微波滤波器的设计与仿真设计

1、目录摘要 2前言 2一、微波概论 31微波 32. 微波的特点和应用42.1微波波长段易于实现定向辐射 42.2频率高、频带宽、信号容量大 52.3视距传播能穿透电离层52.4微波的热效应和微波能的应用 6二、滤波器原理61. 滤波器的基本概念 62. 滤波器设计的两种出发点 103. 滤波器原型 113.1最平坦低通原型滤波器 113.2 切比雪夫低通原型滤波器 123.3椭圆函数低通原型 13三、微波传输线 141. 微波传输线142. 微带线 142.1微带传输线的构成 142.2微带线的特性阻抗 153. 微带线的特点与应用 18四、直接耦合短截线带通滤波器的设计与仿真 191. 两种

2、短截线滤波器192. 设计步骤 213. 仿真运行与优化 24五、总结 28六、参考文献 29摘要本文对微波理论及微波滤波器作了详细的介绍。其中有微波技术的发展以及滤波器的分类、特点和应用。直接耦合短截线带通滤波器设计方法和参数计算，并对计算结果进行仿真验证。经过仿真符合设计要求，表明此设计方案正确关键词：微波带通滤波器直接耦合短截线带通滤波器 HFSS软件仿真Microwave tape the clear design of wave filterHFSSmulateAbstract This paper for microwave theoretical and microwave wa

3、ve filter have made detailed introduction. In which, there are the development of microwave tech no logy as well as the classficatio n of wave filter , characteristic and applicati on. Parallel couple line microwave tape the clear design method and parameter calculation of wave filter, and verify as

4、 calculating result to carry out emulation. Through emulati ng , accord with desig n requireme nt, it is correct to show this desig n scheme.Keyword : Microwave tape clear wave filter当今信息社会的发展依赖于通信技术的发展，而基于多媒体的全球个人通信 系统中的无线通信将得到更大的发展。作为关键射频器件的滤波器的作用越来越 重要，对性能的要求也越来越高。滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心， 可利用它们来分开或组合

5、不同的频率， 如在变频器、倍频器以及多路通信中。电 磁波频谱是有限的，且须按应用加以分配；而滤波器既可用来限定大功率发射机 在规定频带内辐射，反过来又可以用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。在 阻抗匹配中也有象滤波器的网络，如在两个不同特性阻抗的传输线之间， 或在有 内阻的发生器于电抗负载（如参量放大器中的二极管）之间。有时需要得到一定 的相位（或时延）特性，如脉冲压缩或展宽，或补偿其他的滤波器或色散结构（如 一般波导）所产生的相位失真等，也需要滤波器。此论文从微波的基础知识入手，逐渐扩展到微波滤波器的一些设计方法。其 中主要介绍了微波的一些基础概念以及微波的应用， 滤波器分类和设计原理，微

6、 带线理论、分类及应用以及微波带通滤波器参数的计算和软件设计及仿真。 最后 对这次设计的一个总结。由于学习能力有限，在设计过程中难免出现了一些错误， 还请谅解，希望能给一 些好的指导，十分感谢！一、微波概论1.微波微波是电磁波谱中介于普通无线电波（长波，中波，短波，超短波）与红外 线之间的波段。它是属于无线电波中波长最短，即频率最高的波段。微波和普通无线电波、可见的和不可见的光波、x射线、丫射线一样，本质上都是随时间和空间变化呈波动状态的电磁场即电磁波。尽管它们的表现各不相同，例如，可见光可以被人眼所感觉而其它波段则不能；x射线和丫射线具有穿透导体的能力而其它波段则不具有这种能力；无线电波可以

7、穿透浓厚的云雾而光 波则不能等等，但他们都是电磁波。之所以出现这么多不同表现归根结底是因为 它们的频率不同波长不同。微波波段区别于其它波段的主要特点是其波长可同常用电路或元件的尺寸 相比拟，即为分米、厘米、毫米量级。其它多波段都不具有这个特点。普通无线 电波的波长大于或远大于电路或元件的尺寸， 电路或元件内部的波过程可忽略不 计，因此可用路的方法进行研究。光波、x射线、丫射线的波长则远小于常用元 件的尺寸，甚至可以同分子和原子的尺寸相比拟， 因此根本不可能用电磁的方法 或普通电子学的方法来产生和研究它们，它们是同分子、原子或核的行为相联系 的。由于微波的波长可以同元件或电路相比拟， 因此电磁波

