毕业设计（论文）基于ADS的微波电路的设计

1、摘要摘要 随着现代通信技术的不断发展, 射频微波电路越来越得到重视和发展。 微波技术越来越广泛的应用在了通信、雷达、环境检测和导航等众多领域;尤其 在商业领域,其现代应用包括蜂窝电话、个人通信系统、无线局域网、电视与无 线电广播、全球定位系统、射频识别标识、远距离电话通信和卫星通信等。 微波滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，其性能的优劣直接 影响到整个微波系统性能的好坏。微带滤波器是微波滤波器的一种。本文着重 讨论开路支节型宽带带阻滤波器的设计，描述了设计一个 l 波段带阻滤波器的 过程。所设计的滤波器的技术指标为：中心频率 2ghz; 通带带宽 2ghz；阻带 带宽 600mhz；

2、阻带衰减大于或等于 30 分贝。 关键词关键词：微波滤波器；微带线；开路支节型宽带带阻滤波器 abstract with the fast development of communication technology, microwave/rf circuit has attract more and more attention and also get many achievements. microwave technology is widely used in communication, radar, environment detective, remote sensing a

3、nd many other fileds, especially in commercial field such as cell phone, personal communication system, wireless local area network (wlan) , tv and radio broadcast, global positioning system (gps), rf identification tagging,long-distance telephone and satellite communications and so on. at the same

4、time, as one of the important microwave components, microwave filters also developed rapidly. the microwave filters performance will directly influence the performance of microwave system. microstrip filter is a kind of mircowave filters. the article focuses on designing broadband band- stop filters

5、 with open-circuited stubs and describes the process of designing a l wave band band-stop filter. its technology indexes are as follows: the midband frequency :2ghz; passband bandwidth: 2ghz; stopband bandwidth: 560mhz; out-of-band rejection greater than or equal to 30db; vswr（voltage standing wave

6、ratio） less than or equal to 1.3. keywords: microwave filters; microstrip; broadband band-stop filters with open-circuited stubs 目录目录 1 绪 论.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.1 课题背景及意义 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.1.1 滤波器的发展 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.1.2 微波滤波器的前景 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 1.2 课题主要内容及研究方法 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2 微波滤

7、波器的基本原理.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1 微波的概述 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1.1 微波的波段 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.1.2 微波的特点 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2 微波滤波器的概述 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.1 微波滤波器的分类 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.2.2 微波滤波器的主要技术指标 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3 微带滤波器的概述 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3.1 微带线基础 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.3.2 微

8、带滤波器 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4 微波滤波器的设计基础 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.1 原型低通滤波器 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.2 微波带阻滤波器的常见类型 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.4.3 微波带阻滤波器的频率变化 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.5 传输线谐振器 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 2.6 微波滤波器常用设计方法 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3 微波带阻滤波器的设计.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1 设计微波带阻滤波器的理论分析 .错误！未定义书签。

9、错误！未定义书签。 3.1.1 确定所设计的微波滤波器的性能指标.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.2 确定微波滤波器的类型 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.3 选择介质基片和薄膜 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.4 确定微波滤波器的结构 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.1.5 确定微波滤波器的设计方法 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.2 设计微波带阻滤波器的计算 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3 微波带阻滤波器的仿真与版图制作 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 3.3.1 ads 简介.错误！未定义书签。

10、错误！未定义书签。 3.3.2 微波带阻滤波器的仿真与版图制作 .错误！未定义书签。错误！未定义书签。 总 结.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 致 谢.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 参考文献.错误！未定义书签。错误！未定义书签。 微波带阻滤波器的设计微波带阻滤波器的设计 第1章 绪 论 1.1 课题背景及意义 1.1.1 滤波器的发展 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。滤波器是无线电技术中许多设计问题的中 心，目前由于在雷达、微波、通信等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频 率的要求也相应提高，所以需用到大量的滤波器

11、。 滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以对滤波器的研究和生产历来为各 国所重视。1917 年，美国和德国科学家分别发明了 lc 滤波器，次年导致了美 国第一个多路复用系统的出现。20 世纪 50 年代，无源滤波器日趋成熟。自 60 年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个 新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努 力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为 70 年代以后的主攻方向，导 致 rc 有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的 飞速发展。到 70 年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到了

