实验06：滤波器(Filter).doc

实验六：滤波器（Filter）*一、实验目的：1.了解基本低通及带通滤波器之设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。3.学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真，并分析结果。二 预习内容：1 熟悉滤波器的相关原理等理论知识。2 熟悉滤波器设计的相关理论知识。三 实验设备： 项次设备名称数量备注1MOTECH RF2000 测量仪1套亦可用网络分析仪2低通滤波器模组1组RF2KM6-1A，（mod-6A） 3带通滤波器模组1组RF2KM6-1A，（mod-6B）450 BNC 连接线2条CA-1、CA-251M BNC 连接线2条CA-3、CA-46MICROWAVE软件1套 微波软件四 实验理论分析：（一） 滤波器的种类以信号被滤掉的频率范围来区分，可分为低通（Lowpass）、高通（Highpass）、带通（Bandpass）及带阻（Bandstop）四种。若以滤波器的频率响应来分，则常见的有巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)、切比雪夫型(T chebeshev Type-)及椭圆型(Elliptic)等，若按使用元件来分，则可分为有源型及无源型两类。其中无源型又可分为L-C型(L-C Lumped)及传输线型(Transmission line)。而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及发针型(Hairpin-line)等等不同结构。本实验以较常用的巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)为例，说明其设计方法。首先了解Butter-worth及Tchebeshev Type-I低通滤波器的响应图。(a) Butterowrth (b) Tchebyshev Type 其中 rp(dB)通带纹波(passband ripple), N元件级数数（order of element for lowpass prototype）截通比（stopband-to-passband ratio），= fc / fx (for lowpass) = B Wp / BWx (for bandpass)其中 fc-3 dB截止频率（3 dB cutoff frequency） fx截止频率（stopband frequency） BWp通带频宽（passband bandwidth） BWx截止频宽（stopband bandwidth）Tn(w)为柴比雪夫多项式(Tchebyshey polynom als)其中，图6-1(a)(b)即是三级巴特渥兹型B（3，）与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的截通比响应的比较图。理论上，在通带内巴特渥兹型是无衰减的（Maximun flat），而切比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。实际应用上，除非在通带内要求必须是平坦响应（flat response）外，大多允许通带内少量衰减，因而一般采用切比雪夫型以获得较大的截通效应或减少元件级数。图6-1（a）巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图图6-1（b）巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图 其中： B（3，）三级巴特渥兹型的衰减响应 T（0.25，3，）纹波为0.25dB 的三级切比雪夫型的衰减响应 T（0.5，5，）纹波为0.5dB 的五级切比雪夫型的衰减响应 T（1，7，）指纹波为1dB 的七级切比雪夫型的衰减响应（二）低通滤波器设计方法： （A）巴特渥兹型（Butterworth Lowpass Filter） 步骤一：确定参数。 电路阻抗（Impedance）：Z0（ohm） 截止频率(Cutoff Frequency)：fc(Hz) 截通频率(Stopband Frequency)：fc(Hz) 通带衰减量 阻带衰减量 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N)： , N取最接近的整数 步骤三：计算原型元件值（Prototype Element Values，gK）： 步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再根据公式计算实际电感电容值：（a）串L并C型 （b）并C串L型 （B）切比雪夫I型(Tchebyshev Type-I Lowpass Filter) 步骤一：确定参数。 电路阻抗(Impedance): Zo(ohm) 截止频率(Cutoff Frequency): fc(Hz) 阻带频率(Stopband Frequency): fx(Hz) 通带纹波量(Maximum Ripple at passband): rp(dB) 阻带衰减量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB) 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N). ， 其中 N取最接近的奇整数。 