实验四 微带短截线低通滤波器的设计

实验四 微带短截线低通滤波器的设计

4.1 微带短截线低通滤波器设计基础

4.1.1分布参数滤波元件的实现

1. Richards 变换

集总元件构成的滤波器通常工作频率较低，在微波频段，我们常常采用微带结构实现较好的滤波性能。在设计得到滤波器原型之后，为了实现电路设计从集总参数到分布参数的变换，Richards 提出了一种变换方法，这种变换可以将集总元件变换成传输线段。如图4.1所示，电感L 可等效为长为λ/8，特性阻抗为L 的短路线；电容C 可等效为长为λ/8，特性阻抗为1/C 的开路线。

图4.1 Richards 变换

2. Kuroda 规则

采用Richards 变换后，串联元件将变换为串联微带短截线，并联元件将变换为并联短截线。由于串联微带短截线是不可实现的，所以需要将其转变为其它可实现的形式。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，如图4.2所示。其中，2211/n Z Z =+；U.E.是单位元件，即电长度为λ/8、特性阻抗为UE Z 的传输线。选用合适的Kuroda 规则，可以将串联短截线变换为容易实现的并联短截线。

图4.2 Kuroda 规则

4.1.2 微带短截线低通滤波器设计步骤

微带短截线低通滤波器的实现可分为四个步骤： 1. 根据设计要求进行低通滤波器原型设计；

2. 采用Richard 变换将低通滤波器原型中的电感和电容转换为等效的λ/8串联

和并联传输线；

3. 应用Kuroda 规则将串联短截线转换为并联短截线；

4. 阻抗和频率定标。

4.1.3 微带短截线低通滤波器设计实例

设计一个3阶、0.5dB 等波纹低通滤波器，其截止频率为4GHz ，阻抗是50欧姆。

第一步 根据设计要求，查表得到低通滤波器原型。

111.5963g L == 221.0947g C == 331.5963g L ==

第二步应用Richard变换将电感和电容转换为等效的串联和并联短截线。

第三步应用Kuroda规则将串联短截线转换为并联短截线。

第四步阻抗和频率定标。

4.2 微带短截线低通滤波器实践

4.2.1 实验目的

1.了解滤波器的原理和设计方法；

2.学习使用Microwave office软件进行微波电路的设计、仿真、优化；

3.掌握微带短截线低通滤波器的设计及调试方法。

4.2.2 实验内容

1.了解微带短截线低通滤波器的工作原理和设计方法；

2.根据指标要求，使用Microwave office软件设计一个微带短截线低通滤波器，

并对其参数进行仿真、优化。

4.2.3 设计指标

在介电常数为4.5，厚度为1mm的FR4基片上（T取0.036mm，Loss tangent 取0.02），设计一个3阶、最大平坦型微带短截线低通滤波器，其截止频率为f （见表4-3），阻抗是50欧姆。

在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21是传输系数，反映传输损耗和带外抑制；S11、S22分别是输入、输出端口的反射系数。此外，要仿真滤波器的群时延特性。

4.2.4 设计步骤

1.根据设计要求进行低通滤波器原型设计；

2.采用Richard变换将低通滤波器原型中的电感和电容转换为等效的λ/8串联

和并联短截线；

3.应用Kuroda恒等关系将串联短截线转换为并联短截线；

4.阻抗和频率定标；

5.采用TXLINE.EXE等软件，计算各段微带线的尺寸（尺寸精度到0.01mm）；

6.采用Microwave Office软件，按照给定的指标和结构设计滤波器，并对其参

数进行仿真、优化。

思考题1

设计一个3阶、最大平坦型LC低通滤波器，其截止频率为f（见表4-3），阻抗是50欧姆。将所设计的两种形式滤波器进行比较。

思考题2

设计一个5阶、波纹0.5dB的微带短截线低通滤波器，其截止频率为f（见表4-3），阻抗是50欧姆。采用下图所示的低通滤波器原型。

附录

表4-1 最大平坦低通滤波器原型的元件值（g0=1，w c=1，N=1~10）

表4-2 等波纹低通滤波器原型的元件值（g0=1，w c=1，N=1~10）

表4-3 每位同学的设计频率f