12、应用。80 年代，主要致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大 应用范围。90 年代至今主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。 当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 微波固体器件的应用对滤波器的发展有一定的推动作用，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。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。原来为处理模拟信号所不可缺少的 lc 型滤波器，在低频 部分，将逐渐被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

13、等。虽然它 们的设计方法各有自己的特殊之处，但是这些设计方法仍是以低频“综合法滤 波器设计”为基础，再从中演变而成的。 1.1.2 微波滤波器的前景 微波滤波器是微波领域关键性器件，广泛地应用于通信、雷达等系统，是 这些领域必不可少的部件。目前，微波技术突飞猛进的发展，微波滤波器是一 个极其活跃的分支，近年来主要进展和发展趋势如下： （1）从个别应用到一般应用。如果考虑到一个微波空腔谐振器就是一个微 波滤波器的基本单位的话，可以说它也是微波技术中研究最早的基本课题之一。 但事实上，或者是由于初期微波设备所承担的任务还较低级，或者是由于微波 滤波器的分析、设计和制造均很繁难，因此，当初人们宁可直

14、接应用单腔谐振 器，而较少地把它们组合成具有更为优良性能的微波滤波器。但是随着微波理 论和技术的发展，微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤，加之电子对抗技 术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大； （2）设计方法从繁到简、从粗糙到精确。过去人们用场与波的方法对一些 简单的微波滤波器结构进行分析和设计，已感到相当的困难。而现在却可以成 套地应用现代网络综合理论成果，顺利地进行各种微波滤波器的综合，并有电 子计算机所解出的大量的曲线和数据可用，简化了人工计算，提高了设计的精 度； （3）形式多样和元件化、标准化。由于应用的广泛和设计制造工艺的进展， 微波滤波器已从极少的几个品种

15、发展到数以十计个结构类型。一些常用的结构 已元件化和标准化。印刷电路式或微波集成电路式的微波滤波器亦开始广泛研 制； （4）与其他有源或无源微波元件和器件的结合日益密切。现在，微波滤波 器已成为无源微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的任务，而且能代替其 他一些微波元件的功能，或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来进行 设计； （5）各种新型材料用于微波滤波器。微波材料的进步及其在微波滤波器中 的应用，大大地提高了滤波器的性能。例如微波铁氧体、铁电体、等离子体、 超导体都已开始成功地用于微波滤波器中； （6）调谐的高速和自动化。众所周知，当初微波单腔谐振器的调谐已相当 困难，更不用说由多个

16、谐振器组合的滤波器了。但现在已经可以对微波滤波器 进行快速电调，例如忆铁石榴石磁调滤波器和变容管电调滤波器就是最好的范 例； （7）向新波段进军。人们对毫米波和亚毫米波滤波器的兴趣正在日益增长。 研制这一新波段的滤波器，除了发展厘米波波段已有的技术外，还广泛引用光 学上的成果，例如法布里一拍罗特谐振器以及其他各种滤波器和定向藕合器结 构已经从光学中援引了过来。可以预料，随着新型功率源和传输线的研制，这 些新波段滤波器的研制工作将更加活跃。 1.2 课题主要内容及研究方法 本毕业设计主要内容是综合运用电子专业学生所学的电路、信号与系统、 电磁场与电磁波技术以及微波技术等专业基础理论知识和专业知识

17、，根据技术 要求选择合适的微波电路形式，综合出微波滤波器的具体结构形式；借助于微 波专业软件（如 ads）进行微波电磁场分析，根据分析结果修正设计参数；设 计出符合要求的微波滤波器。通过毕业设计，提高学生理论联系实际、独立解 决问题和系统思考的能力，从而基本掌握科研或新品研发的工作流程，积累一 定的项目规划及设计的经验。此外，通过毕业设计，培养学生严谨治学的态度， 坚韧不拔的作风，良好的团队精神，为今后从事科研、生产工作打下坚实的基 础。 所设计 l 波段带阻滤波器的技术指标为：中心频率 2ghz；阻带带宽 2ghz；通带带宽 600mhz；阻带衰减大于或等于 30db。 研究方法：利用带阻滤

