階躍阻抗微波低通濾波器設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、階躍阻抗微波低通濾波器設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)總說明微波濾波器在無線通信系統(tǒng)中至關(guān)重要，起到頻帶和信道選擇的作用，并且能濾除諧波，抑制雜散。在射頻電路設(shè)計(jì)時，經(jīng)常會用濾波器從各種信號中提取出想要的頻譜信號。Angilent ADS 軟件可以支持從模塊到系統(tǒng)設(shè)計(jì)，能夠完成微波電路設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)、射頻集成電路設(shè)計(jì)，因此是當(dāng)前射頻和微波電路設(shè)計(jì)的首選工程軟件。本文主要用三種方法到達(dá)了任務(wù)書的要求，其具體參數(shù)指標(biāo)為截止頻率=2.5GHz;在=4GHz處的插入損耗大于20dB;輸入輸出阻抗為50，依據(jù)理論是巴特沃茲、切比雪夫、Richards變換與Kuroda規(guī)那么，并得出了三種方法設(shè)計(jì)的濾波器。利用濾波器向

2、導(dǎo)設(shè)計(jì)在基于Richards變換與Kuroda規(guī)那么最低需采用五階，就可以到達(dá)最平坦響應(yīng)，但其過渡帶過于平坦；采用最平坦響應(yīng)階躍阻抗低通濾波器原理圖設(shè)計(jì)需要六階就可以到達(dá)設(shè)計(jì)參數(shù)要求，同時該方法設(shè)計(jì)的濾波器過渡帶比采用向?qū)гO(shè)計(jì)的要陡峭；采用切比雪夫設(shè)計(jì)的濾波器所需節(jié)數(shù)需五階，但其通帶內(nèi)會出現(xiàn)波紋。本文的設(shè)計(jì)結(jié)果和結(jié)論為微波濾波器的設(shè)計(jì)提供了重要的理論參考。關(guān)鍵詞：ADS，巴特沃茲，切比雪夫，Richards ，Kuroda，低通濾波器。Steppedimpedanceofmicrowavelow-passfilterdesignandsimulation Design Description

3、Microwavefiltersinawirelesscommunicationsystemis essential,andplay aroleinbandandchannelselection,andharmonic,suppressionofspurious.WhentheRFcircuitdesign,oftenusedfilterwantsspectrumsignalis extractedfromthesignal.AngilentADS softwarecansupportfromthemodule tothesystemdesign,able tocompletemicrowav

4、ecircuitdesign，communicationdesign,RFICdesign,soisthecurrentchoiceforRFand microwavecircuitdesignengineeringsoftware. This articlemainlythreewaystomeettherequirementsofthetask,the specificparametersforas atfrequencieslowpasscut-offfrequencyof=2.5GHz; insertionlossgreater than20dBatthe=4GHzinputoutpu

5、t impedanceis50,based onthetheoryofButterworth,Chebyshev,Richards rulesoftransformationandKuroda,andthethreemethodsofdesignofthe filter.In based on Richards transform and Kuroda rules using Filter Wizard design just used four order, on can reached most flat response, but its transition with too flat

6、; used principle figure design of has most flat response order jump impedance low pass filter need six order to reached design parameter requirements, while the method design of filter transition with than used wizard design of to steep; used cut than snow husband design of filter by needed section

7、number just five order, while transition with than former are stee,Butitappearsinthepass bandripple. Thisdesignresultsandconclusionsforthedesignofmicrowavefilters offertheoryreference.Keyword:ADS,Butterworth,Chebyshev,Richards ,Kurodaandlow-passfilters. 目錄目錄11緒論11.1階躍阻抗微波低通濾波器簡介12 濾波器的根本原理62.1二端口射頻網(wǎng)

8、絡(luò)參量62.1.1歸一化參量72.1.2散射參量的定義72.2 微帶線92.2.1 微帶線的有效介電常數(shù)和特性阻抗102.2.1 微帶線的損耗與衰減122.3 微帶階躍阻抗低通濾波器的理論根底132.3.1微帶傳輸線段的近似等效電路132.3.2阻抗變換152.3.3頻率變換153微帶階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計(jì)163.1 利用ADS中的濾波器設(shè)計(jì)向?qū)гO(shè)計(jì)163.1.1 濾波器電路生成163.1.2 集總參數(shù)濾波器轉(zhuǎn)化為微帶濾波器173.1.3微帶濾波器幅員生成與仿真193.2 巴特沃茲響應(yīng)的階躍阻抗微波低通濾波器的設(shè)計(jì)203.2.1濾波器原理圖設(shè)計(jì)213.2.2 仿真參數(shù)設(shè)置和原理圖仿真233.

