微带滤波器的设计
实验四微带线带通滤波器设计
实验四微带线带通滤波器设计实验四：基于ADS软件的平⾏耦合微带线带通滤波器的设计与仿真⼀、实验原理滤波器是⽤来分离不同频率信号的⼀种器件，在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很⼤的影响，微带电路具有体积⼩，重量轻、频带宽等诸多优点，在微波电路系统应⽤⼴泛，其中⽤微带做滤波器是其主要应⽤之⼀。
平⾏耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是被⼴为应⽤的带通滤波器。
1、滤波器的介绍滤波波器可以分为四种：低通滤波器和⾼通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。
射频滤波器⼜可以分为以下波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。
滤波的性能指标：频率围：滤波器通过或截断信号的频率界限通带衰减：滤波器残存的反射以及滤波器元件的损耗引起阻带衰减：取通带外与截⽌频率为⼀定⽐值的某频率的衰减值寄⽣通带：有分布参数的频率周期性引起，在通带外⼜产⽣新的通带2、平⾏耦合微带线滤波器的理论当频率达到或接近GHz时，滤波器通常由分布参数元件构成，平⾏耦合微带传输线由两个⽆屏蔽的平⾏微带传输线紧靠在⼀起构成，由于两个传输线之间电磁场的相互作⽤，在两个传输线之间会有功率耦合，这种传输线也因此称为耦合传输线。
平⾏耦合微带线可以构成带通滤波器，这种滤波器是由四分之⼀波长耦合线段构成，她是⼀种常⽤的分布参数带通滤波器。
当两个⽆屏蔽的传输线紧靠⼀起时，由于传输线之间电磁场的相互作⽤，在传输线之间会有功率耦合，这种传输线称之为耦合传输线。
根据传输线理论，每条单独的微带线都等价为⼩段串联电感和⼩段并联电容。
每条微带线的特性阻抗为Z0，相互耦合的部分长度为L，微带线的宽度为W，微带线之间的距离为S，偶模特性阻抗为Z e，奇模特性阻抗为Z0。
单个微带线单元虽然具有滤波特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带的过渡。
如果将多个单元级联，级联后的⽹络可以具有良好的滤波特性。
⼆、耦合微带线滤波器的设计的流程1、确定滤波器指标2、计算查表确定滤波器级数N3、确定标准滤波器参数4、计算传输线奇偶模特性阻抗5、计算微带线尺⼨6、仿真7、优化再仿真得到波形图设计参数要求：（1）中⼼频率：2.4GHz；（2）相对带宽：9%；（3）带波纹：<0.5dB；（4）在频率1.9GHz和2.9GHz处，衰减>20dB；（5）输⼊输出阻抗：50Ω。
基于HFSS的微带滤波器设计与应用
基于HFSS的微带滤波器设计与应用随着通信技术的不断发展，无线通信系统变得越来越普遍。
为了保证通信质量，必须对无线信号进行有效的过滤，因此滤波器成为了无线通信中最关键的组成部分之一。
基于微带技术的滤波器在无线通信中应用广泛，由于其体积小、重量轻、成本低、工艺简单的特点，在现代无线通信系统中依然扮演着不可替代的角色。
本文将基于HFSS软件，介绍微带滤波器的设计原理、设计流程、实现方法及其在无线通信中的应用。
一、微带滤波器的基本原理微带滤波器（Microstrip Filter）是一种基于微带线和附加衬底的元器件。
它通过在一条微带线（或几个相互交错的微带线）上挂载电容、电感和电阻等元件来实现滤波功能。
微带滤波器的基本结构如图1所示。
图1 微带滤波器基本结构图微带线的特性阻抗通常为50欧米，而微带滤波器需要特定的阻抗、通带和截止频带。
为了实现这些要求，滤波器需要在微带线模型上添加附加的元件来调整频率响应。
元件的安装可以使用多种方法，如串联、并联、交替安装等。
二、基于HFSS的微带滤波器设计流程首先需要明确滤波器的指标要求，包括通带和阻带的带宽、通带和阻带的中心频率、阻带衰减和通带波纹等参数。
这些指标根据具体应用需求而定，对于不同的应用场景可能存在较大差异。
2. 设计微带线结构在得到了所需的指标要求之后，需要根据这些要求设计微带线结构。
常用的方法是采用已有的文献或实验数据资料作为参考模板，进行修改和优化。
设计微带线时需要确定线宽、线距、衬底材料和厚度等参数，以实现所需的过渡阻抗和其他指标。
3. 添加补充元器件为了实现所需的频率响应，需要在微带线模型上添加各种补充元器件。
这些元器件包括电容、电感和电阻等，具体安装方式根据所需指标而定。
4. 模拟仿真使用HFSS软件进行微带滤波器的模拟仿真，得到滤波器的频率响应图和其他重要参数。
常规方法是在仿真软件中建立微带滤波器的三维模型，在模拟中通过修改材料参数、添加元器件、调整参数等方式进行仿真分析。
微带低通滤波器的设计1
微带低通滤波器的设计一、题目低通滤波器的设计技术参数：f < 900MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm。
仿真软件：HFSS二、设计过程1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为f < 900MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。
2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的宽度及长度，确保各段长度均小于λ/8（λ为带内波长）。
3、设计过程：（1）确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器，Ώs = fs/fc = 1.82，Ώs -1 = 0.82及Lr = 0.2dB，Ls >= 30，查表得N=5，原型滤波器的归一化元件参数值如下：g1 = g5 = 1.3394，g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1.0000。
该滤波器的电路图如图1所示：图1（2）计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50Ώ，则有C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*9*10^8*50) = 4.7372 pF，C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*9*10^8*50) = 7.6606 pF，L2 = L4 = Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*9*10^8) = 11.8277 nH。
（3）计算微带低通滤波器的实际尺寸：设低阻抗（电容）为Z0l = 15Ώ。
经过计算可得W/d = 12.3656，ε e = 2.4437，则微带宽度 W1 = W3 = W5 = W = 1.000*12.3656 = 12.3656mm，各段长度 l1 = l5 = Z0l*Vpl*C1 =15*3*10^11/sqrt(2.4437)*4.7372*10^-12 = 13.6370mm，l3 = Z0l*Vpl*C3 =15*3*10^11/sqrt(2.4437)*7.6606*10^-12= 22.0526mm，带内波长λ = Vpl/f =3*10^11/(sqrt(2.4437)9*10^8) = 213.23780mm，λ/8 = 26.654725mm，可知各段均小于λ/8，符合要求。
微带滤波器的设计制作与调试
S参数测试框图
噪声系数测试框图
低噪声放大器的调试（续）
? 需要测试的参数主要有以下几个 ?S11，S22：输入、输出端的反射系数 ?S21：传输系数，由此可测得放大器的增益 ?噪声系数
? 将测试结果与仿真结果相比较，并看其是否满 足设计指标。
? 若不满足设计指标，则对结果进行分析后，通 过调整元器件的参数（电容，电感，电阻的 值），使其达到设计指标。
? 噪声系数
? 定义 ? 意义是信号通过放大 ?ê è?
