湖北大学
硕士学位论文
微带低通滤波器的设计与研究
姓名：吴姣
申请学位级别：硕士
专业：微电子学与固体电子学
指导教师：杨维明
20100501摘要
当前，无线通信技术发展非常快，研制小型化、高性能、低成本的微波电路已经成
为了一项及其紧迫的任务。在微波通信、卫星通信、雷达导航等中，是重要的器件之一，
它的性能的好坏往往会对整个通信系统的性能指标产生直接的影响。随着科学技术、新
材料、新工艺的快速发展，设计体积小、重量轻、性能高、成本低的射频／微波滤波器以
及其它器件必将是工程设计和市场竞争的趋势。这就要求电路一方面要满足电气性能指
标，另一方面还要尽可能地减少电路所占用的空间。传统方法设计出来的滤波器结构尺
寸一般比较大，在性能指标上也存在着一定局限，往往不能够满足现代无线通信系统的
要求。现在，在射频／微波电路中较常选用的是微带线结构的微波滤波器。这种结构的滤
波器体积小、重量轻、通过光刻术容易加工且方便与其它微波电路集成在一起，故许多
电路均使用此类滤波器。
本论文主要用三种方法对一个五阶的微带低通滤波器进行设计与研究，其理论依据分别是阶跃阻批分形理论、Ｒｉｃｈａｒｄｓ变换与Ｋｕｒｏｄａ规则、ＤＧＳ结构。设计阶跃阻抗微带
低通滤波器时，由于阶跃阻抗微带线结构的不连续性，会导致版图仿真与电路原理图仿真
结果相差很远。为了解决这一问题，论文提出先对阶跃阻抗微带线的结构参数进行预处理，
然后引入分形技术对低阻抗微带线的版图结构作进一步优化的设计方法，利用分形结构
成阶梯锯齿状分布的线宽来改善滤波器的通带特性，而又几乎不影响滤波器的阻带特性，
获得了满意的滤波性能；在采用基于Ｒｉｃｈａｒｄｓ变换与Ｋｕｒｏｄａ规则的微带滤波器的结构和
设计方法时，引入分形技术对微带低通滤波器进行优化设计，也获得了满意的滤波性能；
采用方形缺陷地结构实现该滤波器，结构简单，４０ｄＢ的阻带宽度大大增加，能有效地抑
制滤波器的高次谐波响应，另外采用分形技术对该滤波器结构进行的改进使其滤波性能
微带低通滤波器的设计
朱 晶 晶
摘 要：本文通过对国内外文献的查看和整理，对课题的研究意义及滤波器目前的发展现状做了阐述，然后介绍了微带线的基
本理论,以及滤波器的基本结构，归纳了微带滤波器的作用和特点。之后对一个七阶微带低通滤波器进行了详细的研究，最后利
用三维电磁场仿真软件ANSYS HFSS 进行仿真验证，经过反复调试，结果显示满足预期的性能指标。
关键字：微带线；低通滤波器；HFSS
Abstract:View and finishing this article through to the domestic and foreign literature, the research significance and the filter to the current development status of, and then introduces the basic theory of microstrip line, and the basic structure of the filter, summarizes the function and characteristics of microstrip filter.After a seven step microstrip low-pass filter has carried on the detailed research, the use of 3 d electromagnetic field simulation software ANSYS HFSS simulation verification, after repeated testing, the results show that meet the expected performance index.