9、2.4微帶濾波器幅員生成與仿真263.3波紋為0.5dB切比雪夫階躍阻抗微波低通濾波器設(shè)計(jì)283.3.1低通濾波器原型設(shè)計(jì)283.3.2仿真參數(shù)設(shè)置和原理圖仿真303.3.3濾波器電路參數(shù)優(yōu)化31參考文獻(xiàn)35 1緒論1.1階躍阻抗微波低通濾波器簡介 在無線通信系統(tǒng)中，如何選擇適宜的信道，并運(yùn)用微帶濾波器提取有用的頻譜信號，同時抑制干擾濾除諧波分量是非常重要的環(huán)節(jié)。微帶濾波器性能的好壞直接影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的整體性能，從而對濾波器的設(shè)計(jì)提出了較高的要求。而計(jì)算機(jī)輔助軟件ADS 的廣泛運(yùn)用，防止設(shè)計(jì)者花費(fèi)大量時間進(jìn)行理論推導(dǎo)和計(jì)算，有效縮短了設(shè)計(jì)周期，提高了設(shè)計(jì)效率。微波濾波器的分類方法很多，根據(jù)通頻帶

10、的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為最平坦型和等波紋型；根據(jù)工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶濾波器；按濾波器的傳輸線分類可分為微帶濾波器、交指型濾波器、同軸濾波器、波導(dǎo)濾波器、梳狀線腔濾波器、螺旋腔濾波器、小型集總參數(shù)濾波器、陶瓷介質(zhì)濾波器、SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器、高溫超導(dǎo)材料等。1.1.1按濾波器的傳輸線分類1微帶濾波器：微帶濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、微帶類橢圓函數(shù)濾波器。半波長平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應(yīng)用的帶通濾波器形式。其結(jié)構(gòu)緊湊、第二寄生通帶的中心頻率位于主通帶中心頻率的3倍處、適應(yīng)頻

11、率范圍較大、適用于寬帶濾波器時相對帶寬可達(dá)20%。其缺點(diǎn)為插損較大，同時，諧振器在一個方向依次擺開，造成濾波器在一個方向上占用了較大空間。和平行耦合線濾波器結(jié)構(gòu)相比，發(fā)夾型濾波器具有緊湊的電路結(jié)構(gòu)，減小了濾波器占用的空間，容易集成，并且降低了本錢。在電路尺寸有較嚴(yán)格要求的場合發(fā)夾型濾波器得到了較為廣泛的應(yīng)用。發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成，是半波長耦合微帶濾波器的一種變形結(jié)構(gòu)，是將半波長耦合諧振器折合成U字型構(gòu)成的，因此與交指式、梳狀線式等其他微波濾波器結(jié)構(gòu)相比，其電路結(jié)構(gòu)更加緊湊，具有體積小，微帶線終端開路無需過孔接地，易于制造等優(yōu)點(diǎn)。發(fā)夾型濾波器耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)屬于交叉耦合，交叉

12、耦合實(shí)質(zhì)是從信號源到負(fù)載端有不止一條耦合路徑，包括主耦合路徑和相對較弱的輔耦合路徑，任意兩諧振器之間都可以產(chǎn)生耦合。相對于級聯(lián)耦合，交叉耦合的最大優(yōu)點(diǎn)是能夠在通帶附近的有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，因而濾波器的帶外抑制能力將獲得極大提高，使用交叉耦合的諧振器濾波器比普通級聯(lián)型的濾波器具有更好的頻率選擇性，同時可以減少所需諧振器的數(shù)目。發(fā)夾型濾波器參數(shù)包括：發(fā)夾臂長、發(fā)夾間距、發(fā)夾線寬和和抽頭位置。平行耦合線濾波器、交指型濾波器等，獲得在帶內(nèi)較平坦的幅頻特性，但帶外抑制特性較差。微帶類橢圓函數(shù)濾波器，通過在帶外引入衰減極點(diǎn)，能明顯改善濾波器的帶外特性，比平行耦合線濾波器、交指型濾波器有更好的電特性。并

13、且微帶類橢圓函數(shù)濾波器具有較小的體積，同時，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜的無載Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時又具有較低的插損，具有很好的應(yīng)用前景。2交指型濾波器：交指濾波器Q值較高、體積適中。在0.518GHz的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)560帶通濾波，廣泛應(yīng)用于各種軍、民用電子產(chǎn)品。交指濾波器一般由金屬整體切割加工而成，結(jié)構(gòu)牢固，性能穩(wěn)定可靠。交指型濾波器是對平行耦合微帶線濾波器的一種改良，同樣是減小微帶濾波器占用的體積。具有以下優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高；由于每個諧振器間的間隔較大，故公差要求較低，容易制造；由于諧振桿長近似等于1/40，所以第二通帶中心在30以上，其間不會有寄生響應(yīng)。3同軸

14、濾波器：同軸腔濾波器體積小、Q值較高，溫度穩(wěn)定性好，特別適合于窄帶應(yīng)用?？蓪?shí)現(xiàn)帶寬為0.53，廣泛應(yīng)用于各種軍、民用電子系統(tǒng)同軸腔濾波器廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，按腔體結(jié)構(gòu)不同一般分為標(biāo)準(zhǔn)同軸、方腔同軸等。同軸腔體具有Q值高、易于實(shí)現(xiàn)的特點(diǎn)，特別適用于通帶窄、帶內(nèi)插損小、帶外抑制高的場合。這類濾波器非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，因此本錢也非常低廉。但要在10GHz以上使用時，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難到達(dá)。具體的設(shè)計(jì)有方法負(fù)阻線子網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造了多腔耦合的同軸帶通濾波器電路模型；同軸腔體濾波器溫度補(bǔ)償法；階躍阻抗諧振器等。4波導(dǎo)濾波器：波導(dǎo)濾波器Q值高，插損小，溫度穩(wěn)定性好，特別適合于窄帶應(yīng)用。在1

