微带线带通滤波器仿真设计

微带线带通滤波器仿真设计

1 绪论

微波滤波器是现代社会中常用的一种选频装置。它的主要作用是对信号进行处理，根据设置的一定频率选择出有用的信号，滤除不需要的信号。微波滤波器采用最重要的元件之一是一种用微带线作为传输线的微带电路，微带电路具有体积小、频带宽、重量轻和可靠性高等特征。这是由于这些优点，近年来微带电路被广泛用于微波电路中，对微波电路的发展具有较大的意义。当然，滤波器的性能会影响电路的性能指标，因此，我们需要设计出一个高性能的滤波器，这样更有利于对微波电路系统的设计。传统滤波器制作的工作量大，计算方法比较复杂，而且效果较差，但是随着软件技术飞速的发展，如今在设计滤波器的方法上也变得更多、更快、更好。本设计便是采用微带电路的这些特征，设计出微带线带通滤波器，该滤波器采用先进设计系统（ADS ）进行仿真设计，不仅提高了工作效率，同时也有利于进一步对微带滤波器的优化。

1.1微带线滤波器的发展历程

1958年，平行耦合传输线滤波器的结构被Seymour B.Cohn提出，该结构是通过

平行的微带线之间形成耦合电路，从而在平面结构下实现了滤波，如图 1.1-1所示为平行耦合传输线滤波器。平行耦合传输线滤波器的优点在于它可以对滤波器阶数和极点的个数进行控制，从而提高了滤波器的带宽，插入损耗以及稳定性。平行耦合传输线滤波器具有微带线耦合性质，在当时具有较大意义。

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图1.1-1 平行耦合传输线滤波器

随后出现了介质谐振器，P.D.Richtmeyer 利用介质块的电磁谐振的小尺寸和高 Q 值这两个优点，但是这种滤波器在实际使用中却没有得到推广，原因是这种材料的温度 稳定性很低。20世纪60年代，具有良好的温度稳定性和高 Q 值的陶瓷材料的出现使介 质滤波器在使用中逐渐被认可。这一种滤波的发展随着陶瓷材料的发展得到了快速的进 步，这也使得介质滤波器在已有的微波和射频通信材料中已成为不可缺少的元件之一。

随后，第一对交指型滤波器结构出现，如图 1.1-2所示为交指型滤波器结构。1962 年, George L.Matthaei 对交指型滤波器理论进行了阐述，随后又发现了一种能够用来设计 低损耗和小尺寸的新型微波滤波器的材料。

图1.1-2 交指型滤波器

1971年，Sidney Frankel 和Edward G.Cristal 提出了发夹型滤波器设计的概念并 对其理论进行研究。如图1.1-3和图1.1-4分别为发夹型滤波器和混合型滤波器的结构 图。此结构即在平行耦合传输线滤波器上加入发夹形状结构设计，使其性能和集成性均 有所提高。

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图1.1-3 发夹型滤波器

图1.1-4 混合型滤波器

1979年，Joseph S.Wong提出了抽头式发夹滤波器的理念。将抽头应用在发夹型滤波器中，其意义在于可以增加百分之二十以上的带宽，打破了传统微带滤波器在带宽和体积局限性，并且使得结果便于预测。此结构也是当今大多数发夹型滤波器使用的馈电方式。其结构如图1.1-5所示。

图1.1-5 抽头式发夹滤波器

上文所介绍的各种滤波器结构和理论的提出均具有各自不同的意义。随着科学技术的发展，混合型滤波器的理论在不断完善，基于磁性材料上的滤波器设计也相继提出，在通信领域的发展历程中具有里程碑的意义。大量的科研人员在他们的研发过程中做出

了巨大贡献。

1.2微带滤波器在通信领域的作用【3】

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。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1.2-1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。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。

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图1.2-1 接收发射机原理框图模型

1.3 ADS 软件介绍[10]

先进设计系统（Advaneed Design System ）是一种电子设计自动化软件系统，简称 ADS 。该软件为安捷伦有限公司为应对日趋激烈的形式， 同时提高产品研究制作速度而

设计开发的一款EDA 软件，它可以设计射频设计师给出所有类型的设计，从体积较小 的微波模块到体积庞大用于通信和航空航天的集成 MMIC 。

ADS 具有强大的电子设计自动化功能，它包含频域电路仿真 （谐波平衡，线性分 析）、时域电路仿真（SPICE 模拟）、数字信号处理仿真设计（DSP ）、三维电磁仿真（EM Simulation ）、通信系统仿真等；ADS 支持射频设计师给出所有类型的射频设计，从射 频/微波模块到用于航空航天事业的集成

MMIC ,是当今国内各大学和研究院使用最多的

微波/RF 电路和通信系统仿真软件。 2微带线的基本原理

2.1微带线结构

能用于制作微波集成电路的平面结构传输线有多种，包含微带线、共面线、槽线和 带状线，

此中微带线应用最为普遍。微带线是一根位于接地层上由电介质隔开的带状导 线。与金属波导相比，它具有体积小、频带宽、制造成本低等特点。微带线结构如图