2024年4月3日发(作者：佛志业)
软件实验二 集总参数滤波器
一、实验目的
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
验可以熟悉MWO2003的各种基本操作。本次实验我们需要用到MWO2003的
优化和Tune等工具，需要熟练掌握MWO提供的这些工具的使用方法和技巧。
二、实验原理
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
不可少的器件之其主要参数有：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。
可以从不同角度对滤波器进行分类。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。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。
因此实际实现滤波器时，可根据需要来选择滤波器的级数。此次实验我们采用7
级滤波器。
三、实验内容及结果讨论
1、设计一个七级集总参数低通滤波器，要求截止频率为300MHz，通带内
增益大于－5dB，阻带内400MHz以上增益小于-40dB。通带内反射系数要求小
于-20dB。
实验步骤：⑴确定仿真设计的目标：七级集总参数低通滤波器，截止频率为
300MHz；0～300 MHz，S21>－5dB；400 MHz以上，S21<－40dB；0～300 MHz，
S11<－20dB
⑵新建工程文件：LowPass_Lumped ，保存。（将设计要求写入DesignNote ）
⑶设置工程总体属性。GlobalUnits修改频率为MHz，FrequencyValues设置
频率范围0～1000MHz，步长10MHz 。其它以及元件数值的单位均采用默认值。
注意：Project的各种属性只能在此修改，而不可以在原理图中改动。
⑷新建电路原理图文件：LowPass_Lumped_Schematic 。然后按照实验指导
书P68 图3放置元器件，并添加变量、设置变量属性以及取值范围。注意到低
通滤波器的电路原理图是对称的。该原理图即为一个七级集总参数低通滤波器。
须注意，两个PORT的Port number 应分别为1、2 ，否则在后面的仿真中将出
现错误。此外，元器件描述文本中，第一行是元器件名称，是唯一的，应注意选
择与原理图中名称一致的元器件。
⑸添加图形输出窗口，LowPass_Lumped_Graph ，使用矩形窗。然后添加测
量参数S21、S11 。注意单位dB复选框应勾上。
⑹添加优化目标：0～300 MHz，S21>－5dB；400 MHz以上，S21<－40dB；
0～300 MHz，S11<－20dB 。注意，添加测量参数时，可以在“AddMeasurement”
对话框中一次添加多个测量参数；而添加优化目标，一个“NewOptimizationGoal”
只能添加一个优化目标。
⑺开始优化。使用算法：Random(Local)，最大迭代次数：5000 。注意，应
确认电路原理图中的变量属性是否能参与优化！
优化结果：Cost＝11.4591，L1=39.12，L2=43.28，C1=12.04，C2＝21.8，仿
真波形如图1所示。优化参数Cost较大，仿真结果与目标有一定差距，从波形
图上标出的点（Marker）可以看出。
图1 仿真波形
⑻改变优化过程中的各个要素，尽量使Cost最小。具体有：改变变量的初
值、限定变量的取值范围、采用其它的优化算法或改变迭代点数，以及各种优化
算法混合使用，等等。可以发现，Cost仍然较大。
⑼优化后的微调。打开Tuner进行微调谐，例如，如果对增益要求严格，而
对反射系数要求不高的话，可以将滤波器设计成如图2所示的幅频特性曲线，各
元器件的值如Tuner中所示。注意，应确认变量的属性是否能参与调谐！
图2 调谐（Tune）结果
⑽若对上述优化Optimize和调谐Tune后的仿真结果仍不满意，就要进行电
路原理图的重新设计。尝试增加滤波器级数，使用9级集总参数滤波器，仿真结
果分别如图3所示。Cost＝0.329126，L1＝38.77，L2＝43.56，C1＝10.97，C2
＝21.37，C3＝22.54 。
图3 九级集总参数低通滤波器仿真波形
实验心得：A．当L1增大时，S21斜率变大，带宽变窄，S11变化；当L1减小
时，S21斜率也变大，带宽变窄，S11变化；在57达到理想。
B．当L2增大时，S21斜率变小，带宽变窄，S11变化；当L2减小
时，S21斜率也变小，带宽变窄，S11变化；在64达到理想。
C．当C1增大时，S21斜率变大，带宽变窄，S11变大；当C1减小