8、在电路内甚至元件内 的传播时间就不再是微不足道的，我们在普通无线电电子技术中的集总参数的概 念和方法就不那么有效了。在频率较低的电路中，我们往往可以区分出电路的某 一部分是电容，另一部分是电感或电阻，而连接它们的导线则既没有电容、电感， 也没有电阻，这就构成集总参数电路。但是到了微波波段，元件中的电场与磁场 已构成了一个整体一一交变电磁场或电磁波， 使用的元件成为传输线、波导、谐 振腔等，因此，集总参数电路的方法就失效了。在微波领域中以麦克斯韦方程为 基础的宏观电磁理论得到了最充分最成功的运用。当进一步过度到亚毫米波、红 外线以至可见光或频率更高的电磁波谱时， 由于波长逐渐同分子或原子的尺寸相

9、 比拟，宏观电磁理论又不是那么有效了， 不那么完善，这时就必须运用量子理论 的方法。当然，以上的划分不是绝对的，例如，在研究普通无线电波的辐射和传 播问题时必须舍弃路的方法而采用场的方法；在研究原子或分子精细能级结构的微波发射与吸收时必须舍弃宏观的方法而采用量子的方法。但是，在研究光学的某些问题如反射、折射、衍射等时宏观的方法也是行之有效的。总之，微波波段的范围是由所应用的独特的元件、 技术和研究方法所决定的。 精确的划分出微波波段的范围是没有什么实际意义的。只能说波长从几米的量级到十分之几毫米的量级属于微波波段，通常把波长一米到一毫米（即频率300M至300GHz）之间的波段称为微波，波长从

10、1毫米到0.01毫米的亚毫米波段是微 波与红外的过度波段，有时把其中波长较长的部分归入微波领域。2 .微波的特点和应用自20世纪初无线电技术发展以来，使用的波段不断扩展。从最初使用的长 波和中波一直扩展到超长波，另一方面尤为迅速地向短波方向扩展，经过短波、 超短波，在20世纪40到50年代扩展到分米波和厘米波，在 20世纪60到70 年代又扩展到毫米波和亚毫米波。现在无线电波和光波之间不已不存在空白。 微波波段研究的进展是由实际需要推动的， 而微波的实际运用则是同微波的特点 密切相关的。微波具有如下四个重要特点：2.1微波波长段易于实现定向辐射早在无线电发展初期，人们在实践中就认识到可以利用无

11、线电波的反射测定 目标物的位置，这就是雷达的原理。为了精确的，则必须让无线电波定向发射， 也就是聚成一个窄束，不这样就无法判断反射波究竟是从哪个方向反射回来的。 事实上在微波历史发展初期（20世纪40年代），微波技术几乎是与雷达一起发 展起来的。现在雷达的种类和用途已是多种多样，如远程或超远程警戒雷达、炮 火控制和瞄准雷达，火箭或航天器的制导及轨道警戒雷达、导航雷达、气象雷达、 汽车防撞雷达等等。它们所使用的几乎无例外地是微波波段。微波易于实现定向辐射的特点还有助于点对点通信及定向广播。现代多路通信、卫星通信、卫星电视广播等都使用微波波段。2.2频率咼、频带宽、信号容量大任何通信系统为了传递一

12、定的信息必须占有一定的频带， 纯粹的单频正弦波 并不携带任何信息。为传递某种信息必须的频带宽度叫信道。 例如，人耳所能听 到的声音频带范围大约是在 20至20000Hz，但为了能听懂对方的语言，大约只需传输300至3400Hz这一段频率的信号就够了，也就是说，一个语言信道至少 要有3000Hz的频带，普通电话就是这样设计的。因此电话可以听懂但不悦耳， 也就是不够逼真。为了相当逼真地传送语言和音乐，则需要占6至15KHz的频带，这就是广播所要求的频带。为了传送电视图象，则需要更宽的频带，对于我 国的电视制式，一路黑白的或彩色的电视加上伴音要占据8MHz的频带。为了避免相互干扰，一个地区或一条线路

13、上各个信道所占的频带必须错开，因此在一定频段内所能容纳的信道是有限的。 即使采用数字通信，线路的信息容 量仍然取决于线路的频带宽度。根据目前的技术水平，一条通信线路一般只有不超过百分之几的相对带宽。所以，为了把许多路电视、电话 或电报同时在一条线路上传送，就必须使信道 容量，现代多路通信系统包括卫星通信系统几乎无例外地工作在微波波段。2.3视距传播能穿透电离层各波段的无线电波传播特性是不一样的，长波可以沿着地球的弯曲表面传播 到很远，这种传播方式叫地波。从中波过渡到短波，地波的衰减逐渐增大，传播 距离逐渐减小。但短波可以借助 60至300km高空的电离层折射返回地面，这种 方式叫天波。短波通信

