微带滤波器设计.doc

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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除微带耦合线带通滤波器的综合设计滤波器的功能是用来分隔频率，即通过需要的频率信号，抑制不需要的频率信号。目前广泛采用原型滤波器设计法，所谓原型滤波器设计法就是以低通滤波器为原型，通过频率变换得到所需滤波器的电抗元件的值，然后再通过相应的器件将其实现。该方法应用了综合设计，并且设计过程规范，再结合微波CAD软件进行模拟，能克服理论分析精度低的缺点，并使设计周期缩短、设计成本降低。下面首先简略介绍带通滤波器的理论分析并得出计算公式，然后以一个带通滤波器为例子介绍结合微波CAD软件进行带通滤波器设计的整个过程。一、 低通滤波器原型：图1 低通滤波器原型电

2、路一般用通带截止频率和阻带截止频率，及相对应的衰减和来描述低通滤波器的性能，越小、越大、与越接近，性能就越好。L、C串、并联而成的梯形电路能够实现低通特性。要进行综合设计，就需要求出工作衰减L与电路各元件值的关系。n个L、C元件构成的低通网络，如图1，R0和Rn+1分别代表电源内阻和负载电阻，工作衰减L为: （1.1）a d是低通网络a矩阵的四个参数，给定n的L、C低通网络的a矩阵等于相应n个L、C的a矩阵相乘。单独的串联L、并联C的a矩阵分别为： 和 （1.2）计算表明，工作衰减L（dB）可以表达为1加上的2n次的一个偶次多项式： （1.3）例如时， （1.4）时，衰减为零，增加时，L增大，

3、因而有低通特性。如果选取适当的函数做为滤波器的指标，则通过公式1.3可以求出各元件的值。例如时设，则，并假定时，工作衰减，可求得，即，与公式1.4比较可求出，。观察公式1.2，和作为整体出现，等衰减条件下和的值应保持不变，即与成反比，与成正比，与、成反比，如果我们求出和时即归一化的和，通过变换，就能得到任意频率和内阻的L、C元件的值。由于切比雪夫函数具有较好的衰减频率特性，而且比较容易实现，所以常被采用。n代表元件的个数，n越大，滤波器性能越好，但网络就越复杂；根据和，及和通过查表可以确定最小的 n，然后可计算各个元件归一化的值，一般用表示，公式如下： （1.5） （k=2，3，n） （1.6

4、） （n为奇） （n为偶） （1.7） （1.8） （1.9） （k=1，2，3，n） （1.10） （k=1，2，3，n） （1.11）二、 带通滤波器与低通原形的频率变换带通滤波器指标的描述： 、为通带截止频率，对应衰减，、为阻带截止频率对应衰减，为通带中心频率，为相对带宽。低通滤波器的衰减是一个偶函数，考虑小于零时，低通滤波器可以看成是由到，为中心频率的带通滤波器，当然是没有负频率的，但从中可以看出低通与带通存在着联系，其对应关系如下：、及对应、及；、及对应、及；对应。通过下列频率变换可以由低通得到带通： （2.1）图1变换成图2：图2 带通滤波器原型电路运用等衰减条件，对于低通串联电感

5、有： （2.2）式中 和 （2.3）低通并联电容有： （2.4）式中 和 （2.5）这样就得到了带通滤波器各个元件的值。三、 带通滤波器的微带实现微带电路通过K、J变换器能实现串并联的电路形式，如图3：图3 J变换器的等效电路一段长度接近的传输线，当终端接负载甚小于特性阻抗时，则线的作用相当于和一个电抗的串联，构成谐振电路。一段电长度为的终端开路的耦合线可等效为一个J变换器和接在两边的两段电长度为、特性导纳为的传输线的组合，如图4：图4开路耦合线等效电路选择为90度，将一系列耦合线级连后，形成J变换器和长度为传输线谐振电路的级连，可以看出它等效于图2中的原型电路，通过和带通滤波器原型电路中各元

6、件值比较，可以求出耦合线的奇偶模阻抗、，再由工具软件根据、计算出耦合线的线宽和缝隙及长度，就能确定滤波器的尺寸，形式如图5：图5耦合线带通滤波器省略公式推倒，公式如下： （3.1） （3.2） （i从1到n-1） （3.3） （3.4） （3.5）整个设计过程总结如下：根据滤波器的指标要求，查表确定滤波器节数n（一般微波书都有），根据n和带内衰减由公式1.51.11或查表可求，然后通过公式3.13.5可以计算奇偶模阻抗，根据、就可以计算出微带滤波器的尺寸，完成微带滤波器的设计。四、 例子滤波器设计指标为：通带5000MHz6000MHz，带内衰减小于3dB，带外抑制大于30 dB，带外抑制频率

7、、为4500 MHz和6500 MHz，介质基片的=2.8，厚度h=1mm。查表n最少需要5节，选5节；由于微带本身有损耗要增加衰减1dB 左右，所以尽量选得小以留有余量，选0.2dB，由公式1.51.11，计算g为：计算：（）计算、：（选主线阻抗）以上计算均按公式用计算机编程计算，这样能大大提高计算速度和精度。用Ansoft公司serenade软件中的工具软件TRL，根据、对耦合线进行综合得到第一节耦合线的尺寸：线宽W=1.682mm，缝隙S=0.092mm，这里有一个问题需要特别注意，在设计耦合滤波器时往往会遇到缝隙S很小的情况，这样光刻误差的影响要变大，有时S甚至小到工艺很难加工，这种情

8、况应该避免，用阻抗变换的方法能部分解决这个问题，方法如下供参考：事实上，可以通过选择来改变、，线宽和缝隙也随之改变，所以选择适当的可以使S变大，如= 时重新计算有（由于主线的阻抗为50，所以滤波器中做要一段阻抗变换线来连接主线和滤波器）：p1=9.41mm，p2=9.26mm，p3=9.23mms1=0.188mm，s2=0.635mm，s3=0.863mm w1=0.935mm，w2=1.345mm，w3=1.404mm由于终端电容效应，p要减去大约0.33h，按传统设计此时就要下图生产实验件，然后根据实验件的实测对尺寸进行修整，由于理论分析的精度有限，往往要经过一两次试验才能成功，造成设计

9、周期长，成本高，现在可以用微波CAD进行模拟完成尺寸调整，用serenade进行模拟，结果如图6：图6 滤波器频率响应曲线图可以看出一是中心频率略低5.477GHz，再有是通带略小1GHz；由理论分析可知，减小p可以提高中心频率，减小S可以加宽通带频宽（但影响阻带带宽），适当调整p和S后频率响应如图7：图7 调整后的滤波器频率响应曲线调整后的p和S如下：p1=9.0mm，p2=8.84mm，p3=8.82mms1=0.17mm，s2=0.62mm，s3=0.85mm根据以上尺寸就可以画出版图，版图如图8：图8 实际投产的版图实测曲线如图9:图9滤波器实测频率响应曲线图指标为:带内最小衰减1.07dB频率(GHz)4.745.056.026.45对应衰减(dB)29.983.473.1229.99滤波器实测指标是满足并高于原设计要求的。从上面设计过程中能够看出，按以上总结的公式编程计算并结合计算机辅助设计，可以大大加快设计进程，减少设计工作量，使设计比以前更快速、更容易。参考书目（1）清华大学编写组 微带电路 人民邮电出版社 1976（2）林为干 微波网络 国防工业出版社 1978（3）吴万春 微波网络及其应用 国防工业出版社 1980【精品文档】第 7 页