时，S21斜率也变大，带宽变窄，S11也变大；在16达到理想。
D．当C2增大时，S21斜率变大，带宽变窄，S11变大；当C2减小
时，S21斜率也变大，带宽变窄，S11变大；在31达到理想。
2、七级LC带通滤波器，要求：通带频率范围：500MHz～600MHz，
增益参数S21：通带内500MHz～600MHz，S21>-5dB，阻带内300MHz～450MHz，
S21<-40dB，650MHz～800MHz，S21<-40dB
反射系数S11：通带内510MHz～590MHz S11<-20dB
要求优化参数Cost<0.5（最佳为Cost＝0)
实验步骤：⑴若仍使用实验指导书中P68 图3的电路原理图，仅改变优化目标
设置，显然无法达到设计要求。重新绘制电路原理图如图4所示。
图4 七级LC集总参数带通滤波器设计
⑵变量初值均为40，取值范围均为0～100，选择Random(Locall)，5000优
化后，Cost＝542.96。显然，这是不符合要求的。
⑶对各变量进行调谐Tune。结合仿真波形，适当改变各变量Tune的取值范
围，边细心调节各变量的值，边观察仿真波形。在这过程中结合Optimize，不断
进行优化。最终结果为Cost近似为0，L1＝145.57，L2＝15.122，L3＝2.8324，
L4＝1.514，C1＝0.57937，C2＝497.5，C3＝29.876，C4＝60.905 ，仿真波形如
图5所示。
图5 七级LC集总参数带通滤波器仿真波形
实验心得：L4、C1对优化结果影响较大，而C4、C2则较不敏感，L3、L4、C1
越小越好。可通过Tune体会。
3、高通滤波器设计
在集总参数电路中，电容电感所起作用不同，电容通高频阻低频，而电感相
反。因此，设计集总参数高通滤波器，只需将低通滤波器电路原理图中的电容电
感位置互换即可。带通与低通的关系、带阻与带通的关系依此类推。
四、心得体会
1、只要认真阅读实验指导书，MWO实际上上手很快；同时，自己多尝试、
多阅读帮助文件，就能很快掌握操作方法
2、熟悉了MWO的优化和调谐工具。了解了影响优化结果的不同因素，以
及与调谐配合使用的技巧。当优化和调谐均无法满足仿真要求时，考虑修改电路
原理图。
3、理论上滤波器的级别越高，滤波性能越好；但相应的系统稳定性降低，
成本增加，插入损耗增大。因此要根据需要设计滤波器级数。
2024年4月3日发(作者：佛志业)
软件实验二 集总参数滤波器
一、实验目的
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
验可以熟悉MWO2003的各种基本操作。本次实验我们需要用到MWO2003的
优化和Tune等工具，需要熟练掌握MWO提供的这些工具的使用方法和技巧。
二、实验原理
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
不可少的器件之其主要参数有：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。
可以从不同角度对滤波器进行分类。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。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。
因此实际实现滤波器时，可根据需要来选择滤波器的级数。此次实验我们采用7
级滤波器。
三、实验内容及结果讨论
1、设计一个七级集总参数低通滤波器，要求截止频率为300MHz，通带内
增益大于－5dB，阻带内400MHz以上增益小于-40dB。通带内反射系数要求小
于-20dB。
实验步骤：⑴确定仿真设计的目标：七级集总参数低通滤波器，截止频率为
300MHz；0～300 MHz，S21>－5dB；400 MHz以上，S21<－40dB；0～300 MHz，
S11<－20dB
⑵新建工程文件：LowPass_Lumped ，保存。（将设计要求写入DesignNote ）
⑶设置工程总体属性。GlobalUnits修改频率为MHz，FrequencyValues设置
频率范围0～1000MHz，步长10MHz 。其它以及元件数值的单位均采用默认值。
注意：Project的各种属性只能在此修改，而不可以在原理图中改动。
⑷新建电路原理图文件：LowPass_Lumped_Schematic 。然后按照实验指导
书P68 图3放置元器件，并添加变量、设置变量属性以及取值范围。注意到低
通滤波器的电路原理图是对称的。该原理图即为一个七级集总参数低通滤波器。
须注意，两个PORT的Port number 应分别为1、2 ，否则在后面的仿真中将出