14、就是利用了天波，它可实现远距离通信，但不够稳定，因 为电离层的密度和高度随季节，昼夜以及太阳的活动而变化到了超短波和微波波段，地波的衰减更大，已无法利用。同时，这个波段的 电磁波一般不能被电离层折射返回地面，它能穿过电离层，因此也不能采用天波 的传播方式。超短波和微波只能在视距内沿直线传播， 并能穿过电离层达到外层 空间。这种传播称为空间波。微波的视距传播特性有它有利的一面， 也有不利的一面。其有利方面是可以 把作用范围限制在我们所需要的区域内， 以避免干扰。同时由于微波可以穿透电 离层而不像频率较低的电磁波那样被电离层折返或吸收， 因此，地球和宇宙之间 的通信、卫星通信等必须使用微波。2.4

15、微波的热效应和微波能的应用高频率感应加热和介质加热早已应用在许多工业部门。 在微波波段，材料的 介质损耗增大，特别是含水份的材料对微波能的吸收非常有效， 从而使微波成为 很好的加热手段。微波加热具有效率高、透热深度大、加热迅速等一系列优点。因此，微波加热和微波烘干正日益广泛地应用于粮食、 茶叶、卷烟、木材、纸张、 皮革、蚕丝、纺织、食品等工农业生产领域中。微波理疗也日益广泛地被利用微波代替原来所用的煤、煤气或蒸汽进行加热或烘烤可以节约能源， 提高产 品质量，改善劳动条件，便于实现生产过程的自动化。此外，家庭烹饪用微波炉 也已得到了广泛的应用。微波在未来能源的探索和开发中也起着重要作用。 例如，

16、在受控热核聚变研 究中利用毫米波电子回旋共振效应加热等离子体， 在空间太阳能发电站的设计中 用微波作为将能量送回地面的手段等。二、滤波器原理滤波器是一种二端口网络。它具有选择频率的特性，即可以让某些频率顺利通过，而对其它频率则加以阻拦，目前由于在雷达、微波、通讯等部门，多频率工 作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应提高；所以需用大量的滤波器。再则， 微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，像参数放大器、微波固体倍 频器、微波固体混频器等一类器件都是多频率工作的， 都需用相应的滤波器。更 何况，随着集成电路的迅速发展，近几年来，电子电路的构成完全改变了，电子 设备日趋小型化。原来为处理模拟

17、信号所不可缺少的 LC型滤波器，在低频部分， 将逐渐为有源滤波器和陶瓷滤波器所替代。在高频部分也出现了许多新型的滤波 器，例如：螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等。虽然它们的设计 方法各有自己的特殊之点，但是这些设计方法仍是以低频“综合法滤波器设计” 为基础，再从中演变而成。1滤波器的基本概念R1 I图2.1的虚线方框里面是一个由电抗元件 L和C组成的两端口。它的输入端 1-1与电源相接，其电动势为 Eg,内阻为R1。二端口网络的输出端2- 2与负 载R2相接，当电源的频率为零（直流） 或较低时，感抗Lwj浪小，负我R2 两端的电压降E2比较大（当然这也就是说负载 R2可以得到比较大

18、的功率）。但是，当电流的频率很高时，一方面感抗 Lwj 变得很大，另一方面容抗-j/wc却很小,电感I 有一个很大的压降，电容 C 又几乎把R2短路，所以，纵然电源的电动势 Eg保持不变，负载R2两端的压 降E2也接近于零。换句话说，R2不能从电源取得多少功率。网络会让低频信号 顺利通过，到达R2,但阻拦了高频信号，使R2不受它们的作用，那些被网络 A （或其他滤波器）顺利通过的频率构成一个“通带”，而那些受网络A阻拦的频 率构成一个“止带”，通带和止带相接频率称为截止频率。什么机理使网络A具有阻止高频功率通过的能力呢？网络 A是由电抗元件 组成的，而电抗元件是不消耗功率的，所以，高频功率并没

19、有被网络A吸收，在图一所示的具体情况中，它有时贮存于电感L的周围，作为磁能；在另一些时间，它又由电感L交还给电源。如果L和C都是无损元件（即它们的电阻等 于零），那么，高频功率就是这样在电感与电源之间来回交换，丝毫不受损耗， 这就是电抗滤波器阻止一些频率通过的物理基础。从这个意义来说，我们可以认为滤波器将止带频率的功率发射回电源去，同时也是因为这个关系，在止带内滤波器的输入阻抗是纯电抗性的。图2.1的网络A是一个很简单的滤波电路，它的滤波效能是比较低的，在许 多场合下，往往不能满足技术上的要求，而不得不采取更复杂的电路结构。然而， 不管电路结构如何复杂，滤波作用的物理根源还是和前面所说的完全一

