2022/11/251微波濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理李秀萍北京郵電大學(xué)2022/10/111微波濾波器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)原理李秀萍2022/11/252Outline集總參數(shù)濾波電路

1、濾波器的類型及其特點(diǎn)

2、濾波器由低通原型向其他類型的轉(zhuǎn)化分布參數(shù)濾波器

1、低通濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

2、高通濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

3、帶阻濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)

4、帶通濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)2022/10/112Outline集總參數(shù)濾波電路2022/11/253濾波器類型及特點(diǎn)指標(biāo)：1.頻率范圍2.通帶衰減3.阻帶衰減4.寄生通帶5.群時(shí)延特性要求：通帶衰減小，阻帶衰減大通帶和阻帶之間衰減的變化快1.增加節(jié)數(shù)2.綜合設(shè)計(jì)法2022/10/113濾波器類型及特點(diǎn)指標(biāo)：要求：2022/11/254設(shè)計(jì)方法鏡像參量設(shè)計(jì)法傳輸波設(shè)計(jì)法原型電路設(shè)計(jì)法原型電路：以LC作為元件的集總參數(shù)低頻電路，其中L、C的數(shù)值都根據(jù)對(duì)濾波器一定的指標(biāo)要求、以不同的綜合設(shè)計(jì)方法求得，由此得出一系列規(guī)格化的元件數(shù)值，列成表格，稱為原型電路元件參數(shù)。找原型電路與實(shí)際濾波器元件值的變換關(guān)系原型電路元件參數(shù)經(jīng)綜合設(shè)計(jì)“最佳化”，設(shè)計(jì)參數(shù)“規(guī)格化”2022/10/114設(shè)計(jì)方法鏡像參量設(shè)計(jì)法2022/11/2552022/10/1152022/11/256最平坦特性2022/10/116最平坦特性2022/11/2572022/10/1172022/11/2582022/10/1182022/11/2592022/10/1192022/11/25102022/10/11102022/11/25112022/10/11112022/11/25122022/10/11122022/11/25132022/10/11132022/11/25142022/10/11142022/11/25152022/10/11152022/11/2516例1、五階巴特沃茲濾波電路原型向低通轉(zhuǎn)換五階巴特沃茲濾波電路原型參數(shù)值為：1.00000.61801.61802.00001.61800.61801.0000變換成為截止頻率為2.4835GHz的低通電路元件值為：1.00001.00002022/10/1116例1、五階巴特沃茲濾波電路原型向低通2022/11/2517將元件值代入到以下電路中2022/10/1117將元件值代入到以下電路中2022/11/2518得到電路的性能圖為：2022/10/1118得到電路的性能圖為：2022/11/25192022/10/11192022/11/2520切比雪夫特性2022/10/1120切比雪夫特性2022/11/25212022/10/11212022/11/25222022/10/11222022/11/2523微波半集中參數(shù)低通濾波器2022/10/1123微波半集中參數(shù)低通濾波器2022/11/25242022/10/11242022/11/25252022/10/11252022/11/25262022/10/11262022/11/25272022/10/11272022/11/2528傳輸線等效電路特點(diǎn)2022/10/1128傳輸線等效電路特點(diǎn)2022/11/25292022/10/11292022/11/25302022/10/11302022/11/2531低通濾波器設(shè)計(jì)流程2022/10/1131低通濾波器設(shè)計(jì)流程2022/11/25322022/10/11322022/11/25332022/10/11332022/11/25342022/10/11342022/11/25352022/10/11352022/11/25362022/10/11362022/11/25372022/10/11372022/11/25382022/10/11382022/11/2539設(shè)計(jì)實(shí)例2022/10/1139設(shè)計(jì)實(shí)例2022/11/25402022/10/11402022/11/25412022/10/11412022/11/25422022/10/11422022/11/25432022/10/11432022/11/25442022/10/11442022/11/2545例2、9級(jí)0.5dB契比雪夫低通電路原型向高通的轉(zhuǎn)化。