器后，信噪比恶化的
Sin ￠ ? 2¨?·′ ó ?÷ Sout ?ê 3?
Nin
Nout
倍数。
低噪声放大器的技术指标（续）
? 稳定系数
定义 ?
K
1? ?
S 11 2 ?
S 22
2?
D2
2 S 12 S 21
式中S11，S22，S21，S12是晶体管的S参数，
低噪声放大器的设计
? 设计时要注意的问题
? 晶体管模型的选择
? sp模型：属于小信号线性模型，模型中已经 带有了确定的直流工作点，和在一定范围内 的S参数。
? 大信号模型：可以用来仿真大、小信号，需 要自行选择直流工作点，仿真时要加入馈电 电路和电源。带有封装的大信号模型可以用 来生成版图。
? 集总参数元件的取值
?SP模型的优化仿真
?将噪声系数、放大器增益、稳定系数都加入
优化目标中进行优化，并通过对带内放大器 增益的限制来满足增益平坦度指标，最终达 到各个要求指标。
?如果电路稳定系数变得很小 (低于0.9)，或
者S(1,1) 的值在整个频带内的某些频点在 0dB以上，则需要加入负反馈，改善放大器 的稳定性。
ADS微带滤波器设计方法课件
进行参数优化
通过调整滤波器参数，如电感、 电容、长度、宽度等，对滤波 器性能进行优化。
进行仿真验证
通过仿真软件对所设计的滤波 器进行性能验证，确保满足设 计要求。
03
ADS微带滤波器设计实践
建立设计工程
确定设计目标
明确滤波器的性能指标，如通带范围、 阻带范围、插入损耗等。
选择合适的微带线结构
设定工作频率和介质参数
根据设计目标和工作频率，设定合适 的介质参数，如厚度、相对介电常数 等。
根据设计需求，选择合适的微带线结 构，如平行耦合线、发卡型等。
参数设置与优化
01
02
03
调整耦合系数
通过调整微带线间的距离、 宽度等参数，优化耦合系 数，以实现理想的滤波器 性能。
优化谐振器长度
调整谐振器的长度，以实 现所需的频率响应。
02
ADS微带滤波器设计基础
微带线理论
微带线定义
01
微带线是一种传输线，它由一个介质基片上的一条金属导带和
两条金属接地边构成。
微带线特性
02
微带线具有低阻抗、高共模抑制比、低辐射等特性，广泛应用
于微波和毫米波频段的电路设计中。
微带线传输模式
03
微带线主要传输准TEM模，即电场和磁场分量在传输方向上为
ADS软件介绍
ADS（Advanced Design System） 是一款微波电路和系统设计软件，由 美国安捷伦公司开发，提供了从电路 设计、仿真、版图绘制到系统仿真的 全流程解决方案。
ADS软件具有友好的用户界面和强大 的功能模块，支持多种设计工具和第 三方软件接口，广泛应用于通信、雷 达、电子战等领域的电路和系统设计。
05
微带滤波器设计(II)
摘要摘要微带滤波器以其尺寸小、成本低、加工方便等优点，在现代移动通信和无线通信中应用越来越广泛。
本文主要讨论了微带滤波器中常用的平行耦合微带线带通滤波器。
文章结合滤波器设计的基本理论和平行耦合线的基本理论，给出平行耦合微带线带通滤波器的两种设计方法，即：变形低通原型使用K变换器的设计公式和使用J变换器的设计公式，总结了平行耦合线的综合公式。
为了验证设计给出了一个设计实例，通过仿真证明了设计的可行性，并对设计过程中常遇到的耦合间隙太小，很难实现的问题做了探讨。
制作了两种滤波器的实物，分别是用本文给出的方法设计的滤波器和用仿真工具设计的滤波器，对其进行测量并作了比较。
关键词:微带滤波器变形低通原型等效电路平行耦合线带通滤波器ABSTRACTABSTRACTMicrostrip filters have been applied more and more extensively in modern mobile communication and wireless communication due to the advantages such as small size, low cost and easy fabrication. Parallel-coupled microstrip bandpass filter, which is one of the most widely used microstrip filters, is mainly discussed in this paper. Based on the theories of filter design and parallel-coupled microstrip lines, this paper presents two design methods, which are method with K convertor used in the transmogrification low prototype and method with J convertor used in the transmogrification low prototype. The synthetic formulas of parallel-coupled are also included. A design example is given to validate the formulas. Simulation is done and it proves the design feasible .The problem that the coupling space is often too small and hard to realize is also discussed. Two filters are fabricated, one is the filter designed on the method proposed in this paper and the other using simulation tool. They are measured and compared.Keywords: microstrip filter transmogrification