15、.726GHz的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)0.23.5帶通濾波，在各種要求高性能濾波特性的軍用電子產(chǎn)品中被廣泛使用。波導(dǎo)型濾波器由于其Q值高，損耗小，功率容量大等優(yōu)點(diǎn)而廣泛應(yīng)用于微波毫米波通信、衛(wèi)星通信等系統(tǒng)中。近年來微波技術(shù)的快速開展對該類濾波器的尺寸、阻帶特性等指標(biāo)都提出了越來越高的要求。通?？捎弥苯玉詈习氩ㄩL諧振腔結(jié)構(gòu)來構(gòu)造波導(dǎo)型濾波器，但由于高次模的影響，這種類型的濾波器第二通帶很近，頻率高端阻帶性能較差。采用1/4波長傳輸線耦合諧振膜片結(jié)構(gòu)，可對此進(jìn)行改善。通過選擇適宜的膜片尺寸，使各諧振膜片諧振在同一頻率上，但具有不同的Q值，可使其第二通帶位置變遠(yuǎn)，從而顯著提高其阻帶特性。另外，1/4波長傳

16、輸線耦合諧振膜片型濾波器還具有尺寸小的優(yōu)點(diǎn)，其總長度比直接耦合半波長諧振腔型(以下簡稱半波長型)縮短40%。與半波長型相比擬，諧振膜片型帶通濾波器的尺寸縮短了38.4%，且具有更寬的阻帶。波導(dǎo)帶通濾波器還應(yīng)用在各種微波多工器上，但其最大缺點(diǎn)是尺寸明顯比其他可應(yīng)用在微波段的諧振器大。5梳狀線腔濾波器：梳狀線濾波器標(biāo)準(zhǔn)響應(yīng)為0.05dB波紋切比雪夫響應(yīng)，具有體積小，Q值適中的特點(diǎn)。在0.5-12GHz的頻率范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)0.5%-30%的相對帶寬，廣泛應(yīng)用于各種軍、民用電子產(chǎn)品。外形:外形尺寸因頻率、帶寬、插損、及節(jié)數(shù)的不同而不同，無固定尺寸輸入輸出形式：SMA、N、L16等。為了減小尺寸，并且使設(shè)

17、計(jì)簡單，適合規(guī)模化生產(chǎn)，采用/4諧振線在高介電常數(shù)基片上直接制作一種微帶濾波器，即梳狀線腔濾波器。它利用交叉耦合方法提高通帶邊緣的陡度，同時在微帶諧振器中應(yīng)用了屏蔽線，減弱了由高介電常數(shù)帶來的強(qiáng)耦合。常用的微帶線濾波器結(jié)構(gòu)，有交指、梳狀及發(fā)卡型等形式.所謂“梳狀線濾波器，其諧振器是由一端短路、一端經(jīng)過一集總電容接地的一些平行耦合線所組成的結(jié)構(gòu).在此濾波器中，諧振器間的耦合由平行耦合線間的邊緣場得到。6螺旋腔濾波器：目前采用的一些濾波器技術(shù)如壓電晶體共振器，其同軸振蕩器體積太大，不適合VHF以及UHF頻段的應(yīng)用。在VHF，UHF頻段，螺旋濾波器具有高Q值和較小的設(shè)計(jì)參數(shù)，可使設(shè)計(jì)的振蕩器由一個1

18、/4的同軸諧振器裝配而成。由于螺旋濾波器具有較強(qiáng)的耦合性能和高Q值，可承受高的功率容量，因此廣泛應(yīng)用在較低的射頻大功率電路設(shè)計(jì)中。其缺點(diǎn)是螺旋耦合結(jié)構(gòu)的邊界條件很復(fù)雜，用電磁場數(shù)值方法進(jìn)行計(jì)算的復(fù)雜度和計(jì)算量都非常大，因此實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)比擬困難。7小型集總參數(shù)濾波器：小型集總參數(shù)濾波器主要用于電子對抗、電子偵察、通信、雷達(dá)及其它電子設(shè)備中作預(yù)選、后選、雜波抑制以及變頻濾波等。它具有體積小、重量輕、性能穩(wěn)定可靠、加工方便、便于安裝等優(yōu)點(diǎn)。較其它濾波器具有更好的溫度性能和帶外抑制性能。小型集總參數(shù)濾波器等采用先進(jìn)的專用微波CAD軟件對濾波器電路進(jìn)行優(yōu)化選擇。對10-2000MHZ范圍內(nèi)的窄帶及寬帶濾波器

19、均能實(shí)現(xiàn)。8陶瓷介質(zhì)濾波器：多層陶瓷微波濾波器是經(jīng)過電子陶瓷材料流延成型工藝，低溫疊層燒結(jié)技術(shù)，高精度印刷疊層技術(shù)及封裝技術(shù)等多種工藝流程而制成的高頻多層陶瓷微波濾波器。它具有頻率高、體積小、插損小、衰減大的特性，在移動通信、數(shù)字化家電等產(chǎn)品中得到廣泛的應(yīng)用。多層陶瓷微波濾波器是通過在介質(zhì)層上的印刷金屬圖案構(gòu)成分布電容C和分布電感L，同時位于不同介質(zhì)層上的金屬圖案層之間形成耦合電容而得到的。其實(shí)質(zhì)是用帶狀線來實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)。疊層后，介質(zhì)層上的印刷金屬圖案就相當(dāng)于處于介質(zhì)中的帶狀線，當(dāng)設(shè)計(jì)不同長度和不同寬度的金屬圖案層時，就可以得到不同的L和C。因此，通過設(shè)計(jì)金屬圖案層的形狀和選用適當(dāng)?shù)慕橘|(zhì)時