18、波器和低通滤波器的频率变换关系，得出所设计滤 波器的阶数，求得低通原型滤波器的 g 参数值，依此得出各微带线的阻抗值， 便可求得各微带线的尺寸，再利用 ads 软件进行模拟和优化，从而实现了带阻 滤波器的设计。 第2章 微波滤波器的基本原理 2.1 微波的概述 2.1.1 微波的波段 近年来,在无线电通信等应用中,不断使用越来越短的电磁波,如长波、中波、 短波、超短波、微波、亚毫米波直到光波。 微波是频率非常高的电磁波，通常是指频率为 300mhz 到 3000ghz 范围内的 无线电波，其相应的波长范围，根据频率 f、波长 和电磁波在空中的传播速 度 c(c=2.998108m/s3108m

19、/s)之间的关系式 f=c 可以得出,即波长从 1m 到 0.1mm。 微波的低频端接近于普通无线电波的超短波,微波的高频端接近于红外线的 远红外。在微波的实际应用中,常将它划分为分米波、厘米波、毫米波、亚毫米 (丝米)波四个波段。 在通信和雷达工程中，常使用拉丁字母来代表微波各波段的名称，列于 表 2.1。 表 2.1 微波常用波段的代号及对应的频率范围 波段名称频率范围/ghz波段名称频率范围/ghz uhf0.31.12 k18.0-26.5 l1.12-1.7 ka26.5-40.0 ls1.7-2.6 q33.0-50.0 s2.6-3.95 u40.0-60.0 c3.95-5.8

20、5 m50.0-75.0 xc5.85-8.2 e60.0-90.0 x8.2-12.4 f90.0-140.0 g140.0-220.0 ku12.4-18.0 r220.0-325.0 2.1.2 微波的特点 微波只是整个电磁波谱中的一个频段，但它既具有不同于普通无线电波的 特点，也具有不同于光波的特点。在微波波段，其波长与电路尺寸可相比拟， 甚至更小，空间电磁场分布不能忽略。电磁场以波动形式出现，在传播过程中， 呈现相位滞后效应。同时随着波的传播，电磁能量分布在整个微波电路中。因 此对于微波电路的研究，传输线的长度可与信号波长相比拟时，传输线本身就 是一种分布参数电路，必须研究电磁场的波

21、动过程。另外，传输线传输微波时， 由于高频电流的集肤效应，产生导体损耗和辐射损耗严重，必须采用微波传输 线。从学科体系上讲，微波技术属于电磁场工程，人们之所以对微波特别感兴 趣，专门进行研究，主要是由于微波波段与其他波段相比，具有以下特点： （1）微波的波长短。微波的传输特性相似于几何光学，具有“似光性” 。 （2) 微波波长和一般物体的线性尺寸可相比拟，因而有可能采用成熟的几 何光学方法来设计各种微波仪器和设备，例如采用发射面或透镜来设计微波天 线等。 （3）微波既是频率很高的波段，也是频带极宽的波段，具有通信容量高、 抗干扰能力强的特性，因而可以用于多路通信。 （4）微波源仍是单频、偏振、

22、相干的，因而可采用外差方法来接受微波信 号。 （5）微波可以穿透电离层，因而卫星通信必须采用微波。 （6）微波的量子特性，微波相应的量子能量范围大约是 10-4到 10-9电子伏， 当微波照射到物体（介质）上时，能深入到物质内部。因此，微波可用于研究 分子和原子核结构。 （7）水、含水或脂肪的材料对微波有吸收作用，正是利用这一点，微波在 工农业的许多方面得到应用。 此外，将微波波段划出来进行专门研究，也是研究更高频段的基础。 2.2 微波滤波器的概述 微波滤波器作为频率选择性器件，是微波系统中的重要元件。 2.2.1 微波滤波器的分类 微波滤波器可以按照不同的标准进行分类。 按作用分类，有低通