low prototypeequivalent circuit parallel-coupled microstrip bandpass filter目录i目录第一章绪论 (1)1.1 微带滤波器简介 (1)1.2 微波滤波器的发展 (1)1.3 微波滤波器的技术指标 (2)1.4 微带滤波器的设计方法 (3)1.5 本文的主要内容 (4)第二章滤波器的基本理论 (5)2.1 低通原型的设计理论 (5)2.1.1 最平坦型滤波器的基本理论 (6)2.1.2 切比雪夫滤波器的基本理论 (7)2.1.3 椭圆函数滤波器的基本理论 (8)2.2 滤波器的频率变换 (10)2.2.1 频率变换理论 (10)2.2.2 由低通到高通的频率变换 (10)2.2.3 低通到带通的频率变换 (12)2.2.4 由低通到带阻的频率变换 (13)2.3 变形低通原型理论 (15)第三章平行耦合线的奇偶模理论 (19)3.1 平行耦合线结构 (19)3.2 奇偶模法 (20)第四章平行耦合线带通滤波器的设计 (23)4.1 变形低通原型使用K变换器的设计公式 (23)4.2 变形低通原型使用J变换器的设计公式 (29)4.3 平行耦合微带线的综合 (33)4.3.1 计算耦合线的宽度和间隙 (33)4.3.2 计算耦合微带线 (34)第五章设计实例 (37)ii 目录5.1 用变形低通原型使用J变换器的设计公式进行设计 (37)5.2 用软件进行设计 (42)5.3 两种方法的对比 (44)第六章结论 (47)致谢 (49)参考文献 (51)第一章绪论 1第一章绪论1.1 微带滤波器简介微波滤波器是现代微波技术中许多设计问题的中心，利用它可以分离或组合各种不同频率的信号。
微带滤波器的设计
微带滤波器的设计微带滤波器（microstrip filter）是一种常用的电子滤波器，它具有结构简单、制作成本低、易于集成等优点，因此在无线通信、雷达系统、微波封装等领域得到广泛应用。
本文将介绍微带滤波器的设计流程和关键要点。
首先，微带滤波器的设计流程可以分为以下几个步骤：确定滤波器参数、选择滤波器类型、确定滤波器阶数、计算微带线宽度和长度、构造网络模型、优化设计。
第一步是确定滤波器的参数，包括中心频率、带宽、阻带衰减等。
这些参数直接影响着滤波器的性能和应用场景，因此需要根据具体需求进行合理设定。
第二步是选择滤波器类型，常见的微带滤波器类型有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器等。
选择合适的滤波器类型可以更好地满足设计要求。
第三步是确定滤波器的阶数，阶数决定了滤波器的斜率和阻带衰减。
一般情况下，阶数越高，滤波器性能越好，但同时也会增加设计的复杂度。
第四步是计算微带线的尺寸，包括宽度和长度。
微带线的尺寸直接影响滤波器的中心频率和带宽，因此需要进行合理的计算和调整。
第五步是构造滤波器的网络模型，可以使用传统的电路模型或者仿真软件进行建模。
在模型中，需要将微带线和谐振器等元件进行合理的连接和布局。
最后一步是优化设计，通过调整微带线的长度、加入补偿电容电感器等措施，来达到更好的滤波器性能。
优化设计可以使用仿真软件进行参数调整和优化。
除了以上的设计流程，还有一些关键要点需要注意。
首先是微带线的制作工艺，微带线需要精确的制作技术，以确保滤波器的性能和稳定性。
其次是对滤波器的测试和调整，通过实验和测量，可以得到实际滤波器的性能参数，从而进行必要的调整和改进。
最后是设计的可行性和可靠性，滤波器设计需要符合实际应用需求，并且具备足够的抗干扰能力和稳定性。
总的来说，微带滤波器的设计是一项复杂而又重要的任务。
通过合理的设计流程和关键要点的注意，可以得到性能优良的微带滤波器，用于满足不同领域的需求。
小型化微带带通滤波器的设计的开题报告
小型化微带带通滤波器的设计的开题报告开题报告：小型化微带带通滤波器的设计一、研究背景与意义随着无线通信技术的快速发展，对滤波器的性能要求越来越高。
微带带通滤波器具有体积小、重量轻、性能稳定等优点，因此在雷达、通信、导航等领域得到广泛应用。
然而目前市场上的微带带通滤波器在小型化方面仍存在一定的局限性，难以满足日益苛刻的性能要求。
因此本研究旨在设计一款小型化微带带通滤波器，以满足现代通信系统对高性能滤波器的需求。
二、研究目标与内容1. 研究目标：本课题的主要目标是设计一款小型化微带带通滤波器，实现以下目标：（1）降低滤波器的体积和重量；（2）提高滤波器的Q值和带宽稳定性；（3）优化滤波器的带外抑制和插入损耗；（4）满足不同应用场景下的性能要求。
2. 研究内容：为实现上述研究目标，本课题将开展以下研究内容：（1）分析现有微带带通滤波器的设计方法，提取关键参数；（2）基于电磁场理论，建立微带带通滤波器的数学模型；（3）优化滤波器的尺寸、形状和材料选择，实现小型化设计；（4）采用先进的仿真软件对滤波器性能进行模拟验证；（5）制作样品，并进行性能测试与评估。
三、研究方法与步骤1. 文献调研：收集并整理国内外关于微带带通滤波器设计的相关文献资料，了解当前研究现状和发展趋势。
2. 建立数学模型：根据微带带通滤波器的电路原理，建立数学模型，包括传递函数、频率响应等。
3. 优化设计：基于建立的数学模型，采用遗传算法、粒子群算法等优化算法对滤波器参数进行优化，实现小型化设计。
4. 仿真验证：使用先进的电磁场仿真软件对优化后的滤波器性能进行模拟验证，确保满足设计要求。
5. 制作样品：根据优化结果，制作微带带通滤波器样品，并进行性能测试与评估。
6. 结果分析：对测试结果进行分析，总结设计经验，为后续研究提供参考。
四、预期成果与创新点1. 预期成果：成功设计出一款满足性能要求的小型化微带带通滤波器，并进行性能测试与评估。
2. 创新点：本课题将从以下几个方面进行创新：（1）采用先进的优化算法对滤波器参数进行优化，实现小型化设计；（2）优化滤波器的尺寸、形状和材料选择，降低滤波器的体积和重量；（3）采用电磁场仿真软件对滤波器性能进行模拟验证，提高设计的准确性和可靠性。