20、样。滤波作用是滤波网络所具有的内在特性，但滤波网络所能起到的作用还受外界因素 （电源内阻R1和负载电阻R2）的影响。滤波效能首先决定于滤波器的内在特性 （这是主要的），同时还决定于滤波器的外加阻抗（这也是不可忽略的）。那么， 滤波器效能是用什么来衡量的呢？图 2.2（a）表示一个电源，它的电动势为Eg，内 阻为R1。设负载为R2,则当负载直接与电源相接时，它所能吸收的功率Po2为：Pg = 一 E；+ 7?2现在我们将滤波器A接于电源与负载之间，如图2.2（b）所示，由于滤波器的特性，当电源频率变化时，出现于 R2两端的压降E2是不同的，即R2从电源所取得的功率- 在不同頻率|是不等旳用分儿來

21、云小的Po2与R2的比值称为插入损耗Li :L - 10 lo鱼(1)EgA4J(a)图 2. 2图2. 2插入损耗Li是衡量滤波器效能的一个参数。根据上面的讨论，显然可见，一个良好的滤波器的插入损耗在通带内应该比较低，而在止带内应该比较高。理想的滤波器的插入损耗在通带内应该等于零，而在止带内应该是无穷大。插入损耗是普通滤波器常用的参数。滤波网络具有的阻抗变换特性不难使负载R2在整个通带内与电源达成匹配。这时，负荷所吸收的功率将超过Po2，而使Li取得负值。根据R1和R2的比值不同，Li的这个负值也不一样。因此，插入损耗 Li并不是一个很方便的比较基准。为了避免这种困难，人们还提出另外一个参

22、数，它以电源所能供给的最大功率 Po为基准。从电工基础我们知道：Pq = E； /4农1P1与Po的比值，如以分贝来表示，称为变换器损耗 LA.= 10 lg P2根据以上给出的种种关系，可以算出：从上式显然可见，当R1= R2HJ 变换俣：,1竝驰丿丄忻心贡耗-冇止殳歩考七上，这两者是混为一谈的。必须注意，在上式中，当频率变化时，P2是跟着变化的。在理想的情况下，滤波器的变换器损耗LA在通带内应该是零，而在止带内则应该具有比较大的数 值。根据滤波器的具体电路结构，变换器损耗与频率保持有各种不同的关系。图2.3给出四种典型关系，在这些图中，横坐标 w表小顒学，纵來林衣小变换器 损耗LA。a表示

23、有关器件顺利通过低于 w1 旳駆率Iij卜閤高于w1 的砸 率通过；这样的器件称为低通滤波器（LP Low Pass）。（b）的情况正好相反，称 为高通滤波器（HP High Pass）。 表示有关器件顺利通过 w1 壬w2 之间 的频率，对于低于w1或卜jJ：w2旳频率和罔“:门通过；这样旳器件琢为带通滤波器（BP-Band PasS。（d）是（c）的对立面，它阻止w1至w2 ZlH的频 率通过，称为带阻滤波器（BS Band Suppress。这些不同的频率特性取决于电 路的具体结构，图四给出以上四种滤波器的基本结构形式，各个元件的数值是和变换器衰减的频率特性以及所接负载密切联系着的。骤然

24、看来，这四种电路结构是很不相同的，似乎各自应有各自的设计方法。其实不然，通过一些数学方法，人们可以把这四种滤波器电路结构完全统一起来， 这里用到的数学方法叫作“频率变换”。应用频率变换法，其它三种滤波器都可 以看作低通滤波器；在设计时，先从它对应的低通滤波器着手（因为这样简单得 多），在获得低通滤波器的设计数据以后，再用频率变换法，求得所要设计的滤 波器的数据。因为这个关系，满足设计技术要求的低通滤波器称为“母型滤波器”上面提出了衡量滤波器效能的参数-变换器损耗LA，但是，效能好坏的准则又是什么呢？在实际滤波器中，变换器损耗的频率特性往往不像图三那样理 想。首先，从通带过渡到止带，LA是慢慢增