原始參數(shù)為：1.00001.75041.26902.66781.36732.79391.36732.66781.26901.75041.0000變換成為截止頻率為2.4835GHz的低通電路元件值為：1.00001.00002022/10/1145例2、9級(jí)0.5dB契比雪夫低通電路2022/11/2546將元件值代入到以下電路中2022/10/1146將元件值代入到以下電路中2022/11/2547得到電路的性能圖為：2022/10/1147得到電路的性能圖為：2022/11/2548由低通原型向帶通濾波電路的轉(zhuǎn)換將串聯(lián)電感L用電容和電感的串聯(lián)電路代替：將并聯(lián)電容C用電容和電感的并聯(lián)電路代替：2022/10/1148由低通原型向帶通濾波電路的轉(zhuǎn)換將串聯(lián)2022/11/2549例4、將9級(jí)0.5dB契比雪夫歸一電路轉(zhuǎn)化為2.4-2.4835GHz的帶通濾波器。

原始參數(shù)和原始電路都和例3相同，由原始參數(shù)根據(jù)變換公式得到的各元件值為：3.9016p1.5021n5.9465p1.3941n6.2276p1.3941n5.9465p1.5021n3.9016p1089p2.8286p714.52p3.0477p682.27p3.0477p714.52p2.8286p1089p2022/10/1149例4、將9級(jí)0.5dB契比雪夫歸一2022/11/2550由原始電路根據(jù)變換規(guī)則得到的電路為：2022/10/1150由原始電路根據(jù)變換規(guī)則得到的電路為：2022/11/2551此電路性能如下：2022/10/1151此電路性能如下：2022/11/2552由低通原型向帶阻濾波電路的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換公式為：

將串聯(lián)電感L用電容和電感的并聯(lián)電路代替：將并聯(lián)電容C用電容和電感的串聯(lián)電路代替：2022/10/1152由低通原型向帶阻濾波電路的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換公2022/11/2553例3、將9級(jí)0.5dB契比雪夫歸一電路轉(zhuǎn)化為2.4-2.4835GHz的帶阻濾波器。原始參數(shù)為：1.00001.75041.26902.66781.36732.79391.36732.66781.26901.75041.0000原始的電路模型為：2022/10/1153例3、將9級(jí)0.5dB契比雪夫歸一電2022/11/2554經(jīng)過(guò)變換的參數(shù)和電路為：3.9016p1.5021n5.9465p1.3941n6.2276p1.3941n5.9465p1.5021n3.9016p1089p2.8286p714.52p3.0477p682.27p3.0477p714.52p2.8286p1089p2022/10/1154經(jīng)過(guò)變換的參數(shù)和電路為：3.90162022/11/2555性能圖如下所示：2022/10/1155性能圖如下所示：2022/11/2556下次課內(nèi)容 微波測(cè)量Demo2022/10/1156下次課內(nèi)容 微波測(cè)量2022/11/2557二、分布參數(shù)濾波電路Richards變換

Richards變換利用一定長(zhǎng)度的終端開(kāi)路或終端短路無(wú)耗傳輸線構(gòu)造的等效電容或電感，從而可以實(shí)現(xiàn)使用分布參數(shù)電路替換集總參數(shù)濾波電路中的相應(yīng)原件。根據(jù)傳輸線理論一段長(zhǎng)度為L(zhǎng)的終端開(kāi)路的無(wú)耗傳輸線，如果特征阻抗為Z0，則輸入端口的等效阻抗ZIN為：其中為角頻率為的電磁波在傳輸線的行波波長(zhǎng)，以特定的頻率為參考頻率，選取無(wú)耗傳輸線長(zhǎng)度2022/10/1157二、分布參數(shù)濾波電路Richard2022/11/2558為時(shí)，可以得到傳輸線的輸入導(dǎo)納為：顯然傳輸線的輸入阻抗為負(fù)純虛數(shù)，可以等效為電容的電納。如果比較電容C的導(dǎo)納和傳輸線的輸入導(dǎo)納

