的设计方法及步骤, 同时给出了该电路的优化仿真和实物测试结果结果表明, 该 UWB 滤波器实现了通带内 (3.1~10.6GHz) 较小的插入损耗和回波损耗, 以及良好的带外衰减和谐波抑制设计和仿真过程使用 AWR 软件, 不但很方便地得出最佳电路设计, 同时也能对微波电路的容差特性进行模拟分析, 是微波产品设计的良好工具关键词 : 超宽带 (UWB) 滤波器, 插入损耗, 回波损耗, 带外抑制,AWR 软件 2

3 目录摘要 2 目录 3 第 1 章背景介绍 UWB 简介研究现状 5 第 2 章设计原理方案选择设计指标要求 7 第 3 章 AWR 仿真与测试结果原理图的建立优化利用 EM_EXTRACT 工具提取物理结构模型进行仿真 MTRACE 的应用最终仿真结果 13 第 4 章 UWB 滤波器实物测试结果 14 第 5 章 AWR 与其他 EDA 仿真软件的比较 16 第 6 章项目总结 17 3

4 第 1 章背景介绍 1.1 UWB 简介超宽带 (Ultra-WideBand,UWB) 无线通信技术最初形式为直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的脉冲作为信息载体的冲激无线电技术 (Impulse Radio, 简写为 IR), 主要用于军事上的雷达和低截获 / 低侦查率的无线系统, 其历史可以追溯到 100 年前马可尼发明越洋无线电报的时代 20 世纪 60 年代对时域电磁学的研究进一步促进了 UWB 技术的发展随着微电子器件的高速发展,UWB 技术开始应用于民用领域, 在国际上引起了对其研究开发和应用的热潮, 并被认为是下一代无线通信的革命性技术为了促进和规范 UWB 技术的发展,2002 年 4 月, 美国联邦通信委员会 (FCC) 发布了 UWB 设备的初步规范, 并重新对 UWB 作了定义 :UWB 信号所占频带宽度至少为 500MHz, 或者 -10 db 相对带宽为 20% 或更高由于 UWB 技术独特的工作方式, 使得 UWB 系统具有其他通信系统所没有的优势 1. 系统结构简单, 实现成本低与传统无线收发系统相比,UWB 系统省去了上下变频和本地振荡器等成本昂贵的微波器件, 使系统实现比较简单另外, UWB 系统只需要产生一种脉冲, 对其调制就可实现全数字化, 因此全部可以集成到一块芯片, 降低了生产成本 2. 传输速率高 UWB 系统的频带很宽, 因此在传输信息时速率较高, 在 10 米的范围, 传输速率可以高达 500Mbps, 个人通信快捷便利 3. 功耗低 UWB 系统在需要传输数据时才发送脉冲, 信号的功率频谱密度极低,2 微带超宽带带通滤波器研究与设计相比现有的无线系统的功耗低得多在高速通信时系统的耗电量仅为几百微瓦 ~ 几十毫瓦 4. 保密性好 UWB 信号采用跳时扩频, 带宽达到 1GHz 以上, 同时发射功率频谱密度很低, 信号可以隐藏在环境噪声和其他信号之中, 传统的接收机无法进行接收和识别, 只有采用与发端一致的扩频码脉冲序列才能进行解调, 因此系统安全性较好 4

