微带低通滤波器的设计

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

1.引言

随着无线通信技术的快速发展，微波滤波器已经被广泛应用于各种通信系统，如卫星通信、微波中继通信、军事电子对抗、毫米波通信、以及微波导航等多种领域，并对微波滤波器的要求也越来越高。滤波器是一种重要的微波通信器件，它具有划分信道、筛选信号的功能，是一种二端口网络。整个通信系统的性能指标直接受它的性能优劣的影响[1]。主要技术指标要求有高阻带抑制、低通带插损、高功率、宽频带和带内平坦群时延等。同时，体积、成本、设计时间也是用户较为关心的话题。滤波器已经成为许多设计问题的关键，微带滤波器的设计技术是无线通信系统中的关键技术。传统方法设计出来的滤波器结构尺寸都比较大，在性能指标上也存在一定程度上的局限性，往往不能够满足现代无线通信系统的要求。目前，微带低通滤波器具有高性能、尺寸较小、易于集成、易于加工等优点因而得到了广泛的应用。

本论文以切比雪夫低通滤波器的研究作为实例，设计出一款七阶的微带低通滤波器，要求符合现代个人移动通信系统多需求的射频产品，覆盖一定的通信频率范围，使之掌握工程开发的相关步骤以及当前技术发展与需求。

2. 微带线的基本理论与参数

ε和导线厚度t、基板的介质损耗角正切函数，接地板和导线所用的金属

(1) 基板参数[2]：基板高度h、基板相对介电常数

r

通常为铜、银、铝。

(2) 电特性参数：特性阻抗、工作频率和波长、波导波长和电长度。

(3) 微带线参数：宽度W、长度L 和微带线单位长度衰减的量AdB。微带线的基本结构如1所示。

（a）结构示意图（b）横截面示意图

图1 微带线结构图

微带滤波器的参数：

(1) 带宽

带宽指信号所占据的频带宽度，在被用来描述信道时，带宽是指能够有最大频带宽度。带宽在信息论、无线电、通信、信号处理和波谱学等领域都是一个核心概念。

(2) 带外衰减

由于要抑制无用信号，因此越大的带外衰减特性就越好，此项指标一般取通带外与截止频率为一定比值的某点频率的衰减值[3]。

(3) 通带插损

由于网络端口和元件自身损耗的不良匹配会造成一些能量损耗，造成在通带内引入的噪声过高以至于有用信号通过系统后产生信号失真，为了解决通信系统的这方面问题，就用插损IL 来表示滤波器的损耗特性。

(4) 带内驻波

滤波器的输入端口和输出端口与外加阻抗匹配的程度由带内驻波表示。驻波越小则说明匹配越好，反过来，则不然。

3. 运用HFSS 软件进行设计模拟仿真

3.1 微带低通滤波器的设计参数

滤波器工作频段：f1 =10MHz—f2=2500MHz

=0.1dB

滤波器通带衰减：L

Ar

滤波器带外抑制：在3500～5000MHz 的频率之间有35dB 的衰减

滤波器输入、输出端微带线特性阻抗：Z0=50

ε=3.66mm，h=0.508mm，t=0.004

所选介质基板指标为：

r

可以计算得到7 阶切比雪夫低通滤波电路各微带传输线的结构参数[4-5]得到各尺寸如表1所示：

表1 微带传输线的结构参数

3.2 仿真与实验结果

根据以上所列参数，建立物理模型，利用HFSS 软件进行仿真，如图2所示。为使最后设计出的低通滤波器符合设计要求，进行了仿真优化，最终的仿真结果如图3所示。

图2 微带低通滤波器模型

根据理论值利用HFSS 仿真出的曲线如下：

图3微带低通滤波器仿真曲线

经过优化后的仿真曲线如图4所示：

图4 微带低通滤波器优化仿真曲线

从仿真结果（图4）可以看出：仿真结果比较满足微带滤波器低频通过时的工作特性；在f c=2.5GHz 左右时信号被抑制，为通带截止频率，在f1=3.8GHz 处，Ls=35dB；这些均满足给定的设计指标要求。

4. 实物的制作与测试

4.1 实物照片与测试曲线如下

将仿真好的模型进行加工如图5所示，加工之后用矢量网络分析仪测试，得到结果如图6所示：

图5 微带高低阻抗线低通滤波器实物照片图6 实物测试曲线

4.2 对比分析

从仿真结果图4 与测试结果图6可以看出：

(1)滤波器的衰减特性基本符合微带低通滤波器的衰减特性；通带截止频率fc=2.5GHz，在fl=3.5GHz 处，Ls=23.43dB；通带内幅频特性衰减的最大值约为0.1dB。对这些结果比较满意。

(2)在通带内，与衰减特性的波纹起伏相对应，幅频特性也有相应的凹凸起伏变化，且在波纹最小值处比较明显。这实质上是微波元件导体和煤质的损耗所致。

5. 总结

滤波器是一种二端口网络，通常会在设计射频系统时使。滤波器可以很精确地实现你所预定的频率特性。当频率较低时，滤波器可以由集总元件的电容和电感组成，但当频率达到或接近于2.5GHz时，不可忽略电路寄生参数的影响，滤波器通常由一些分布参数元件构成。现在设计微波滤波器使用的方法主要是采用网络综合法，使用这种设计方法，再加上由电子计算机所求得的具体的曲线和数据，不仅设计过程简化了，还大大地减小了计算的难度，微波滤波器的设计效率也有所提高。由于受到导体损耗方面的影响，不仅增高了滤波器的同代衰减，而且产生了对应的上下起伏波纹形，阻止衰减降低成为下凹衰减曲线，而不是理想的阶梯形。

本论文使用HFSS软件进行设计与仿真，过程中遇到了很多问题，例如：根据计算的理论数值进行建模，运行时发现仿真图出不来，或通带内衰减与预期的目标有较大的差距，然后重新开始计算、建模运行，最后进行优化。大体上毕业论文的仿真还算顺利，实物的制作也比较成功，同时较熟练的掌握了HFSS软件。

参考文献

[1] 清华大学《微带电路》编写组编.微带电路[M].北京:人民邮电出版社,1976．

[2] 黄席椿,高顺泉.滤波器综合设计原理[M].北京:人民邮电出版社,1978.

[3] 邓贤进,金数波.微波带通滤波器的准确设计及仿真[J].电讯技术,2001,14(5):18-22.

[4] 王增和,王培章,卢春兰.电磁场与电磁波[M].北京:电子工业出版社,2001.

[5]雷振亚.射频/微波电路导论[M].西安:西安电子科技大学出版社,2005.