微波濾波器的設(shè)計(jì)與仿真畢設(shè)論文

1、目錄摘要2前言2一、微波概論31.微波 32.微波的特點(diǎn)和應(yīng)用 42.1 微波波長(zhǎng)段易于實(shí)現(xiàn)定向輻射 4 2.2 頻率高、頻帶寬、信號(hào)容量大 5 2.3 視距傳播能穿透電離層 52.4 微波的熱效應(yīng)和微波能的應(yīng)用 6二、 濾波器原理 61.濾波器的基本概念6 2. 濾波器設(shè)計(jì)的兩種出發(fā)點(diǎn) 10 3.濾波器原型 113.1 最平坦低通原型濾波器113.2 切比雪夫低通原型濾波器 12 3.3 橢圓函數(shù)低通原型 13三、 微波傳輸線 141.微波傳輸線 14 2.微帶線 14 2.1微帶傳輸線的構(gòu)成142.2微帶線的特性阻抗153.微帶線的特點(diǎn)與應(yīng)用 18四、直接耦合短截線帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真1

2、91.兩種短截線濾波器 192.設(shè)計(jì)步驟 213.仿真運(yùn)行與優(yōu)化 24五、總結(jié) 28六、參考文獻(xiàn) 29摘要 本文對(duì)微波理論及微波濾波器作了詳細(xì)的介紹。其中有微波技術(shù)的發(fā)展以及濾波器的分類、特點(diǎn)和應(yīng)用。直接耦合短截線帶通濾波器設(shè)計(jì)方法和參數(shù)計(jì)算，并對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行仿真驗(yàn)證。經(jīng)過(guò)仿真符合設(shè)計(jì)要求，表明此設(shè)計(jì)方案正確。關(guān)鍵詞 ： 微波帶通濾波器 直接耦合短截線帶通濾波器 HFSS軟件仿真Microwave tape the clear design of wave filterAbstract This paper for microwave theoretical and microwave wav

3、e filter have made detailed introduction. In which, there are the development of microwave technology as well as the classfication of wave filter , characteristic and application. Parallel couple line microwave tape the clear design method and parameter calculation of wave filter, and verify as calc

4、ulating result to carry out emulation. Through emulating , accord with design requirement, it is correct to show this design scheme. Keyword : Microwave tape clear wave filter HFSSmulate前 言 當(dāng)今信息社會(huì)的發(fā)展依賴于通信技術(shù)的發(fā)展，而基于多媒體的全球個(gè)人通信系統(tǒng)中的無(wú)線通信將得到更大的發(fā)展。作為關(guān)鍵射頻器件的濾波器的作用越來(lái)越重要，對(duì)性能的要求也越來(lái)越高。濾波器是無(wú)線電技術(shù)中許多設(shè)計(jì)問(wèn)題的中心，可利用它們來(lái)分

5、開(kāi)或組合不同的頻率，如在變頻器、倍頻器以及多路通信中。電磁波頻譜是有限的，且須按應(yīng)用加以分配；而濾波器既可用來(lái)限定大功率發(fā)射機(jī)在規(guī)定頻帶內(nèi)輻射，反過(guò)來(lái)又可以用來(lái)防止接收機(jī)受到工作頻帶以外的干擾。在阻抗匹配中也有象濾波器的網(wǎng)絡(luò)，如在兩個(gè)不同特性阻抗的傳輸線之間，或在有內(nèi)阻的發(fā)生器于電抗負(fù)載（如參量放大器中的二極管）之間。有時(shí)需要得到一定的相位（或時(shí)延）特性，如脈沖壓縮或展寬，或補(bǔ)償其他的濾波器或色散結(jié)構(gòu)（如一般波導(dǎo)）所產(chǎn)生的相位失真等，也需要濾波器。 此論文從微波的基礎(chǔ)知識(shí)入手，逐漸擴(kuò)展到微波濾波器的一些設(shè)計(jì)方法。其中主要介紹了微波的一些基礎(chǔ)概念以及微波的應(yīng)用，濾波器分類和設(shè)計(jì)原理，微帶線理論、

6、分類及應(yīng)用以及微波帶通濾波器參數(shù)的計(jì)算和軟件設(shè)計(jì)及仿真。最后對(duì)這次設(shè)計(jì)的一個(gè)總結(jié)。 由于學(xué)習(xí)能力有限，在設(shè)計(jì)過(guò)程中難免出現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，還請(qǐng)諒解，希望能給一些好的指導(dǎo)，十分感謝！一、微波概論1. 微波 微波是電磁波譜中介于普通無(wú)線電波（長(zhǎng)波，中波，短波，超短波）與紅外線之間的波段。它是屬于無(wú)線電波中波長(zhǎng)最短，即頻率最高的波段。 微波和普通無(wú)線電波、可見(jiàn)的和不可見(jiàn)的光波、射線、射線一樣，本質(zhì)上都是隨時(shí)間和空間變化呈波動(dòng)狀態(tài)的電磁場(chǎng)即電磁波。盡管它們的表現(xiàn)各不相同，例如，可見(jiàn)光可以被人眼所感覺(jué)而其它波段則不能；射線和射線具有穿透導(dǎo)體的能力而其它波段則不具有這種能力；無(wú)線電波可以穿透濃厚的云霧而光波則