23、、高通、带通、带阻滤波器四种基本类型，其衰减频 率特性如图 2-1 所示。每一种类型都可以由其对应的低通原型滤波器通过频率 变换转换而来。 图 2-1 四种基本滤波器 按实现的传递函数分类，可以分为 butterworth(巴特沃兹)、 chebyshew(切比雪夫)、elliptic(椭圆)、gaussian(高斯)、bessel(贝塞尔)、 切比雪夫变换器型滤波器等类型，其中前三种较为常用。巴特沃兹滤波器又称 为最平坦型滤波器，表现为衰减随频率的增加而单调增大，在通带内，它的频 率响应曲线变化平缓，也正是因为如此，通带到阻带的过渡很难做到陡峭。而 切比雪夫滤波器却具有更陡的衰减特性。图 2

24、-2-1 示出四种低通滤波器响应； 图 2-2-2 示出四种高通滤波器响应；图 2-2-3 示出四种带通滤波器响应；图 2- 2-4 示出四种高通带阻滤波器响应。图中横坐标是频率，纵坐标是工作衰减或 插入衰减。 图 2-2 四种微波滤波器响应 按谐振器实现方式，分为集总元件、分布参数滤波器两种。分布参数滤波 器又分为印制版电路（微带、悬置微带线） 、机械腔体、介质谐振子等形式。 （1）集总（lc）滤波器：适用于 3ghz 以下应用，该类滤波器运用微波集总 元件设计方法实现谐振电路，使滤波器具有很小的体积、便于安装的结构且无 寄生通带（或很远） ，同时具有设计灵活、研制周期短（小批量研制最短可在

25、一 周或三天以内）等优点。但由于集总电感元件 q 值低，该类滤波器插入损耗较 大且相对带宽不可能做的很窄（一般3%） ，限制了其在有低插损、高矩形度、 窄带、大功率等要求场合下的应用。 （2）介质滤波器：q 值一般为集总元件的 23 倍或 1020 倍，从而使该 类滤波器能够实现窄带滤波（1%0.1%） ，但寄生通带较近。 （3）腔体滤波器：谐振器全部由机械结构组成，使其具有相当高的 q 值 （数千甚至上万） ，非常适合于要求低插入损耗（1db） 、窄带（1%） 、大功率 （可达 300w 或更高）传输等的应用场合。该类滤波器具有较大体积且具有寄生 通带，加工成本较高，生产周期一般为四到六周。

26、 （4）晶体滤波器：石英材料具有压电效应，利用特有切角制成的晶体谐振 器具有极高的品质因数（105量级） ，构造的滤波器选择性极好。 （5）微带电路滤波器：该类滤波器在低成本及没有过高体积要求时广泛应 用，尤其在 3ghz 以上总体性能优于 lc 滤波器。结合印制版工艺的悬置微带线 的色散效应很小，而且较金属腔体体积小、可重复性好，使其在宽带滤波器、 多工器中的应用非常广泛。 按使用的元件分类有无源滤波器、有源滤波器、晶体滤波器、声表面波滤 波器等；按工作方式分类有吸收式滤波器、反射式滤波器；按传输线类型分类 可分为介电谐振器、波导谐振器、同轴线谐振器、微带线谐振器、带状线谐振 器等构成的滤波

27、器；按实现结构形式分类有平行耦合线滤波器、梳状线滤波器、 交指线滤波器、发夹线滤波器和开路支节滤波器等；按频带大小分类有宽带、 窄带滤波器等。 2.2.2 微波滤波器的主要技术指标 用来说明微波滤波器的主要技术指标有: （1）中心频率 f0:即工作频带的中心，一般取 f0=(f1+f2)/2, f1 、f2为 带通或带阻滤波器左、右相对下降 1db 或 3db 变频点； （2）带宽 f：指需要通过的频谱宽度，或相对带宽=f/ f0； （3）截止频率:指低通滤波器的通带右边频点及高通滤波器的通带左边频 点，通常以 1db 或 3db 相对损耗点来标准定义； （4）通带衰减：即通带内最大衰减，由滤

