《微波电路工程与实践—平行耦合线带通滤波器设计

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1、《微波电路工程与实践》（课程代号：2452120）·RIEST《微波电路工程与实践》（课程代号：2452120）之平行耦合微带线带通滤波器设计一、滤波器原理如图所示的双端口网络,设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。图1滤波器的等效网络通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：PinL=10lgdBAPL其中Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率，下图为四种常见滤波器的函数曲线。低通带通带阻高通图2四种

2、滤波器函数曲线1.1滤波器的技术指标（1）工作频率：滤波器的工作频率范围《微波电路工程与实践》（课程代号：2452120）·RIEST（2）插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗（3）带内纹波：插入损耗的波动范围（4）带外抑制:滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。1.2滤波器的设计的经典方法低通原型综合法步骤：（1）由衰减特性综合出低通原型（2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型（3）计算滤波器电路元件值（4）微波结构实现电路元件，并用微波仿真软件进行优化仿真。滤波器低通原型为电感电容网络，其中元件数和元件值只与通带结束频

3、率、衰减和阻带起始频率、衰减有关。设计中都采用查表而不用繁杂的计算公式。图3两种低通原型的等效网络低通原型滤波器梯形电路结构如图3所示，图中gi(i=1…n)为串联电感或并联电容值，（a）中，g0为信号源的内电导G0，而在图（b）中，g0为信号源的内电阻R0，而对于gn+1，当最后一个元件是并联电容时，gn+1为负载电阻值;当最后一个元件是串联电感时gn+1为负载电导值。滤波器的低通原型函数有巴特沃兹、切比雪夫、椭圆函数等等，其中巴特沃兹型又称为最平坦低通滤波器原型，其设计简单，插入损耗小，适合用于设计窄带滤波器。《微波电路工程与实践》

4、（课程代号：2452120）·RIEST图4巴特沃兹滤波器低通原型的元件值对于一个巴特沃兹型滤波器，已知带边衰减为3dB处的归一化频率Ωc=1、截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs,则元件数n由下式给出：1.0lg(10L−)1ASn≥2lgΩs确定了滤波器阶数后，由低通原型滤波器经过频率变换,就可得到低通、高通、带通、带阻四种滤波器，归一化频率Ω到实际频率ω的映射关系式为ΩSω0⎛ωω0⎞Ω=⎜−⎟⎜⎟ω−ωωωHL⎝0⎠其中心频率计算公式：ω=ωω0HL其相对带宽BW为：ω−ωHLBW=ω0它的变换式可得如下：Ω⎛ωω⎞S0Ω=⎜−⎟

5、⎜⎟BWωω⎝0⎠等效低通原型元件转化带通元件所以通过频率变换，就可以设计出集总参数的带通滤波器，上图中的变换关系为：ΩC1ΩC1LS=⋅g,CS=2,Cp=⋅g,Lp=2BWωLBWωC0S0p除了以上的频率变换外，还必须注意此时源阻抗和负载阻抗均为1，所以要彻底将归一化元器件参数变成实际值时，就必须在上面频率变换的基础上对所有阻抗表达式做比例变换。将实际电阻R倍乘滤波器元件参数。即：g《微波电路工程与实践》（课程代号：2452120）·RIESTCL=LR,C=gRg1.3耦合线式滤波器耦合微带线的横截面如图5所示：图5在微带带通滤

6、波器中，也经常用半波长平行耦合谐振电路来级联形成带通滤波器。其滤波器的结构形式可参考下面生成的版图，此种滤波器的结构形式使相邻的半波长谐振单元彼此平行排列，其耦合值的大小通过相邻平行耦合线间的距离来决定。ܼ଴௘ሺ1ሻܼ଴௢ሺ1ሻܼ଴௘ሺ݅ሻܼ଴௢ሺ݅ሻܼ଴௘ሺ2ሻܼ଴௢ሺ2ሻ图6N级联耦合微带线带通滤波器第i节平行耦合线的奇偶模可由下式求出：ܼሺ݅ሻൌܼሾ1൅ܬܼ൅ሺܬܼሻଶሿ଴௘଴௜଴௜଴ܼሺ݅ൌܼሻሾ1െܬܼ൅ሺܬܼሻଶሿ଴ை଴௜଴௜଴其中：ߨ߂ܼ଴ܬଵൌඨ2݃ଵߨ߂ܼ଴ܬ௡ൌ݊ൌ2,3…..N2ඥ݃௡ିଵ݃௡《微波电路工程与实践》

7、（课程代号：2452120）·RIESTߨ߂ܼ଴ܬேାଵൌඨ2݃ே݃ேାଵ以上式中为低通原型滤波器归一化值，其值的确定由上一节理论知识获得。其中Δ是带通滤波器的相对带宽，J是J变换的特性导纳。,ii+1下图为介质基板介电常数为10的耦合微带线设计数据，求出了奇偶模后，可以通过查找下图，得到实际平行耦合微带线的尺寸。图7耦合微带线奇偶模特性阻抗可以看出，每一个微带尺寸就相应对着一对奇偶模阻抗。但是，此图只针对特定介电常数的介质基板，对于一般的基板材料来说，知道了奇偶模阻抗，可以通过ADS仿真软件中的LINCALE工具来计算出耦合线的实际尺

8、寸。例：设计一款三阶巴特沃兹型耦合线带通放大器，中心频率2.0GHz，相对带宽为10%，Z0=50Ω,介质基板介电常数为2.2，厚度0.5mm。《微波电路工程与实践》（课程代号：2452120）·RIEST