微带线低通滤波器设计

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

• 149

•ELECTRONICS WORLD・技术交流基于同轴线的低通滤波器设计南京邮电大学 仲维扬同轴线滤波器是被广泛使用的微波传输结构。应用高低阶跃阻抗技术，通过实现高低阻同轴线间的耦合，设计了应用15G的低通滤波器。EM仿真结果表明，该基于同轴线的低通滤波器通带回波损耗小于-22dB，带内最小插入损耗小于0.5dB。仿真结果表明该滤波器具有较好的性能，满足设计要求。低通，带通，带阻滤波器通常用于抑制功率放大器和整流器中的高次谐波和杂散信号。一些滤波器已经很成熟，如开路短截线滤波器和阶跃阻抗谐振器（Stepped-impedance resonator，SIR）滤波器。开路短截线结构更容易控制工作频率，而SIR滤波器结构往往更紧凑。现代卫星通信系统和整流天线需要具有低插入损耗和宽阻带的小型高性能低通滤波器。SIR可以在谐振器的无负载Q因子不变的情况下显小谐振器的长度。为了实现尖锐的截止频率和宽阻带，需要更多的SIR组，这意味着更高的损耗和更大的尺寸。因此，由SIR和开路短截线组成的具有奇模和偶模的步进阻抗谐振器，通过调节开路短截线的尺寸，可以在通带中实现最小尺寸和良好的选择性。在本文中，介绍了一种新型的阶跃阻抗谐振器谐振器（SIR）及其集总电路（LC）分析，然后在谐振器中间采用了糖葫芦型的同轴线来锐化过渡，最终实现了具有优异性能的紧凑型滤波器。1.同轴线传输特性同轴传输线几何结构如图1所示，其中内导体的电位为Vo伏，外导体的电压为零伏。图中的场可以从标量势函数Φ（ρ，φ）导出，这是拉普拉斯方程的解。在圆柱坐标系中，拉普拉斯方程形式为：该方程必须根据边界条件求解Φ（ρ，φ），边界条件是：通过变量分离的方法，将Φ（ρ，φ）表示为：图1 同轴线几何结构把上式带入拉普拉斯方程，得到：通过通常的变量分离参数，其中的两个项必须等于常数，这样有：其中kφ=n必须是整数，因为将φ增加2π的倍数不应改变结果。因为边界条件不随φ变化，所以电位Φ(ρ,φ)不应随φ变化。因此，n必须为零，这意味着kρ也必须为零，因此R（ρ）的等式减少到：R（ρ）的解为：R(ρ)=C ln ρ+D，等价于：Φ(ρ,φ)=C ln ρ+D.常数C与D由边界条件确定：Φ(a,φ)=Vo=C ln a+D,Φ(b,φ)=0=C ln b+D。最终可得同轴线的场为：2.切比雪夫低通原型对于二端口滤波器网络，其网络响应特性的数学描述，即S21的数学表达式，是它的传递函数，在许多情况下，定义了无损无源滤波器网络的幅度平方传递函数：其中ε是纹波常数，Fn（Ω）表示滤波或特征函数，并且Ω是频率变量。对于我们在这里的讨论，方便的是表示低通原型滤波器的弧度频率变量，其截止频率为Ω=Ωc，Ωc=1(rad/s)。对于上式的给定传递函数，滤波器的插入损耗响应如下：Chebyshev响应表现出等纹波通带并且通带平坦度最大。描述这种响应的幅度平方传递函数是：Tn（Ω）是第一类n阶的Chebyshev函数，其定义为：切比雪夫低通响应如图2所示。图2 切比雪夫低通响应3.阶跃阻抗滤波器器图3显示了阶梯阻抗低通微带滤波器的一般结构，它使用交替的高阻抗和低阻抗传输线的级联结构。它们比相关的引导波长短得多，从而起到半成品元件的作用。高阻抗线用作串联电感，低阻抗线用作并联电容。因此，该滤波器结构直接实现了图4的L-C梯形低通滤波器。图3 阶梯阻抗低通微带滤波器的一般结构图4 L-C梯形低通滤波器等效电路。• 150

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—

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