25、加的，所以，衡量滤波器效能好坏 的有关标准是：从通带过渡到止带时，LA曲线的上升要陡峭。其次在通带内， 变换器损耗不是完全不存在的，一方面因为构成滤波器的元件多少总带有一点损 耗，如电感中的电阻，电容中的漏阻等。另一方面，由于设计上的考虑，有时故 意要LA在通带内不能完全为零。故衡量滤波器效能的另一准则是：在AL曲线从通带过渡到止带的上升程度相同的情况下，LA在通带内的大小究竟怎样。对以上两点的要求越高，滤波器所需用的元件越多，这将带来生产工作和造 价的增加。所以，对于实际设计，应根据具体情况进行全面的考虑，只要滤波性 能能够满足所提出的要求，那便没有追求 LA曲线上升过分陡峭的必要。2.滤波

26、器设计的两种出发点滤波器的设计当前有两种不同的出发点。 一种称为镜象参数法。它以滤波网 络的内在特性为根据。是人们一向用来设计滤波器的老办法。 这种方法的特点是： 根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出变换器损耗的特性。然后再将这 些具体电路拼凑起来，使总的LA特性满足所需要的技术要求。用这种方法设计出 来的滤波器一般为K式滤波器和m式滤波器等。这种方法的优点是理论根据简 单。它的缺点是在分析过程中没有考虑外接负载的影响，故在具体的设计要求提 出后,需要反复试探，才能得到设计结果；这对于缺乏经验的工作人员来说，是颇费 时间的。另一种方法从插入损耗入手，它是近年来应用的很多的设计方法。这种方

27、法 的特点是:根据所提出的技术要求，决定插入损耗Li（在R2=R1旧也就是娈换器 损耗LA）与刼率旳因数关系然后根据这个函数关系，应用网络理论综合出具体 的电路结构。所以这种方法和前面的一种方法正好是相反的；这种方法根据要求推求电路,而镜象参数法则是应用已知的特性电路拼凑出满足要求的结构。这种 方法的优点是设计准确，而且设计是已经考虑到外接负载的影响，无需经过多次试 探的手续。它的缺点是需要用到比较难深的网络理论。但是，这个缺点是可以弥补的，因为只要一当把满足各种要求的母型滤波器设计出来以后，后来的设计手续变成了简单的查表读图和应用浅近数学方法换算数据，从实用角度来说比镜象参数法还要简单得多。

28、3.滤波器原型集总元件低通原型滤波器是用现代网络综合法设计微波滤波器的基础。后 面要讨论的各种低通、高通、带通、带阻微波滤波器，其传输特性大都是根据此 原型特性推导出来的(“原型”之称即由此而来)。正因如此，才使微波滤波器的 设计得以简化，精度得以提高。图 2.12示出低通滤波器的理想化衰减-频率特性 (滤波器的衰减-频率特性，工程上常称之为“滤波器响应”)。事实上，如此理 想的特性是无法实现的，只不过力图逼近此曲线而已。根据所选逼近函数的不同， 而有不同的响应。图2.12就是这种常见的响应。图2.12所示的响应通带顶部最 平坦，故称为“最平坦响应”，也叫做“巴特沃尔斯响应”。图2.13所示的

29、响应 通带衰减有规律性的起伏，且幅度相等，称为“等波纹响应”，也叫做“切比雪夫响应”。3.1最平坦低通原型滤波器最平坦响应的频率衰减特性曲线，它的数学表达式为(a)二 10 lg) =101g(l+式中.:是归一频率。这个响应的特点是：在x =0 处，LA (0) =0，其后随归一频率X的增大而单调增大。 在Xw1)勺阻带内，曲线増长很快，比较區悄増长的塩率有n来决定，n越大，增长越快。图 2. 123.2切比雪夫低通原型滤波器图2.13所示的切比雪夫低通原型的频率衰减响应，其数学表达式为:La (d)二 101gl+Y (z )其中X的定义与最平坦型响应是一样的图 2. 13式中Tn (x)

30、是n阶第一类切比雪夫多项式。在 x =1处，Tn(1),LA=LAR是通 带内最大的衰减，因此上曲=101g (1+ s )即呂二10皿-1这个响应的特点是：在X =01之间，由于切比雪夫多项式是个余弦，故衰减在 通带内呈现出等效纹变化，最大值为 Lar，最小值为0,即Lar代表的是通带内 的衰减波纹的幅度，&则是钱纹因数，显然，&越小，波纹幅度越小。在X 的区域阻带)切比占夫乡顼式双曲线余弦，衰减将随X 的增人 而单调增大。3.3椭圆函数低通原型椭圆函数低通原型滤波器频率衰减响应的数学表达式是La (/)=101gl + | F耳(九)丄式中Fn(jw)是椭圆函数，故称为椭圆函数低通原型滤波