7、不能等等，但他們都是電磁波。之所以出現(xiàn)這么多不同表現(xiàn)歸根結(jié)底是因?yàn)樗鼈兊念l率不同波長(zhǎng)不同。 微波波段區(qū)別于其它波段的主要特點(diǎn)是其波長(zhǎng)可同常用電路或元件的尺寸相比擬，即為分米、厘米、毫米量級(jí)。其它多波段都不具有這個(gè)特點(diǎn)。普通無(wú)線電波的波長(zhǎng)大于或遠(yuǎn)大于電路或元件的尺寸，電路或元件內(nèi)部的波過(guò)程可忽略不計(jì)，因此可用路的方法進(jìn)行研究。光波、射線、射線的波長(zhǎng)則遠(yuǎn)小于常用元件的尺寸，甚至可以同分子和原子的尺寸相比擬，因此根本不可能用電磁的方法或普通電子學(xué)的方法來(lái)產(chǎn)生和研究它們，它們是同分子、原子或核的行為相聯(lián)系的。 由于微波的波長(zhǎng)可以同元件或電路相比擬，因此電磁波在電路內(nèi)甚至元件內(nèi)的傳播時(shí)間就不再是微不足道

8、的，我們?cè)谄胀o(wú)線電電子技術(shù)中的集總參數(shù)的概念和方法就不那么有效了。在頻率較低的電路中，我們往往可以區(qū)分出電路的某一部分是電容，另一部分是電感或電阻，而連接它們的導(dǎo)線則既沒(méi)有電容、電感，也沒(méi)有電阻，這就構(gòu)成集總參數(shù)電路。但是到了微波波段，元件中的電場(chǎng)與磁場(chǎng)已構(gòu)成了一個(gè)整體交變電磁場(chǎng)或電磁波，使用的元件成為傳輸線、波導(dǎo)、諧振腔等，因此，集總參數(shù)電路的方法就失效了。在微波領(lǐng)域中以麥克斯韋方程為基礎(chǔ)的宏觀電磁理論得到了最充分最成功的運(yùn)用。當(dāng)進(jìn)一步過(guò)度到亞毫米波、紅外線以至可見(jiàn)光或頻率更高的電磁波譜時(shí)，由于波長(zhǎng)逐漸同分子或原子的尺寸相比擬，宏觀電磁理論又不是那么有效了，不那么完善，這時(shí)就必須運(yùn)用量子理

9、論的方法。當(dāng)然，以上的劃分不是絕對(duì)的，例如，在研究普通無(wú)線電波的輻射和傳播問(wèn)題時(shí)必須舍棄路的方法而采用場(chǎng)的方法；在研究原子或分子精細(xì)能級(jí)結(jié)構(gòu)的微波發(fā)射與吸收時(shí)必須舍棄宏觀的方法而采用量子的方法。但是，在研究光學(xué)的某些問(wèn)題如反射、折射、衍射等時(shí)宏觀的方法也是行之有效的?？傊⒉úǘ蔚姆秶怯伤鶓?yīng)用的獨(dú)特的元件、技術(shù)和研究方法所決定的。精確的劃分出微波波段的范圍是沒(méi)有什么實(shí)際意義的。只能說(shuō)波長(zhǎng)從幾米的量級(jí)到十分之幾毫米的量級(jí)屬于微波波段，通常把波長(zhǎng)一米到一毫米（即頻率300M至300GHz）之間的波段稱為微波，波長(zhǎng)從1毫米到0.01毫米的亞毫米波段是微波與紅外的過(guò)度波段，有時(shí)把其中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的部分

10、歸入微波領(lǐng)域。2 .微波的特點(diǎn)和應(yīng)用 自20世紀(jì)初無(wú)線電技術(shù)發(fā)展以來(lái)，使用的波段不斷擴(kuò)展。從最初使用的長(zhǎng)波和中波一直擴(kuò)展到超長(zhǎng)波，另一方面尤為迅速地向短波方向擴(kuò)展，經(jīng)過(guò)短波、超短波，在20世紀(jì)40到50年代擴(kuò)展到分米波和厘米波，在20世紀(jì)60到70年代又?jǐn)U展到毫米波和亞毫米波?，F(xiàn)在無(wú)線電波和光波之間不已不存在空白。 微波波段研究的進(jìn)展是由實(shí)際需要推動(dòng)的，而微波的實(shí)際運(yùn)用則是同微波的特點(diǎn)密切相關(guān)的。微波具有如下四個(gè)重要特點(diǎn)：2.1 微波波長(zhǎng)段易于實(shí)現(xiàn)定向輻射 早在無(wú)線電發(fā)展初期，人們?cè)趯?shí)踐中就認(rèn)識(shí)到可以利用無(wú)線電波的反射測(cè)定目標(biāo)物的位置，這就是雷達(dá)的原理。為了精確的，則必須讓無(wú)線電波定向發(fā)射，也

11、就是聚成一個(gè)窄束，不這樣就無(wú)法判斷反射波究竟是從哪個(gè)方向反射回來(lái)的。 事實(shí)上在微波歷史發(fā)展初期（20世紀(jì)40年代），微波技術(shù)幾乎是與雷達(dá)一起發(fā)展起來(lái)的?，F(xiàn)在雷達(dá)的種類和用途已是多種多樣，如遠(yuǎn)程或超遠(yuǎn)程警戒雷達(dá)、炮火控制和瞄準(zhǔn)雷達(dá)，火箭或航天器的制導(dǎo)及軌道警戒雷達(dá)、導(dǎo)航雷達(dá)、氣象雷達(dá)、汽車(chē)防撞雷達(dá)等等。它們所使用的幾乎無(wú)例外地是微波波段。微波易于實(shí)現(xiàn)定向輻射的特點(diǎn)還有助于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信及定向廣播?，F(xiàn)代多路通信、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星電視廣播等都使用微波波段。2.2 頻率高、頻帶寬、信號(hào)容量大 任何通信系統(tǒng)為了傳遞一定的信息必須占有一定的頻帶，純粹的單頻正弦波并不攜帶任何信息。為傳遞某種信息必須的頻帶寬度叫信

