微带线带通滤波器的设计

摘要近几年随着商用无线通信的迅猛发展，射频/微波电路越来越得到重视和发展。

而微波带通滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端，带通滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏。

因此，发展高性能，研究小型化的微波滤波器是当前非常受关注的课题。

本文首先介绍了微波滤波器的发展历史、在微波通信中的作用、当前的研究情况以及微波仿真软件ADS。

然后分析了微带滤波器的二端口网络理论。

最后该论文基于仿真软件ADS和推导公式的基础上，介绍了微带线带通滤波器的设计方法，同时借助ADS软件对所设计的微带线滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较理想的微带线滤波器，通带3.0－3.1GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。

关键词微带线微带线耦合滤波器 ADSAbstractIn recent years，along with the high development of wireless communication in business，Microwave RF circuit has been attracted more and more attention and also got many achievements. At the same time，as one of the important microwave components，the microwave filters also developed rapidly in recent years. Especially，the microwave BPF directly influences the Performanc es of the receivers. So，develop high Performance，study miniaturized microwave filter is a hot topic in nowadays.At first，this paper introduces the development history of microwave filters，the function in the microwave communication，the current state of studying the filters and the advanced microwave circuit simulation software ADS. Then analyzed the two-Port network of filters, With the software ADS and the formula which had been Proved in this paper，this paper also well design an end-couple BPF，a half-wavelength resonator BPF,an interdigital BPF. Pass band 3.0-3.1GHz, in the belt weakens is smaller than 2dB, the fluctuation is smaller than below above 1dB, 2.8GHz and 3.3GHz weakens is bigger than 40dB, the port reflection factor is smaller than - 20dB.Keywords microstrip microstrip coupled BPF ADS目录摘要..................................................... I Abstract ................................................. I I第1章绪论 (1)1.1通信领域滤波器的发展历史 (1)1.2微波滤波器在微波通信的作用 (2)1.3当前研究情况 (3)1.3.1高温超导滤波器 (3)1.3.2 LC滤波器 (4)1.3.3声表面波(SAW)滤波器 (4)1.4 ADS软件介绍 (4)1.5 本文的目的和意义 (5)1.6 本章小结 (5)第2章滤波器是最基本的信号处理器件 (6)2.1滤波器的分类 (6)2.2滤波器的主要参数 (6)2.3滤波器设计理论 (7)2.3.1低通滤波器的设计是基础 (7)2.3.2 原型滤波器的元件值的归一化及其计算 (9)2.4本章小结 (11)第3章微带线理论 (12)3.1 微带线 (12)3.2 微带线和带状线的区别 (14)3.3 本章小结 (14)第4章微带线带通滤波器的设计 (16)4.1微带线尺寸选择 (16)4.2软件仿真 (17)4.2.1原理图仿真 (17)4.2.2版图仿真 (21)4.3.3 实物制作 (23)4.4 本章小结 (24)结论 (25)致谢 (26)参考文献 (27)附录1 (29)附录2 (34)第1章绪论当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长，滤波器在这些产品电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展[1]。

新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。

由于在通迅，雷达，微波等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应地提高，所以需用大量的滤波器。

同时，微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用。

象参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等类器件都是多频率工作的，都需要用相应的滤波器[2]。

1.1通信领域滤波器的发展历史1915年，德国科学家K.w.wagne r开创了一种现已闻名于世的瓦格纳滤波器设计方法。

与此同时，在美国GA.CanbeU发明了另一种影像参数的设计方法。

随着这些技术的突破，许多科技人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论进行研究。

随后，1940年出现了包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法.第一步是确定符合特性要求的传递函数，第二步是由先前的传递函数所估计的频率响应来综合电路。

现在所采用的很多滤波器设计技术就是基于这一早期的设计方法。

不久随着通信频带的加宽，进入到微波领域，滤波器设计从而由原先的集总元件LC谐振器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐振器。