28、波器残存的反射以及滤波器引起 的损耗所引起，一般希望尽可能小； （5）阻带衰减（或通带外衰减） ，一般希望尽可能大，并希望在通带范围 外，衰减值能陡峭的上升； （6）纹波: 指 1db 或 3db 带宽（截止频率）范围内，插入损耗随频率的变 化量； （7）带内驻波比：衡量滤波器通带内信号是否良好匹配传输的一项重要指 标，其值越接近 1 说明越匹配； （8）群时延特性：当滤波器作为延时网络时必须考虑。群时延特性是否为 线性，由滤波器通带内的相移频率特性的线性程度所决定。当相移特性为理 想的直线性时，脉冲信号通过网络时无畸变，其延时为 tp=/。如相移特 性为非线性时,我们取群时延 tp=d/d表

29、示信号的延时，此时群延时特 性也是非线性的，如果群延时特性的非线性严重，脉冲信号通过后将发生严 重的畸变。 此外，对于有耗滤波器，还要考虑通带内最低插入衰减；对于大功率滤波 器，还要考虑其功率容量；对于可调滤波器，还要考虑其调谐范围。 2.3 微带滤波器的概述 2.3.1 微带线基础 微带是一种可以在印刷电路板pcb上制造的用来传播微波信号的传输线， 适合制作微波集成电路的平面结构传输线，如天线、耦合器、过滤器、电源分 隔等微波部件都可以用微带线实现。相比于传统的波导技术来说，微带线是迄 今为止最便宜、最轻便和最紧凑的传输线。与金属波导相比，其优点有体积小、 重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造

30、成本低等，但损耗稍大、功率容量小。 60 年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波 集成电路，使微带线得到了广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。 （1）微带线的历史 微带线是一种类似于带状线和共面波导的平面传输线。微带线是由 itt(美 国国际电话电报公司)实验室研发的，itt 实验室研发微带线的目的是为了与带 状线的发展进行抗衡。早期的微带线使用厚基板工艺，在微带线上就允许横电 磁波（tem 波）进行传播，这样的话在微带线中传输的微波便非常复杂，难以 预料。20 世纪 60 年代开始薄基板工艺开始广泛使用。 （2）微带线概述 微带线是由介质基片以及其两边的导体带条

31、和接地板所构成，而带条图形 是用印刷技术敷在介质基片上的。其结构如图 2-3 所示。 图 2-3 微带线结构 其中，t 为金属导体厚度,w 为金属导体宽度,h 为介质厚度,r 为介质衬底 的相对介电常数。 微带线及微带线构成的各种电路（微波集成电路）是平面电路，与波导或 同轴线构成的电路（相对的称为立体电路）相比较，具有体积小、重量轻、成 本低、频带宽等优点；但有 q 值低、功率容量小等缺点。此外，微带线不像波 导那样是封闭的传输线，因此比较容易受到其他部件的辐射影响。 （3）基本设计参数 微带线设计的实质是在给定情况下，由 zc 来确定导电带的宽度。其设计时 主要参考以下参数： 基板参数：基

32、片材料对真空的相对介电常数 r；基板厚度 h；导电带 宽度以及导电带、底板金属的相关参数。 微带线参数：特性阻抗 z0、有效介电常数 e 和衰减常数等。 （4）微带线常用材料 导体带和接地板均由金属材料制成。对于金属材料有以下几点要求： 高的导电率； 低的电阻温度系数； 对基片的附着性能好； 好的刻蚀性和可焊接性； 易于沉淀和电镀等。 对于介质基片材料的选择，应从如下几个方面综合考虑： 相对介电常数较高，且随频率的变化小； 材料的损耗小； 介质纯度高，具有较好的均匀性及性能一致性； 热导性及热稳定性好，且与导体的粘附性能好； 有一定的机械强度且易于机械加工； 抗腐蚀性强，化学性能稳定等。 因此

33、，导体带和接地板均由导电良好的金属材料（如银、铜、金）构成。 介质基片常用的材料有：金红石（纯二氧化钛） 、氧化铝陶瓷、蓝宝石、聚四氟 乙烯和玻璃纤维强化聚四氟乙烯。 （5）微带线制作工艺 微带线或由微带线构成的微波元件，大都采用薄膜（如真空镀膜）和光刻 等工艺在介质基片上制作出来所需要的电路。此外，也可以在介质基板两面敷 有铜箔的板，在板的一面用光刻腐蚀法制作出所需的电路，而板的另一面的铜 箔板则作为接地板。 2.3.2 微带滤波器 微带滤波器是微波滤波器的一种，微带滤波器与波导、同轴线等微波滤波 器的主要区别仅在于传输线形式不同。它也采用半集中参数或分布参数结构。 微带滤波器的特点由微带线

