集总参数滤波器设计

杭州电子科技大学

《通信天线实验》 课程实验报告

实验一 : 集总参数滤波器设计

学 院 通信工程学院 班 级 14083414 学 号 14085114 姓 名 陈强华 指导教师 魏一振

2016年 10 月 30 日

杭州电子科技大学通信工程学院

实验名称：集总参数滤波器设计

1. 实验目的

1、通过此次实验，我们需要熟悉集总参数滤波器软件仿真过程，且通过亲 自实验来进一步熟悉 MWO2003 的各种基本操作。 2、 本次实验我们需要用到 MWO2003 的优化和 Tune 等工具，要求熟练掌握 MWO 提供的这些工具的使用方法和技巧

2. 实验内容

设计一个九级集总参数低通滤波器，要求如下： 通带频率范围：0MHz～400MHz ，

增益参数 S 21 ：通带内 0MHz～400MHz S 21 >--0.5dB 阻带内 600MHZ 以上 S 21 <-50dB

反射系数 S 11 ：通带内 0MHz～400MHz S 11 <-10dB 结构如下所示：

注意事项：

1、新建一个项目之后，首先要设置此 Project 的各种属性，如仿真频率范围及各

种参数使用的默认单位，元件数值的单位只能在此中进行修改，不可以在原理图 中改动，因而需要首先确定你使用频率范围和数值单位。 2、变量的初值优化的结果会有很大的影响，不同的初值会得到不同的优化结果， 一般在第一次优化的时候，初值并不是最佳的，可以先进行优化，大致确定变 量值的范围，然后改变变量的初值，再进行优化。

3、在进行优化之前，不要忘记设置变量的属性，使变量可以参与优化和 Tune 调整。

4、如果在优化的过程中，与要求相隔太大，可以考虑选择不同初值再优化，或 者选择不同的优化算法进行再优化。

实验原理

1. 滤波器基本概念

滤波器是最基本的信号处理器件， 在我们的射频、微波电路中，滤波器是必不可少的器件之一。而且滤波器是微波电路中原理相对简单的器件。 滤波器的主要参数有：截止频率、带宽、通带传输系数、插入损耗、带内波纹、反射损

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耗、

形状系数等等。我们一般最常用到的参数有截止频率、通带传输系数、反射系数等。

一般可以从不同角度对滤波器进行分类：(a)按功能分，有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，可调滤波器。(b)按用的元件分，有集总参数滤波器，分布参数滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体滤波器，声表面波滤波器，等等。我们此次实验便是使用集总参数元件来实现滤波器。所谓集总参数元件，即我们最常用到的电感、电容、电阻等。而集总参数滤波器一般都为电感和电容的级连。集总参数的滤波器用在频率不是很高的系统里，一般用于工作频率为 1GHz以下的电路中。使用电感和电容进行串并级连来实现，且以元件的个数来定义级别。如使用三个元件（两个电容，一个电感），便称为三级滤波器。一般理论上

是级别越高、元件越多，滤波器性能便越好。但是一般电路中元件数越多，成本便相应增加，且系统的稳定性降低, 也会增加额外的插入损耗。因此实际实现滤采用 7 级滤波器。看看结果会有什么变化。

2. 散射参数基本概念 实验步骤

首先可以新建一个 Project 和一个电路原理图文件。然后在开始其他工作之前先对此 Project 进行总体的属性设置，选择 Project Options，点击 Global Units 面，如图 1 所示，由于我们工作频率为 200MHz，而软件默认的频率单位为 GHz，因此需要改为 MHz，其他采用默认值。在工作之前需要先将用到的各种单位改到合适此 Project 的单位值。然后点击 Frequency Values 页面进行仿真频率范围设置，如图 2 所示我们仿真的频率范围选择 0～1000MHz，Step 输入 10MHz，然后点击“Apply”按钮在左边的窗口中便出现相应的仿真频率点。设置完后，选择“确定”退出。接着在原理图中依次放置三个电感和四个电容构成 7 级的集总参数滤波器。如图 3 所示。由于需要使用软件的优化功能来自动搜索相应元件的值，因此我们在原理图中添加了四个变量。如图所示 L1,L2,C1,C2，初始赋值都为 40.并且将此四个变量分别赋值给相应元件的元件值。那么当变量改变时，电路中各个元件的值也相应发生改变。电路原理图完成后，需要新建一个输出方框图，来输出仿真结果曲 线。并且在输出的 Graph 中添加 S21 和 S11 两个测量参数。如图 5 所示为添加测量参数 S21 对话框，并且选中右下角的 DB 复选框，使测量参数以 DB 为单位。对 S 参数来说，S21 表示电路网络的增益而 S11 表示电路网络的反射系数,由于这是一个对称网络，使得 S21 和 S12 相等、S22 和 S11 相等，因而测量 S12 和S22 也可以。在优化之前，先加入优化目标，对 S21 和 S11 两个测量参数进行约束。按照实验要求，需要添加①0～200MHz， S21>-5dB ②300MHz 以上， S21<-35dB ③0～200MHz,S11<-20dB 三个优化目标。如图 6 所示，为其中一个优化目标的设置。

设置完之后将变量设置成可优化、可调节然后便可以使用仿真计算了。计划算完成后可以观察输出 Graph1.最后对结果进行优化在优化对话框中选择 Random（Local）算法，点击“Start”按钮。在优化的时候，你可以将 Graph 调

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到最上端显示，以便可以看到参数曲线的实时变化优化完毕后，曲线基本符合要求，此时需要使用 Tune 工具。打开 Tune 窗口后，分别移动四个变量的游标进行调节，如图 12 所示，一直到参数符合要求为止.如果调节不合要求，可以 Reset 恢复到原来的值，也可以对当前的调节到的值进行保存更新

3. 实验结果

图一是实验的电路图

图一 Circuit schematics

图二是经过优化之后得到的图像

图三

4. 思考题

1）如果要你设计的是高通滤波器，与前面相比，需要变化那几个步骤？

1.开始的时候，要把频率变化范围变得很大，变高。 2.在设置增益参数时，需要在高频率部分设置得比较大，在低频部分比较小。 3.在设置反射系数的时候，也得做相应的变化。 4.修改电路原理图。

2）你在优化设计过程中，那些参量调解对优化结果影响最大？（最敏感）

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每个电容和电感的值

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