12、道。例如，人耳所能聽(tīng)到的聲音頻帶范圍大約是在20至20000Hz，但為了能聽(tīng)懂對(duì)方的語(yǔ)言，大約只需傳輸300至3400Hz這一段頻率的信號(hào)就夠了，也就是說(shuō)，一個(gè)語(yǔ)言信道至少要有3000Hz的頻帶，普通電話就是這樣設(shè)計(jì)的。因此電話可以聽(tīng)懂但不悅耳，也就是不夠逼真。為了相當(dāng)逼真地傳送語(yǔ)言和音樂(lè)，則需要占6至15KHz的頻帶，這就是廣播所要求的頻帶。為了傳送電視圖象，則需要更寬的頻帶，對(duì)于我國(guó)的電視制式，一路黑白的或彩色的電視加上伴音要占據(jù)8MHz的頻帶。 為了避免相互干擾，一個(gè)地區(qū)或一條線路上各個(gè)信道所占的頻帶必須錯(cuò)開(kāi)，因此在一定頻段內(nèi)所能容納的信道是有限的。即使采用數(shù)字通信，線路的信息容量仍然取

13、決于線路的頻帶寬度。 根據(jù)目前的技術(shù)水平，一條通信線路一般只有不超過(guò)百分之幾的相對(duì)帶寬。所以，為了把許多路電視、電話 或電報(bào)同時(shí)在一條線路上傳送，就必須使信道容量，現(xiàn)代多路通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾乎無(wú)例外地工作在微波波段。2.3 視距傳播能穿透電離層 各波段的無(wú)線電波傳播特性是不一樣的，長(zhǎng)波可以沿著地球的彎曲表面?zhèn)鞑サ胶苓h(yuǎn)，這種傳播方式叫地波。從中波過(guò)渡到短波，地波的衰減逐漸增大，傳播距離逐漸減小。但短波可以借助60至300km高空的電離層折射返回地面，這種方式叫天波。短波通信就是利用了天波，它可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，但不夠穩(wěn)定，因?yàn)殡婋x層的密度和高度隨季節(jié)，晝夜以及太陽(yáng)的活動(dòng)而變化 到了超短波和

14、微波波段，地波的衰減更大，已無(wú)法利用。同時(shí)，這個(gè)波段的電磁波一般不能被電離層折射返回地面，它能穿過(guò)電離層，因此也不能采用天波的傳播方式。超短波和微波只能在視距內(nèi)沿直線傳播，并能穿過(guò)電離層達(dá)到外層空間。這種傳播稱為空間波。 微波的視距傳播特性有它有利的一面，也有不利的一面。其有利方面是可以把作用范圍限制在我們所需要的區(qū)域內(nèi)，以避免干擾。同時(shí)由于微波可以穿透電離層而不像頻率較低的電磁波那樣被電離層折返或吸收，因此，地球和宇宙之間的通信、衛(wèi)星通信等必須使用微波。2.4 微波的熱效應(yīng)和微波能的應(yīng)用 高頻率感應(yīng)加熱和介質(zhì)加熱早已應(yīng)用在許多工業(yè)部門(mén)。在微波波段，材料的介質(zhì)損耗增大，特別是含水份的材料對(duì)微波

15、能的吸收非常有效，從而使微波成為很好的加熱手段。微波加熱具有效率高、透熱深度大、加熱迅速等一系列優(yōu)點(diǎn)。因此，微波加熱和微波烘干正日益廣泛地應(yīng)用于糧食、茶葉、卷煙、木材、紙張、皮革、蠶絲、紡織、食品等工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域中。微波理療也日益廣泛地被利用微波代替原來(lái)所用的煤、煤氣或蒸汽進(jìn)行加熱或烘烤可以節(jié)約能源，提高產(chǎn)品質(zhì)量，改善勞動(dòng)條件，便于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化。此外，家庭烹飪用微波爐也已得到了廣泛的應(yīng)用。 微波在未來(lái)能源的探索和開(kāi)發(fā)中也起著重要作用。例如，在受控?zé)岷司圩冄芯恐欣煤撩撞娮踊匦舱裥?yīng)加熱等離子體，在空間太陽(yáng)能發(fā)電站的設(shè)計(jì)中用微波作為將能量送回地面的手段等。二、濾波器原理濾波器是一種二

16、端口網(wǎng)絡(luò)。它具有選擇頻率的特性，即可以讓某些頻率順利 通過(guò)，而對(duì)其它頻率則加以阻攔，目前由于在雷達(dá)、微波、通訊等部門(mén)，多頻率工作越來(lái)越普遍，對(duì)分隔頻率的要求也相應(yīng)提高；所以需用大量的濾波器。再則，微波固體器件的應(yīng)用對(duì)濾波器的發(fā)展也有推動(dòng)作用，像參數(shù)放大器、微波固體倍頻器、微波固體混頻器等一類器件都是多頻率工作的，都需用相應(yīng)的濾波器。更何況，隨著集成電路的迅速發(fā)展，近幾年來(lái)，電子電路的構(gòu)成完全改變了，電子設(shè)備日趨小型化。原來(lái)為處理模擬信號(hào)所不可缺少的LC型濾波器，在低頻部分，將逐漸為有源濾波器和陶瓷濾波器所替代。在高頻部分也出現(xiàn)了許多新型的濾波器，例如：螺旋振子濾波器、微帶濾波器、交指型濾波器等