34、本身的特点决定，例如为了在平面上作图和制版的 方便，微带滤波器广泛采用各种变阻抗形式和耦合微带线形式；又由于微带线 的结构特点，导体带条和接地板之间的短路较为不便，短路结构在微带滤波器 中较少采用。因此，像带状线中广泛应用的交指、梳妆滤波器，在微带线中就 较少使用。此外，由于微带损耗大，q 值低，其结构又不易调整，因此微带滤 波器的某些指标（如通带损耗和阻带衰减）较低于其他微波滤波器。 2.4 微波滤波器的设计基础 在设计滤波器时，一般先要进行频率变换，即把给定的插入衰减频率特性 曲线变换成原型低通滤波器的插入衰减特性曲线，然后计算出滤波器的阶数， 根据阶数求出网络结构，最后根据原型低通滤波器

35、的设计表格来求出各元件的 真实值。 2.4.1 原型低通滤波器 对于原型低通滤波器的设计,通常用归一化频率()代替真实频 0 ww 率,然后根据这个特性进行网络综合,得到的滤波器称为原型低通滤波器。原 型低通滤波器是滤波器设计的主要依据。通常使用的原型低通滤波器有巴特沃 斯（最大平坦）原型滤波器、切比雪夫（等波纹）原型滤波器和椭圆函数原型 滤波器。 巴特沃斯原型低通滤波器的带内插入衰减为：db，在)1lg(10 22n cp kl 通带外处的带外插入衰减为：db。巴特沃斯滤波器 c )1lg(10 22n cs kl 具有单调下降的幅频特性，其过渡带变化较平稳。 切比雪夫原型低通滤波器的插入衰

36、减为：，式中dbtkl n )(1lg(10 22 为切比雪夫多项式。切比雪夫原型低通滤波器虽然在通带内有起伏，但)(tn 是它的起伏是控制在以内，而且其过滤带要比巴特沃斯原型低通滤波器陡峭lp 的多。因此，切比雪夫原型滤波器经常在微波滤波器设计中用到。 椭圆原型滤波器插入衰减为：。椭圆原型滤波器不dbcl n )(1lg(10 22 仅在通带内为等波纹变化，而且在阻带内也有等波纹变化，从而使得其通带到 阻带的过渡变化非常陡峭。 对于综合设计原型低通滤波器，首先要确定滤波器的阶数 n。通过插入衰 减特性表及其带外衰减的性能要求，可以确定阶数 n。当 n 确定后，原型低通 滤波器的网络结构就确定

37、了，而原型低通滤波器的各参数则可以通过查表或者 通过计算机计算获得。 2.4.2 微波带阻滤波器的常见类型 图 2-4 列出了微波带阻滤波器的几种常见类型，各滤波器都是由 1/4 波长的 短截线组成。其中（a）图中滤波器的谐振器为并联开路短截线，其间由联接线 相接。 （b）图为（a）图的对偶电路，其谐振器为串联短路短截线。并连基型特 别适用于带状线滤波器，而串联基型特别适用于同轴线滤波器或波导滤波器； 开路支节型适于设计宽带带阻滤波器，l 型耦合微带线式适合设计窄带滤波器。 图 2-4 1/4 波长短截线微波带阻滤波器的常见类型 2.4.3 微波带阻滤波器的频率变化 前面已经说明了几个低通原型

