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• 120•滤波器作为一种常见的电路单元，其应用十分广泛。
本文通过HSPICE 仿真环境设计一款射频通信接收端的三阶模拟低通滤波器，通过HSPICE 实现电路的交直流特性仿真，达到设计目的。
滤波器作为电子系统里最常见的调整信号频率的单元，最早于20世纪初由美国和德国的工程师提出。
后由zobel ，Cauer ，Darlington 等人不断发展创新，到现代的各种类别丰富，应用广泛的数字和模拟滤波器。
滤波器在设计过程中往往通过仿真软件实现。
常用的通用仿真环境有ADS 、Multisim ，proteus 、HSPICE 等。
HSPICE 在电路仿真中有准确性高、误差小、操作简单等特性，而且能够直观反映出电路或者系统的输出或者交直流特性。
1 基本原理本文设计一款三阶低通模拟滤波器用基于HSPICE的三阶模拟滤波器的仿真设计黄山市七七七电子有限公司 冯立康图1 电流源反馈的跨导电路图3 部分MOS管的工作点和工作状态图2 三阶模拟低通滤波器原理图于射频接收机中，并通过HSPICE 进行仿真。
滤波器的设计指标如下：中心频率为6MHz ，3dB 带宽为8MHz ，带内纹波小于1dB ，动态范围大于75dB ，采用0.18μm 的CMOS 工艺，电源电压为1.8V 。
电路结构包括电流源反馈的跨导单元、低通滤波器组成，如图1和图2所示。
如图1所示，M 7-M 11以及M tail1和M tail2组成共模反馈电路，M 1-M 2以及R1为输入管，M 3-M 4以及M bias 组成尾电流源。
该差分电路能够输出稳定的直流共模电平。
图2显示的是三阶模拟滤波器的基本原理图，但该电路的调谐性及稳定都较差，因此应用时一般用可调电路和有源电感代替图2中的电阻和电感。
2 HSPICE仿真结果与分析2.1 跨导电路的仿真首先仿真并分析跨导单元的交直流输出。
根据图1的电路结构，在HSPICE 中建立网表文件，并建立仿真文件，设置输入交流电压，其共模电压为0.9V ，交流为1V ，相位分别为0和180°的同向和反向输入，定义仿真温度为室温25°，采用.18的工艺库。
电子·电路2010年第23卷第10期Electr onic Sci 1&Tech 1/Oct 115,2010收稿日期:2010202208作者简介:刘勃(1983-),男,硕士研究生。
研究方向:微波器件与微波电路设计。
杨明武(1958-),男,教授。
研究方向:计算电磁学及应用。
一种E OC 专用双工滤波器的仿真设计与实现刘 勃,杨明武(合肥工业大学电子科学与应用物理学院,安徽合肥 230009)摘 要 阐述了E OC 设备上双工滤波器的设计方法。
滤波器由LC 低通滤波器和LC 高通滤波器组合而成,通过ADS2005仿真计算,研究了贴片电容和空心线圈电感,在FR -4板材上实现高性能滤波器的可行性。
通过优化设计,提高了隔离度和带外抑制性能,对研制的滤波器电感线圈匝间距进行实验微调,产品匹配性良好,各项指标达到国家标准。
关键词 滤波器;FR -4板材;电感;电容中图分类号 T N713 文献标识码 A 文章编号 1007-7820(2010)10-024-04I m ple m en t a ti on and S i m ul a ti on Test of a Spec i a li zed E OC Full D uplex F ilterL iu Bo,Yang M ing wu(School of Electronic Scinence &App lied Physics,Hefei University of Technol ogy,Hefei 230009,China )Abstract This paper describes the i mp lementati on of a full dup lex filter for the EOC device .This filter iscomposed of a LC low pass filter and a LC high pass filter .By si mulation co mputing of ADS2005,this paper als o re 2searches the i mp lemental availability of high perfor mance filtering on FR 24Board using the S MT capacitor and coil in 2ductor .The result shows that the is olati on level and Out of Band rejection perfor mance are greatly enhanced by the use of the op ti m ized design .By adjusting the space bet ween the coil induct or of such filter,the EOC device can get better matching perfor mance,and every metrics meet the national standard .Keywords filter;FR 24board;induct or;capacit or 目前市场上的双工滤波器是由低通滤波器和高通滤波器组合在PCB 上的三端口微波器件,分别为混合频率输入端、低频输出端、高频输出端。
