微波毫米波电路分析与设计 课件 第一章 下.

微带线滤波器
11
南京理工大学
1.7.3 微带线带阻滤波器
电光学院通信工程系
微带线滤波器
g 4
g 2
g 4 g 4
（a）耦合谐振器带阻 滤波器
g 4 g 4 g 4 g 4
（c）耦合微带带阻滤 波器
（b）开路支线带阻滤 波器 微带带阻滤波器的结构
12
南京理工大学
Microwave Office 仿真模型：
微波滤波器的种类非常繁多，根据其采用的传输线类型可分为 波导类型、同轴线类型、带状线类型和微带线类型等。 滤波器的设计方法也多种多样，一般采用的是综合法，即先设计 出滤波器的低通原型，然后应用频率变换，推导出其它种类滤波器 的设计公式，最后用适当的元件和结构来实现。
8
南京理工大学
1.7.1 微带线低通滤波器

低通滤波器 高通滤波器 带通滤波器 带阻滤波器
6
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线滤波器
7
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线滤波器
微波滤波器的技术指标通常有以下几项：
Leabharlann Baidu
截止频率 频率范围和带宽 通带内最大衰减 一定带外频率下的带外衰减
形状系数 寄生通带 插入相移和时延频率特性 品质因数 波纹
电光学院通信工程系
微带线滤波器
用微带结构实现原型电路中串联电感和并联电容的方法有三类： 集总元件法、高低阻抗线法和开短路支线法。 例：电感输入的五节低通滤波器的微带线图，截止频率 f c 5.0GHz ， 通带内最大衰减 LAr 0.1dB，在f s 10.0GHz 时带外衰减 LA 30.0dB ； 输入、输出微带线特性阻抗为 50 ；采用RT/Dourid5880基片材料。
由于微带线衰减很小，故 e 2l 1
zin 0
相当于串联谐振，为半波长串联谐振器。
n 1 当l g 时，即四分之一导内波长的奇数倍，其输入阻抗为： 2 4
1 e 2l z in 1 e 2l
2l
由于微带线衰减很小，故 e
1
zin
并联电容
1
2
串联电感
9
南京理工大学
1.7.2 微带线带通滤波器
电光学院通信工程系
微带线滤波器
（a）电容间隙耦合滤波器 （b）耦合微带线滤波器
（c）发夹线滤波器
（d）短路支线滤波器
（e）开路支线滤波器
10
微带带通滤波器的结构
南京理工大学
Microwave Office 仿真模型：
电光学院通信工程系
21
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
zl
zin
zl
l1 g
22
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l1 g

z in支
③
④
z短
23
南京理工大学
设计线特性阻抗 Z c1和 Z c1 ：

电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
导体圆 盘 导体圆 环 金属层 槽缝
介质基 片
接地板
介质基 片
接地板
介质基 片
微带圆形谐振器
微带圆环谐振器
槽线谐振器
5
南京理工大学
电光学院通信工程系
1.7 微带线滤波器
微波滤波器是微波系统中非常重要的元件之一，它是微波放大 器、振荡器、变频器、倍频器等电路的重要组成部分，掌握微波滤 波器的原理与设计对于完成微波混合集成电路与单片集成电路的分 析、设计及应用都有重要意义。 微波滤波器可看作是一二端口网络，具有选频的功能，可以分 离阻隔频率，使得信号在规定的频带内通过或被抑制。滤波器按其 插入衰减的频率特征来分有四种类型：
反 形阻抗变换器
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l 2 g
②
①
z in
③
④
z开
zl

zl
z in支
l2 g
25
南京理工大学
1.8.5 滤波阻抗变换器
电光学院通信工程系
它的设计思路及结构形式和一般滤波器是基本相同的，主要不同之 点仅在于一般滤波器的输入输出阻抗相等和接近相等，但滤波阻抗变换 器的输入输出阻抗可大不相同，在设计时有意把滤波器的两端阻抗设计 成要求值即可。
当终端短路时，有
0 1
1 e 2l e j 2 l z in 1 e 2l e j 2 l
1
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线谐振器
当 l n g 时，，即半导内波长的整数倍，其输入阻抗为：
2
1 e 2l z in 1 e 2l
C
2 r nZ c
Q0
无载品质因数：
r L
R