17、等。雖然它們的設(shè)計(jì)方法各有自己的特殊之點(diǎn)，但是這些設(shè)計(jì)方法仍是以低頻“綜合法濾波器設(shè)計(jì)”為基礎(chǔ)，再?gòu)闹醒葑兌伞?.濾波器的基本概念圖2.1的虛線方框里面是一個(gè)由電抗元件L和C組成的兩端口。它的輸入端1-'1與電源相接，其電動(dòng)勢(shì)為Eg，內(nèi)阻為R1。二端口網(wǎng)絡(luò)的輸出端2'2與負(fù)載R2相接，當(dāng)電源的頻率為零（直流） 或較低時(shí)，感抗Lwjw很小，負(fù)載R2兩端的電壓降E2比較大（當(dāng)然這也就是說(shuō)負(fù)載R2可以得到比較大的功率）。 但是，當(dāng)電流的頻率很高時(shí)，一方面感抗Lwjw變得很大，另一方面容抗-j/wc卻很 小，電感L上有一個(gè)很大的壓降，電容C又幾乎把R2短路，所以，縱然電源的電動(dòng)勢(shì) E

18、g保持不變，負(fù)載R2兩端的壓降E2也接近于零。換句話說(shuō)，R2不能從電源取得多少功率。網(wǎng)絡(luò)會(huì)讓低頻信號(hào)順利通過(guò)，到達(dá)R2，但阻攔了高頻信號(hào)，使R2不受它們的作用，那些被網(wǎng)絡(luò)A（或其他濾波器）順利通過(guò)的頻率構(gòu)成一個(gè)“通帶”，而那些受網(wǎng)絡(luò)A阻攔的頻率構(gòu)成一個(gè)“止帶”，通帶和止帶相接頻率稱為截止頻率。 什么機(jī)理使網(wǎng)絡(luò)A具有阻止高頻功率通過(guò)的能力呢？網(wǎng)絡(luò)A是由電抗元件組成的，而電抗元件是不消耗功率的，所以，高頻功率并沒(méi)有被網(wǎng)絡(luò)A吸收，在圖一所示的具體情況中，它有時(shí)貯存于電感L的周?chē)?，作為磁能；在另一些時(shí)間，它又由電感L交還給電源。如果L和C都是無(wú)損元件（即它們的電阻等于零），那么，高頻功率就是這樣在電感

19、與電源之間來(lái)回交換，絲毫不受損耗，這就是電抗濾波器阻止一些頻率通過(guò)的物理基礎(chǔ)。從這個(gè)意義來(lái)說(shuō)，我們可以認(rèn)為濾波器將止帶頻率的功率發(fā)射回電源去，同時(shí)也是因?yàn)檫@個(gè)關(guān)系，在止帶內(nèi)濾波器的輸入阻抗是純電抗性的。圖2.1的網(wǎng)絡(luò)A是一個(gè)很簡(jiǎn)單的濾波電路，它的濾波效能是比較低的，在許多場(chǎng)合下，往往不能滿足技術(shù)上的要求，而不得不采取更復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)。然而，不管電路結(jié)構(gòu)如何復(fù)雜，濾波作用的物理根源還是和前面所說(shuō)的完全一樣。 濾波作用是濾波網(wǎng)絡(luò)所具有的內(nèi)在特性，但濾波網(wǎng)絡(luò)所能起到的作用還受外界因素（電源內(nèi)阻R1和負(fù)載電阻R2）的影響。濾波效能首先決定于濾波器的內(nèi)在特性（這是主要的），同時(shí)還決定于濾波器的外加阻抗（

20、這也是不可忽略的）。那么，濾波器效能是用什么來(lái)衡量的呢？圖2.2(a)表示一個(gè)電源，它的電動(dòng)勢(shì)為Eg，內(nèi)阻為R1。設(shè)負(fù)載為R2，則當(dāng)負(fù)載直接與電源相接時(shí)，它所能吸收的功率Po2為：現(xiàn)在我們將濾波器A接于電源與負(fù)載之間，如圖2.2(b)所示，由于濾波器的特性，當(dāng)電源頻率變化時(shí)，出現(xiàn)于R2兩端的壓降E2是不同的，即R2從電源所取得的功率 =在不同頻率上是不等的。用分貝來(lái)表示的Po2與R2的比值稱為插入損耗Li：插入損耗Li是衡量濾波器效能的一個(gè)參數(shù)。根據(jù)上面的討論，顯然可見(jiàn)，一個(gè)良好的濾波器的插入損耗在通帶內(nèi)應(yīng)該比較低，而在止帶內(nèi)應(yīng)該比較高。理想的濾波器的插入損耗在通帶內(nèi)應(yīng)該等于零，而在止帶內(nèi)應(yīng)該

21、是無(wú)窮大。 插入損耗是普通濾波器常用的參數(shù)。濾波網(wǎng)絡(luò)具有的阻抗變換特性不難使負(fù)載R2在整個(gè)通帶內(nèi)與電源達(dá)成匹配。這時(shí)，負(fù)荷所吸收的功率將超過(guò)Po2，而使Li取得負(fù)值。根據(jù)R1和R2的比值不同，Li的這個(gè)負(fù)值也不一樣。因此，插入損耗Li并不是一個(gè)很方便的比較基準(zhǔn)。為了避免這種困難，人們還提出另外一個(gè)參數(shù)，它以電源所能供給的最大功率Po為基準(zhǔn)。從電工基礎(chǔ)我們知道：P1與Po的比值，如以分貝來(lái)表示，稱為變換器損耗LA根據(jù)以上給出的種種關(guān)系，可以算出：從上式顯然可見(jiàn)，當(dāng)R1=R2=時(shí)，變換器損耗就是插入損耗。有些參考書(shū)上，這兩者是混為一談的。 必須注意，在上式中，當(dāng)頻率變化時(shí)，P2是跟著變化的。在理想