31、器。椭圆函数低通原型滤波器的特点是：在通带 0wi人，衰械的呆灿为Lar ;在阻带ws 5?内衰减的最小值为Las。通带内具有若干个零点频率，阻带内有若干 个极点频率，极点与零点的数目相同。其频率衰减响应曲线如图2.14所示。三、微波传输线1.微波传输线引导电磁波能量向一定方向传输的各种传输系统都被称为传输线，这些传输线起着引导能量和传输信息的作用， 其所引导的电磁波称为导波，因此传输线 也被导波系统。在微波工程中使用着各种类型的传输线，例如平行双导线、同轴线、矩形 波导、圆波导、介质线、带状线、微带线等等，这些传输线统称为微波传输线。 各种类型的微波传输线分别运用于不同的微波工作频段和微波系

32、统工程中，在研究各种类型的微波传输线时都要涉及到一些共同的概念和电特性，例如传播常 数、特性阻抗、场结构、临界波数、波阻抗、等效阻抗、功率容量、衰减损耗、 工作频带、结构尺寸、制造工艺等等。2.微带线微带线是一种平面结构的微波传输线，由微带线构成的微波电路具有系统集 成度高、频带宽、体积小、重量轻、工艺重复性好，成本低等一系列优点，特别 是随着微波单片集成电路的发展，越来越显示出它在微波电路设计中的优越性。 与波导相比，它的缺点是损耗较大，Q值低和功率容量小。2.1微带传输线的构成图3.1一般来讲，微带线指的是标准微带线，但随微波电路设计和工作频率的要求 不同，还有微带线的其它变种。下面重点介

33、绍常用的微带线结构。（1）标准微带线标准微带线的结构如图3-1,它是在介质基片上沉积金属导带而成，底面为 接地板，上面为导带。中间为介质基片。常用的介质基片有三氧化二铝陶瓷（了=109）,复合微波介质（才=202）,聚四氟乙烯玻璃纤维（才32）以及石英 玻璃（才=78.3）。标准微带线构成的微波电路一般都安装在屏蔽盒内，通过微带同轴转换接头与系统的其它电路相连接。标准微带线是在微波集成电路中最常 用的微波传输线。（2）悬浮微带线悬浮微带线的结构是在接地板和微带介质基片之间有一层空气，相对于标准微带线，悬浮微带线的损耗要小，适合于工作在毫米波频段，在毫米波频段，为 了防止辐射损耗，常常要外加屏蔽

34、盒，值得注意的是，与标准微带线不同，悬浮 微带线的屏蔽盒尺寸直接影响其特性阻抗，悬浮微带线的缺点是微波器件的安装 相对来说要麻烦些。（3）屏蔽微带线在标准微带线中，虽然也有屏蔽盒，但相对于微带线的条带尺寸来说， 屏蔽盒的尺寸要大得多，因此屏蔽盒的大小对微带线的特性阻抗基本上没有影响。但在屏蔽微带线中，屏蔽盒的宽和高离微带线的条带很近，直接影响微带线的特性 阻抗，屏蔽微带线主要用于毫米波频段。2.2微带线的特性阻抗这里只简单介绍标准微带线的特性阻抗。屏蔽微带线和悬浮微带线可由有关 文献介绍的方法来计算。（1）特性阻抗的计算标准微带线的特性阻抗的计算方法有多种， 有保角变换法，变分法，谱域法 等。

35、用保角变换和变分法只能计算出微带线基模（准 TEM模）的特性阻抗，不 能反映出高次模的影响。但相对于谱域法，保角变换和变分法计算简单，在大多 数情况下，可以满足微波电路设计的要求。微带线特性阻抗的计算方法是，先计算空气介质微带线的单位长电容 C01， 单位长电感L01和特性阻抗Z01，然后求出实际微带线的有效介电常数， 这样就 可以得到微带线的特性阻抗，波导波长等，即o60rr4FThZi22Wwhi油4加旷丄h冗h0.0412krr 1时当不考虑高次模的影响时，可以采用下面的经验公式计算微带线的特性阻抗可有效介电常数当 W/h 1时120兀t述公式任 0.5Wv/h0, er16的范围内，精

36、度优于1%。在微带线电路的设计中，一般不考虑金属导带的厚度，当要考虑导带厚度时，可等效于导带加宽为，有如下的修正公式(t i,t w/2)JF A+ 1.393 +0.667 kifFT7 A+ 1.4444 )当给定微带线特性阻抗Zo和介质相对介电常数if 求导常.%度时仃如 下的综合公式：W7_、码 + 1f0,61 1-1- ln(2-l)+ 尸彳12Sr1n( - 1| + 0.39 -卜其中;377 微带线的特性阻抗和有效介电常数已有现成的数据表和计算软件。（2）特性阻抗的选择原则标准微带线的特性阻抗的选择原则除了要根据微波电路元件的设计要求来考虑之外，还要根据微带基片材料和工艺的要