ads2011射频电路设计与仿真实例射频电路设计与仿真是无线通信系统中非常重要的一部分，它涉及到无线信号的传输、接收和处理。
在本文中，我们将介绍一个射频电路设计与仿真的实例，以帮助读者更好地理解射频电路设计的基本原理和流程。
一、电路设计的背景和目的我们的电路设计实例是一个用于接收无线信号的射频前端电路。
该电路旨在将接收到的无线信号放大、滤波和解调，以便后续数字处理。
二、电路设计的基本流程1.确定电路需求：首先，我们需要确定电路的功能和性能需求，包括工作频率、增益、带宽等指标。
2.选择器件：根据电路需求，我们需要选择适合的射频器件，比如放大器、滤波器和混频器等。
3.电路结构设计：根据选择的器件，我们可以设计出整个电路的结构框图，包括各个器件之间的连接和布局。
4.电路参数计算：对于每个器件，我们需要计算其工作参数，比如增益、带宽、噪声系数等。
5.电路仿真：利用射频电路仿真软件，我们可以对设计的电路进行仿真，验证其性能是否符合需求。
6.电路优化：如果仿真结果不尽如人意，我们需要对电路进行优化，比如调整器件参数、修改结构等。
7. PCB设计：最后，我们需要将电路布局设计成PCB版图，并完成电路的布线和连接。
三、电路设计的详细步骤1.确定电路需求对于我们的射频前端接收电路，我们需要确定其工作频率范围为2GHz至4GHz，增益需求为20dB，带宽为500MHz。
2.选择器件根据电路需求，我们选择了高频放大器、滤波器和混频器作为电路的主要器件。
3.电路结构设计我们设计了一个简单的射频前端结构，包括低噪声放大器、带通滤波器和局部振荡器。
4.电路参数计算我们计算了每个器件的工作参数，比如放大器的增益、噪声系数，滤波器的通带带宽和混频器的转换增益等。
5.电路仿真利用ADS2011软件，我们对设计的射频前端电路进行了仿真，验证了其性能指标是否符合需求。
在仿真中，我们验证了放大器的增益和噪声系数、滤波器的通带带宽和混频器的转换增益。
一．滤波器的基本原理滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。
典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。
镜像参量法和插入损耗法是设计集总元件滤波器常用的方法。
对于微波应用，这种设计通常必须变更到由传输线段组成的分布元件。
Richard变换和Kuroda恒等关系提供了这个手段。
dB；在该式在滤波器中，通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即L A=10lg P inP L中，P in和P L分别为输出端匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。
为了描述衰减特性与频率的相关性，通常使用数学多项式逼近方法来描述滤波器特性，如巴特沃兹、切比雪夫、椭圆函数型、高斯多项式等。
滤波器设计通常需要由衰减特性综合出滤波器低通原型，再将原型低通滤波器转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器，最后用集总参数或分布参数元件实现所设计的滤波器。
滤波器低通原型为电感电容网络。
其中，元件数和元件参数只与通带结束频率、衰减和阻带起始频率、衰减有关。
设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。
表1-1列出了巴特沃兹滤表1-1 巴特沃兹滤波器低通原型元器件值实际设计中，首先需要确定滤波器的阶数，这通常由滤波器阻带某一频率处给定的插入损耗制约。
图1-1所示为最平坦滤波器原型衰减与归一化频率的关系曲线。
图1.1 最大平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线二、S参量的描述高频S参量和T参量用于表征射频/微波频段二端口网络(或N端口网络)的特性。
基于波的概念，它们为在射频/微波频段分析、测试二端口网络，提供了完整的描述。
由于电磁场方程和大多数微波网络和微波元件的线性，散射波的幅值(即反射波和透射波的幅值)是与入射波的幅值呈线性关系的。
描述该线性关系的矩阵称为“散射矩阵”或S矩阵。