22、的情況下，濾波器的變換器損耗LA 在通帶內(nèi)應(yīng)該是零，而在止帶內(nèi)則應(yīng)該具有比較大的數(shù)值。根據(jù)濾波器的具體電路結(jié)構(gòu)，變換器損耗與頻率保持有各種不同的關(guān)系。圖2.3給出四種典型關(guān)系，在這些圖中，橫坐標(biāo)w表示頻率w，縱坐標(biāo)表示變換器損耗LA。(a)表示有關(guān)器件順利通過(guò)低于w1w的頻率，而阻礙高于w1w的頻率通過(guò)；這樣的器件稱為低通濾波器（LPLow Pass）。(b)的情況正好相反，稱為高通濾波器（HPHigh Pass）。(c) 表示有關(guān)器件順利通過(guò)w1w至w2w之間的頻率，對(duì)于低于w1w或高于w2w的頻率都阻礙它們通過(guò)；這樣的器件稱為帶通濾波器（BP-Band Pass）。(d)是(c)的對(duì)立面，

23、它阻止w1w至w2w之間的頻率通過(guò)，稱為帶阻濾波器（BSBand Suppress）。這些不同的頻率特性取決于電路的具體結(jié)構(gòu)，圖四給出以上四種濾波器的基本結(jié)構(gòu)形式，各個(gè)元件的數(shù)值是和變換器衰減的頻率特性以及所接負(fù)載密切聯(lián)系著的。驟然看來(lái)，這四種電路結(jié)構(gòu)是很不相同的，似乎各自應(yīng)有各自的設(shè)計(jì)方法。其實(shí)不然，通過(guò)一些數(shù)學(xué)方法，人們可以把這四種濾波器電路結(jié)構(gòu)完全統(tǒng)一起來(lái)，這里用到的數(shù)學(xué)方法叫作“頻率變換”。應(yīng)用頻率變換法，其它三種濾波器都可以看作低通濾波器；在設(shè)計(jì)時(shí)，先從它對(duì)應(yīng)的低通濾波器著手（因?yàn)檫@樣簡(jiǎn)單得多），在獲得低通濾波器的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以后，再用頻率變換法，求得所要設(shè)計(jì)的濾波器的數(shù)據(jù)。因?yàn)檫@個(gè)關(guān)系

24、，滿足設(shè)計(jì)技術(shù)要求的低通濾波器稱為“母型濾波器”或“原型濾波器”（prototype)。圖2.3圖2.4上面提出了衡量濾波器效能的參數(shù)變換器損耗LA，但是，效能好壞的準(zhǔn)則又是什么呢？在實(shí)際濾波器中，變換器損耗的頻率特性往往不像圖三那樣理想。首先，從通帶過(guò)渡到止帶，LA是慢慢增加的，所以，衡量濾波器效能好壞的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)是：從通帶過(guò)渡到止帶時(shí)，LA曲線的上升要陡峭。其次在通帶內(nèi)，變換器損耗不是完全不存在的，一方面因?yàn)闃?gòu)成濾波器的元件多少總帶有一點(diǎn)損耗，如電感中的電阻，電容中的漏阻等。另一方面，由于設(shè)計(jì)上的考慮，有時(shí)故意要LA在通帶內(nèi)不能完全為零。故衡量濾波器效能的另一準(zhǔn)則是：在AL曲線從通帶過(guò)渡到止

25、帶的上升程度相同的情況下，LA在通帶內(nèi)的大小究竟怎樣。 對(duì)以上兩點(diǎn)的要求越高，濾波器所需用的元件越多，這將帶來(lái)生產(chǎn)工作和造價(jià)的增加。所以，對(duì)于實(shí)際設(shè)計(jì)，應(yīng)根據(jù)具體情況進(jìn)行全面的考慮，只要濾波性能能夠滿足所提出的要求，那便沒(méi)有追求LA曲線上升過(guò)分陡峭的必要。2.濾波器設(shè)計(jì)的兩種出發(fā)點(diǎn)濾波器的設(shè)計(jì)當(dāng)前有兩種不同的出發(fā)點(diǎn)。一種稱為鏡象參數(shù)法。它以濾波網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在特性為根據(jù)。是人們一向用來(lái)設(shè)計(jì)濾波器的老辦法。這種方法的特點(diǎn)是:根據(jù)濾波網(wǎng)絡(luò)的具體電路,用分析的方法推算出變換器損耗的特性。然后再將這些具體電路拼湊起來(lái),使總的LA特性滿足所需要的技術(shù)要求。用這種方法設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器一般為K 式濾波器和m式濾波

26、器等。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是理論根據(jù)簡(jiǎn)單。它的缺點(diǎn)是在分析過(guò)程中沒(méi)有考慮外接負(fù)載的影響,故在具體的設(shè)計(jì)要求提出后,需要反復(fù)試探,才能得到設(shè)計(jì)結(jié)果;這對(duì)于缺乏經(jīng)驗(yàn)的工作人員來(lái)說(shuō),是頗費(fèi)時(shí)間的。 另一種方法從插入損耗入手,它是近年來(lái)應(yīng)用的很多的設(shè)計(jì)方法。這種方法的特點(diǎn)是:根據(jù)所提出的技術(shù)要求,決定插入損耗Li(在R2=R1=時(shí)也就是孌換器損耗LA)與頻率w的函數(shù)關(guān)系,然后根據(jù)這個(gè)函數(shù)關(guān)系,應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)理論綜合出具體的電路結(jié)構(gòu)。所以這種方法和前面的一種方法正好是相反的;這種方法根據(jù)要求推求電路,而鏡象參數(shù)法則是應(yīng)用已知的特性電路拼湊出滿足要求的結(jié)構(gòu)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)準(zhǔn)確,而且設(shè)計(jì)是已經(jīng)考慮到外接負(fù)載的影響