38、滤波器以及它们的衰减特性。如果将这些衰 减特性的频率变量经过适当的变换，那么，就有可能得到以新的频率为变量的 衰减特性，用它们来表示高通、带通、带阻等类型的滤波器。这种方法叫做 “频率变换” ，相应的关系式叫做“变换式” 。 由于仅对横坐标的自变量进行变换， 故对纵坐标的衰减值并无影响，因此， 当低通原型滤波器变换为其他类型滤波器时，幅度波纹特性仍保持不变。选取 某一变换式，必须使其对衰减特性的影响直接表示为实现这种特性的低通原型 滤波器元件数值的变化，这样，可以避免再去求其他类型滤波器的衰减函数以 及实现这种函数的一系列的复杂计算。下面着重说明从低通滤波器到带阻滤波 器的频率变换。 设低通原

39、型滤波器的频率变量为，带阻滤波器的频率变量为，如 图 2-6 所示。由图可见，低通原型滤波器的的点，变换成和 的点，的点则变换成的点，故此有低通到带 阻的变换式应是 （1） 式中， ， =（f2-f1）/f0， 为阻带中心频率。 低通原型滤波器及其对应的带阻滤波器的响应如图 2-5 所示： 图2-5 低通原型滤波器及其对应的带阻滤波器的响应 2.5 传输线谐振器 带通和带阻滤波器的滤波元件是谐振元件，常用传输线谐振器。 在讨论传输线谐振器以前, 先讨论串联和并联谐振回路的一些基本概念。 图 2-6(a)是一个 l1和 c1组成的串联谐振回路, 它的谐振频率 0是: 假如现在还有另外一个串联谐振

40、回路如图 2-6(b), 它由 l2和 c2组成, l2l1, 但 ，则这个串联回路的谐振频率和前一个回路完全一样, 但这两 个回路之间究竟有什么差别呢? 图 2-6 两个参数不同的串联 如果我们计算回路 a 的输入阻抗 z, 我们得到: (2) 当 =0时, z1=0。但当频率偏离 0, z1便是一个纯电抗, 根据频率的 不同, x1的大小也不一样。 我们可以将（1）式改变一下: （3） 由（3）式可知，当频率 偏离 0很小时,可以认为：+0=2、- 0= 将以上关系代入式（3）, 我们得到: x1=2l1。 于是, 我们得到这样一个结论: 对于一个串联谐振回路来说, 当频率 从 0偏离一点

41、点, 变成为 0+ 时, 输入电抗 x 从 0 改变成一数值 x, x 与串联回路的电感 l 成正比，因此若电感 l 的值有所不同，则 x 也有所 不同。 所以, 对于谐振于同一频率的两个串联回路, 如果它们所用的元件不同, 则当 频率偏离 0时, 这两个回路的反应是不一样的; 具体来说,就是它们的输入阻 抗的变化是不相等的。对于同一频率增量 , 串联回路的电感 l 愈大, 输入 电抗 x 上升愈快。事实上人们正是利用了这个关系, 使从外表看来完全相同的 电路结构能给出不同的滤波特性。 任何一段短路或开路传输线都具有谐振特性。对于终端短路的一段传输线 来说, 当它的长度 =/4 时,它的输入端

42、呈现并联谐振性质; 当 =/2 时, 输入端呈现串联谐振性质。对于终端开路的一段传输线来说, 当它的长度 =/4 时, 输入端呈现串联谐振性质; 而 =/2 时, 输入端呈现并联谐振 性质。不论是微带线、波导还是同轴线都具有这种特性。这使在微波滤波器中, 人们能够非常便利地采用的谐振器。在微波滤波器的设计中，常用一段开路传 输线或短路传输线作为谐振器。表 2.2 列出了四种传输线谐振器以及它们的集 总参数等效电路，其中（a）和（c）的谐振器，每个长度都是半波长的整数倍， 两者互为对偶。同样的，（b）和（d）的谐振器，每个长度都是波长的奇数倍， 两者也互为对偶。 表 2.2 四种传输线谐振器的等

43、效电路及其电路参数 2.6 微波滤波器常用设计方法 微波滤波器的设计方法有多种。 为了展现基本的通带-阻带响应,由此导出了滤波器设计的镜像参量法。使 用镜像参量法设计的滤波器，由较简单的二端口滤波器节的级联构成，以便提 供所希望的截止频率和衰减特性，但不能提供在整个工作范围内频率响应的具 体性质。所以用镜像参量法设计滤波器虽然程序简单，但为了达到所希望的结 果，常常必须迭代多次，并且在分析过程中没有考虑外接负载的影响。 还有更现代的方法称为插入损耗法，该方法采用网络综合技术设计出有完 整的特定频率响应的滤波器。从使用阻抗和频率归一化的低通滤波器原型开始， 然后进行转换，以便将设计原型变换到所希