采用奇整数是为了避免切比雪夫低通原型在偶数级时，其输入与输出阻抗不相等。 步骤三：计算原型元件值(Prototype Element Values,gk)： 其中 步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再依据公式计算实际电感电容值。（a）串L并C型 （b）并C串L型（二）带通滤波器设计方法： 步骤一：确定参数。 电路阻抗(Impedance): Zo(ohm) 上通带频率(upper passband edge frequency): fPU(Hz) 下通带频率(lower passband edge frequency): fPL(Hz) 上截止频率(upper stopband edge frequency): fXU(Hz) 下截止频率(lower stopband edge frequency): fXL(Hz) 通带衰减量(Maximum Attenuation at passband): AP(dB) 阻带衰减量(Minimum Attenuation at stopband): AX(dB) 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N) 。 其中 （1）巴特渥兹型(Butter-worth) ， N取最接近的整 数 . （2）切比雪夫I型(Tchebeshev Type) ，N取最接近的奇 整 数 步骤三：计算低通原型元件值（Prototype Element Values,gk），其公式如前所示。并选择串L并C型或并C串L型，计算出实际电容（Cp）、（Ls）值。 （a）串L并C型 （b）并C串L型 步骤四：计算带通原型元件变换值。由低通原型实际元件值依据下列变换对照表计算出带通原型实际元件值，并用带通原型变换电器取代低通原型电路元件，以完成带通电路结构。低通原型电路元件带通原型变换电路变换公式CpLpCp电容 电感LsCsLs图6-1(a) N=5 串L并C型低通滤波器电路原型图6-1(a)N=5并C串L型低通滤波器电路原型 图6-1(c) N=5 串L并C型带通滤波器电路原型图6-1(d) N=5 并C串L型带通滤波器电路原型五、硬件测量：1 对于MOD-6A，低通滤波器的S11及S21测量以了解LC型低通滤波器电路的特性；对于MOD-6B带通滤波器的S11及S21测量以了解LC型带通滤波器电路的特性。2 准备电脑、测量软件，RF-2000,相关模组，若干小器件等。3 测量步骤: MOD-6A之P1端子的S11测量：设定频段BAND-1；对模组P1端子做S11测量，并将测量结果记录于表（8-1）中。 MOD-6A之P1及P2端子的S21测量：设定频段：BAND-1；对模组P1及P2端子做S21测量，并将测量结果记录于表（8-2）中。 MOD-6B之P3端子的S11测量：设定频段：BAND-2；对模组P3端子做S11测量，并将测量结果记录于表(8-3)中。 MOD-6B之P3及P4端子的S21测量：设定频段：BAND-2；对模组P3及P4端子做S21测量，并将测量结果记录于表（8-4）中。4 实验记录表8-1、8-2、8-3、8-4均为以下此表;5、硬件测量的结果建议如下为合格：RF2KM6-1A MOD-6A(DC-50MHZ) S11-20dBS21-1.5DB 50MHZ MOD-6B(PASSBAND) S1110dB 210MHZ (PASSBAND)Record Fpl S21=-3.0dBRecord Fph S21=-3.0dB (STOPBAND)Record Fxl Attn.=-18dBFxh Attn.=-18dB 6、待测模组方框图： 低通滤波器和带通滤波器六、软件仿真：1 这里以实例分析为例，先通过理论公式计算出各个元件值。2 然后进入微波软件MICROWAVE，在原理图上设计好相应的电路，设置好端口，完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。3 最后进行仿真，结果应接近实际测量所得到的仿真图形。4 如果不符合要求，再调试，直到达到要求为止。5 电路图如前面图图6-1(a)(N=5并C串L型低通滤波器电路原型)七实例分析：（一） 设计一个衰减为3dB，截止频率为75MHz的切比雪夫型1dB 纹波LC低通滤波器（Zo=50ohm），并且要求该滤波器在100MHz至少有20dB 的衰减。 解： 步骤一：决定规格。 电路阻抗(Impedance): Zo = 50ohm 截止频率(Cutoff Frequency): fc = 75MHz 截通频率(Stopband Frequency): fx = 100MHz 通带衰减量(Max. Attenuation at cutoff frequency): Ap = 3dB 阻带衰减量(Min. Attenuation at stopband frequency): Ax = 20dB 步骤二：计算元件级数(Order of elements,N) 。 , N取最接近的整数. N=5 步骤三：计算原型元件值(Prototype Elem