27、,無(wú)需經(jīng)過(guò)多次試探的手續(xù)。它的缺點(diǎn)是需要用到比較難深的網(wǎng)絡(luò)理論。但是,這個(gè)缺點(diǎn)是可以彌補(bǔ)的,因?yàn)橹灰划?dāng)把滿足各種要求的母型濾波器設(shè)計(jì)出來(lái)以后,后來(lái)的設(shè)計(jì)手續(xù)變成了簡(jiǎn)單的查表讀圖和應(yīng)用淺近數(shù)學(xué)方法換算數(shù)據(jù),從實(shí)用角度來(lái)說(shuō)比鏡象參數(shù)法還要簡(jiǎn)單得多。3.濾波器原型 集總元件低通原型濾波器是用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)。后面要討論的各種低通、高通、帶通、帶阻微波濾波器，其傳輸特性大都是根據(jù)此原型特性推導(dǎo)出來(lái)的（“原型”之稱即由此而來(lái)）。正因如此，才使微波濾波器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，精度得以提高。圖2.12示出低通濾波器的理想化衰減-頻率特性（濾波器的衰減-頻率特性，工程上常稱之為“濾波器響應(yīng)”）。

28、事實(shí)上，如此理想的特性是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，只不過(guò)力圖逼近此曲線而已。根據(jù)所選逼近函數(shù)的不同，而有不同的響應(yīng)。圖2.12就是這種常見(jiàn)的響應(yīng)。圖2.12所示的響應(yīng)通帶頂部最平坦，故稱為“最平坦響應(yīng)”，也叫做“巴特沃爾斯響應(yīng)”。圖2.13所示的響應(yīng)通帶衰減有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，稱為“等波紋響應(yīng)”，也叫做“切比雪夫響應(yīng)”。3.1 最平坦低通原型濾波器 最平坦響應(yīng)的頻率衰減特性曲線，它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 式中是歸一頻率。這個(gè)響應(yīng)的特點(diǎn)是： 在=0=c處，LA（0'）=0，其后隨歸一頻率的增大而單調(diào)增大。 在1<c（w'w'w1w)的通帶內(nèi)，曲線增長(zhǎng)及其緩慢，比較平坦。 在1&g

29、t;c（w'w>'w1w）的阻帶內(nèi)，曲線增長(zhǎng)很快，比較陡峭。增長(zhǎng)的速率有n來(lái)決定，n越大，增長(zhǎng)越快。3.2 切比雪夫低通原型濾波器 圖2.13所示的切比雪夫低通原型的頻率衰減響應(yīng)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：其中的定義與最平坦型響應(yīng)是一樣的。式中Tn（）是n階第一類切比雪夫多項(xiàng)式。在=1處，Tn(1),LA=LAR是通帶內(nèi)最大的衰減，因此 即這個(gè)響應(yīng)的特點(diǎn)是：在=01之間，由于切比雪夫多項(xiàng)式是個(gè)余弦，故衰減在通帶內(nèi)呈現(xiàn)出等效紋變化，最大值為L(zhǎng)AR，最小值為0，即LAR代表的是通帶內(nèi)的衰減波紋的幅度，則是波紋因數(shù)，顯然，e越小，波紋幅度越小。在1>c的區(qū)域（阻帶），切比雪夫多項(xiàng)式

30、雙曲線余弦，衰減將隨c的增大而單調(diào)增大。3.3 橢圓函數(shù)低通原型w 橢圓函數(shù)低通原型濾波器頻率衰減響應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式是式中Fn(jw')是橢圓函數(shù)，故稱為橢圓函數(shù)低通原型濾波器。 橢圓函數(shù)低通原型濾波器的特點(diǎn)是：在通帶0w'1w內(nèi)，衰減的最大值為L(zhǎng)AR；在阻帶w'sw¥內(nèi)，衰減的最小值為L(zhǎng)AS。通帶內(nèi)具有若干個(gè)零點(diǎn)頻率，阻帶內(nèi)有若干個(gè)極點(diǎn)頻率，極點(diǎn)與零點(diǎn)的數(shù)目相同。其頻率衰減響應(yīng)曲線如圖2.14所示。三、微波傳輸線1. 微波傳輸線 引導(dǎo)電磁波能量向一定方向傳輸?shù)母鞣N傳輸系統(tǒng)都被稱為傳輸線，這些傳輸線起著引導(dǎo)能量和傳輸信息的作用，其所引導(dǎo)的電磁波稱為導(dǎo)波，因此傳輸

31、線也被導(dǎo)波系統(tǒng)。 在微波工程中使用著各種類型的傳輸線，例如平行雙導(dǎo)線、同軸線、矩形波導(dǎo)、圓波導(dǎo)、介質(zhì)線、帶狀線、微帶線等等，這些傳輸線統(tǒng)稱為微波傳輸線。各種類型的微波傳輸線分別運(yùn)用于不同的微波工作頻段和微波系統(tǒng)工程中，在研究各種類型的微波傳輸線時(shí)都要涉及到一些共同的概念和電特性，例如傳播常數(shù)、特性阻抗、場(chǎng)結(jié)構(gòu)、臨界波數(shù)、波阻抗、等效阻抗、功率容量、衰減損耗、工作頻帶、結(jié)構(gòu)尺寸、制造工藝等等。 2. 微帶線 微帶線是一種平面結(jié)構(gòu)的微波傳輸線，由微帶線構(gòu)成的微波電路具有系統(tǒng)集成度高、頻帶寬、體積小、重量輕、工藝重復(fù)性好，成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，特別是隨著微波單片集成電路的發(fā)展，越來(lái)越顯示出它在微波電路