现错误。此外，元器件描述文本中，第一行是元器件名称，是唯一的，应注意选
择与原理图中名称一致的元器件。
⑸添加图形输出窗口，LowPass_Lumped_Graph ，使用矩形窗。然后添加测
量参数S21、S11 。注意单位dB复选框应勾上。
⑹添加优化目标：0～300 MHz，S21>－5dB；400 MHz以上，S21<－40dB；
0～300 MHz，S11<－20dB 。注意，添加测量参数时，可以在“AddMeasurement”
对话框中一次添加多个测量参数；而添加优化目标，一个“NewOptimizationGoal”
只能添加一个优化目标。
⑺开始优化。使用算法：Random(Local)，最大迭代次数：5000 。注意，应
确认电路原理图中的变量属性是否能参与优化！
优化结果：Cost＝11.4591，L1=39.12，L2=43.28，C1=12.04，C2＝21.8，仿
真波形如图1所示。优化参数Cost较大，仿真结果与目标有一定差距，从波形
图上标出的点（Marker）可以看出。
图1 仿真波形
⑻改变优化过程中的各个要素，尽量使Cost最小。具体有：改变变量的初
值、限定变量的取值范围、采用其它的优化算法或改变迭代点数，以及各种优化
算法混合使用，等等。可以发现，Cost仍然较大。
⑼优化后的微调。打开Tuner进行微调谐，例如，如果对增益要求严格，而
对反射系数要求不高的话，可以将滤波器设计成如图2所示的幅频特性曲线，各
元器件的值如Tuner中所示。注意，应确认变量的属性是否能参与调谐！
图2 调谐（Tune）结果
⑽若对上述优化Optimize和调谐Tune后的仿真结果仍不满意，就要进行电
路原理图的重新设计。尝试增加滤波器级数，使用9级集总参数滤波器，仿真结
果分别如图3所示。Cost＝0.329126，L1＝38.77，L2＝43.56，C1＝10.97，C2
＝21.37，C3＝22.54 。
图3 九级集总参数低通滤波器仿真波形
实验心得：A．当L1增大时，S21斜率变大，带宽变窄，S11变化；当L1减小
时，S21斜率也变大，带宽变窄，S11变化；在57达到理想。
B．当L2增大时，S21斜率变小，带宽变窄，S11变化；当L2减小
时，S21斜率也变小，带宽变窄，S11变化；在64达到理想。
C．当C1增大时，S21斜率变大，带宽变窄，S11变大；当C1减小
时，S21斜率也变大，带宽变窄，S11也变大；在16达到理想。
D．当C2增大时，S21斜率变大，带宽变窄，S11变大；当C2减小
时，S21斜率也变大，带宽变窄，S11变大；在31达到理想。
2、七级LC带通滤波器，要求：通带频率范围：500MHz～600MHz，
增益参数S21：通带内500MHz～600MHz，S21>-5dB，阻带内300MHz～450MHz，
S21<-40dB，650MHz～800MHz，S21<-40dB
反射系数S11：通带内510MHz～590MHz S11<-20dB
要求优化参数Cost<0.5（最佳为Cost＝0)
实验步骤：⑴若仍使用实验指导书中P68 图3的电路原理图，仅改变优化目标
设置，显然无法达到设计要求。重新绘制电路原理图如图4所示。
图4 七级LC集总参数带通滤波器设计
⑵变量初值均为40，取值范围均为0～100，选择Random(Locall)，5000优
化后，Cost＝542.96。显然，这是不符合要求的。
⑶对各变量进行调谐Tune。结合仿真波形，适当改变各变量Tune的取值范
围，边细心调节各变量的值，边观察仿真波形。在这过程中结合Optimize，不断
进行优化。最终结果为Cost近似为0，L1＝145.57，L2＝15.122，L3＝2.8324，
L4＝1.514，C1＝0.57937，C2＝497.5，C3＝29.876，C4＝60.905 ，仿真波形如
图5所示。
图5 七级LC集总参数带通滤波器仿真波形
实验心得：L4、C1对优化结果影响较大，而C4、C2则较不敏感，L3、L4、C1
越小越好。可通过Tune体会。
3、高通滤波器设计
在集总参数电路中，电容电感所起作用不同，电容通高频阻低频，而电感相
反。因此，设计集总参数高通滤波器，只需将低通滤波器电路原理图中的电容电
感位置互换即可。带通与低通的关系、带阻与带通的关系依此类推。
四、心得体会
1、只要认真阅读实验指导书，MWO实际上上手很快；同时，自己多尝试、
多阅读帮助文件，就能很快掌握操作方法
2、熟悉了MWO的优化和调谐工具。了解了影响优化结果的不同因素，以
及与调谐配合使用的技巧。当优化和调谐均无法满足仿真要求时，考虑修改电路
原理图。
3、理论上滤波器的级别越高，滤波性能越好；但相应的系统稳定性降低，
成本增加，插入损耗增大。因此要根据需要设计滤波器级数。