20、，就可得到在某一特定頻率發(fā)生諧振，同時滿足帶內(nèi)插損、帶寬和阻帶等各項(xiàng)指標(biāo)要求的濾波器。9SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器：階躍阻抗諧振器(SIR)是由兩個以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場或準(zhǔn)橫.向電磁場模式的諧振器。/4型SIR是其中最具吸引力的一種形式。它既能減小濾波器尺寸，又能通過調(diào)節(jié)阻抗比來很好控制雜散頻率，實(shí)現(xiàn)濾波器小型化和寬阻帶的要求。梳狀線形式的濾波器由于一端的電容加載，縮短了濾波器的諧振器的尺寸。交叉耦合濾波器成為近20年的研究熱點(diǎn)，由于其有限處的傳輸零點(diǎn)可以任意設(shè)置，最多可以設(shè)置與濾波器階數(shù)一樣多的傳輸零點(diǎn)數(shù)目，最大限度地提高了濾波器的帶外抑制能力。10高溫超導(dǎo)材

21、料：高溫超導(dǎo)濾波器主要包括放大電路、深度制冷系統(tǒng)、精確控制系統(tǒng)、真空絕熱系統(tǒng)四局部。利用高溫超導(dǎo)薄膜在微波頻段的微波外表電阻極低的特性制作的超導(dǎo)濾波器，具有帶內(nèi)插損極低、邊緣陡峭、矩形系數(shù)接近理想的頻率響應(yīng)特性和抑制帶外干擾非常好的特點(diǎn)。由超導(dǎo)濾波器、低噪聲放大器組成的超導(dǎo)濾波器子系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)(發(fā)射或接收機(jī))可以大大地改善系統(tǒng)性能，在軍事特別是通訊領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。在國外用制冷機(jī)冷卻超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)已用于通訊系統(tǒng)，從而大大地改善了通訊系統(tǒng)質(zhì)量:提高通話質(zhì)量、增加通話容量、增大基站的覆蓋面積、增強(qiáng)基站的抗干擾能力、降低 的發(fā)射功率和減少掉話率等，在現(xiàn)代信息戰(zhàn)武器裝備(如預(yù)警飛機(jī)、雷達(dá)、電子

22、戰(zhàn)設(shè)備、導(dǎo)彈制導(dǎo)部件等)中，用高溫超導(dǎo)濾波器替代普通濾波器，可以大幅度地提高接收機(jī)的靈敏度和選擇性，增強(qiáng)抗干擾能力，提高通信距離和質(zhì)量，加長預(yù)警時間，減小發(fā)射機(jī)功率，提高制導(dǎo)精確度，增加末端制導(dǎo)距離等。應(yīng)用于衛(wèi)星通訊系統(tǒng)可極大地提高空間頻率資源利用率，有效降低衛(wèi)星的有效載荷，為開發(fā)利用空間頻率資源提供了新的徑。高溫超導(dǎo)濾波器由于工作溫度低，需要深度制冷，因此外圍部件較多，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜。微波濾波器在通信、信號處理、雷達(dá)等各種電路系統(tǒng)中具有廣泛用途。隨著移動通信、電子對抗和導(dǎo)航技術(shù)的飛速開展，對新的微波元器件的需求和現(xiàn)有器件性能的改善提出了更高的要求。興旺國家都在利用新材料和新技術(shù)來提高器件性能和集

23、成度，同時，盡可能地降低本錢，減小器件尺寸和降低功耗。與國外相比，我國的微波濾波器的開展還有一定的差距，所以我們應(yīng)掌握微波濾波器的開展方向，努力趕上世界先進(jìn)水平。微帶結(jié)構(gòu)是平面電路，廣泛采用耦合微帶線與變阻抗形式設(shè)計(jì)濾波器，基于Richards 變換與Kuroda 規(guī)那么微帶低通濾波器設(shè)計(jì)和階躍阻抗微帶低通濾波器設(shè)計(jì)是常用的兩種方法。用微帶或帶狀線實(shí)現(xiàn)低通濾波器的一種相對容易的方法是用很高或者很低的傳輸線交替排列的結(jié)構(gòu)。這種濾波器通常稱為階躍阻抗或高Z-低Z濾波器，由于它的結(jié)構(gòu)緊湊且較容易設(shè)計(jì)，因此比擬流行。然而，它的電特性不是很好，故通常應(yīng)用于不需要陡峭截止響應(yīng)的場合。微波濾波器是一類無耗的

24、二端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)、電子對抗及微波測量儀器中，在系統(tǒng)中用來控制信號的頻率響應(yīng)，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有:中心頻率，通帶帶寬，帶內(nèi)插損，帶外抑制，通帶波紋等。本文設(shè)計(jì)截止頻率2.5GHz；4GHz處插入損耗大于20dB；阻抗為50歐微波低通濾波器。1.2階躍阻抗微波低通濾波器現(xiàn)狀 在1937年，由WPMason和RASykes發(fā)表的文章中首先研究了微波濾波器，他們是利用了ABCD參數(shù)推導(dǎo)出了大量有用濾波器相位和衰減函數(shù)。應(yīng)用映像參數(shù)方法在美國各大實(shí)驗(yàn)室中，例如在Mn實(shí)驗(yàn)室里，他們重點(diǎn)研究波導(dǎo)濾波器，而在Ha