32、設(shè)計(jì)中的優(yōu)越性。與波導(dǎo)相比，它的缺點(diǎn)是損耗較大，Q值低和功率容量小。2.1微帶傳輸線的構(gòu)成圖3.1一般來(lái)講，微帶線指的是標(biāo)準(zhǔn)微帶線，但隨微波電路設(shè)計(jì)和工作頻率的要求不同，還有微帶線的其它變種。下面重點(diǎn)介紹常用的微帶線結(jié)構(gòu)。（1） 標(biāo)準(zhǔn)微帶線 標(biāo)準(zhǔn)微帶線的結(jié)構(gòu)如圖3-1，它是在介質(zhì)基片上沉積金屬導(dǎo)帶而成，底面為接地板，上面為導(dǎo)帶。中間為介質(zhì)基片。常用的介質(zhì)基片有三氧化二鋁陶瓷（r=109），復(fù)合微波介質(zhì)（r=202），聚四氟乙烯玻璃纖維（r32）以及石英玻璃（r=78.3）。標(biāo)準(zhǔn)微帶線構(gòu)成的微波電路一般都安裝在屏蔽盒內(nèi)，通過(guò)微帶同軸轉(zhuǎn)換接頭與系統(tǒng)的其它電路相連接。標(biāo)準(zhǔn)微帶線是在微波集成電路中最常

33、用的微波傳輸線。 （2） 懸浮微帶線 懸浮微帶線的結(jié)構(gòu)是在接地板和微帶介質(zhì)基片之間有一層空氣，相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)微帶線，懸浮微帶線的損耗要小，適合于工作在毫米波頻段，在毫米波頻段，為了防止輻射損耗，常常要外加屏蔽盒，值得注意的是，與標(biāo)準(zhǔn)微帶線不同，懸浮微帶線的屏蔽盒尺寸直接影響其特性阻抗，懸浮微帶線的缺點(diǎn)是微波器件的安裝相對(duì)來(lái)說(shuō)要麻煩些。 （3） 屏蔽微帶線 在標(biāo)準(zhǔn)微帶線中，雖然也有屏蔽盒，但相對(duì)于微帶線的條帶尺寸來(lái)說(shuō)，屏蔽盒的尺寸要大得多，因此屏蔽盒的大小對(duì)微帶線的特性阻抗基本上沒(méi)有影響。但在屏蔽微帶線中，屏蔽盒的寬和高離微帶線的條帶很近，直接影響微帶線的特性阻抗，屏蔽微帶線主要用于毫米波頻段。2.

34、2微帶線的特性阻抗這里只簡(jiǎn)單介紹標(biāo)準(zhǔn)微帶線的特性阻抗。屏蔽微帶線和懸浮微帶線可由有關(guān)文獻(xiàn)介紹的方法來(lái)計(jì)算。 （1） 特性阻抗的計(jì)算 標(biāo)準(zhǔn)微帶線的特性阻抗的計(jì)算方法有多種，有保角變換法，變分法，譜域法等。用保角變換和變分法只能計(jì)算出微帶線基模（準(zhǔn)TEM模）的特性阻抗，不能反映出高次模的影響。但相對(duì)于譜域法，保角變換和變分法計(jì)算簡(jiǎn)單，在大多數(shù)情況下，可以滿足微波電路設(shè)計(jì)的要求。 微帶線特性阻抗的計(jì)算方法是，先計(jì)算空氣介質(zhì)微帶線的單位長(zhǎng)電容C01，單位長(zhǎng)電感L01和特性阻抗Z01，然后求出實(shí)際微帶線的有效介電常數(shù)，這樣就可以得到微帶線的特性阻抗，波導(dǎo)波長(zhǎng)等，即當(dāng)不考慮高次模的影響時(shí)，可以采用下面的經(jīng)

35、驗(yàn)公式計(jì)算微帶線的特性阻抗可有效介電常數(shù)當(dāng)W/h1時(shí)。當(dāng)W/h1時(shí)上述公式在<0.5w/h20，r16的范圍內(nèi)，精度優(yōu)于1%。 在微帶線電路的設(shè)計(jì)中，一般不考慮金屬導(dǎo)帶的厚度，當(dāng)要考慮導(dǎo)帶厚度時(shí)，可等效于導(dǎo)帶加寬為，有如下的修正公式（th,tw/2)< :當(dāng)給定微帶線特性阻抗Zo和介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)re，求導(dǎo)帶寬度時(shí)，有如下的綜合公式：其中;微帶線的特性阻抗和有效介電常數(shù)已有現(xiàn)成的數(shù)據(jù)表和計(jì)算軟件。（2）特性阻抗的選擇原則 標(biāo)準(zhǔn)微帶線的特性阻抗的選擇原則除了要根據(jù)微波電路元件的設(shè)計(jì)要求來(lái)考慮之外，還要根據(jù)微帶基片材料和工藝的要求來(lái)選擇。例如對(duì)于三氧化二鋁陶瓷基片，一般微帶線最窄的線寬

36、不能低于0.05毫米，而對(duì)于聚四氟乙烯玻璃纖維和復(fù)合微波材料基片，最窄線寬不能小于0.15毫米。同時(shí)，當(dāng)特性阻抗太低時(shí)，微帶線的線寬太寬，則容易產(chǎn)生輻射和高次模，導(dǎo)體條帶的的寬度應(yīng)滿足：基片厚度應(yīng)滿足：在微波頻段在微波頻段（f18GHz<），常用的微帶線基片厚度h為0.51mm，在毫米波段，一般選擇為0.1270.254mm。3. 微帶線的特點(diǎn)與應(yīng)用 微帶線有如下特點(diǎn)： （1） 平面電路，方便微波電路元件如微波二極管，三極管，微波單片集成電路模塊的安裝。 （2） 采用光刻工藝，加工精度高，成本低，工藝重復(fù)性好，適合于大批量生產(chǎn)。 （3） 體積小，重量輕，電路集成度高。 微帶線的缺點(diǎn)是損耗