5 1.2 研究现状超宽带带通滤波器自从 2002 年美国联邦通信委员会 (FCC) 发布了 UWB 设备的初步规范以后, 得到了国内外广泛的关注和深入的研究, 专家学者提出了一系列的新结构和新材料 2002 年,J.-T Kuo 提出用三线微带线结构实现宽带带通滤波器三线结构是在平行耦合线结构基础之上的改进, 加大了能量耦合的强度, 实现了宽带特性, 并且在加工工艺上的要求比平行耦合线结构要宽松一些但是利用该结构实现的滤波器相对带宽是 40%-70%, 距离 UWB 系统 110% 的要求差距还很大近几年, 专家 ZhuLei 等人提出基于多模谐振器 (MMR) 的超宽带带通滤波器, 输入输出端口采用平行耦合线或叉指耦合结构耦合能量利用多模谐振器的三个谐振模式, 控制滤波器的通带范围正好在 UWB 频段内, 调节耦合线的长短和间距可以改变耦合的强弱和谐振点的频率这种滤波器结构原理清晰, 结构简单, 易于实现, 但是寄生通带效应比较严重, 通常阻带较窄, 频率选择特性不够突出许多文献提出多种由微带多模谐振器构成的不同结构的超宽带带通滤波器这些滤波器结构简单, 但尺寸较大 Wang Huan 等人提出了折叠多模谐振器结构, 减小了尺寸, 但是相对带宽只有 60% 还有专家提出一种耦合的共面波导结构的超宽带滤波器结构, 有人提出一种圆环谐振腔的超宽带滤波器, 但是, 这些滤波器的上阻带都比较窄, 带外特性不够理想超宽带带通滤波器的发展使得新结构不断出现, 性能也逐步提高总的来说, 滤波器的设计应具备以下特性 : 1. 宽通带 : 满足 UWB 系统的基本要求, 带内插损小, 可以使能量更充分传输 2. 宽阻带 : 阻带尽量宽, 增强频率选择性能, 有效抑制高次谐波, 带外抑制电平足够高, 有效地降低干扰 3. 过渡带陡峭 : 频率选择性能突出 4. 结构简单, 易于实现, 才有可能得到推广, 广泛采用 5. 小尺寸, 便于集成应用 5

6 第 2 章设计原理 2.1 方案选择我们的设计思路是使用优化的微带结构, 采用如图 2-1 所示的电路, 它由 5 段并联短路短截线组成短路短截线的特性阻抗分别用 Z1,Z2,Z3,Z4,Z5 表示, 连接线的特性阻抗分别用 Z1,2 Z2,3 Z3,4 Z4,5 表示, 末端连接线的特性阻抗是 Z0 各段短路分支线和连接线的特性阻抗如表 1 所示图 2-1 由 5 段并联短路短截线组成的滤波器结构该方案具有性能佳, 尺寸小的优势由于只采用 5 段并联短截线, 因此大大减小了滤波器的尺寸为了提高频率选择性, 须要使相邻分支线之间的连接线也提供频率选择特性, 即增加滤波器的阶数, 从而使该滤波器的选频性能等同于九极点的切比雪夫滤波器表 1 由 5 段短路短截线组成的滤波器参数 (@3.4GHz) 分支线阻抗 Z1=Z5=82.45Ω Z2=Z4=49.98 Ω Z3=42.74 Ω 连接线阻抗 Z12=Z45=57.41 Ω Z23=Z34=60.86 Ω Z0=50 Ω 在较低的截止频率处, 连接线的电长度 ( ) 两倍于分支线的电长度 ( ), 这样我们就可以使得分支线和连接线的接头处有最小的相互作用为了能使滤波 6

7 器在 3.1GHz 和 10.6GHz 处达到 FCC 的标准, 通带边缘要设计成具有较好的频率选择性在 3.4GHz 处, 我们选择 =44.3 度作为短路分支线的电长度和 =88.6 度作为连接线的电长度合成的滤波器可以得到我们期望的特性这个滤波器是在介电常数为 2.2, 厚度为 0.508mm 的介质基板上实现的考虑到这种结构滤波器相邻的连接线的特征阻抗相差不大, 我们将他们设置为相同的, 使得连接线的宽度一致这样设定可以简化设计的结构以及减少制造的花费直径为 0.5mm 的过孔用来连接分支线和地为了减小由于使用过孔引起的频率偏移, 我们减小了分支线的长度 2.2 设计指标要求通带 : GHz 通带插入损耗 : <5dB 通带回波损耗 : >15dB 低阻带 :0-2.0 GHz 低阻带衰减 :>30dB 高阻带 : GHz 高阻带衰减 :>30dB 7

