平面带通滤波器设计

一设计选题

选题：平面带通滤波器设计与测量

微带基片选择：RO5880

板材厚度：0.254mm

指标要求：

通带范围12.25GHz-12.75GHz（中心频率12.5GHz相对带宽4%）

带内插损IL小于4dB

带内反射系数RL大于10dB

边带抑制：13GHz以上至少抑制15dB

14-16 GHz抑制30dB以上

12GHz以下至少抑制15dB

11GHz以下至少抑制40dB

8-10GHz以下至少抑制50dB

在上述指标要求达成的前提下，过渡带宽越窄越好；归一化滤波器的面积越小越好。

二基本原理

2.1滤波器设计方案的选取

本次设计的主要评分指标之一为滤波器的选择性，为了实现高选择性的带通滤波器，本文利用源-负载耦合，交叉耦合，以及混合电磁耦合等方式在带外适当位置引入传输零点，从而大大改善了带通滤波器的矩形度。该设计思路优势在于可以方便地调节传输零点的位置，从而改善带通滤波器的矩形度。但是随着滤波器的矩形度不断提

咼，对于滤波器通带外的抑制也随之恶化，故设计中需要考虑在满足

带外抑制要求的前提下尽量使滤波器获得较好的矩形度。另外，滤波

器的阶数也会对滤波器的矩形度产生巨大影响。随着滤波器阶数的提高，滤波器的矩形度逐渐改善。但与此同时，滤波器的带内插损也逐渐恶化。故在滤波器的设计过程中需要权衡矩形度与带内插损两个指标要求，选择合适的滤波器阶数。

除此之外本次滤波器的设计还需考虑到介质基板板材与厚度的选取对于滤波器性能参数的影响。首先考虑到要求插损越高越好，故选取了损耗正切较小的板材RO5880,其损耗正切为0.0009,介电常数为2.2。板材厚度的选取主要是考虑到了其对于滤波器尺寸以及插损的影响。较薄的介质板可以使滤波器的尺寸进一步减小，但是与此

同时，滤波器的插损也会变差。权衡考虑滤波器的尺寸以及插损的要求，本文选取介质基板厚度为0.254mm。

最终，本文采用六阶交叉耦合谐振腔体滤波器设计方案，其基本

谐振单元的结构为如图2.1所示的半波长开环谐振器。整个滤波器的耦合拓补结构见图2.2。最终设计得到的滤波器结构如图2.3所示。

图2.1基本谐振单元

2.2滤波器的设计步骤

FBW 1

T B ^:

FEW

曽

!— 辛年=丄豪“揶—

1 L ,

M&ff 隹

本文的耦合谐振带通滤波器是基于外部品质因数和耦合系数进

行设计的。而外部品质因数和耦合系数与所要涉及的滤波器的指标之 间有如下关系：

式中FBW 为滤波器的相对带宽，本文所涉及的滤波器要求 FBW=4% ,n 为滤波器的阶数，g i 为低通滤波器原型的元件值

辅桶合路径

图2.2滤波器耦合拓补结构

图2.3滤波器整体结构

根据滤波器的综合理论，通过综合给定的滤波器各项指标要求， 再结合上式可以得到与该设计指标相对应的耦合矩阵以及源和负载 的外部品质因数。根据题目要求运用MATLAB 程序所综合出的耦合矩 阵如下：

C 0.04S0 0

0 0 0 0 0 4.0480 -Q 、0000

-0.0042 0 Q 0 C 0.0400 0. 0000 0.0319 0 0 0 0 ■J

0. 0319

0. 0000 0.0272 0 0 0 0 '0.0042 0

0 0272

0.0000 0.0291

町 Q

0 Q.Q 渤

0. 0000

0. 0102

0 0 0

0 0 0.04Q2 -0. 0000

0. 0480

0 0

0 0. 0430

理想的S 参数如下

3.1理想S 参数曲线

注意此处计算耦合矩阵时为了考虑边带附近衰减而将通带范围

设为12.2GHz-12.8GHz 相对带宽为4.8%’

关于该耦合矩阵，除第二行第一列与第一行第二列的两个元素表 征源端

-VO

O.£ 1 1.3

4 10

愎 1.4 Fi H 屮冲IK . y ('ii> ir }

的品质因数，第八行第七列与第七行第八列的两个元素表征负载端外部品质因数外，该矩阵的其他矩阵元素S[m,n]表示的是第m-1

与第n-1个谐振器之间的耦合系数。

此外，外部品质因数的计算公式如下：

―—4—

其中f o表示中心频率，而T d ( f o)表示S11的群时延峰值处的大小。本文计算得到的外部品质因数为20.83。

三滤波器物理尺寸的提取

3.1谐振器之间的耦合系数提取

从上文给出的滤波器结构中可以发现，谐振器之间存在着多种耦

合方式。如谐振器2与5之间的耦合方式为电耦合；谐振器3与4之间的耦合方式为磁耦合；而其他谐振器之间则表现为电磁混合耦合。

对于两个相互耦合的谐振器，由于它们之间的距离不同将会得到不同的耦合系数。谐振器之间的耦合系数关于距离的曲线可以通过HFSS 软件的全波仿真并结合如下公式来提取。

卜W

fu + fl

其中f u与f l分别表示谐振器的上下谐振频率。根据上文得到的耦

合矩阵再结合

HFSS 电磁仿真软件仿真得到的耦合系数关于距离的曲

线就可以很方便地确定两个谐振器之间的距离。

根据以上方法得到的耦合系数与谐振器间距的关系曲线如下图:

Gurww Inta

图3.2谐振器1, 2之间的耦合

图3.3谐振器2, 3之间的耦合

XY Plot 1

HlSSOwign! *

c 075 =

C M3-

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