37、較大，功率容量小，不適合一些需要特別高的Q值的電路如窄帶濾波器，高Q穩(wěn)頻腔和大功率傳輸系統(tǒng)等的場(chǎng)合。四、直接耦合短截線帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真1.兩種短截線濾波器 下圖1（a）為并聯(lián)短路短截線和連接線濾波器1（b）為并聯(lián)開(kāi)路短截線和連接線濾波器。圖1（a）圖1（b） 后者適用于微波集成電路，因?yàn)樗灰髮?duì)地連接，但前者的有關(guān)數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)后者有關(guān)，因此一并介紹，圖a的濾波器的方程由下表列出：go/4短截線導(dǎo)納（相對(duì)于YA歸一化）go/4連接導(dǎo)納（相對(duì)于YA歸一化）Y1=Y2=Yn-1=Yn=Yk=,k=3,4.(n-2)Y12=/Yn-1,n=/Yk,k+1=,k=2,3.(n-2)直接耦合短截線濾

38、波器圖1（a）設(shè)計(jì)方程 圖b的濾波器是將a的濾波器的每一條短路短截線用一條的開(kāi)路短截線去替代構(gòu)成的，因此可以使兩個(gè)濾波器的帶通特性相等，而兩者的阻帶特性卻有很大的差異。如果圖b濾波器的 每個(gè)短截線在其全長(zhǎng)上特性導(dǎo)納相同。則在和的阻帶頻率上將有無(wú)限的衰減。如果每個(gè)短截線的外邊一半的特性導(dǎo)納為其里邊一半的特性導(dǎo)納的常倍數(shù)，則可使其無(wú)限衰減頻率不出現(xiàn)在和上。這種類型濾波器在和附近將有附加的帶通。 為了設(shè)計(jì)圖b濾波器，可將圖a濾波器的短路短截線用開(kāi)路短截線去替換。替換的原則是：使半波長(zhǎng)開(kāi)路短截線在帶邊頻率上的電納與被替換的短路短截線在該頻率上的電納相等，并且使二者在帶通中心頻率上的導(dǎo)納都是零。這種替換

39、的計(jì)算公式如下。對(duì)于短截線其里邊的部分的導(dǎo)納是：其外邊的部分的導(dǎo)納是：參數(shù)a規(guī)定為式中，而是并聯(lián)短截線諧振產(chǎn)生無(wú)限衰減時(shí)的頻率。 上述濾波器在和附近的帶通并非確定，而期間相當(dāng)窄的阻帶也有用處。適當(dāng)選擇可以得出最好的帶通響應(yīng)，但稍微前后交錯(cuò)各短截線的點(diǎn)，就可得到更寬的高衰減區(qū)域。對(duì)于相同的特性導(dǎo)納短截線的電納斜率比短截線的更大，故圖b形式設(shè)計(jì)帶寬較窄的濾波器更加實(shí)用。2.設(shè)計(jì)步驟 所設(shè)計(jì)的微波帶通濾波器的指標(biāo)是：中心頻率：千兆赫，通帶寬度：相對(duì)寬度帶通衰減：等于或小于0.1分貝，阻帶衰減：在5.0千兆赫頻率上至少有25分貝的衰減，端接條件：兩端均為50歐的微帶線。 設(shè)計(jì)計(jì)算步驟如下： （1）確定

40、低通原型：由于要求通帶衰減等于或小于0.1分貝，故可選用0.1分貝波紋的切比雪夫原型。該低通原型濾波器的階次，等于短截?cái)?shù)的數(shù)目。在此情況下，弧度/秒，弧度/秒，得出n=4的設(shè)計(jì)在5.0千兆赫茲頻率上將給出大約20分貝的衰減；而n=5的設(shè)計(jì)將給出大約30分貝的衰減，因而應(yīng)當(dāng)選擇n=5的設(shè)計(jì)。且n=5的歸一化低通原型的原件值為： （2）計(jì)算以下參數(shù)： 選擇h=1，可以給出合理的導(dǎo)納水平。 （3）計(jì)算上述表格所列各項(xiàng)導(dǎo)納值： （4）計(jì)算短截線的導(dǎo)納：選定，則給出，這就是說(shuō)綜上所述，得出所設(shè)計(jì)的濾波器的全部導(dǎo)納數(shù)據(jù)，如下表短截線的導(dǎo)納值連接線的導(dǎo)納值濾波器各短截線和連接線的導(dǎo)納數(shù)值 （5）決定各線段的尺寸，由于各短截線的導(dǎo)納值較大（即阻抗值較低），因此要用較寬的微帶線來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種寬的微帶線與較窄的微帶線連接進(jìn)行T型連接，將出現(xiàn)明顯的接頭相應(yīng)。為了緩和街頭效應(yīng)的并用影響，可以將各短截線用阻抗值加倍的兩條短截線的并聯(lián)組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 該微帶電路的基片厚度為h，并用的陶瓷材料，因此所設(shè)計(jì)的濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸如下表所示。濾波器的結(jié)構(gòu)尺寸 （6）接頭效應(yīng)和邊緣電容的修正： 再?zèng)Q定短截線的連接線長(zhǎng)度是，應(yīng)當(dāng)