微帶濾波器設計

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微帶耦合線帶通濾波器的綜合設計濾波器的功能是用來分隔頻率，即通過需要的頻率信號，抑制不需要的頻率信號。目前廣泛采用原型濾波器設計法，所謂原型濾波器設計法就是以低通濾波器為原型，通過頻率變換得到所需濾波器的電抗元件的值，然后再通過相應的器件將其實現(xiàn)。該方法應用了綜合設計，并且設計過程規(guī)范，再結(jié)合微波CAD軟件進行模擬，能克服理論分析精度低的缺點，并使設計周期縮短、設計成本降低。下面首先簡略介紹帶通濾波器的理論分析并得出計算公式，然后以一個帶通濾波器為例子介紹結(jié)合微波CAD軟件進行帶通濾波器設計的整個過程。一、 低通濾波器原型：圖1 低通濾波器原型電路一般用通帶截止頻率和

2、阻帶截止頻率，及相對應的衰減和來描述低通濾波器的性能，越小、越大、與越接近，性能就越好。L、C串、并聯(lián)而成的梯形電路能夠?qū)崿F(xiàn)低通特性。要進行綜合設計，就需要求出工作衰減L與電路各元件值的關系。n個L、C元件構(gòu)成的低通網(wǎng)絡，如圖1，R0和Rn+1分別代表電源內(nèi)阻和負載電阻，工作衰減L為: （1.1）a d是低通網(wǎng)絡a矩陣的四個參數(shù)，給定n的L、C低通網(wǎng)絡的a矩陣等于相應n個L、C的a矩陣相乘。單獨的串聯(lián)L、并聯(lián)C的a矩陣分別為： 和 （1.2）計算表明，工作衰減L（dB）可以表達為1加上的2n次的一個偶次多項式： （1.3）例如時， （1.4）時，衰減為零，增加時，L增大，因而有低通特性。如果選

3、取適當?shù)暮瘮?shù)做為濾波器的指標，則通過公式1.3可以求出各元件的值。例如時設，則，并假定時，工作衰減，可求得，即，與公式1.4比較可求出，。觀察公式1.2，和作為整體出現(xiàn)，等衰減條件下和的值應保持不變，即與成反比，與成正比，與、成反比，如果我們求出和時即歸一化的和，通過變換，就能得到任意頻率和內(nèi)阻的L、C元件的值。由于切比雪夫函數(shù)具有較好的衰減頻率特性，而且比較容易實現(xiàn)，所以常被采用。n代表元件的個數(shù)，n越大，濾波器性能越好，但網(wǎng)絡就越復雜；根據(jù)和，及和通過查表可以確定最小的 n，然后可計算各個元件歸一化的值，一般用表示，公式如下： （1.5） （k=2，3，n） （1.6） （n為奇） （n為

4、偶） （1.7） （1.8） （1.9） （k=1，2，3，n） （1.10） （k=1，2，3，n） （1.11）二、 帶通濾波器與低通原形的頻率變換帶通濾波器指標的描述： 、為通帶截止頻率，對應衰減，、為阻帶截止頻率對應衰減，為通帶中心頻率，為相對帶寬。低通濾波器的衰減是一個偶函數(shù)，考慮小于零時，低通濾波器可以看成是由到，為中心頻率的帶通濾波器，當然是沒有負頻率的，但從中可以看出低通與帶通存在著聯(lián)系，其對應關系如下：、及對應、及；、及對應、及；對應。通過下列頻率變換可以由低通得到帶通： （2.1）圖1變換成圖2：圖2 帶通濾波器原型電路運用等衰減條件，對于低通串聯(lián)電感有： （2.2）式中