8 第 3 章 AWR 仿真与测试结果 3.1 原理图的建立根据以上方案, 通过 AWR 设计出了 UWB 滤波器, 原理图如图 3-1 所示 w1=1.65w2=1.35w3=1.31w4=0.37w5=0.87w6=1.01d=0.5 l1=9 l2=15 l3=14.2l4=7.6 l5=7.9 l6=7.3 PORT P=1 Z=50 Ohm ID=TL1 W=w1 mm L=l1 mm MTEE$ ID=TL19 MTRACE2 ID=TL3 W=w2 mm L=l2 mm BType=2 M=1 MTEE$ ID=TL13 MTRACE2 ID=TL5 W=w3 mm L=l3 mm BType=2 M=1 MTEE$ ID=TL15 MTRACE2 ID=TL6 W=w3 mm L=l3 mm BType=2 M=1 MTEE$ ID=TL17 MTRACE2 ID=TL18 W=w3 mm L=l3 mm BType=2 M=1 MTEE$ ID=TL14 MTRACE2 ID=TL4 W=w2 mm L=l2 mm BType=2 M=1 MTEE$ ID=TL12 ID=TL2 W=w1 mm L=l1 mm PORT P=2 Z=50 Ohm ID=TL7 W=w4 mm L=l4 mm VIA ID=V1 D=d mm H=0.508 mm T= mm RHO=1 ID=TL9 W=w5 mm L=l5 mm VIA ID=V2 D=d mm H=0.508 mm T= mm RHO=1 ID=TL11 W=w6 mm L=l6 mm VIA ID=V3 D=d mm H=0.508 mm T= mm RHO=1 ID=TL16 W=w6 mm L=l6 mm VIA ID=V6 D=d mm H=0.508 mm T= mm RHO=1 ID=TL10 W=w5 mm L=l5 mm VIA ID=V4 D=d mm H=0.508 mm T= mm RHO=1 ID=TL8 W=w4 mm L=l4 mm VIA ID=V5 D=d mm H=0.508 mm T= mm RHO=1 MSUB Er=2.2 H=0.508 mm T= mm Rho=1 Tand= ErNom=2.2 Name=SUB1 图 3-1 本设计的 UWB 结构的原理图采用 MTEE$ 代替 MTEE, 可自动将三端口宽度与各微带线宽度相匹配, 节约了设计的时间, 如图 3-2 所示 PORT P=1 Z=50 Ohm ID=TL1 W=w1 mm L=l1 mm MTEE$ ID=TL19 MTRACE ID=TL3 W=w2 mm L=l2 mm BType=2 M= ID=TL7 W=w4 mm L=l4 mm 图 3-2 MTEE$ 的使用 3.2 优化采用 AWR 进行电路优化比 ADS 的优化过程更加易于操作 : 优化变量的选择更简便,VAR 面板的控制更加人性化, 设计者可实时观察变量与仿真结果的变化趋势, 8

9 在优化进行时可随时改变变量的范围图 3-3 所示为优化后的原理图仿真结果图 3-4 为 AWR 建立的版图模型图 3-3 优化后的原理图仿真结果图 3-4 未折叠版图模型, 尺寸为 100mm*17mm 3.3 利用 EM_EXTRACT 工具提取物理结构模型进行仿真色之一图 3-5 显示了利用 EM_extract 提取电路结构的过程, 这也是 AWR 软件的特 9

10 1 2 图 3-5 利用 EM_extract 提取电路结构的过程 10

11 接下来对该 UWB 滤波器结构进行电磁仿真, 如图 3-6 从电磁仿真图可以看出, 其结果与原理图只有很小的频偏, 这也验证了 AWR 原理图仿真的可靠性图 3-6 优化后的 EM 仿真结果 3.4 MTRACE 的应用用 MTRACE 替代可以方便的设计弯曲形状的微带线, 极大地减小了版图的尺寸在原理图中直接将微带线的名称改为 MTRACE, 然后在 layout 图中双击选中此微带线, 再右击鼠标画出想要得到的微带线形状, 最后双击微带线, 即可完成修改, 如图 3-7 所示图 3-7 微带线的折叠设计过程 11

12 图 3-8 折叠后的版图, 尺寸为 68.6mm*14.3mm 图 3-8 表明, 采用折叠结构设计后, 极大地减小了版图的尺寸图 3-9 为折叠 UWB 结构的原理图仿真结果图 3-9 折叠后的原理图仿真结果 12

13 3.5 最终仿真结果为了方便比较, 将指标的要求和版图仿真结果列成表 2 测试结果显示, 该 UWB 滤波器通带范围为 3.1GHz 10.6GHz, 且各项指标都符合要求表 2 实验测试结果与设计指标对照指标要求数据要求 (db) 仿真结果 (db) 是否达到指标通带插入损耗 <5 <0.3 是通带回波损耗 >15 >15.47 是低阻带衰减 >30 >30.23 是高阻带衰减 >30 >30.75 是本章详细阐述了使用 AWR 设计超宽带滤波器的过程以及 AWR 软件的使用方法和部分功能, 仿真结果也非常理想 13