微带滤波器的设计与仿真
实验二 微带滤波器的设计与仿真一、实验目的1、学习使用ADS 软件进行微波电路的设计，优化，仿真。
2、掌握微带滤波器的制作及调试方法。
二、实验设备 1、台式电脑 1台 配置要符合相关软件要求 2、ADS 软件 1套 微波软件 三、实验内容1、使用ADS 软件设计一个微带带通滤波器，并对其参数进行优化、仿真。
2、根据软件设计的结果绘制电路版图，并加工成电路板。
四、技术指标1、具有最平坦响应2、截止频率GHz c 5.2=ω3、在GHz 4=ω处的插入损耗必须大于20dB4、阻抗为Ω50，采用6阶巴特沃兹低通原型，最高实际线阻抗为Ω120，最低实际线阻抗为Ω20，采用的基片参数为02.0tan 2.458.1===δε，，r mm d ，铜导体的厚度mm t 035.0=五、实验过程及仿真结果1、新建滤波器工程和设计原理图，设计完原理图再用对原理图进行优化。
2、设置完优化目标的原理图如附录图1所示，滤波器的参数曲线如附录图2所示，优化后的参数如附录图3所示，生成的版图如附录图4所示。
版图仿镇结果见附录版图仿真(1)附录版图仿真(2)附录版图仿真(3)。
六、实验体会这次实验是微带滤波器的设计与仿真，对于射频电路设计课本中学习的东西，这算是第二次用可视化，可操作的形式展现出来。
对于以前不懂的，模糊的，又一次可以通过操作练习全部展现。
不过，由于按照实验指导书上的步骤进行，射频的很多知识点的还是很不清晰，需要仔细的研究后才能知道操作是在进行着哪一步。
其实，要是平时对书本上的知识再了解的多一点，应该也不会如此困难如此模糊。
所以接下来，我要好好地把理论的知识点梳理出来。
希望下一次实验可以做的很顺利！附录图1 设置完优化目标的原理图图2 滤波器的参数曲线图3 优化后的参数曲线图4 生成的版图图5 版图仿真(1)图5 版图仿真(1)图6 版图仿真(2)图7 版图仿真(3)。
微带滤波器的原理与设计
微带滤波器的原理与设计一、 实验目的1． 了解低通、带通与高通滤波器之工作原理； 2． 了解低通、带通与高通滤波器之电路架构； 3． 实际设计制作低通、带通与高通滤波器。
二、 设计方法与实例微带滤波器的实现需要涉及到一些有用的概念——Richards 变换，单位元件概念以及 Kuroda 规则1.Richards 变换：将集总参数元件变换为分布参数元件的变换，这种变换可以将一段开路或短路传输线等效于分布的电感或电容元件。
我们可以用特性阻抗0Z L =的一段短路传输线替代集总参数电感，也可以用特性阻抗01/Z C =的一段开路传输线替代集总参数电容。
需要说明的是，传输线长度并非一定要是0/8λ。
2.单位元件：在把集总参数元件变成传输线段时，需要分解传输线元件即插入所谓单位元件（UE ）以便得到可以实现的电路结构。
单位元件的电长度为0(/)4f f πθ=特性阻抗为UE Z 。
单位元件可以视为两端口网络。
3.Kuroda 规则：除了引入单位元件之外，同样重要的是，将工程上难于实现的滤波器设计变换成容易实现的形式。
例如，实现等效的串联感抗时，采用短路传输线段比采用并联开路传输线段更困难。
为了方便各种传输线结构之间的相互变换，Kuroda 提出了四个规则。
见表14-1表14-1 Kuroda 规则需要注意的是，表中所有电感和电容都是用Richards变换表述的。
实际滤波器的实现分为四个步骤：1.根据设计要求选择归一化滤波器参数。
传输线替代电容和电感。
2.用0/83.根据Kuroda规则将串联短线变换为并联短线。
4.反归一化并选择等效微带线（长度，宽度以及介电系数）设计任务：设计一个输入、输出阻抗为50Ω的低通滤波器，其主要参数如下：截止频率3GHz；波纹0.5dB；当频率大约为截止频率的2倍时损耗不小于40dB。
假设电磁波在介质中的相速度为光速的60%。
我们按照上述步骤求解这个问题。
步骤1：根据波纹为0.5dB的切比雪夫滤波器衰减特性图，滤波器的阶数必须为N=5，其他参数为：1g=1.0758=5g，2g=1.2296=4g，3g=2.5408，6g=1.0归一化滤波器如图14-1所示。
微带滤波器算法
微带滤波器算法
微带滤波器（Microstrip Filter）是一种基于微带线（Microstrip Line）技术制作的射频滤波器，其特点是体积小、重量轻、成本低、频率范围宽。
微带滤波器的设计方法有多种，以下介绍几种常用的算法。
1. 反向追踪算法：根据所需的滤波器带宽和阻带的幅度响应，利用反向追踪算法进行设计。
该算法是一种迭代算法，先给定一个初始滤波器结构，计算其频率响应并与所需的响应进行比较，然后进行一系列调整，直到满足设计要求为止。
2. 阻抗变换法：将所需的频率响应变换到低通或带通滤波器的设计范围内，然后利用低通或带通滤波器的设计方法进行设计。
变换过程中，一般采用阻抗变换，使目标响应变为所需响应，具体实现时可以使用双线型变换或贴片变压器。
3. 负载阻抗匹配法：在微带线上插入一定长度的变宽节，使节末端的阻抗匹配所需的抗干扰要求，然后利用微带线传输线和L-C元件来设计出滤波器的寄生元件的尺寸和值。
这种方法适用于需要抑制到达负载或发射源的接入端的信号。
4. 计算机辅助设计方法：通过计算机进行滤波器设计，包括有限元分析法、传输矩阵法、正交函数法、神经网络等方法。
这些方法的优点是可以快速、准确地得到设计结果，但需要计算机支持。
以上几种算法不同的特点和适用范围，设计微带滤波器时可以根据具体情况选择
合适的方法。
微带滤波器设计
BW (60dB点) BW (3dB点)
(14) 止带（stop band 或 reject band） ：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如 60dB 点）的带宽
滤波器设计理论
1. 低通滤波器设计是基础
11
– 高通滤波器可用带通滤波器（当通带高 端很高时）代替 – 带阻滤波器可看成低通滤波器与高通滤 波器的组合 – 低通滤波器是带通滤波器的特例 – 低通滤波器原型可作为带通滤波器设计 基础