37、求来选择。 例如对于三氧化二铝陶 瓷基片，一般微带线最窄的线宽不能低于 0.05毫米，而对于聚四氟乙烯玻璃纤 维和复合微波材料基片，最窄线宽不能小于 0.15毫米。同时，当特性阻抗太低 时，微带线的线宽太宽，则容易产生辐射和高次模，导体条带的的宽度应满足：基片厚度应满足:在微波频段在微波频段（f18GHzh常用的微带线基片耳度h为0.51mm,在毫米波段，一般选择为 0.1270.254mm3.微带线的特点与应用微带线有如下特点：（1）平面电路，方便微波电路元件如微波二极管， 三极管，微波单片集成 电路模块的安装。（2）采用光刻工艺，加工精度高，成本低，工艺重复性好，适合于大批量 生产。（3）

38、 体积小，重量轻，电路集成度高。 微带线的缺点是损耗较大，功率 容量小，不适合一些需要特别高的 Q值的电路如窄带滤波器，高 Q稳频腔和大 功率传输系统等的场合。四、直接耦合短截线带通滤波器的设计与仿真1两种短截线滤波器下图1（ a）为卫并联短路短截线和 卫连接线滤波器1 （b）为卫并联开路242短截线和卫连接线滤波器。4图 1（ a）图 1 （b）后者适用于微波集成电路，因为他不要求对地连接，但前者的有关数据与设计后者有关，因此一并介绍，图a的滤波器的方程由下表列出:入go/4短截线导纳（相对于YA归一化）入go/4连接导纳（相对于YA归一化）a22）+ 酹-A?（a%+a 12）丫仔（a（2

39、）2A丫 2=八（12）+硏-鶴-附A12丫“仁儿“+嶠-黑-A刖A12（门卅）+ 小 n）A（n 卅）/（ n 卑）+（ n）、A22All A12（A12A12 丿（A）2Yk= A（ik）+A防）（A（2 +A）,k=3,4.（ n-2）丫12=躍/Yn-1,n= A(；)/A 严)Yk,k+i = A1(2k*),k=2,3(n-2)直接耦合短截线滤波器图 1（ a）设计方程图b的滤波器是将a的滤波器的每一条 卫 短路短截线用一条 卫 的开路短截线42去替代构成的，因此可以使两个滤波器的带通特性相等， 而两者的阻带特性却有很大的差异。如果图b滤波器的每个0短截线在其全长上特性导纳相同。

40、则2在丄和 红 的阻带频率上将有无限的衰减。如果每个1短截线的外边一半的2 2 2特性导纳为其里边一半的特性导纳的常倍数，则可使其无限衰减频率不出现在和3 上。这种类型滤波器在 =0和 =m0附近将有附加的带通。2 2为了设计图b滤波器，可将图a滤波器的短路短截线用0开路短截线42去替换。替换的原则是：使半波长开路短截线在带边频率1上的电纳与被替换的,g0短路短截线在该频率上的电纳相等，并且使二者在带通中心频率1 上的4导纳都是零。这种替换的计算公式如下。对于厘短截线其里边的卫部分的导24纳是：2a tan-1_5 I k k2 -（a 1） tan 入其外边的亍部分的导纳是:丫aYb参数a规

41、定为。t（冇）TF 他JTA式中,=-=-（1-），而是并联短截线谐振产生无限衰减时的频率。上述滤波器在 =0和 =20附近的带通并非确定，而期间相当窄的阻带也 有用处。适当选择可以得出最好的带通响应，但稍微前后交错各短截线的点, 就可得到更宽的高衰减区域。对于相同的特性导纳 短截线的电纳斜率比 短截线的更大，故图b形式设计带宽较窄的滤波器更加实用。2.设计步骤所设计的微波带通滤波器的指标是： 中心频率：f0 =5.5千兆赫,4通带宽度：相对宽度A二牛上.10 0o带通衰减：等于或小于0.1分贝，阻带衰减：在5.0千兆赫频率上至少有25分贝的衰减， 端接条件：两端均为50欧的微带线。设计计算步