25、rvard實(shí)驗(yàn)室重點(diǎn)研究寬帶低通、帶通同軸及窄帶可調(diào)諧濾波器。映像參數(shù)方法的工作大多在MIT實(shí)驗(yàn)室由Fano和Lawson完成，他們的著作對于微波濾波器有比擬清晰的介紹，甚至在40年后還有應(yīng)用價值。在隨后的微波濾波器理論的研究和開展過程中，許多專家和學(xué)者作出了重大的奉獻(xiàn)。Cohn在集總元件低通濾波器原型機(jī)的根底上第一個提出了方便實(shí)用的直接耦合空腔濾波器理論。上世紀(jì)60年代，GLMatthaei在其專著中對微波濾波器的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法作出了較全面、系統(tǒng)的介紹，但主要針對最平坦型和切比雪夫型，未涉及橢圓函數(shù)型和廣義切比雪夫型。70年代初，AEWilliams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低階濾

26、波器。AEAtia，AEWilliams和RWNewcomb對交叉耦合合展開研究，總結(jié)出傳輸零點(diǎn)對稱分布時的偶模網(wǎng)絡(luò)和相應(yīng)的偶模矩陣的綜合方法。Levy建立了集總和分布原型的元件公式間的聯(lián)系，給出了推導(dǎo)原型元件的簡單而準(zhǔn)確的公式；Rhode建立起了線性相位濾波器理論。1999年RichardJCameron把廣義切比雪夫?yàn)V波器的傳輸零點(diǎn)由實(shí)數(shù)擴(kuò)展到復(fù)數(shù)，從而將傳輸零點(diǎn)和時延結(jié)合起來研究，提出用循環(huán)遞歸的方法構(gòu)成廣義切比雪夫的傳輸和反射函數(shù)多項(xiàng)式，根據(jù)導(dǎo)納矩陣和局部分式展開求取留數(shù)，再利用施密特正交變換的方法綜合耦合矩陣，其矩陣綜合和消零計(jì)算量較大。如何將不可實(shí)現(xiàn)或不是最簡的耦合元素消零成為研究

27、熱點(diǎn)，但目前國際上主要采用相似變換(矩陣旋轉(zhuǎn))盡可能多地消去非零元。這一系列奉獻(xiàn)，都可以說是微波濾波器開展史上的重大突破。七十年代初期，我國的老一輩微波專家甘本拔、吳萬春、李嗣范、林為干等，在國外研究成果的根底上，濾波器的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，為我國微波濾波器的研究奠定了良好的根底。近年來，隨著軍事、科研、通信的開展，市場對微波濾波器在性能方面的需求不斷地提升。而在微波濾波器的研究方面又有了新的突破。一些學(xué)者相繼提出了濾波器的綜合方法，并將這些方法應(yīng)用于濾波器的工程設(shè)計(jì)，取得了良好的效果。 2 濾波器的根本原理 濾波器的根底是諧振電路，它是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，對通帶內(nèi)頻率信號呈現(xiàn)匹配的傳

28、輸，對阻帶頻率信號失配而進(jìn)行發(fā)射衰減，從而實(shí)現(xiàn)信號頻譜過濾功能。典型的頻率響應(yīng)包括低通、高通、帶通和帶阻特性，如圖2-1所示。鏡像參量法和插入損耗法是設(shè)計(jì)雞樅元器件濾波器常用的方法。對于微波應(yīng)用，這種設(shè)計(jì)通常必須變更到傳輸線段組成的分布元器件。Richard變換和Kuroda恒等關(guān)系提供了這個手段。 圖2-1 濾波器的頻響曲線2.1二端口射頻網(wǎng)絡(luò)參量 在射頻頻段，電路端口的理想短路或理想開路難以在寬頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)電壓和網(wǎng)絡(luò)電流也多采用入射與反射的方式表示，所以必須使用波的概念來定義能夠以射頻網(wǎng)絡(luò)參量。在射頻頻段，用散射參量S描述網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參量。S參量是在各端口匹配時用入射電壓和反射電壓之間的

29、關(guān)系得到的，散射參量采用入射行波和反射行波的歸一化電壓表征各網(wǎng)絡(luò)端口的相互關(guān)系。二端口網(wǎng)絡(luò) a1 Z01啊Z02a2b1b2圖 2-2 歸一化入射電壓和歸一化反射電壓定義2.1.1歸一化參量 如圖2-2所示，對于二端口網(wǎng)絡(luò)，端口1的歸一化入射電壓和歸一化反射電壓定義為 (2-1) (2-2)端口2的歸一化入射電壓和歸一化反射電壓定義為 (2-3) (2-4)2.1.2散射參量的定義 二端口網(wǎng)絡(luò)中歸一化入射電壓和歸一化反射電壓的關(guān)系用方程表示為 (2-5) 、和為散射參量，由公式2-5可以得出這些參數(shù)的定義如下。 = (2-6)表示端口2接負(fù)載，端口1的電壓反射系數(shù)； = (2-7)表示端口1接

30、負(fù)載，端口2至端口1的反向電壓傳輸系數(shù)； = (2-8)表示端口2接負(fù)載，端口1至端口2的正向電壓傳輸系數(shù)； = (2-9)表示端口1接負(fù)載，端口2的電壓反射系數(shù)； 在濾波器中，通常采用工作衰減來描述濾波器的衰減特性，即 (2-10)公式中，和分別為輸入端匹配負(fù)載時的濾波器輸出功率和負(fù)載吸收的功率。為了描述衰減特性和頻率的相關(guān)性，通常采用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式逼近方法來描濾波器特性，如巴特沃茲(Butterworth)、切比雪夫(Chebyshev)、橢圓函數(shù)型(Ell高斯多項(xiàng)式Gaussian等.表2-1給出了這四種濾波器的根本特性。 表2-1 四種濾波器函數(shù) 濾波器設(shè)計(jì)通常需要由衰減特性綜合出濾波器低