(4)基本串联带阻滤波器（见图5-5） 基本并联带阻滤波器
基本并联带阻滤波器 基本串联带阻滤波器
4
图5-5 (5)基本滤波器电路的串联、并联构成更复杂的多级滤波器（见 图5-6）
(a) 8个极点的低通滤波器
(b) 6个极点带通滤波器
图5-6
分布参数滤波器
(1)并联λ/4短路线构成的带通滤波器 （见图5-7）
,n
原型滤波器的元件值的归一化及其计算 22
对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为 LArdB、g0 = 1和ω'1 = 1，它的原型元件值可按以下各式计算：
β = ln⎜ coth
⎝ ⎛ L Ar ⎞ ⎟ 17.37 ⎠ ⎛β ⎞ γ = sinh ⎜ ⎟ ⎝ 2n ⎠ ⎡ (2k − 1)π ⎤ a k = sin ⎢ ⎥, k = 1,2, ⎣ 2n ⎦ ⎛ kπ ⎞ bk = γ 2 + sin 2 ⎜ ⎟, k = 1,2, ⎝ n ⎠ 2a g1 = 1 r
2
式中ρ为驻波系数
定义负载电流的相位φT为
φT = arg(I L )
则群时延（group delay）τD为 ∂φ T 1 dφ T τD = = （秒） ∂ω 2π df τ D 表示信号经过滤波器的时延。信号带宽内不同频率分量时延 不同将引起调频信号的畸变。最大可允许的畸变可以用DLP来量 度。DLP定义为在给定频带范围内器件相位与线性变化时的相位 的最大偏离
微带波滤波器的设计
微带波滤波器的设计微带波滤波器是一种常用的电子滤波器，用于在特定频率范围内通过或抑制信号。
它由一个导电性的微带（stripline）传输线和附加的固态结构组成，可以实现对信号的频率选择性的控制。
在本文中，我们将详细介绍微带波滤波器的设计原理和步骤。
首先，微带波滤波器的设计需要确定一些基本参数，包括中心频率、带宽和损耗等。
中心频率是滤波器所需通过或抑制的信号频率，带宽是中心频率上下限之间的频率范围，损耗是信号在通过滤波器时的功率损耗。
接下来，我们需要选择适合设计的微带波传输线。
微带波传输线由导体层、介质层和接地层组成，其结构通常是平面的，并且通过调整导体层和介质层的几何尺寸来实现所需的频率响应。
常用的介质材料包括氧化硼、聚四氟乙烯（PTFE）等。
选择合适的微带波传输线需要考虑频率响应、功率容量和尺寸等因素。
确定了微带波传输线的结构和材料后，我们可以利用微带线传输线理论和微带带微带线传输线模型来设计滤波器。
其中，微带线传输线理论可以通过矩阵参数法或传输线理论来描述传输线的特性，微带线传输线模型则是微带线传输线的等效电路模型，用于计算滤波器的响应。
设计微带波滤波器的关键是通过调整微带波传输线的几何尺寸来实现所需的频率响应。
通常，微带线的宽度、长度和厚度是影响传输线阻抗和传播特性的主要参数。
例如，增加微带线的宽度可以降低传输线的阻抗，而增加微带线的长度可以减小传输线的频率。
利用微带线传输线理论和模型，我们可以通过计算和仿真来确定适合的几何尺寸，以实现所需的频率响应。
在设计微带波滤波器时，还需要考虑到其他因素，如匹配网络、耦合结构和终端阻抗等。
匹配网络可以用于实现滤波器与输入、输出传输线的匹配，从而提高信号的传输效率。
耦合结构可以用于实现不同滤波器传输线之间的耦合，从而实现复杂的滤波特性。
终端阻抗可以用于调整微带波滤波器的输入、输出阻抗，以满足特定的应用需求。
最后，设计完成后，我们可以利用电路设计软件进行仿真和优化。
实验二、微带滤波设计与仿真
实验报告
• 1、利用ADS提供的设计向导快速设计一个低通滤 波器，其指标要求如下： • ⑴具有最平坦的相应，通带内纹波系数小于2， • ⑵通带截止频率fp=2~4GHz，（选择期间频率） • ⑶阻带截止频率fs=6~8GHz处的插入损耗必须大 于20dB，（选择期间频率） • ⑷输入输出阻抗为50Ω。 • 2、思考题：其他类型滤波器可以通过此方法进行 设计吗？
⑻在滤波器转换助手对话框中，选择 ，然后单击【Add】 按钮添加这对转换，单击【Transform】按钮，进行Kuroda转换，用同样的方 法选择 进行转换，得如图。
⑼选中”LC,Tline to Microstrip”选项，单击短截线 添加所有短截线到微带线的转换，如图。
图标，单击【Add】按钮
Rar
18 (GHz)
Simulation frequency where
Er = dielectric constant (from associated Subst) H = substrate thickness (from associated Subst) W 0, S 0, L 0 for layout W1 0, W2 0
集总参数滤波器转换为微带滤波器
Richands变换是将一段开路或短路传输线等效为分布的电感或电容元器 件的理论。即将串联电感等效为一段短路截线，将并联电容等效为一段并联开 路截线。但实际的微带线电路设计中串联短路短截线是无法实现的。Kuroda 等效给出了并联开路截线和一段传输线与串联短截线和一段传输线两种电路之 间的一种转换方法。 1、Kuroda等效设计滤波器步骤 用Kuroda等效设计滤波器大体分以下几步骤： ⑴根据Richards规则将集总参数的串联电感和并联电容变换成短路短截线和 开路短截线。 ⑵Kuroda等效通过加入相应的微带传输线把串联短截线变换为并联短截线。 ⑶选择微带线参数（厚度、介电常数及介质损耗等）根据计算的特性阻抗确 定各部分微带线段尺寸，然后进行电路仿真。
基于多模谐振器的高性能微带滤波器设计
基于多模谐振器的高性能微带滤波器设计基于多模谐振器的高性能微带滤波器设计摘要：本文主要介绍了一种基于多模谐振器的高性能微带滤波器设计方法。
通过选择适当的谐振模式和优化设计参数，实现了较高的滤波性能和较低的插入损耗。
本文首先介绍了微带滤波器的基本原理和现有设计方法，然后详细介绍了基于多模谐振器的设计步骤和优化策略。
