S波段微带带通滤波器设计与基于Ansoft Designer 3.5的仿真报告

S 波段微带带通滤波器设计与基于Ansoft Designer 3.5的仿真报告
微波滤波器作为射频系统中广泛使用的无源器件之一,它的性能好坏将直接影响到整个系统的优劣。

微带线滤波器由于其结构简单,体积小,重量轻等特点,得到了广泛的应用。

随着卫星通信技术的发展，对频段、带宽的要求越来越高，S 波段微带带通滤波器的设计也益发的重要。

本次设计指标要求：
中心频率：0f =3GHz ，带宽：400MHz ，插损：2dB ，带外抑制：500MHz
衰减40dB ，纹波系数：0.5dB ，实现方法：微带线、耦合微带线
设计步骤：
考虑的滤波器的参数要求及工程实际，本设计方案采用切比雪夫（Chebyshev ）滤波器，切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯（Butterworth ）滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。

切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。

这种滤波器的特点是可以产生一个较陡的截止响应，在通带内具有等幅纹波。

步骤一、为确定滤波器阶数，将滤波器带通指标还原为低通模型，
带通响应下的频率与低通原型归一化频率之间的转化关系如下：（其中1ω和2ω分别表示通带边界，）
⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-∆=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--←
ωωωωωωωωωωωω0000120
'1 上式中， 0
12ωωω-=∆：通带的相对宽度 0ω：通带中心频率 ω：带通情况下的频率 'ω：低通原型下对应的频率
500MHz 衰减40dB ，所以将先将带外500MHz 频率转化为低通原型对应频率。

带外500MHz 对应的两频率点分别为3ω=3.25MHz 、4ω=2.75MHz ，由频率转换公式可得低通原型下对应的归一化频率分别
'3ω=1.57MHz
'4
ω=1.73MHz 纹波系数要求为0.5dB ，查表的在此情况下采用8阶切比雪夫滤波器即可以满足设计要求，即N=8。

步骤二、选定滤波器原型电路和各个元件参数数值
低通滤波器原型电路如下：
图中各元件参数为：1g =1.745，2g =1.265，3g =2.656，4g =1.359，5g =2.696，
6g =1.339，7g =2.509，8g =0.880，g 9=1.984
步骤三、由等效原则将低通滤波器原型变换为带通滤波器
如下图所示进行变换可完成从低通原型到带通滤波器单元转换。

注：
1
2
ω
ω
ω-
=
∆
所以由低通原型电路变换得到的带通滤波器的电路如下图所示：
以上结果可从下面的推导中得出
带通滤波器元件是由频率变换中的串联电抗和并联电纳确定的。

所以，
'
'
1
k
k
k
k
k
k C
j
L
j
L
j
L
j
L
j
jX
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
-
=
∆
-
∆
=
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
-
∆
=
该式表明串联电感
k
L转换为串联LC电路，其元件值为
'
ω
∆
=k
k
L
L
k
k L
C
'
ω
∆
=
同样，
'
'
1
k
k
k
k
k
k L
j
C
j
C
j
C
j
C
j
jB
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
ω
-
=
∆
-
∆
=
⎪⎪
⎭
⎫
⎝
⎛
-
∆
=
该式表明并联电容
k
C转换为并联LC电路，其元件值为：
k
k C
L
'
ω
∆
=
'
ω
∆
=k
k
C
C
所以低通滤波器在串联臂上的元件变换成串联谐振电路（谐振时低阻抗），而在并联臂上的元件变换成并联谐振电路（谐振时高阻抗）。

另外，在原型设计中，源和负载电阻是1（出了等波纹滤波器N为偶数有不
是1的负载阻抗外）。

源阻抗R 0可以通过原型设计的阻抗值与R 0相乘得到。

下面
令带撇号的符号表示阻抗定标后的值，则可给出新的滤波器元件值为
L R L 0'=
'R C C = 0'R R s =
L L R R R 0'=
式中L ，C 和R L 是原始原型元件的值。

经过阻抗定标和频率变换的元件值为：
L 1=0.153nH ，C 1=18.4pF
L 2=33.4nH ，C 2=0.844pF
L 3=0.1006nH ，C 3=28.01pF
L 4=35.7nH ，C 4=0.789pF
L 5=0.1006nH ，C 5=28.01pF
L 6=33.4nH ，C 6=0.844pF
L 7=0.153nH ，C 7=18.4pF
L 8=1.476nH ，C 8=19.107pF
步骤四、使用微带线实现带通滤波器
对于低通滤波器来说，由于特性阻抗不同的微带传输线连接后，具有近似于串联或并联LC 集总参数的特性，因而电路结构比较容易解决。

但要在微带电路上实现这种滤波器，却不像低通滤波器那样方便。

对于带通滤波器而言，其结构元件已不是简单的电感或电容，而是LC 串联或并联谐振电路，多个谐振电路（3个或3个以上）要连接与一个点，在微带线传输线上很难实现；
另一方面，经变换后LC 元件的值差别很大，特别是串联电路与并联电路的电感值可能相差两个数量级以上，这在电路结构上也比较难以做到。

为了解决这一困难，可将串并联谐振电路转换成全部串联或全部并联的谐振元件，在微带电路结构上就可以得到实现了。

本题采用4λ倒置变换器实现倒置变换，等效电路入下图所示：
其中C Z L c 2'=
2'c
Z L C = 所以，将之前得到的既有串联谐振电路又有并联谐振电路组成的带通滤波器，经倒置变换后成为一个全部由并联元件构成的电路，如下图所示。

选取特性阻抗为50Ω的4λ传输线，则经过倒置变换后的电容与电感值如下：
L 1=0.152nH ，C 1=18.5pF
L 2=2.12nH ，C 2=13.28pF
L 3=0.1000nH ，C 3=28.13pF
L 4=2.28nH ，C 4=12.37pF
L 5=0.986nH ，C 5=28.56pF
L 6=2.25nH ，C 6=12.55pF
L 7=1.059nH ，C 7=26.58pF L 8=1.476nH ，C 8=19.107pF
因为微带线短截线可以等效为谐振器，而且终端短路的4λ短截线和终端开路的2λ短截线等效为并联谐振，所以将4λ短路短截线或者2λ开路短截线与倒置变换器联合，就可以构成带通滤波器4λ。

因为使用2λ并联开路短截线不要求对地连接以构成短路，所以在实际微带电路中使用较多。

下图为2λ并联开路短截线带通滤波器。

λ/4λ/4λ/4λ/4λ/4λ/4
λ/2
注：短截线的特性阻抗又LC 谐振器参数确定
将之前得到的电路中的并联电感和电容都用2λ短截线取代，得到微带滤波器如下如所示。

步骤五、Ansoft Designer 3.5仿真
使用Insert Filter Designer item控件，进行滤波器设计，对话框如下图所示，分别选择带通、理想分布参数以及自定义元件参数等几个选项。

设定滤波器阶数以及纹波系数，分别为8和0.5，对话框如下图所示。

将滤波器结构设定为前文确定的8阶结构，并对每个元件赋值，如下图所示。

设定中心频率、带宽，求解插入损耗以及回波损耗，如下如所示。

对设定的参数进行求解，得到的电路图如下图所示，元件参数也在图中列出。

插入损耗以及回波损耗曲线如下图所示，可以看出插入损耗满足在通带内为2dB的要求。

插入相移和群时延如下示
S21参数结果如下所示，此时S21参数与频率响应曲线等价，通过读数发现在2.75GHz处，衰减为54.74dB，满足题目40dB的要求。