5、和 （2.3）低通并聯(lián)電容有： （2.4）式中 和 （2.5）這樣就得到了帶通濾波器各個元件的值。三、 帶通濾波器的微帶實現(xiàn)微帶電路通過K、J變換器能實現(xiàn)串并聯(lián)的電路形式，如圖3：圖3 J變換器的等效電路一段長度接近的傳輸線，當終端接負載甚小于特性阻抗時，則線的作用相當于和一個電抗的串聯(lián)，構(gòu)成諧振電路。一段電長度為的終端開路的耦合線可等效為一個J變換器和接在兩邊的兩段電長度為、特性導納為的傳輸線的組合，如圖4：圖4開路耦合線等效電路選擇為90度，將一系列耦合線級連后，形成J變換器和長度為傳輸線諧振電路的級連，可以看出它等效于圖2中的原型電路，通過和帶通濾波器原型電路中各元件值比較，可以求出耦合

6、線的奇偶模阻抗、，再由工具軟件根據(jù)、計算出耦合線的線寬和縫隙及長度，就能確定濾波器的尺寸，形式如圖5：圖5耦合線帶通濾波器省略公式推倒，公式如下： （3.1） （3.2） （i從1到n-1） （3.3） （3.4） （3.5）整個設計過程總結(jié)如下：根據(jù)濾波器的指標要求，查表確定濾波器節(jié)數(shù)n（一般微波書都有），根據(jù)n和帶內(nèi)衰減由公式1.51.11或查表可求，然后通過公式3.13.5可以計算奇偶模阻抗，根據(jù)、就可以計算出微帶濾波器的尺寸，完成微帶濾波器的設計。四、 例子濾波器設計指標為：通帶5000MHz6000MHz，帶內(nèi)衰減小于3dB，帶外抑制大于30 dB，帶外抑制頻率、為4500 MHz和

7、6500 MHz，介質(zhì)基片的=2.8，厚度h=1mm。查表n最少需要5節(jié)，選5節(jié)；由于微帶本身有損耗要增加衰減1dB 左右，所以盡量選得小以留有余量，選0.2dB，由公式1.51.11，計算g為：，計算：（），計算、：（選主線阻抗），以上計算均按公式用計算機編程計算，這樣能大大提高計算速度和精度。用Ansoft公司serenade軟件中的工具軟件TRL，根據(jù)、對耦合線進行綜合得到第一節(jié)耦合線的尺寸：線寬W=1.682mm，縫隙S=0.092mm，這里有一個問題需要特別注意，在設計耦合濾波器時往往會遇到縫隙S很小的情況，這樣光刻誤差的影響要變大，有時S甚至小到工藝很難加工，這種情況應該避免，用阻

8、抗變換的方法能部分解決這個問題，方法如下供參考：事實上，可以通過選擇來改變、，線寬和縫隙也隨之改變，所以選擇適當?shù)目梢允筍變大，如= 時重新計算有（由于主線的阻抗為50，所以濾波器中做要一段阻抗變換線來連接主線和濾波器）：，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由于終端電容效應，p要減去大約0.33h，按傳統(tǒng)設計此時就要下圖生產(chǎn)實驗件，然后根據(jù)實驗件的實測對尺寸進行修整，由于理論分析的精度有限，往往要經(jīng)過一兩次試驗才能成功，造成設計周期長，成本高

9、，現(xiàn)在可以用微波CAD進行模擬完成尺寸調(diào)整，用serenade進行模擬，結(jié)果如圖6：圖6 濾波器頻率響應曲線圖可以看出一是中心頻率略低5.477GHz，再有是通帶略小1GHz；由理論分析可知，減小p可以提高中心頻率，減小S可以加寬通帶頻寬（但影響阻帶帶寬），適當調(diào)整p和S后頻率響應如圖7：圖7 調(diào)整后的濾波器頻率響應曲線調(diào)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根據(jù)以上尺寸就可以畫出版圖，版圖如圖8：圖8 實際投產(chǎn)的版圖實測曲線如圖9:圖9濾波器實測頻率響應曲線圖指標為:帶內(nèi)最小衰減1.07dB頻率(GHz)4.745.056.026.45對應衰減(dB)29.983.473.1229.99濾波器實測指標是滿足并高于原設計要求的。從上面設計過程中能夠看出，按以上總結(jié)的公式編程計算并結(jié)合計算機輔助設計，可以大大加快設計進程，減少