14 第 4 章 UWB 滤波器实物测试结果第 3 章通过 AWR 设计了 UWB 滤波器, 将其加工成实物, 如图 4-1 所示图 4-1 UWB 滤波器实物图使用矢量网络分析仪对该 UWB 进行测试, 结果如图 4-2 和图 4-3 所示图 4-2 UWB 滤波器实物测试结果 (1) 14

15 State Key Laboratory of Millimeter Waves, Southeast University 测试仪器 :E8363B 网络分析仪图 4-3 UWB 滤波器实物测试结果 (2) 实物测试结果显示, 通带内低频和中频段性能非常好, 在高频段 ( 约为 8~ 10.6GHz) 的回波损耗略大, 但整体电路性能基本符合设计要求, 与 AWR 的 EM 仿真结果基本吻合 15

16 第 5 章 AWR 与其他 EDA 仿真软件的比较虽然在功能上,AWR 与 ADS 都具有基本的设计功能, 例如 : 线性仿真谐波平衡仿真电磁仿真系统级仿真原理图设计版图设计但是 AWR 在设计流程和性能上都具有一定的优势 AWR 基于 AWR 统一数据库的基础, 因此调谐优化的速度非常快, 甚至可以支持和系统级仿真软件 VSS 的实时系统级仿真 AWR 和 ADS 的最大区别在于其设计流程不同 AWR 针对射频电路设计中版图设计占主导地位的特点, 结合统一数据库的概念, 将传统的串行的设计流程改为并行设计流程提高设计效率 AWR 版图设计功能方便, 且与电路结合紧密 ADS 版图设计功能对多边形等处理能力差 AWR 还有自动电路抽取功能 ACE 和智能布线功能 inet, 可以方便快速的对互联线进行建模和分析 AWR 采用 APLAC 谐波平衡引擎, 业界最精确快速的仿真引擎, 被 Nokia 使用二十多年, 对于大规模非线性电路的仿真收敛性优秀, 还支持多速率谐波平衡技术, 仿真效率高 ADS 软件架构决定了其调谐速度慢, 实时效果差但是 ADS 在数字电路方面更加强大 16

17 第 6 章项目总结本项目通过使用多端并联短路短截线的结果, 实现了超宽带 (UWB) 滤波器的设计通过仿真结果可见, 该 UWB 滤波器设计方案利用 AWR 软件设计, 达到了各项指标要求, 性能良好通带覆盖了 3.1GHz 到 10.6GHz, 相对带宽达到 110%, 且带内插入损耗得到了较好的控制 ; 经过参数优化, 实现了阻带抑制, 频率选择性优良同时, 由于该设计结构简单, 因此稳定性好, 且易于加工成实物实物测试结果也较为理想这次 AWR 射频微波电路仿真设计竞赛, 不仅给我们提供了仿真设计和实物调试的机会, 使我们掌握了超宽带滤波器的原理及设计方法, 并增长了电路调试方面的经验 ; 同时, 在设计过程中, 我们熟悉了 AWR 软件的使用, 并能够较好地应用 AWR 的功能来实现电路设计和仿真工作, 并通过实物测量来验证仿真结果的可靠性相信对于 AWR 软件的熟练掌握, 必将对我们今后的射频电路设计起到重要的作用最后, 衷心感谢李玉福工程师给我们提出的很多宝贵建议, 感谢 AWR 公司给予我们这次宝贵的学习机会! 17

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<4D F736F F F696E74202D E352DB5E7B5F7C2CBB2A8C6F7D1D0BEBFB8C5CAF62E707074> 电调滤波器研究概述报告人 : 吴边 2012 年 5 月目录 1 研究背景 2 发展现状 3 仿真研究 4 实验研究 5 下步方向一研究背景现代无线通信系统的发展日益受到频谱资源紧缺等问题的制约各种新兴的无线通信平台例如 GPS 3G WLAN UWB 等不断涌现, 需要在有限频谱范围内实现多种信号传输多频扩跳频和动态频率分配等频谱技术的应用, 希望射频器件尤其是滤波器能满足快速电调或可重构的需要