平行耦合微带带通滤波器设计

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表 3-3 偶、奇模阻抗决定耦合微带线的尺寸 耦合段编号 宽度 W 长度 L 间隙 S 1 0.9826 24.377 2 0.2253 2 1.1008 24.0543 1.0563 3 1.1042 24.0532 1.2414 4 1.1042 24.0532 1.2414 5 1.1008 24.0543 1.0563 6 0.9826 24.3772 0.2253
2.2 平行耦合带通滤波器原理
图 2-1 平行耦合微带滤波器
平行耦合微带带通滤波器是根据反对称原型滤波器设计的，这样的滤波器是关于其中心对称的。这些耦合微带线结构由两 根平行放置、彼此靠得很近的微带线构成，即为谐振器，它含有 n 个谐振器，就表示滤波器的阶数，每个谐振器的长度为半波 长，由 n+1 个平行耦合线节组成，长度为四分之一波长。其带通频率响应则由低通原型滤波器转换而来，低通原型滤波器可以 用传输函数的幅度平方来定义。这种几何结构包括介质层和微带线，介质层厚度为 h,相对介电常数为εr。 微带线的奇模、偶模通过公共接地板产生耦合效应，由于耦合效应而导致了奇模、偶 模特性阻抗,并且构成分布参数元件, 将耦合微带线元件级联到一起就可得到带通滤波器的特性[8-10]。 多种方法可以实现带通滤波器，有微带、有腔体等等。腔体滤波器虽然具有 Q 值高、高选择性[10]及插损低等优点，但因其 成本较高、不易调试的缺点，并不太符合实际要求。微带滤波器就不同了，其结构紧凑、易于实现、选频特独特性等等优点， 因而在集成电路中获得广泛应用。常用的微带滤波器有发夹型滤波器、平行耦合微带线滤波器、波长短截线滤波器、交指滤波 器等形式以及微带线 EBG(电磁带隙)、DGS(缺陷地结构)等新结构形式。而平行耦合微带带通滤波器具有体积小、重量轻、易于 实现等优点，较好的符合了本项目需要。 计算物理尺寸步骤如下： 1、由已知条件选择适合的归一化低通原型滤波器，用式（2-10）求出归一化频率，进而得到滤波器阶数及滤波器参数[11-12] （可查找表格） 。
平行耦合微带带通滤波器设计
张 静 摘要：微带线结构的特点，便于加工制作与批量生产，而且易于其他有源、无源的微波器件集成，是现在使用比较广泛的平 面传输线。滤波器和微带线滤波器为两类经常应用在微波滤波中的器件，相比于腔体滤波器，微带线滤波器具有更小的体积, 方便与集成在射频电路中，具有更广泛的应用。 微带线带通滤波器是一种常用在各种微波产品中的重要器件,具有结构小、集成性强等优势。本文设计是基于工程应用的 需要，完成指标厚度为 0.508 毫米的 RogersR04350 微带介质版在工作频段 1800~1900MHz 达到衰减要求的一款平行耦合线微 带带通滤波器，使之掌握工程开发的相关流程以及当前技术发展与需求。通过计算完成建模、优化与最后的实物制作，性能 与设计一致。 关键词：带通滤波器；微带；平行耦合 Abstract：The microstrip line was widely used in microwave field because it can manufacture easily and can be mass-produced. What’s more, it can integrate easily with other microwave devices. Cavity filter and microstrip line filter was widely used in microwave filter de vices. However, microstrip line filter is smaller than cavity filter, and it can use in RF circuits easily. So this filter was widely used in microwave field. Microstrip line filter has been used in many microwave devices. In this paper,the microstripline filter was based in engineering application. It can work in the scope of 1800~1900MHz, and its process can match the demand of development. We use HFSS software to design the model of this filter, and then we simulate this filter. As the resultit ,can meet the demand. Key Words：Bandpass filter; Microstrip; Paralle coupling