，可得到：2022/10/1158為時(shí)，可以得到傳輸線的輸入導(dǎo)2022/11/2559

對(duì)于電容C的導(dǎo)納，當(dāng)角頻率從增加到時(shí)，導(dǎo)納線性地從零增加到無(wú)窮大。對(duì)于傳輸線的輸入導(dǎo)納，當(dāng)歸一化頻率從增加到時(shí)（對(duì)應(yīng)角頻率從增加到），導(dǎo)納也從零增加到無(wú)窮大。只不過(guò)導(dǎo)納與歸一化頻率之間不滿足線性關(guān)系，而是按照Richards變換式進(jìn)行。所以特性阻抗為、長(zhǎng)度為終端開(kāi)路無(wú)耗傳輸線將電容C在頻率范圍內(nèi)的導(dǎo)納變化，映射到范圍內(nèi)，并且在頻率處與電容C具有相同導(dǎo)納。這種頻率映射就叫做Richards變換。2022/10/11592022/11/2560Kuroda規(guī)則

Kuroda規(guī)則是一種利用單位元件進(jìn)行電路變換的規(guī)則。Kuroda規(guī)則表示為四種電路類型的變換，其中單位元件的特征阻抗為Z1或者Z2,S為Richards變換中的系數(shù)，N是一個(gè)與阻抗Z1和Z2相關(guān)的比例系數(shù)。2022/10/1160Kuroda規(guī)則2022/11/2561廣義Kuroda規(guī)則：2022/10/1161廣義Kuroda規(guī)則：2022/11/25622022/10/11622022/11/25632022/10/11632022/11/25642022/10/11642022/11/2565例5、3dB五階契比雪夫以濾波電路向2.4835GHz低通濾波器的轉(zhuǎn)換1.00003.48170.76184.53180.76173.48171.0000原始電路為：2022/10/1165例5、3dB五階契比雪夫以濾波電路向2022/11/2566下面進(jìn)行Kuroda變換：2022/10/1166下面進(jìn)行Kuroda變換：2022/11/25672022/10/11672022/11/2568進(jìn)行阻抗變換后：在ADS軟件上畫(huà)出的濾波器為：2022/10/1168進(jìn)行阻抗變換后：在ADS軟件上畫(huà)出的2022/11/2569此低通濾波器的性能圖為：2022/10/1169此低通濾波器的性能圖為：2022/11/2570關(guān)于精確設(shè)計(jì)濾波器的問(wèn)題在前面的例子中我們可以看到，我們?cè)诎凑战刂令l率為2.48GHz設(shè)計(jì)的濾波器，最后的實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果的截止頻率卻是2.1GHz，這就涉及到了實(shí)現(xiàn)濾波器的各階微帶線的之間的互感問(wèn)題，故我們?cè)谠O(shè)計(jì)濾波器時(shí)，實(shí)際所應(yīng)用的設(shè)計(jì)頻率應(yīng)比我們所需要的頻率要大20%左右，這樣設(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器才是真正符合我們要求的濾波器。在以后的濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例中也會(huì)出現(xiàn)類似的問(wèn)題，以后就不再贅述。2022/10/1170關(guān)于精確設(shè)計(jì)濾波器的問(wèn)題在前面的例子2022/11/2571階躍阻抗低通濾波器用微帶線實(shí)現(xiàn)低通濾波器的一種相對(duì)容易的方法，使用很高和很低特性阻抗的傳輸線段交替結(jié)構(gòu)的排列。像這樣的濾波器通常稱為階躍阻抗（或高地阻抗）濾波器。這種濾波器容易設(shè)計(jì)并且結(jié)構(gòu)緊湊，但由于它的近似性，它的電特性不是很好，所以這類濾波器通常限制在不需要陡峭截止的應(yīng)用中。2022/10/1171階躍阻抗低通濾波器用微帶線實(shí)現(xiàn)低通濾2022/11/2572設(shè)計(jì)原理短傳輸線的等效電路

