微帶耦合線帶通濾波器的綜合設(shè)計(jì)

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(shè)計(jì)濾波器的功能是用來分隔頻率，即通過需要的頻率信號(hào)，抑制不需要的頻率信號(hào)。目前廣泛采用原型濾波器設(shè)計(jì)法，所謂原型濾波器設(shè)計(jì)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(yīng)的器件將其實(shí)現(xiàn)。該方法應(yīng)用了綜合設(shè)計(jì)，并且設(shè)計(jì)過程規(guī)范，再結(jié)合微波CAD軟件進(jìn)行模擬，能克服理論分析精度低的缺點(diǎn)，并使設(shè)計(jì)周期縮短、設(shè)計(jì)成本降低。下面首先簡(jiǎn)略介紹帶通濾波器的理論分析并得出計(jì)算公式，然后以一個(gè)帶通濾波器為例子介紹結(jié)合微波CAD軟件進(jìn)行帶通濾波器設(shè)計(jì)的整個(gè)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(duì)應(yīng)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(jìn)行綜合設(shè)計(jì)，就需要求出工作衰減L與電路各元件值的關(guān)系。n個(gè)L、C元件構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)，如圖1，R0和Rn+1分別代表電源內(nèi)阻和負(fù)載電阻，工作衰減L為: （1.1）a d是低通網(wǎng)絡(luò)a矩陣的四個(gè)參數(shù)，給定n的L、C低通網(wǎng)絡(luò)的a矩陣等于相應(yīng)n個(gè)L、C的a矩陣相乘。單獨(dú)的串聯(lián)L、并聯(lián)C的a矩陣分別為： 和 （1.2）計(jì)算表明，工作衰減L（dB）可以表達(dá)為1加上的2n次的一個(gè)偶次多項(xiàng)式： （1.3）例如時(shí)， （1.4）時(shí)，衰減為零，增加時(shí)，L增大，因而有低通特性。如果選

3、取適當(dāng)?shù)暮瘮?shù)做為濾波器的指標(biāo)，則通過公式1.3可以求出各元件的值。例如時(shí)設(shè)，則，并假定時(shí)，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(yīng)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(shí)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(shí)現(xiàn)，所以常被采用。n代表元件的個(gè)數(shù)，n越大，濾波器性能越好，但網(wǎng)絡(luò)就越復(fù)雜；根據(jù)和，及和通過查表可以確定最小的 n，然后可計(jì)算各個(gè)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(biāo)的描述： 、為通帶截止頻率，對(duì)應(yīng)衰減，、為阻帶截止頻率對(duì)應(yīng)衰減，為通帶中心頻率，為相對(duì)帶寬。低通濾波器的衰減是一個(gè)偶函數(shù)，考慮小于零時(shí)，低通濾波器可以看成是由到，為中心頻率的帶通濾波器，當(dāng)然是沒有負(fù)頻率的，但從中可以看出低通與帶通存在著聯(lián)系，其對(duì)應(yīng)關(guān)系如下：、及對(duì)應(yīng)、及；、及對(duì)應(yīng)、及；對(duì)應(yīng)。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(yùn)用等衰減條件，對(duì)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(gè)元件的值。三、 帶通濾波器的微帶實(shí)現(xiàn)微帶電路通過K、J變換器能實(shí)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(dāng)終端接負(fù)載甚小于特性阻抗時(shí)，則線的作用相當(dāng)于和一個(gè)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(gè)J變換器和接在兩邊的兩段電長度為、特性導(dǎo)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(jí)連后，形成J變換器和長度為傳輸線諧振電路的級(jí)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(jì)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(gè)設(shè)計(jì)過程總結(jié)如下：（1）、根據(jù)濾波器的指標(biāo)要求，查表確定濾波器節(jié)數(shù)n（一般微波書都有），（2）、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(jì)算奇偶模阻抗，（3）、根據(jù)、就可以計(jì)算出微帶濾波器的尺寸，完成微帶濾波器的設(shè)計(jì)。四、 例子濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)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

7、率、為4500 MHz和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(jì)算g為：，計(jì)算：（），計(jì)算、：（選主線阻抗），以上計(jì)算均按公式用計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，這樣能大大提高計(jì)算速度和精度。用Ansoft公司serenade軟件中的工具軟件TRL，根據(jù)、對(duì)耦合線進(jìn)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(gè)問題需要特別注意，在設(shè)計(jì)耦合濾波器時(shí)往往會(huì)遇到縫隙S很小的情況，這樣光刻誤差的影響要變大，有時(shí)S甚至小到工藝很難加工

8、，這種情況應(yīng)該避免，用阻抗變換的方法能部分解決這個(gè)問題，方法如下供參考：事實(shí)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(dāng)?shù)目梢允筍變大，如= 時(shí)重新計(jì)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(yīng)，p要減去大約0.33h，按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)此時(shí)就要下圖生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)件，然后根據(jù)實(shí)驗(yàn)件的實(shí)測(cè)對(duì)尺寸進(jìn)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(yàn)才能成功

9、，造成設(shè)計(jì)周期長，成本高，現(xiàn)在可以用微波CAD進(jìn)行模擬完成尺寸調(diào)整，用serenade進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖6：圖6 濾波器頻率響應(yīng)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(dāng)調(diào)整p和S后頻率響應(yīng)如圖7：圖7 調(diào)整后的濾波器頻率響應(yīng)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(shí)際投產(chǎn)的版圖實(shí)測(cè)曲線如圖9:圖9濾波器實(shí)測(cè)頻率響應(yīng)曲線圖指標(biāo)為:帶內(nèi)最小衰減1.07dB頻率(GHz)4.745.056.026.45對(duì)應(yīng)衰減(dB)29.983.473.1229.99濾波器實(shí)測(cè)指標(biāo)是滿足并高于原設(shè)計(jì)要求的。從上面設(shè)計(jì)過程中能夠看出，按以上總結(jié)的公式編程計(jì)算并結(jié)合計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以大大加快設(shè)計(jì)進(jìn)程，減少