1 r CR g
3
南京理工大学
2 四分之一波长并联谐振器
G 2n 1 g Yc 4
电光学院通信工程系
微带线谐振器
C
2n 1 Yc 4 r
L
4 r 2n 1Yc
Q0
rC
G

1 r LG g
电光学院通信工程系
微带线滤波器
13
南京理工大学
电光学院通信工程系
1.8 微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
它们的功能是把一个具有确定数值的阻抗，经过网络的作用，变 换为另一个需要的阻抗。 设计匹配网络的方法很多，主要有两种方式：通过阻抗与导纳圆 图设计微带线阻抗（可进一步决定线宽）及串并联线长度，还可以采 用网络综合法。前一种方法一般适用于窄频带情况，后一种方法可在 预定的各种指标下设计出所需的阻抗匹配网络。 在低于1GHz频率下，阻抗变换器 一般由集总参数元件构成，最简单的 阻抗匹配网络一般是由电感和电容组 成的‘两元件网络’。 当系统的工作频率提高到几个GHz 范围，一般可以采用集总和分布参数混 合结构.
1.8.2 四分之一波长阶梯阻抗变换器
为加宽带宽，常采用多节阶梯阻抗变换器：
l1
R0 1
R1
l2 R2
R3 R
1.8.3 渐变线阻抗变换器
l
R0 1
Rl R
18
南京理工大学
1.8.4 单株线阻抗变换器
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
单株线阻抗变换器是依靠调整与主传输线相并联（或串联）的 终端短路（或开路）支线的长度及在主线上的接入位置（或主传输 线长度）来实现预定的阻抗变换的。对于微带类型的微波电路来说， 经常采用的是所谓的‘ 形’结构。 形’或‘反
方案一：
g 4
Zc
Rin
方案二：
g 4
Zl l支
Zc
l支
Z c支
Zl
Z c支
Rin
Rin支
2
Yl Gl jBl
Yin支＝ jBl jYc支ctgl支
Z c Rin Gl
Z l Rl jX l Z X tgl X ＋Z tgl －R ImZ ＝Z Z X tgl R tgl
L
C
Z in
Zl
l2
Z in
Zc
l1 C1 Z c
Zl
14
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
Zl
Z in
L
C
Zl
C
Zl
15
集总两元件匹配网络阻抗变换过程示意图
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
l2
Z in
Zc
l1 C1 Z c
Zl
集总、分布参数混合网络阻抗变换过程示意图
c支 l 支 l in支 c支 c支 2 支 c支 l 支 l 支
l 2
tgl支
0
ReZ in支 ＝Z c支 Rl
2
Z
c支
X l tgl支 Rl tgl支
2
sec 2 l支
2
Rin支
17
Z c Rin Rin支
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
相当于并联谐振，为四分之一波长并联谐振器 。
2
南京理工大学
1 半波长串联谐振器
1 Z串 R jX R jL C
电光学院通信工程系
微带线谐振器
Z in Z串
R
n g Z c 2
半波长串联谐振器等效电路
Z c dtgl Z c l d tgl Z c 1 ng 1 L 2 d r 2 v d l r 2 v 2 cos2 l r 1 2r nZ c
l