經(jīng)過(guò)分析和近似可得到小特性阻抗和大特性阻抗的等效電路為：2022/10/1172設(shè)計(jì)原理短傳輸線的等效電路經(jīng)過(guò)分析和2022/11/2573低通濾波器的設(shè)計(jì)公式：2022/10/1173低通濾波器的設(shè)計(jì)公式：2022/11/2574例六、階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計(jì),截止頻率為2.5GHz濾波器阻抗為50ohm，最高實(shí)際線阻抗為120ohm,最低實(shí)際線阻抗為20ohm，的8階最平坦低通濾波器。0.30921.11111.66291.96151.96151.66291.11110.39021.0000濾波器的原始參數(shù)為：濾波器首先以并聯(lián)電容為第一個(gè)元件，所得個(gè)微帶線的電長(zhǎng)度為：0.1561rad0.4630rad0.6652rad0.7846rad0.7846rad0.6652rad0.4630rad0.1561rad2022/10/1174例六、階躍阻抗低通濾波器的設(shè)計(jì),截止2022/11/2575在參數(shù)為時(shí)的濾波器的各部件尺寸為階12345678長(zhǎng)1.56545.25406.67098.90357.86837.54864.64311.7714寬6.94410.24746.94410.24746.94410.24746.94410.2474濾波器的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖為：2022/10/1175在參數(shù)為2022/11/2576濾波器的性能圖為2022/10/1176濾波器的性能圖為2022/11/2577耦合線濾波器耦合線濾波器要制作帶寬小于20%的微帶多節(jié)帶通耦合濾波器實(shí)際上是容易辦到的，更寬的寬帶濾波器實(shí)際上需要很緊密的耦合線，這在制造上是困難的。奇模和耦模激勵(lì)

介質(zhì)基質(zhì)的厚度為d，相對(duì)介電常數(shù)為，兩條平行微帶線的距離為s，每條金屬導(dǎo)帶的寬度為W，金屬導(dǎo)帶厚度忽略不計(jì)。當(dāng)傳輸線1和傳輸線2上的電壓和電流完全一致時(shí)，耦合微帶線上出現(xiàn)耦模。當(dāng)傳輸線1和傳輸線2上的電壓和電流完全相反時(shí)，耦合微帶線上出現(xiàn)奇模。

2022/10/1177耦合線濾波器耦合線濾波器2022/11/2578耦合微帶線如圖所示2022/10/1178耦合微帶線如圖所示2022/11/2579帶通濾波電路的實(shí)現(xiàn)選擇歸一化低通濾波電路原型。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的帶外衰減和帶內(nèi)波紋，選擇合適的契比雪夫或巴特沃茲濾波電路，得到歸一化參數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)要求的截止頻率，確定歸一化帶寬。其中心頻率為：2022/10/1179帶通濾波電路的實(shí)現(xiàn)選擇歸一化低通濾波2022/11/2580使用歸一化設(shè)計(jì)參數(shù)和歸一化帶寬可以確定帶通濾波電路中的設(shè)計(jì)參數(shù)根據(jù)帶通濾波電路的設(shè)計(jì)參數(shù)，確定耦合傳輸線的奇模和耦模的特征阻抗，計(jì)算公式為：2022/10/1180使用歸一化設(shè)計(jì)參數(shù)2022/11/2581其中為奇模和耦模阻抗。最后依據(jù)每段耦合微帶線的奇模和耦模阻抗來(lái)確定其尺寸。2022/10/1181其中為奇模2022/11/2582例七、據(jù)9級(jí)0.5dB契比雪夫歸一電路實(shí)現(xiàn)2.4-2.4835GHz的帶通濾波器。0.5dB契比雪夫歸一電路原始參數(shù)為：3.5m