微带线带通滤波器的研究

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平行耦合微带线带通滤波器的设计及优化

作者：高蟠 李少甫 何永斌

来源：《电脑知识与技术》2012年第16期

摘要：在ADS软件的辅助下，设计了一款应用于Ka波段卫星接收机，中心频率为13GHz，带宽为2GHz的平行耦合微带线带通滤波器，应用多步优化算法解决了中心频率偏移的问题。仿真结果与指标要求吻合，可以应用与实际系统中。

关键词：ADS；接收机；带通滤波器；中心频率偏移

中图分类号：TN713.5文献标识码：A文章编号：1009-3044(2012)16-3990-04

Design and Optimization of Parallel Coupled Microstrip Lines Band-pass Filter

GAO Pan, LI Shao-fu, HE Yong-bin

(School of Information Engineering, Southwest University of Science and Technology,

Mianyang 621010, China)

Abstract: With the assistance of the ADS software, design a parallel coupled microstrip line

band-pass filter that can be applied in Ka band satellite receiver. The center frequency of it is 13GHz

and the bandwidth is 2GHz, and the problem of frequency offset can be solved though the application

科技创新　２０１３年第３５期１科技创新与应用　微带线带通滤波器的设计　李锦屏　（兰州交通大学电子与信息工程学院，甘肃兰州７３００７０）　摘要：文章从带通滤波器出发，阐述了带通滤波器的工作原理和设计过程。以此为基础借助ＡＤＳ仿真软件设计微波滤波器，并　结合设计方法，根据给定的滤波器技术指标，确定滤波器类型、最佳级数和结构，给出了一个带通滤波器的设计实例。仿真结果表　明此方法简单可行，满足工程设计要求。　关键词：带通滤波器；仿真；ＡＤＳ；平行耦合线　引言　在微波通信系统中，微带线带通滤波器以其结构小、集成性强　等优势成为各种微波产品中的常用重要器件。随着微波技术的发　展，微带滤波器的种类日益增多。它们性能各异，设计方法也有所不　同，近年来微波系统的设计越来越复杂，对微波滤波器的指标要求　也越来越高，传统的设计方法已经不能满足设计的需要，ＡＤＳ（Ａｄ—　ｖａｎｃｅｄ　Ｄｅｓｉｇｎ　Ｓｙｓｔｅｍ１，是安捷伦公司推出的一套电路设计软件。是　一个己被广大电子工程设计师们所接受和喜爱，功能十分强大的　ＥＤＡ软件系统。结合ＡＤＳ软件能够在保证精度的前提下缩短设计　周期、降低设计成本，降低电路的调试测量工作量，提高设计效率。　使用ＡＤＳ仿真软件进行微波元器件等设计已经成为微波电路设计　及优化的必然趋势。　１滤波器设计原理　对于不同结构的滤波器，均为从一系列信号中分离出所需要的　频率。由此，所有电路均可以用网络参数的形式来反映输入端和输　出端的关系。根据滤波器理论，所有类型的滤波器均可映射成归一　化的低通滤波器＿１＿。因此带通滤波器的设计可以先从设计归一化低　通滤波器开始，然后再映射成带通滤波器，映射如图１所示．图中横　坐标以分贝为单位，Ｉ』Ａ为衰减度，　为通带内最大衰减度。∞　为归　一化截止频率，当归一化频率大于ｔ０　时为阻带反之为通带。图中的　变量关系为：‘ｔ）　映射成［ｔｏ／￣ｏ。一∞ｏ，∞１ｍ，其中：∞。为带通滤波器的　中心频率；Ｑ为带宽比，定义为ｆｔ＝（ｏ２－ｏ￣　）／ｃｏ。。在此转换过程中，低通　滤波器中的Ｌ和Ｃ分别和带通滤波器中的Ｌ—ｃ串联谐振回路、Ｌ—Ｃ　并联谐振回路有对应关系。　．　键　磷　鳝　麟　图１低通滤波器的映射　（ａ）低通滤波器，（ｂ）带通滤波器　图２四阶切比雪夫低通原型电路图　ｇ５　当确定好所设计滤波器的阶数及波纹指标后，就可以根据元件　值表查出元件的归一化值，用ｇ　，　…ｇ　，ｇＮ￣　和带通滤波器的相对带　宽ＢＷ，微带线特性阻抗为Ｚ　确定带通滤波器电路中的设计参数耦　合传输线的奇模和偶模的特性阻抗。　２微带线带通滤波器设计与优化　假设滤波器的设计指标为：特性阻抗５０Ｑ，通带范围为９—　１０ＧＨｚ，阻带范围为＜８　ＧＨｚ或＞１１　ＧＨｚ，带内波纹指数为０．１ｄＢ，阻　带最小衰减为３６ｄＢ。根据带通滤波器设计的原理，先计算归一化低　通滤波器参数，再映射到带通滤波器。经过查表确定滤波器节数为　４阶。查表可知波纹０．１ｄＢ的四阶切比雪夫滤波器归一化参数标准　为：ｇｌ＝１．１０８８，ｇ２＝１．３０６２，ｇ３＝１．７７０４，ｇ４＝０．８１８１，ｇ　１．３５５４。则四阶切比　雪夫低通原型电路图２所示，其中ｇ。为源内电导，ｇ５为负载电阻值。　通过上面的频率变换和阻抗变换，可得实际集中参数元件值，　Ｑ＝０．０３２ｐＦ，ＬＩ＝８．８２４ｎＨ　Ｃ２＝６７．６９２ｐＦ，　＝４．５１５８ｎＨ；Ｑ＝０．０２ｏｐＦ，Ｌ３＝　１４．０８９ｎｉｌ；Ｃ４＝１０８．７５ｐＦ，Ｌ，－２．６０４ｎＨ。将上述结构尺寸输入ＡＤＳ中并　设置介质参数和扫频参数，进行原理图仿真，其最终仿真的频率响　应如图３所示。从图中可以看出仿真结果与理论结果基本吻合，滤　波器满足设计要求。由此验证了上述方法的正确性与可行性。　ｆｒｅｑ．Ｇ№　ｒｒｅｑ．ＧＨｚ　（ａ）端口反射特性　（ｂ）输入电阻特性　图３　３结论　在使用ＡＤＳ仿真软件设计平行耦合微带滤波器时，可以看到，　使用ＡＤＳ辅助设计方法理论计算简单，设计过程快速灵活，只需调　整少量参数就可完成设计，可方便、快速地对微波元件及电路进行　仿真分析，除本文涉及的平行耦合微带滤波器外，还可对其他介质、　结构的滤波器设计也具有一定工程实用及参考价值。　参考文献　［１】清华大学《微带电路》编写组．微带电路［Ｍ］．北京：人民邮电出版社，　１９７５．　［２］ｇ，Ｊ、曙威．微带线带通滤波器的设计［Ｊ］．上海交通大学学报，１９９７，３１　ｆ５１：７８－８０．　［３］张洪福，张振强，马佳佳．基于ＡＤＳ的平行耦合微带线带通滤波　器的设计及优化ｌＪ】．电子器件，２０１０，３３（４）：４３３—４３７．　［４］ＬＵＤＷＩＮＧ　Ｒ．ＲＦ　Ｃｉｒｃｕｉｔ　ｄｅｓｉｇｎ　Ｔｈｅｏｒｙ　ａｎｄ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｍ］．Ｕｐ－　ｐｅｒ　Ｓａｄｄｌｅ　Ｒｉｖｅｒ，ＮＪ，ＵＳＡ：Ｐｒｅｎｔｉｃｅ　Ｈａｌｌ　２０００．　［５］钟蔚杰，杨景曙．微带线带通滤波器的ＡＤＳ辅助设计［Ｊ］．现代雷　达，２００８，３．　［６］ＲｏｈｄｅＵ　Ｌ．无线应用射频微波电路设计【Ｍ１．刘光枯，译．北京：电子　工业出版社．２０ｏ４．　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ１４．５拥有强大的数值计算分析能力，本文将２种ＣＡＥ软件　无缝对接，分别利用各自突出特点先创建工作装置模型再结构强度分　析，大大提高了分析问题的效率。　４．２通过计算得到应力图，可以看到危险点出现在动臂液压缸和动　臂的铰接处、斗杆油缸和动臂铰接处。由图可知，最大应力值　１６３．６８ＭＰａ，低于１６Ｍｎ的屈服极限强度，最大变形２．２ｒａｍ，符合工作基　本要求。　参考文献　［１］史青录．液压挖掘机踟．北京：机械工业出版社，２０１２．０３．　［２］同济大学．单斗液压挖掘机　．北京：中国建筑工业出版社，１９８１．　『３］王勖成．有限单元法　北京：清华大学出版社，２００３．　［４］ＡＮＳＹＳ　Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ　１２基础教程与实例详解．　［５］陈精一，蔡国＿电脑辅助工程分析ＡＮＳＹＳ使用指南ｌＫ１．北京：中国铁道　出版社．２００１．　—．４９—