20
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
3. 设采用终端短路支线作为并联于主线上的株线，可在支线圆图上标出 支线负载阻抗 z 短 对应点，并在其上画出通过 z 短 点的等反射系数圆③。 从主线圆图上可求出 z l 和 zin 对应的电纳差，此电纳差即应该是支线输 入阻抗对应的归一化电纳，在支线圆图上画出此归一化电纳对应的等 电纳圆④。圆③与圆④的交点对应阻抗即为zin支。这样支线长度即是从 z 短出发、沿圆③、向信号源方向旋转、到达 zin支点的对应长度。 4. 应注意本问题还有另外一组解，即 z l 点的另外一个位置，求解过程与 前类似。支线当然也可选取开路终端负载，其对应支线长度也可以很 容易从支线圆图上求得。
形阻抗变换器
反 形阻抗变换器
19
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
形阻抗变换器
设计参数有四个：主线和支线的长度，主线和支线的特性阻抗（取决 于主线和支线线宽）。设计中既可以确定特性阻抗而调整线长，又可以根 据固定线长而仅调整特性阻抗。
利用阻抗（导纳）圆图，设计线长度 l1 和 l1 ： 1. 设Z c1 Z c1 Z c 0 ，在主线圆图上标注出对应于 Z l 和 Z in 归一化值的 z l 和 z in ，分别为阻抗变换的出发点和目标点，
南京理工大学
电光学院通信工程系
1.6 微带线谐振器
用微带传输线结构构成的谐振器一般用一段终端开路或短路微 带线构成。由于电磁波在终端全反射，在微带传输线上形成驻波， 发生谐振，贮存能量，故可构成谐振器。
1.6.1 终端短路微带线谐振器
根据传输线理论，终端短路的有限长微带线，其归一化输入阻抗为：
Z in 1 1 0 e 2l z in Z c 1 1 0 e 2l
1.9 微带线平衡－不平衡转换器
平衡-不平衡转换器简称为“巴仑”，即BALanced-UNbalanced transformer，缩写为BALUN。它的作用是将高频信号从单端输入 变成平衡输出，并完成阻抗匹配功能。
16
南京理工大学
1.8.1
电光学院通信工程系
微带线阻抗变换器与阻抗匹配网络
四分之一波长阻抗变换器
根据传输线理论，其输入阻抗为纯电阻 Rin Z c 2 Rl ，取 Z c Rin Rl ， 完成了Rl 到 Rin 的变换。这种阻抗变换机构一般只能对纯电阻性负载有效. 对于任意负载 Z l ，使用两种方案先完成到 Rl 的变化。
设 l1 g 4 、 l1 3 g 8 ，则有：
Z l Z c21 Z l
Yl 1 Z l
Yin 1 Z in Yl jBin支
l1 3 g 8
1
jBin支
j Z c1
2 c1
其正负号取决于支线是短路还是开路终端
1.6.2 终端开路微带线谐振器
由于终端开路传输线与终端短路传输线互为对偶关系，半波 长终端开路线相当于并联谐振而四分之一波长终端开路线相当于 串联谐振。
1.6.3 其它平面结构谐振器
在混合微波集成电路中，经常采用的平面谐振器还有其它几种 形式。
4
南京理工大学
电光学院通信工程系
微带线谐振器
微带圆形谐振器（也称为介质径向线谐振器），即介质基片上面 的导体带是圆形或椭圆形，与接地板之间形成谐振腔，这种谐振器可 以较方便与微带线耦合，其固有品质因数一般较高。可应用于微波半 导体振荡器中的谐振回路。 微带环形谐振器，原理与上面类似。 微带槽线谐振器，它是在微带基板的一个金属覆盖面上用腐蚀 的办法制作出一定形状与尺寸的槽缝，暴露出介质，而另一面金属 完全腐蚀掉。
设 Yin Gin jBin 、
Z l Rl jX l ，则有：
Bin X l Z Z c1
2 c1 1
Gin Rl Z
假设采用终端开路支线可有： Rl Z c1 Z c1
Gin
1 X l Z c21 Bin
24
南京理工大学
2. 画出通过 z l 点的等反射系数圆①，则 z l 应在圆①上；画出通过点 zin 的 等电导圆②，由于终端开路或短路支线并联于主线，而且从主线看去 的输入阻抗为纯电抗，故也应在圆②上。圆①和圆②的交点有两个， 取其中一个认为是点 z l ，这样主线长度即是从 z l 出发、沿圆①、向信 号源方向旋转、到达 z 点的对应长度，