最后，通过相应的仿真实验验证了所提出的设计方法的有效性和性能优势。
关键词：微带滤波器；多模谐振器；性能优化；设计方法；仿真实验1. 引言微带滤波器是一种常用于无线通信系统中的关键设备，用于滤除不需要的频率分量。
然而，传统的微带滤波器设计方法存在一些问题，如较高的插入损耗、较小的通带范围和较差的滤波性能。
因此，寻找一种高性能的微带滤波器设计方法是十分必要的。
2. 微带滤波器的基本原理和现有设计方法微带滤波器是一种使用微带线和谐振器构成的滤波器。
其基本原理是利用微带线的特性在特定的频率上产生滤波效果。
传统的微带滤波器设计方法主要包括：低通滤波器设计、高通滤波器设计、带通滤波器设计和带阻滤波器设计。
然而，这些传统方法在一些指标上存在不足，如插入损耗较大，滤波性能较差等。
3. 基于多模谐振器的设计步骤和优化策略为了解决传统微带滤波器设计方法存在的问题，本文提出了一种基于多模谐振器的设计方法。
该方法首先选择适当的谐振模式，然后根据谐振模式的特性选择合适的谐振频率。
接下来，通过优化设计参数，如微带线的宽度、长度和介电常数等，优化滤波器的性能。
最后，通过仿真实验验证所设计的滤波器的性能。
4. 仿真实验与结果分析本文设计了一个以C字形谐振模式为基础的高性能微带滤波器。
通过ADS软件进行仿真实验，得到了该滤波器的频率响应和插入损耗等性能参数。
实验结果表明，所设计的微带滤波器具有较好的滤波性能和较低的插入损耗。
5. 结论本文通过选择合适的谐振模式和优化设计参数，设计了一种基于多模谐振器的高性能微带滤波器。
仿真实验结果表明，所设计的滤波器具有较好的滤波性能和较低的插入损耗。
设计一个微带滤波器
关闭优化控件后的原理图
观察仿真曲线
点击工具栏中的Simulate 会出现图形显示窗口。
按钮进行仿真，仿真结束后
观察仿真曲线（续）
点击图形显示窗口左侧工具栏中的 按钮，放置一个方 框到图形窗口中，这时会弹出一个设置窗口(见下页图)， 在窗口左侧的列表里选择S(1,1)即S11参数，点击Add按钮 会弹出一个窗口设置单位(这里选择dB)，点击两次OK后， 图形窗口中显示出S11随频率变化的曲线。 用同样的方法依次加入S22，S21，S12的曲线，由于滤波 器的对称结构，S11与S22，以及S21与S12曲线是相同的。 为了准确读出曲线上的值，可以添加Marker，方法是点击 菜单中的Marker -> New，出现Instert Marker的窗口，接 着点击要添加Marker的曲线，曲线上出现一个倒三角标志， 点击拖动此标志，可以看到曲线上各点的数值。
进行参数优化（续）
经过数次优化后，CurrentEf的值为0，即为优化 结束。优化过程中根据情况可能会对优化目标、 优化变量的取值范围、优化方法及次数进行适当 的调整。
观察仿真曲线
优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。 方法是点击原理图工具栏中的 按钮，然后点击优 化控件OPTIM，则控件上打了红叉表示已经被关掉。 要想使控件重新开启，只需点击工具栏中的 按钮， 然后点击要开启的控件，则控件上的红叉消失，功能 也重新恢复了。 对于原理图上其他的部件，如果想使其关 闭或开启，也可以采取同样的方法。
优化目标的设置（续）
优化目标的设置（续）
这里总共设置了四个优化目标，前三个的优化 参数都是S21，用来设定滤波器的通带和阻带的 频率范围及衰减情况(这里要求通带衰减小于2 dB，阻带衰减大于40 dB)，最后一个的优化参 数是S11，用来设定通带内的反射系数(这里要 求小于 -20 dB)，具体数值见下页图。 由于原理图仿真和实际情况会有一定的偏差， 在设定优化参数时，可以适当增加通带宽度。 对于其它的参数，也可以根据优化的结果进行 一定的调整。
HFSS13微带滤波器教程.
HFSS13微带滤波器教程本例设计一个带通滤波器，通过微带线结构实现，工作频率覆盖5.4GHz-6.2GHz。
选用基板材料为Rogers 4350,其相对介电常数为 3.66，厚度为h=0.508mm，金属覆铜厚度h1=0.018mm，表1 模型初始尺寸Array设计步骤（以HFSS13.0为例）一开始（一）建立工程1.在HFSS窗口中，选择菜单File->New2.从Project菜单中，选择Insert HFSS Design（二）设计求解模式1.选择菜单HFSS->Solution Type2.在Solution Type窗口，选择Driven Modal,点击OK二建立3D模型（一）定义单位并输入参数表1.选择菜单Modeler->Units2.设置模型单位：mm，点击OK3.选择菜单栏HFSS->Design Properties再弹出的窗口中，点ADD添加参量，将上面模型的参数表中的变量全部添加进去，如下图：（二）创建金属板R11.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box12.双击模型窗口左侧的Box1，改名为R1，再点击Material后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R1的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（0mm,0mm,0mm），金属板长L1=7.2mm，宽W1=0.8mm，厚h1=0.018mm。
点击确定。
（三）创建金属板R1_11.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box22.双击模型窗口左侧的Box2，改名为R1_1，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。
3.双击左侧R1_1的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