31、通原型，再將原型低通濾波器轉(zhuǎn)換到要求設(shè)計(jì)的低通、高通、帶通濾波器，最后用集總參數(shù)元器件或分布參數(shù)元器件是實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的濾波器。 濾波器低通原型為電感電容網(wǎng)絡(luò)。其中，元器件數(shù)和元器件值只與通帶結(jié)束頻率、衰減和阻帶起始頻率有關(guān)。設(shè)計(jì)都采用表格而不采用發(fā)在的計(jì)算公式。表2-2列出了巴特沃茲濾波器低通原型元器件值。表2-2 巴特沃茲濾波器低通原型元器件值ng1g2g3g4g5g6g7g8g9g1012121.41421.41423121140.76541.84781.84780.7654150.6181.61821.6180.618160.51761.41420.93180.93181.41420.517

32、6170.4450.2471.801921.80191.2470.445180.30021.11111.66291.96161.96161.66291.11110.390290.347311.53211.879421.87941.532110.34731 實(shí)際設(shè)計(jì)中，首先需要確定濾波器的階數(shù)，這通常由濾波器阻帶某一頻率處給定的插入損耗制約。如圖2-3所示為最平坦濾波器原型衰減和歸一化頻率的關(guān)系曲線。 圖2-3 最平坦濾波器原型衰減和歸一化頻率的關(guān)系曲線2.2 微帶線 微帶線是目前射頻電路中使用最廣泛的傳輸線。微帶線是平面型結(jié)構(gòu)，可以用蝕刻電路技術(shù)在印制電路板PCB上制作，容易外接固體射頻器件構(gòu)

33、成各種射頻有源電路，而且可以在一塊介質(zhì)基片上制作完整的電路，實(shí)現(xiàn)射頻部件和系統(tǒng)的集成化、固態(tài)化和小型化。如果導(dǎo)體帶與接地金屬平板之間由一種介質(zhì)包圍，那么微帶線可以傳輸TEM波。但是，微帶線導(dǎo)體帶周圍有兩種媒質(zhì)，導(dǎo)體帶上面為空氣、下面為介質(zhì)，存在著介質(zhì)、空氣分界面。微帶線中不可能傳輸TEM波，而是傳輸準(zhǔn)TEM波。2.2.1 微帶線的有效介電常數(shù)和特性阻抗 微帶線有效介電常數(shù)的含義如圖2-4所示。如果將導(dǎo)體下面的截至基片去掉，那么成為圖2-4a所示的全部填充空氣的微帶線；如果導(dǎo)體上方也填充和介質(zhì)基片同樣的介質(zhì)，那么成為圖2-4b所示的全部填充介電常數(shù)的微帶線；圖2-4c是真實(shí)微帶線的結(jié)構(gòu)圖；圖2-

34、4d為全部填充介電常數(shù)的微帶線，稱為有效相對介電單常數(shù)。 圖2-4 微帶線有效介電常熟示意圖 根據(jù)以上分析，可以定義一種全部填充等效介質(zhì)的微帶線，如圖2-4d所示，等效介質(zhì)的有效相對介電常數(shù)。這種等效的微帶線和圖2-4c所示的真是微帶線具有相同的相速度和特性阻抗，其等效關(guān)系由有效相對介電常120dB，股最大平坦濾波器級數(shù)n=6。 根據(jù)表2-2低通濾波器原型值：g1=0.5176，g2=1.4142，g3=0.9318，g4=0.9318，g5=1.4142，g6=0.5176。該低通原型電路如圖3-8所示。 圖 3-8濾波器低通原型電路3.2.1濾波器原理圖設(shè)計(jì) 1.設(shè)計(jì)原理圖 翻開ADS20

35、21，創(chuàng)立工程，選擇“Tline-Microstrip元器件面板列表，并選擇8個微帶添加到原理圖中，并將它們按照根據(jù)公式(2-25)和2-26計(jì)算微帶線的電長度，以及根據(jù)公式2-11和2-12按圖3-9所示的方式連接起來。 圖3-9 濾波器原理圖 這樣就完成了濾波器原理圖的根本結(jié)構(gòu)，為了到達(dá)設(shè)計(jì)的性能，還需要對濾波器中的微帶線的電氣參數(shù)和尺寸進(jìn)行設(shè)置。2.電路參數(shù)設(shè)置 將“Tline-Microstrip元器件面板中選擇微帶參數(shù)設(shè)置空間添加到原理圖中，設(shè)置基片參數(shù)如圖3-10所示。 圖3-10MSUB控件參數(shù) 圖 3-11 微帶線計(jì)算工具窗口 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中翻開LineCale工具，設(shè)置介

36、質(zhì)基片參數(shù)和元器件參數(shù)如圖3-11所示。得到的各濾波器節(jié)的參數(shù)結(jié)果見表3-1。 表3-1 各支節(jié)的寬度和長度節(jié)數(shù)giZi=Zl或Zh()li(度)WimmLi(mm)1150903.08716.6920.5172011.811.32.0531.41412033.80.4286.6341.9322044.311.37.6951.93212046.10.4289.0461.4142032.411.35.6370.51712012.30.4282.418150903.08716.69 微帶線的長L、寬W是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此需要用變量代替，便于后面的修改和優(yōu)化。8段微帶線參數(shù)按照圖3-1