低频网络参量(如Z、Y矩阵等)是以各端口上的净(或总)电压和电流来定义的，而这些概念在射频/微波频段已不切实际，需重新寻找能描述波的叠加的参量来定义网络参量。
第8卷 第6期 信 息 与 电 子 工 程 Vo1．8，No．6 2010年12月 INFORMATION AND ELECTRONIC ENGINEERING Dec．，2010
文章编号：1672-2892(2010)06-0712-05 一种射频体声波滤波器的版图设计与仿真 顾 立，钟 毅 (武汉理工大学 信息工程学院，湖北 武汉 430070) 摘 要：射频体声波滤波器品质因子高，尺寸小，其性能已超过声表面波滤波器，将其替代传统的射频滤波器极具性能和价格优势。本文建立了适用于体声波滤波器性能分析的巴特沃斯—范戴克(MBVD)模型，采用梯形级联方式设计了一种射频体声波滤波器的版图。在此基础上以中心频率为1.99 GHz，带宽56 MHz的体声波滤波器为例，对不同连接级数梯形滤波器的插入损耗、阻带抑制进行了仿真与分析讨论，在4阶滤波器中其带外衰减达到了-29.708 dB。采用微机电机械系统工艺制备的2阶和3阶滤波器传输特性的测试曲线与仿真结果基本吻合，表明射频体声波滤波器具有广泛的应用前景。该模拟结果可作为射频体声波滤波器设计的一个重要参考。 关键词：体声波滤波器；梯形滤波器；通信系统；频率特性 中图分类号：TN713 文献标识码：A
Layout design and simulation of a radio frequency bulk acoustic wave filter GU Li，ZHONG Yi (School of Information Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430070，China)
Abstract：Bulk acoustic wave filter fabricated by Complementary Metal Oxide Semiconductor(CMOS) is of high-quality factor and small size，which is better than Surface Acoustic Wave(SAW) Bulk acoustic wave filters. It has been used to take the place of conventional Radio Frequency(RF) filters for its outstanding performance and price advantage. The Modified Butterworth-Van Dyke(MBVD) model was built to analyze the frequency response of bulk acoustic wave filters. A kind of ladder RF bulk acoustic wave filter layout was designed. Based on the layout of the filter，the frequency characteristics of the varied ladder filters centering on 1.99 GHz with bandwidth 56 MHz were simulated by MBVD model and the out band attention of 4-order filter was about -29.708 dB. The tested transmission characteristics of 2-order and 3-order ladder filters fabricated by Micro Electro Mechanical Systems(MEMS) agreed well to the simulation results which indicated the broad application. The simulation results can provide a reference for designing the bulk acoustic wave filter. Key words：bulk acoustic wave filter；ladder filter；communication system；frequency characteristics
随着无线通信技术，特别是第3代通信系统和蓝牙技术的快速发展，主流通信频段日益拥挤，这就需要更多的通信信道满足不断增加的通信用户，而这些信道必须具有较小的带宽[1]。同时伴随着通信系统的微型化发展，