Position输入坐标（W1+S1,0mm,0mm），S1=0.14mm，金属板长L1=7.2mm，宽W1=0.8mm，厚h1=0.018mm。
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微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。
它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。
在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。
微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。
滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。
对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。
1 微带滤波器的原理微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。
最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。
微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。
这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。
微带滤波器是在印刷电路板上，根据电路的要求以及频率的分布参数印刷在电路板上的各种不同的线条形成的LC分布参数的滤波器。
2 滤波器的分类最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。
图给出了这四种滤波器的特性曲线。
低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。
高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。
带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。
带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。
按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。
巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。
巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。
这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。
切比雪夫滤波器，又名"车比雪夫滤波器",是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。
切比雪夫滤波器来自切比雪夫分布，以"切比雪夫"命名，是用以纪念俄罗斯数学家巴夫尼提·列波维其·切比雪夫（ПафнутийЛьвовичЧебышёв）。
3 微带滤波器的设计指标微带滤波器的设计指标主要包括：1绝对衰减（Absolute attenuation）：阻带中最大衰减（dB）。
2带宽（band width）：通带的3dB带宽（flow-fhigh）。
带宽（band width）又叫频宽，是指在固定的的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力。
在数字设备中，频宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数。
在模拟设备中，频宽通常以每秒传送周期或赫兹（Hz）来表示。
亦称谱带半宽度（half bandwidth）或有效带宽。
无论仪器中光学系统的质量多么高，经单色器单色化后的光总是有一定的波长（宽度）范围，即具有以所指定波长（额定波长）为中心分布的一定波长范围。
通带即指最大吸光度值的一半处的谱带宽度。
3中心频率：fc或f0.每频程的上限与下限频率的几何平均值称为该频程的中心频率。
4截止频率：下降沿3dB点频率。
用来说明电路频率特性指标的特殊频率。
当保持电路输入信号的幅度不变，改变频率使输出信号降至最大值的倍，或某一特殊额定值时该频率称为截止频率。
5每倍频程衰减（dB/Octave）：离开截止频率一个倍频程衰减（dB）。
6微分时延（differential delay）：两特定频率点群时延之差以ns计。
7群时延（Group delay）：任何离散信号经过滤波器的时延（ns）。
群时延即系统在某频率处的相位（相移）对于频率的变化率。
8插入损耗（insertion loss）：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB9带内波纹（passband ripple）：在通带内幅度波动，以dB计。
10相移（phase shift）：当信号经过滤波器引起的相移。
11品质因数Q（quality factor）：中心频率与3dB带宽之比。
电学和磁学的量。
表征一个储能器件（如电感线圈、电容等）、谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种质量指标。
元件的Q值愈大，用该元件组成的电路或网络的选择性愈佳。
12反射损耗（Return loss）13形状系数（shape factor）：定义为。
14止带（stop band或reject band）：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如60dB点）的带宽。