37、2所示進(jìn)行設(shè)置。 圖 3-12 完成參數(shù)設(shè)置的電路原理圖 因?yàn)镸LIN的長度和寬度都是變量，所以需要在原理圖中添加VAR變量控件。按照圖3-11設(shè)計(jì)參數(shù)。此時，一個完整的微帶低通濾波器的電路就形成了，如圖3-13所示。 圖3-12完成設(shè)置的變量控件 圖 3-13 完成電路參數(shù)設(shè)置的原理圖3.2.2 仿真參數(shù)設(shè)置和原理圖仿真1. 仿真參數(shù)設(shè)置 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真元器件面板“Simulation-S-Param，并選擇終端負(fù)載Term放置在濾波器的兩個端口上。在原理圖中插入地，設(shè)置S參數(shù)仿真控制器參數(shù)：Start=0GHz;Stop=5GHz;Step=0.01GHz.設(shè)置好的電路如

38、圖3-14所示。 圖3-14 完成S參數(shù)仿真設(shè)置原理圖窗口2. 原理圖仿真 完成濾波器原理圖和仿真設(shè)置后，就可以進(jìn)行濾波器仿真并查看結(jié)果了。 執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。在數(shù)據(jù)顯示窗口添加S21參數(shù)的矩形圖，并在途中插入一個標(biāo)記，如圖3-15所示。在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加S11參數(shù)的矩形圖，插入一個標(biāo)記，如圖3-16所示。 圖3-15 濾波器的S21參數(shù)曲線 圖 3-16 濾波器的S11參數(shù)曲線3.2.3 濾波器電路參數(shù)優(yōu)化 由于濾波器的參數(shù)并未到達(dá)指標(biāo)要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)，使之到達(dá)設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下： 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇優(yōu)化面板列表“Optim/Stat/Yield/D

39、OE，在列表中選擇優(yōu)化控件添加到原理圖中，翻開優(yōu)化控件設(shè)置對話框，如圖3-17所示，設(shè)置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù)。將優(yōu)化控件中的“Number of iterations設(shè)置為500。設(shè)置完成的控件如圖3-18所示。 圖 3-17 優(yōu)化控件設(shè)置對話框 圖 3-18 完成設(shè)置的優(yōu)化控件 在優(yōu)化面板“Optim/Stat/Yield/DOE中選擇優(yōu)化目標(biāo)控件放置在原理圖中，翻開優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置對話框設(shè)置其參數(shù)，如圖3-19所示。 圖3-19優(yōu)化目標(biāo)設(shè)置窗口 當(dāng)“CurrentEF表示與優(yōu)化目標(biāo)的偏差，數(shù)值越小表示越接近優(yōu)化目標(biāo)。優(yōu)化結(jié)束后會翻開數(shù)據(jù)顯示窗口，在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加S21，如圖3-20所示。從圖

40、中可以看出，濾波器在通帶內(nèi)02.5GHz衰減為0.856dB、阻帶衰減為18.331dB滿足設(shè)計(jì)要求。然后在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加S11參數(shù)，如圖3-21所示。從圖中可以看出，濾波器的S11參數(shù)也滿足設(shè)計(jì)要求。 圖3-20 S21參數(shù)曲線 圖3-21 S11參數(shù)曲線 當(dāng)優(yōu)化值到達(dá)設(shè)計(jì)要求目標(biāo)時，執(zhí)行菜單命simulateupdateoptimization value將優(yōu)化值更新到原理圖值；否那么優(yōu)化后的結(jié)果將不再保存。如果一次優(yōu)化不能滿足設(shè)計(jì)要求，可根據(jù)情況對優(yōu)化目標(biāo)、優(yōu)化變量的取值范圍、優(yōu)化方法及次數(shù)等參量進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，已到達(dá)滿意的結(jié)果。 3.2.4微帶濾波器幅員生成與仿真 原理圖的仿真是在

41、完全理想的狀態(tài)下進(jìn)行的，而實(shí)際電路板的制作往往和理論有較大的差距，這就需要考慮干擾、耦合等因素的影響。一次需要在ADS中進(jìn)一步對幅員仿真。1幅員生成 ADS幅員采用矩量法Mom進(jìn)行電磁仿真，其仿真結(jié)果比在原理圖中仿真更為準(zhǔn)確。實(shí)際電路的性能可能會與原理圖仿真結(jié)果有一定的差異，因此，需要在ADS中進(jìn)行幅員仿真后才能制作實(shí)際的電路板。由原理圖生成的幅員，需要把原理圖中的兩個Term及接地失效，然后執(zhí)行菜單命令LayoutGenerate/Update layout，即可生成如圖3-22所示的幅員。 圖3-22 微帶低通濾波器的幅員設(shè)計(jì)2調(diào)節(jié)參數(shù)可得仿真結(jié)果 圖 3-23仿真結(jié)果 從仿真結(jié)果可以看出