2 2
(2-4)
式中，脚标 i 表示耦合单元，Z0 是输入输出端口特性阻抗。 3、确定微带线的物理尺寸。利用奇偶模特性阻抗的值，借助于数值计算求出阻抗表，根据阻抗表换算出实际的尺寸。
3. 运用 HFSS 进行设计模拟仿真 3.1 平行耦合微带带通滤波器的设计步骤
1）由给定的工作频段，求出滤波器的各项技术指标。如中心频率、带宽等。 2）求滤波器尺寸。 利用已知量确定平行耦合滤波器的阶数，得到参数 g，进而求出滤波器的奇、偶模特性阻抗，利用特性阻抗求出微带线的 物理尺寸。
3.3 仿真与实验结果
由表 3-3 中的数据，在 HFSS 仿真软件中建立初步仿真模型，介质板电常数 3.66，厚度为 0.508mm，高度为 0.001mm（可 忽略不计）模型图如 3-1 所示。
图 3-1 耦合微带线滤波器模型图
图 3-2 理论计算的耦合微带线带通滤波器的 S 参数曲线图
按照理论计算的数据仿真出的结果如图 3-2 所示。从图中可以看出效果很差，对其进行优化。最终优化后得到的 S 参数曲 线如图 3-3、3-4 所示。
2.2 低通滤波器的响应
设计滤波器的基础是低通滤波器，各集总元器件的滤波器（如高通、带阻、带通）以及分布参数元器件滤波器，都可以通 过低通滤波器转换得到。插入损耗作为考察滤波器的 常用的指标，插入损耗随所需的响应的不同，可以选择不同的函数，常 用的有通带内最平坦、通带内有等幅波纹起伏、通带和阻带内都有等幅波纹起伏和通带内有线性相位等响应，对应上述响应的 滤波器称为巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器和线性相位滤波器等[7]。
C U L C
c来自百度文库

(2-1)
其中ωU 为上边频，ωL 为下边频，ωc 在低通和高通滤波器中为截止频率，在带通和带阻滤波器中为中心频率。 2、确定归一化带宽。由上边频和下边频可确定归一化带宽：
BW U

L
C
(2-2)
J 0,1 Z 0 2 g 0 g1 1 BW J i,i 1 Z 0 2 g i g i 1 1 BW J N , N 1 Z 0 2 g N g N 1 1
参考文献
[1] [2] [3] [4] [5] [6] [7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] A. E. Atia and A. E. Williams. Narrow- Bandpass Waveguide Filters[J]. Microwave Theory and Techniques, IEEE Transactions on, 1972, 20(4): 258-265. A. E. Atia and A. E. Williams. New Types of Waveguide Bandpass Filters for Satellite Transponders[J]. Comsat Tech. Review, 1971, 1(1): 20 -43. 赵宏锦译.无线通信中的微波谐振器与滤波器.北京:国防工业出版社,2002. 甘本袚,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京:科学出版社,1973:148-191. 黄席椿.滤波器综合法设计原理[M].北京:人民邮电出版社,1978:107-141. 李嗣范,微波原理与设计[M].人民邮电出版社,1982. 夏祖学.一种EBG 微带滤波器的设计[J].西南科技大学学报,2006,21(2):36-40. 周郭飞,赵全明等.微带电容间隙祸合传输线带通滤波器的优化设计[D].微波学报,2003,19(l):34-38. Levy Ralph Richard V.Snyder ,Gorge Marrhaei. Design of Microwave Filters[J]. IEEE Transationson Microwave Theory and Tecniques,2002. 李春红,李志强.低频段腔体滤波器的小型化设计[J].无线电工程,2006,36(2):45-47. 刘长军,黄卡玛,闫丽萍.射频通信电路设计[M].北京:科学出版社,2005:269-270. 王子宇,俆承和.射频电路设计—理论应用[M].北京:电子工业出版社,2001:147-153. 夏雪祖.平行耦合微带线带通滤波器设计与测试[J].西南科技大学学报,2010,25(2):72-75.