传统介质滤波器体积较大，不能与信号处理电路集成而成为其系统微型化发展的瓶颈；声表面波滤波器在芯片上占用面积不大，但在更高频率遇到了困难，特别是要采用亚微米级的光刻技术限制了其在新通信标准中应用[2-3]。薄膜体声波滤波器可工作在500 MHz~20 GHz频段内，具有Q值高，尺寸小且加工工艺与CMOS工艺兼容等优点，为实现片上(on-chip)通信系统创造了有利条件，成为实现无线通信系统微型化的一个重要途径[4-7]。完整的
体声波滤波器是由若干不同频率薄膜体声波谐振器(Thin Film Resonator，TFR)组成。TFR器件是一种制作在硅或砷化镓衬底上，由电极—压电薄膜—电极构成的三明治结构，其工作原理是基于压电薄膜厚度方向的纵向振动引起的谐振。Agilent公司于2001年成功研制出基于TFR器件的双工滤波器，并于2002年将其批量生产，从而在世界范围内引发了对TFR研究的热潮[8]。三星公司的CDMA手机中均采用了TFR器件，其TFR产品占据了70%
以上的CDMA手机市场[9]。目前Avoga公司推出的第4代个人通信服务(Personal Communications Service，PCS)
收稿日期：2010-05-10；修回日期：2010-06-16 基金项目：武汉理工大学自主创新研究基金资助项目(2010-Ⅱ-013) 第6期 顾 立等：一种射频体声波滤波器的版图设计与仿真 713 双工器发送信道的最大插入损耗仅为2.7 dB，接收信道的插入损耗最高为3.2 dB，同时达到了+33 dBm绝对最高发射功率的高功率规格[10]。目前我国在TFR技术领域还处于理论研究和实验阶段。
1 体声波滤波器版图设计 TFR器件的声学回路主要包括顶电极、压电层和底电极，见图1。而单个TFR只是在某个频率点产生谐振，不能称之为滤波器。将多个TFR谐振器通过某种方式级联在一起就可构成满足一定需要的滤波器。由TFR连接成带通滤波器，一般采用梯形连接。典型的滤波器连接见图2，当TFR1的串联谐振器频率(fs1)等于TFR2的并联谐振频率
(fp2)时，就可获得带宽为(fp1–fs2)的带通滤波器(fs为串联谐振频率，fp
为并联谐振频率)[11]。
对于RF微波滤波器的设计，由于对其要求是多方面的，设计的方法也不尽相同。本文主要研究RF无源带通滤波器的设计方法，对它的设计通常应考虑以下指标：1) 中心频率f0：由TFR1的串联谐振器频率fs1或TFR2的并联谐振频率
fp2决定；2) 带宽(BW)：通常定义传输特性曲线–3 dB处对应
的高截止频率点和低截止频率点之差；3) 插入损耗(Insertion Loss，IL)：定义为通频带内滤波器的输入功率与输出功率之比；4) 带内波动ripple；5) 阻带衰减As。可见，对滤波器
的要求是多方面的。通常要求其插入损耗、带内波动尽可能小，阻带衰减尽可能大。 在对RF微波滤波器性能进行仿真前先设计其版图，通过设计不同的上电极厚度实现TFR1的串联谐振器频率(fs1)等于TFR2的并联
谐振频率(fp2)来控制滤波器
的中心频率f0。因此，在采
用MEMS平面工艺制备梯形体声波滤波器时，上电极需要2个版图。设计时选择滤波器的中心频率f0为1.99 GHz，
带宽为60 MHz，带内插损≤2.7 dB，阻带损耗≥30 dB。采用L-edit软件设计了2串1并和3串3并的梯形体声波滤波器版图(见图3)，单个TFR谐振区面积为0.04 mm2，上下电极pad尺寸为50 μm×50 μm。
2 体声波滤波器仿真建模 对体声波器件的建模可基于不同层次。在物理层上，体声波可以采用一维Mason模型对TFR三明治结构中层堆的优化和材料参数的提取进行有益的模拟。在开发TFR器件时，这种模型有利于分析材料和结构因素对其谐振性能的影响。但对于体声波滤波器的设计和系统级仿真而言，Mason模型显得过于复杂，工作正常的TFR可用更紧凑的MBVD模型模拟。图4中MBVD模型通过曲线拟合的方法从TFR器件测量的阻抗特性曲线或S参数曲线反标定模型中分立元件的值，是一种非常实用的方法，而且在谐振器正常工作的前提下，其结果与其他几种模型相比更接近实际。
bottom electrodesubstrate
top electrodepiezoelectric layer
Fig.1 Schematic view of TFR图1 TFR器件结构示意图
TFR1 VoutVinTFR2
Fig.2 Topology structure of ladder-type filter based on TFRS图2 梯形体声波滤波器的连接图
Fig.3 Layout of ladder-type bulk acoustic filter 图3 设计的梯形体声波滤波器版图
(a) 2-order(b) 3-order
fs
fsf
sfp
fp
fp
fs
f
s
fp
Fig.4 MBVD equivalent circuit of TFR 图4 体声波谐振器的MBVD等效电路模型
Rs
C0
R0
Cm
Rm
Lm