42、，截止頻率=2.5GHZ，在=4GHZ處插入損耗大于20dB，具有最平坦響應(yīng)。觀察濾波器的相頻特性，從圖中可以看出，濾波器在通帶內(nèi)相位與頻率進(jìn)本成線性關(guān)系，滿足設(shè)計(jì)要求。3 結(jié)論：本節(jié)利用微帶線設(shè)計(jì)階躍阻抗低通濾波器的方法，并以一個六階巴特沃茲微帶低通濾波器設(shè)計(jì)為例，此濾波器幅員仿真結(jié)果說明截止頻率2.5GHZ，在4GHz處的插入損耗為26.61dB均到達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。這種電路結(jié)構(gòu)緊湊，方法簡單可行，因此比擬流行.3.3波紋為0.5dB切比雪夫階躍阻抗微波低通濾波器設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：l 濾波器響應(yīng)為低通濾波器l 濾波器的通帶頻率范圍為0GHz2.5GHzl 通帶內(nèi)衰減小于0.5dBl 在=4G

43、Hz處的插入損耗必須大于20dBl 系統(tǒng)阻抗為50，微帶線特性阻抗最大阻值120，最小阻抗203.3.1低通濾波器原型設(shè)計(jì)先計(jì)算： 圖3-24切比雪夫?yàn)V波器衰減隨頻率變化的對應(yīng)關(guān)系 從3-24可以看出，對于n=4的曲線，當(dāng)時，LA20dB故切比雪夫?yàn)V波器的級數(shù)n=4。 表3-2 等波紋低通濾波器原型的元件取值g0=1，N=110，0.5dB波紋Ng1g2g3g4g5g6g7g8g9g10g1110.69861.000021.40290.70711.984131.59631.09671.59631.000041.67031.19262.36610.84191.984151.70581.22962

44、.54081.22961.70581.00006s1.72541.24792.60641.31372.47580.86961.9841 從表3-2列出切比雪夫低通濾波器原型元件值為：g1=1.6703，g2=1.1926，g3=2.3661，g4=0.8419，g5=1.9841。3.3.1 濾波器原理圖設(shè)計(jì)1. 設(shè)計(jì)原理圖 翻開ADS2021，創(chuàng)立工程，選擇“Tline-Microstrip元器件面板列表，根據(jù)公式(2-25)和2-26計(jì)算微帶線的電長度，以及根據(jù)公式2-11和2-12計(jì)算連接微帶線如圖3-25所示。圖3-25濾波器原理圖 這樣就完成了濾波器原理圖的根本結(jié)構(gòu)，為了到達(dá)設(shè)計(jì)的性

45、能，還需要對濾波器中的微帶線的電氣參數(shù)和尺寸進(jìn)行設(shè)置。2.電路參數(shù)設(shè)置 將“Tline-Microstrip元器件面板中選擇微帶參數(shù)設(shè)置空間添加到原理圖中，設(shè)置基片參數(shù)如圖3-26所示。 圖3-26 MSUB控件參數(shù) 圖 3-27微帶線計(jì)算工具窗口在原理圖設(shè)計(jì)窗口中翻開LineCale工具，設(shè)置介質(zhì)基片參數(shù)和元器件參數(shù)如圖3-26所示。得到的各濾波器節(jié)的參數(shù)結(jié)果見表3-3。 表3-3 各支節(jié)的寬度和長度節(jié)數(shù)giZh或Zll(度)Wmml(mm)11.6702038.2811.306.6521.19312028.470.3865.8432.3662054.2311.309.440.8421202

46、0.100.3864.651.9842045.4711.307.9 微帶線的長L、寬W是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此需要用變量代替，便于后面的修改和優(yōu)化。因?yàn)镸LIN的長度和寬度都是變量，所以需要在原理圖中添加VAR變量控件。按照圖3-28設(shè)計(jì)參數(shù)。圖3-28 完成設(shè)置的變量控件 3-29 完成電路參數(shù)設(shè)置的原理圖 此時，一個完整的微帶低通濾波器的電路就形成了，如圖3-29所示。3.3.2仿真參數(shù)設(shè)置和原理圖仿真1.仿真參數(shù)設(shè)置 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇S參數(shù)仿真元器件面板“Simulation-S-Param，并選擇終端負(fù)載Term放置在濾波器的兩個端口上。在原理圖中插入地，設(shè)置S參數(shù)仿真

47、控制器參數(shù)：Start=0GHz;Stop=5GHz;Step=0.01GHz.設(shè)置好的電路如圖3-30所示。 圖3-30 完成S參數(shù)仿真設(shè)置原理圖窗口2.原理圖仿真 完成濾波器原理圖和仿真設(shè)置后，就可以進(jìn)行濾波器仿真并查看結(jié)果了。 執(zhí)行仿真，并等待仿真結(jié)束。在數(shù)據(jù)顯示窗口添加S21參數(shù)的矩形圖，并在途中插入一個標(biāo)記，如圖3-31所示。在數(shù)據(jù)顯示窗口中添加S11參數(shù)的矩形圖，插入一個標(biāo)記，如圖3-32所示。圖3-31 濾波器的S21參數(shù)曲線 圖 3-32 濾波器的S11參數(shù)曲線3.3.3濾波器電路參數(shù)優(yōu)化 由于濾波器的參數(shù)并未到達(dá)指標(biāo)要求，因此需要優(yōu)化電路參數(shù)，使之到達(dá)設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化電路參數(shù)的具體步驟如下： 在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇優(yōu)化面板列表“Optim/Stat/Yield/DOE，在列表中選擇優(yōu)化控件添加到原理圖中，翻開優(yōu)化控件設(shè)置對話框，如圖3-33所示，設(shè)置優(yōu)化方法和優(yōu)化次數(shù)。將優(yōu)化控件中的“Number of iterations設(shè)置為500。設(shè)置完成的控件如圖3-34所示。 圖 3-33 優(yōu)化控件設(shè)