42、骤如下：（1）确定低通原型：由于要求通带衰减等于或小于0.1分贝，故可选用0.1分贝波纹的切比雪夫原型。该低通原型滤波器的阶次，等于短截数的数目。在此情况下， 0.10,0=2，5.5 109弧度/秒，.=公5.0 109弧度/秒，得出5.0-5.5）5.5-1.82n=4的设计在5.0千兆赫兹频率上将给出大约 20分贝的衰减；而n=5的设计将 给出大约30分贝的衰减，因而应当选择 n=5的设计。且n=5的归一化低通原型 的原件值为：g 0 - 1, g - 1.1468 , g2 - 1 .3712 , g - 1 .9750 , g 4 - 1.3712 , g5 - 1.1468 , g

43、 - 1（2）计算以下参数：兀0 1齐-（仁也）=84.5。2 2tan84.5。二 5.1932:0.933.1 1.1468= 0.7981G2 二 G5 ：1.1461.37121、1.3712 1.9750= 0.611选择h=1，可以给出合理的导纳水平A2)_ AG) i 11 11A2 =心 J 二 0.933a22 = A22 = (0.933)2 +5.193) = 6.064A2)= A? = A(4)= A；：)= 5.193A； = a7 = 0.798sin 84.50.794A；)= A；：)= 0.611 si n84.5 = 0.608(3) 计算上述表格所列各项

44、导纳值：、，、，6.064 +5.1930.933(0.933 + 0.794) 一第=丫5211.07(0.933)20 794丫2 =丫4 =5.193 5.1930.608 =8.9260.933 =5.193 5.193- 0.608 0.608-9.17丫12 =丫45 =需=085途=丫34 二 0.608（4）计算;短截线的导纳：选定/切0 =0.5，则给出a =1，这就是说Y = Y；=丫5 =丫5 =11.07tan284.5 -12ta n284.50= 5.5 tan2 84.50 -1Y2 =% =丫4 =匕=8.9262 =4.462 tan 84.5= 9.17ta

45、n284.5 -12tan2 84.50= 4.58综上所述，得出所设计的滤波器的全部导纳数据，如下表20短截线的导纳值t连接线的导纳值 11Y _丫1 -丫12 9.158.8 11丫2 y2Y23 11.282.2 11丫3 -丫3-丫34 -10.982.2 11丫4 =丫4 =丫45 11.258.8 1丫5 -丫5 -9.1滤波器各短截线和连接线的导纳数值（5）决定各线段的尺寸，由于各短截线的导纳值较大（即阻抗值较低） ，因 此要用较宽的微带线来实现。这种宽的微带线与较窄的微带线连接进行 T型连 接，将出现明显的接头相应。为了缓和街头效应的并用影响，可以将各短截线用 阻抗值加倍的两条

46、短截线的并联组合来实现。该微带电路的基片厚度为 h,并用r =5.5的陶瓷材料，因此所设计的滤波器 的结构尺寸如下表所示。 =5.13 h22 =3.9 h33 =4.04 h4= 3.9 h =5.13 hh =9.88毫米12=10.01 毫米13 =10.00毫米J =10.01 毫米15 = 9.88毫米餌20.75 h2323 =0.31 h国3434 =0.31 hCO 45亠= 0.75 h112 = 5.6 毫米123 = 5.78毫米134= 5.78毫米4 = 5.6毫米滤波器的结构尺寸（6）接头效应和边缘电容的修正：再决定短截线的连接线长度是，应当考虑短截线和主线（连接线

47、），交接处的影响，假定十字接头的影响类似于 T型接头效应，则可查出计算起点的参考 面位置。此外，还须考虑接头处的电纳和各短截线开路端边缘电容的影响。这种影响可适当缩短每一短截线的长度的方法予以补偿，也可以用实验方法去修正接头效应和边缘电容的影响用上述计算结果在 ；二8.8的陶瓷基片上制成的直接耦合的微波带通滤波器，使得测试性能和计算值有一定的出入，表现为通带内插入损耗较大（2.63分贝），通带外的衰减的增加速率比理论预期的要慢些。3仿真运行与优化由上述计算步骤得到的滤波器在 ADS中的原理图如下:Si*l I価- a* C1|W3-J7nm旳和fllLr4 ftn-LZlTinm -PARANiTIRSi-Suth-h*e4i WW13 LBLU MLEF W昭L-U3TLIJ- UMfrOWSUhl- 4*“ + lrr*I -ZKS-n.0HF. fLliU42 - -1 p=rnlwwi& Pimm SFi . JStUM 口 1E EwTOt7L2 trtia 哑 F - 1LH -iatiueubr M-MHi W .工 W-HI2 WL12 PaF - TLWi 皿.欝如u |POA