工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。
前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类（高通、低通、带通、带阻等）；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为dU/df ,群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。
4 微带滤波器的设计通带是两个截止频率之间的频率范围。
在截止频率点，输出信号幅值下降到其最大值的倍。
本小节设计一个微带低通滤波器，滤波器的指标如下：通带截止频率：3GHz.通带增益：大于-5dB,主要由滤波器的S21参数确定。
阻带增益：在以上小于-48dB,也主要由滤波器的S21参数确定。
通带反射系数：小于-22dB,由滤波器的S11参数确定。
在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。
S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21（S12）随频率变化的曲线上。
S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。
了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面开始设计微带低通滤波器。
建立工程新建工程，选择【File】→【New Project】，系统出现新建工程对话框。
在name栏中输入工程名：microstrip_filter,并在Project Technology Files栏中选择ADS Standard:Length unit--millimet,默认单位为mm,如图所示。
单击OK,完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。
原理图和电路参数设计工程文件创立完毕后，下面介绍微带低通滤波器的原理图设计过程。
1）在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左侧的工具栏变为如图所示。
并选择6个MLIN、5个MLOC、1个MSUB按照图12-4所示的方式连接起来。
2）设置图12-4中的控件MSUB微带线参数H:基板厚度（mm）Er:基板相对介电常数（）Mur:磁导率（1）Cond:金属电导率（+7）Hu:封装高度（+33 mm）T:金属层厚度（mm）TanD:损耗角正切（1e-3）Roungh:表面粗糙度（0 mm）完成设置的MSUB控件如图所示。
3）滤波器两端的引出线是50 Ohm的微带线，它的宽度W可由微带线计算工具算出。
选择【Tools】→【LineCalc】→【Start LineCalc】命令。
在打开的窗口中输入如图12-6所示的内容。
在Substrate Parameters栏中填入与MSUB相同的微带线参数。
在Component Parameters栏中填入中心频率（本例为）。
Physical栏中的W和L分别表示微带线的宽和长。
Electrical栏中的Z0和E_Eff分别表示微带线的特性阻抗和相位延迟，点击Synthesize和Analyze栏中的和箭头，可以进行W、L与Z0、E_Eff间的相互换算。
本例中Z0为50Ohm,E_Eff 为45deg,W为,L为.另外打开的一个窗口显示当前运算状态以及错误信息，如图所示。
4）双击两边的引出线TL1、TL6,分别将其宽与长设为mm和mm.其余的微带线长度设为,宽度是滤波器设计和优化的主要参数，因此要用变量代替，便于后面修改和优化。
双击每个微带线设置参数，W分别设为相应的变量，单位mm.在设置宽度的5个变量时，为了让它们显示在原理图上，要把Display parameter on schematic的选项勾上。
设置完变量的原理图如图所示。
5）由于原理图中的MLIN和MLOC的宽度都是变量，因此需要在原理图中添加一个变量控件。
单击工具栏上的VAR 图标，把变量控件VAR放置在原理图上，双击该图标弹出变量设置窗口，依次添加各微带线的W参数。
在Name栏中填变量名称，Variable Value栏中填变量的初值，点击Add添加变量，然后单击Tune/Opt/Stat/DOE Setup…按钮设置变量的取值范围，其中的Enabled/Disabled表示该变量是否能被优化，Minimum Value表示可优化的最小值Maximum Value表示可优化的最大值，如图,所示。
微带滤波器中微带线的变量值及优化范围设置如下。
W1= opt{ to 2 },表示W1的默认值为,变化范围为到2.W2= opt{ to 2 },表示W2的默认值为,变化范围为到2.W3= opt{ to 2 },表示W3的默认值为,变化范围为到2.W4= opt{ to 2 },表示W4的默认值为,变化范围为到2.W5= opt{ to 2 },表示W5的默认值为,变化范围为到2.这样一个完整的微带低通滤波器的电路就完成了，如图所示。
S参数仿真设置和原理图仿真在执行仿真之前，先进行S参数仿真设置。
1）S参数仿真设置在原理图设计窗口中选择S参数仿真工具栏，Simulation-S_Param.选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2,并放置两个地，按照图连接好电路。
选择S参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长。
双击S参数仿真控制器，参数设置如下。
Start=0 GHz,表示频率扫描的起始频率为0 GHz.Stop=5 GHz,表示频率扫描的终止频率为5 GHz.Step= GHz,表示频率扫描的频率间隔为GHz.完成参数设置的S参数仿真控制器如图所示。