Key word: microstrip line; low-pass filter; HFSS
基于HFSS的微带滤波器设计与应用
随着通信技术的不断发展，无线通信系统变得越来越普遍。为了保证通信质量，必须对无线信号进行有效的过滤，因此滤波器成为了无线通信中最关键的组成部分之一。基于微带技术的滤波器在无线通信中应用广泛，由于其体积小、重量轻、成本低、工艺简单的特点，在现代无线通信系统中依然扮演着不可替代的角色。本文将基于HFSS软件，介绍微带滤波器的设计原理、设计流程、实现方法及其在无线通信中的应用。
一、微带滤波器的基本原理
微带滤波器（Microstrip Filter）是一种基于微带线和附加衬底的元器件。它通过在一条微带线（或几个相互交错的微带线）上挂载电容、电感和电阻等元件来实现滤波功能。微带滤波器的基本结构如图1所示。
图1 微带滤波器基本结构图
微带线的特性阻抗通常为50欧米，而微带滤波器需要特定的阻抗、通带和截止频带。为了实现这些要求，滤波器需要在微带线模型上添加附加的元件来调整频率响应。元件的安装可以使用多种方法，如串联、并联、交替安装等。
二、基于HFSS的微带滤波器设计流程 1. 确定滤波器的参数
首先需要明确滤波器的指标要求，包括通带和阻带的带宽、通带和阻带的中心频率、阻带衰减和通带波纹等参数。这些指标根据具体应用需求而定，对于不同的应用场景可能存在较大差异。
2. 设计微带线结构
在得到了所需的指标要求之后，需要根据这些要求设计微带线结构。常用的方法是采用已有的文献或实验数据资料作为参考模板，进行修改和优化。设计微带线时需要确定线宽、线距、衬底材料和厚度等参数，以实现所需的过渡阻抗和其他指标。
3. 添加补充元器件
为了实现所需的频率响应，需要在微带线模型上添加各种补充元器件。这些元器件包括电容、电感和电阻等，具体安装方式根据所需指标而定。
4. 模拟仿真
使用HFSS软件进行微带滤波器的模拟仿真，得到滤波器的频率响应图和其他重要参数。常规方法是在仿真软件中建立微带滤波器的三维模型，在模拟中通过修改材料参数、添加元器件、调整参数等方式进行仿真分析。在模拟完成后，可根据仿真结果进行重新优化，以此不断改进设计。 5. 实现微带滤波器
实验四微带线带通滤波器设计
实验四：基于ADS软件的平⾏耦合微带线带通滤波器的设计与仿真⼀、实验原理
滤波器是⽤来分离不同频率信号的⼀种器件，在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很⼤的影响，微带电路具有体积⼩，重量轻、频带宽等诸多优点，在微波电路系统应⽤⼴泛，其中⽤微带做滤波器是其主要应⽤之⼀。平⾏耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是被⼴为应⽤的带通滤波器。1、滤波器的介绍
滤波波器可以分为四种：低通滤波器和⾼通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。射频滤波器⼜可以分为以下波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。
滤波的性能指标：
频率围：滤波器通过或截断信号的频率界限
通带衰减：滤波器残存的反射以及滤波器元件的损耗引起
阻带衰减：取通带外与截⽌频率为⼀定⽐值的某频率的衰减值
寄⽣通带：有分布参数的频率周期性引起，在通带外⼜产⽣新的通带2、平⾏耦合微带线滤波器的理论
当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元件构成，平⾏耦合微带传输线由两个⽆屏蔽的平⾏微带传输线紧靠在⼀起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作⽤，在两个传输线之间会有功率耦合，这种传输线也因此称为耦合传输线。
平⾏耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器是由四分之⼀波长耦合线段构成，她是⼀种常⽤的分布参数带通滤波器。
当两个⽆屏蔽的传输线紧靠⼀起时，由于传输线之间电磁场的相互作⽤，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称之为耦合传输线。根据传输线理论，每条单独的微带线都等价为⼩段串联电感和⼩段并联电容。每条微带线的特性阻抗为Z0，相互耦合的部分长度为L，微带线的宽度为W，微带线之间的距离为S，偶模特性阻抗为Z e，奇模特性阻抗为Z0。单个微带线单元虽然具有滤波特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。如果将多个单元级联，级联后的⽹络可以具有良好的滤波特性。
⼆、耦合微带线滤波器的设计的流程1、确定滤波器指标
2、计算查表确定滤波器级数N