同时，滤波器材料领域也取得了很大的发展，极大地推动了滤波器的发展。

1939年，P.D.Richtmeyer报道了介质谐振器。

他利用了介质块的电磁谐振，有小尺寸和高Q值两个显著的特点，然而由于当时的材料温度稳定性不高使该种滤波器不能在实际中得到广泛的应用。

70年代，各种具有优异的温度稳定性和高Q 值的陶瓷材料的发展增加了介质滤波器的实际应用的可行性。

随着陶瓷材料的发展，该滤波器的应用得到了迅速的发展。

在现有的射频和微波通信器材中介质滤波器己成为最重要、最常见的元件之一。

此外，80年代出现的高温超导材料，被认为很有可能被用于设计极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器，许多研发人员己致力于它们的研究和实际应用[3]。

1.2微波滤波器在微波通信的作用微波滤波器作为滤波器的一种，在移动通信中有着广泛的应用[4]。

在射频端有源电路中输入输出各级之间普遍存在，各滤波器都有不同的功能和特性要求。

如(图1-1)所示，为典型的发射机接受机原理框图模型，滤波器在该系统中各位置起着举足轻重的作用[5]。

接受端带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接收器前端饱和;除去如镜频一类的干扰信号;减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。

所以接收端带通滤波器的最佳性能包括衰减以除去干扰，同时减少将直接影响接收端灵敏度的通带插损。

发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰，这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。

另一个重要的功能是衰减掉发射信号中接受频段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏度之下。

因此，发射端带通滤波器必须保持一个宽的阻带以抑制杂散信号，同时能维持低的通带插损和在输出端处理大电平信号。

图1-1 典型接受发射机原理模型1.3当前研究情况随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透和全面发展，全固态化的各类片式高频、微波滤波器和中频滤波器，向着高性能、低成本、小型化、高频化等各方面飞速发展[6]。

1.3.1高温超导滤波器高温超导体的发现，是20世纪基础研究的一个极为重要的成果，近10年来，人们对高温超导体电性能的研究取得了长足的进步。

与此同时，一批性能卓越的高温超导微波无源器件也相继诞生了[7]。

高温超导(HTS)材料具有接近于无耗的特性，利用它可以构成高质量的微波谐振器、滤波器、多工器和天线等。

利用高温超导(HTS)薄膜可构成微带、带状线、波导滤波器等。

这些滤波器具有极高的无载Q 值、理想的微波特性、很低的插入损耗和带内衰减，并且有非常陡的平移特性，而且滤波器的尺寸可以做得很小，易于与其它微波集成电路元件集成。

这样可以充分利用信号频带，增加互不干扰的信道数量，并能避免信号传输失真，超导滤波器不仅带内衰减低，而且相位延时和色散特性也大为改善，具有诱人的发展前景。

1.3.2 LC滤波器利用单片微波集成电路(MMIC)技术和微电子机械系统(MEMS)制作电容和电感，可在高频段获得高Q值和高稳定的低电感与低电容值，小型紧凑的多层结构可减少寄生参数，同时通过调制层微调电容量和改进线圈设计等方法克服L、C离散，获得稳定的谐振频率。

新技术的使用使得微波滤波器向小型化、低功耗方向发展。

1.3.3声表面波(SAW)滤波器射频SAW滤波器以其小型轻量及优良的性能价格比，广泛用于各类移动电话的级间带通滤波。

新一代移动通信进一步促进SAW滤波器继续向小型化、高频化、复合化发展[8]。

早期的SAW普遍采用3.0x3.0(mm)的尺寸规格，现在随着微电子技术进入亚微米时代，0.4-0.5mm加工技术已趋成熟，可满足1.8-2.4GHz频段SAW器件IDT 的设计制造要求。

1.4 ADS软件介绍先进设计系统(Advanced Design S ystem)，简称ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。

ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SP ICE-like Simul ation)、频域电路仿真(Harm onic Balance、Linear Anal ysis)、三维电磁仿真(EM Simulation)、通信系统仿真(Communi cation S ystem Si mulation)、数字信号处理仿真设计（DSP）；ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。