图 3-3 修整后的 S 参数曲线图
图 3-3 最优化后的 S 参数曲线图
3.3 实物制作与检测
制作的实物图形， 如图 3-4。 实物测试的图形， 如图 3-5 所示。 经矢量网络分析仪测试后得到的频率曲线图， 如图 3-6 所示。
图 3-4 平行耦合微带带通滤波器实物图
图 3-6 平行耦合微带滤波器实物测试的频率响应图 图 3-5 实物测试
3）建立仿真模型图。 用已得到的物理尺寸，运用 HFSS 软件建立初步的仿真模型图并进行仿真。得到仿真结果图形。 4）对初步的仿真模型进行进一步优化。
3.2 平行耦合微带带通滤波器的设计实例
要求设计出平行耦合型微带带通滤波器，工作频段在 f1～f2=1800MHz～1900MHz 通带衰减：LAr=0.1dB，输入、输出端微 带线特性阻抗 Z0=50Ω，使用的介质基板介电常数εr=3.66，高度 h=0.508mm，t=0.001mm（也可忽略不计） 。 设计步骤： 1) BW=1900-1800MHz=100MHz，f=f0-BW=1849-100MHz=1749MHz，利用式 2-1 得到频率为 =− 2.06，查切比雪夫滤波
2. 微带带通滤波器一般分析 2.1 微带传输线的基本理论
微带线（Microstrip Line）是一种微波传输线，在 20 世纪 50 年代发展于。其缺点是损耗教大，Q 值低，功率容量低；其优 点是体积很小、重量很轻、频带宽、可集成化。目前，微波系统逐步向固态化及小型化的方向发展，所以微带线就得到了广泛 的使用。 微带线也是一根信号线，用一种电介质将它与地面隔离开。它的厚度、宽度、介质的高度以及介质的介电常数共同决定了 微带线的特性阻抗。若想控制特性阻抗，就可以通过控制其厚度、宽度以及介质的高度来达到目的。 对称微带线又称带状线（Stripline）,是一种以空气或固态介质绝缘的 双地板传输线。带状线可以看成是由同轴线演变而来 的。不对称微带线（即标准微带线）是由沉积在介质基本上的金属导体带条和接地板构成的。微带线可以看成由平行双导线演 变而来的。[4-6]
利用计算公式求出奇、偶模特性阻抗，见表 3-2： 3) 根据算出的偶、奇模阻抗决定耦合微带线的尺寸于表 3-3 中：表 3-2 各耦合段的偶、奇模阻抗值
耦合段编 0 号 偶模阻 抗 奇模阻 抗 41.33 1 47.24 2 47.71 3 47.71 4 47.24 5 41.33
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1. 引言
早期，在电路中滤波器就扮演着重要的角色，并在通信技术的发展中不断的进步。使得电信领域发生了一场重要的技术革 命，研发出新的技术，新技术的发展加速了新滤波器的研究及发展[1-2]。 随着社会的发展和进步，原来的那种大型的设备无论是在功能上还是需要上已经满足不了人们的需求，现在小型化、高性 能及成本低的滤波器被广泛的应用着。微波滤波器常常用于通讯、雷达及微波测量仪器中。滤波器的作用是使得有用信号通过 并阻挡没用的信号，即使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。对特定频率的频点及其 以外的频率进行有限滤除的电路即为滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。滤波器的性能的好坏对一个 电路的性能指标影响很深[3]。
BW
(2-3)
利用上述公式及式（2-2）可求出滤波器奇模、偶模特性阻抗[13]：
Z |
Z 0 1 Z 0 J i ,i 1 1 Z 0e |i,i1 Z 0 Z 0 J i ,i 1
0 o i ,i 1
Z 0 J i,i1 Z 0 J i,i1
4. 小结
从仿真结果来看，通带范围内测试结果与仿真结果基本一致，但也存在一定的误差。产生误差的原因：一是用仪器在制作 实物的过程中存在偏差；二是制作实物的材料本身有着一定的缺陷。 成功设计一个滤波器，就必须根据其技术指标来选择合适的滤波器结构，求其阶数。分析其衰减特性，对要设计的滤波器 进行合理的、正确的计算，在过程中要时刻保持头脑 清醒。用软件细心的建立模型，对结果认真地进行分析，最后优化出最 好的结果。
' ' 1
器带阻衰减特性图可知 n=4 满足要求，为了防止误差造成的影响 n=5 更合适。由表可以查出，n=5 的归一化低通原型的元件值 为表 3-1 所示：
表 3-1 归一化低通原型的元件值 g0 1 g1 1.7058 g2 1.2296 g3 1.2296 g4 1.7058 g5 1.7058 g6 1