I 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 ADS

II Abstract

In 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 Performances of the receivers.

So，develop high Performance，study miniaturized microwave filter is

研 究 生 课 程 论 文

(2015-2016学年第一学期)

射频电路分析与设计

研究生：

提交日期： 2015年2月22日 研究生签名：

学 号 学 院

课程编号 S0001001 课程名称

学位类别 硕士 任课教师

教师评语：

成绩评定： 分 任课教师签名： 年 月 日

说 明

1、课程论文要有题目、作者姓名、摘要、关键词、正文及参考文献。论文题目由研究生结合课程所学内容选定；摘要500字以下，博士生课程论文要求有英文摘要；关键词3～5个；参考文献不少于10篇，并应有一定的外文文献。

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4、学位类别按博士、硕士、工程硕士、MBA、MPA等填写。

5、篇幅、内容等由任课教师提出具体要求。

1 基于ADS设计平行耦合微带线带通滤波器

摘要：介绍了平行耦合微带线带通滤波器设计的基本原理，使用安捷伦公司的ADS电磁仿真软件具体设计了一个通带范围为4.8GHz至5.2GHz的一个带通滤波器。该带通滤波器的通带内的插入损耗低于3dB,相对相速度是真空中电磁波传播速度的60%，2倍的归一化频率处的衰减低于50dB,输入输出阻抗均设置成了50，设计达到了给定的指标要求。