微带滤波器的原理与设计.doc

海量资料 超值下载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的一段短路传输线替代集总参数电感，也可以用特性阻抗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。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特性阻抗为。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。2. 用传输线替代电容和电感。3. 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50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：=1.0758= ，=1.2296=，=2.5408，=1.0归一化滤波器如图14-1所示。 图14-1 归一化5阶低通滤波器步骤2：用图14-2中的开路、短路的串联、并联微带线替换图14-1中的电感和电容。只需直接应用Richards变换即可得到微带线的特性阻抗和特性导纳为：， 图14-2 用串联、并联微带线替换图14-1中电感和电容（o.c.=开路线 s.c.=短路线）步骤3：为了在信号端和负载端达到匹配并使滤波器容易实现，需要引入单位元件以便能够应用第一和第二个Kuroda规则，将所有串联线段变为并联线段。由于这是一个四阶滤波器，我们必须配置总共四个单位元件以便将所有串联短路线段变换成开路线段。为了使整个过程更加清楚，我们将这一步骤再分为几步。首先，在滤波器的输入、输出端口引入两个单位元件，如图14-3所示。图14-3 配置第一套单位元件（U.E.=单位元件）因为单位元件与信号源及负载的阻抗都是匹配的，所以引入它们并不影响滤波器的特性。对第一个并联短线和最后一个并联短线应用Kuroda规则后结果如图14-4所示。图14-4 并联短线变换为串联短线因为这个电路有四个串联短线，所以仍然无法实现。如果要把它们变换成并联形式，还必须再配置两个单位元件，如图14-5所示。图14-5 为四阶滤波器配置第二套单位元件同样，因为单位元件与信号源及负载的阻抗相匹配，所以引入它们并不影响滤波器的特性。对图14-5所示电路应用Kuroda规则，则可得到如图14-6 所示的、真正能够实现的滤波器设计结果。图14-6 利用Kuroda规则将串联短线变为并联短线后的滤波器电路步骤4：反归一化过程包括了将单位元件的输入、输出阻抗变成50的比例变换以及根据图14-7计算短线的长度。根据，则短线的长度为=7.5mm 。图14-7（a）是用微带线实现的滤波器最终设计结果。图14-7（b）画出了滤波器在0至3.5GHz频率范围内的衰减曲线。由图可见，通带内的波纹在截止频率3GHz以下没有超过0.5dB。（a）微带线低通滤波器的实现频率，GHz（b）在频率响应中的衰减图14-7 微带线低通滤波器设计结果三、 实验内容实验设备:项次设备名称数量备注1微带线BPF模块1块无源实验箱2频谱分析仪1台3微波频谱仪信号输出端1台4射频连接线2条实验步骤: 1.测试框图如图14-8:图14-8 滤波器频率响应测量2.测量步骤：微带线BPF模块的测量：频谱分析仪起始频率，终止频率分别设置为2010MHz，2025MHz，校准频谱仪。频谱仪信号输出端接到微带线BPF模块IN端，相应的OUT端接频谱分析仪的INPUT端口。用频谱分析仪的TRACEMAXHOLD 功能记录信号的频率响应。将频谱分析仪之Marker 的频率标示在滤波器之中心频率处，将测量结果绘于表14（a）将频谱分析仪之Marker 的频率标示在滤波器之3-dB 、30-dB频宽处，记录测量结果。表14（a）4. 硬件测量的结果建议如下为合格：微带线B