44、望的频率范围和阻抗上去，设计过 程得到了简化。这种设计通常必须变更到由传输线段组成的分布元件，理查德 变换和科洛达恒等关系提供了这个手段，因此该方法比较复杂。 以上两种设计方法不是最佳的方法，因此目前滤波器设计就逐渐过渡到以 综合设计为基础的原型电路设计法。原型电路就是以 l、c 作为元件的集中参数 低频电路，其中 l、c 的数值都根据滤波器的指标要求，以不同的综合设计方法 求得，由此得出一系列规格化的元件数值列成表格成为原型电路元件参数表。 在进行具体滤波器的设计时，不必每次进行计算，而只须根据一定的变换关系 把原型电路元件参数转化为实际滤波器的元件值，就实现了微波滤波器的设计。 应用此种方

45、法不仅因为原型电路的元件参数已经通过综合设计而达到了“最佳 化” ，而且设计参数均已“规格化” ，只须得出原型滤波器和实际滤波器之间的 变换关系，即可设计各种滤波器，这就显示了这种方法的优越性。 第3章 微波带阻滤波器的设计 3.1 设计微波带阻滤波器的理论分析 3.1.1 确定所设计的微波滤波器的性能指标 已知所设计的微波带阻滤波器的相关参数为：中心频率：2ghz；阻带带宽： 2ghz；通带带宽：600mhz；阻带衰减30db 。 3.1.2 确定微波滤波器的类型 微波滤波器的类型有微带滤波器、带状线滤波器、介质滤波器、波导滤波 器和表面波滤波器等等。因为微带结构简单，体积小，重量轻，便于制

46、作，所 以我们选用的是微带滤波器。 3.1.3 选择介质基片和薄膜 本设计所选用的介质基片为陶瓷，其相对介电常数=9.6，厚度 h=1mm； r 微带薄膜采用铜做导体，它的厚度 t=0.005mm。 3.1.4 确定微波滤波器的结构 微波滤波器的结构有：发夹结构、平行耦合结构、开路支节结构等。本设 计是宽带带阻滤波器，所以采用开路支节型结构。 3.1.5 确定微波滤波器的设计方法 如前所述，微波滤波器的设计方法有巴特沃斯法，切比雪夫法或者椭圆滤 波器设计法等。由于设计的是带阻滤波器，按照切比雪夫原型设计出的带阻滤 波器虽然在通带内衰减的变化有起伏波纹，但不超过预先给定值，并且在此条 件下，可得

47、到相当陡峭的带外衰减特性。因此选用的是切比雪夫原型滤波器来 设计开路支节型带阻滤波器，其设计图如图 3-1 所示。 图 3-1 宽阻带带阻滤波器的设计图 3.2 设计微波带阻滤波器的计算 (1) 阶数计算 首先计算 0.1 分贝点的相对带宽： 21 0 ff f （4） 再计算 a 值： tan() 1 4 a （5） 计算对应于f=f0-0.30=1.70ghz 频率的比值： （6） 图 3-2 给出了通带内最大衰减值为 0.1 分贝时的切比雪夫低通滤波器的阻 带衰减特性，其中，la（db）是通带内衰减最大值。 图 3-2 0.1 分贝波纹的切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性 由图 3-2 查

48、出，取 n=3 设计可以给出大于 30 分贝的阻带衰减，因此应当选 用 n=3 的低通原型。 (2) 根据节数及衰减波纹值，查表得到下列低通原型参数： 表 3.1 给出了 n=1 到 6 的切比雪夫低通滤波器的对应于 la（db）=0.1 时的 元件数值： 表 3.1 切比雪夫 0.1 db 波纹的元件值（其中 g0=1.0000，1=1，n=1 到 10） n g1g2g3g4g5g6g7 10.30521.0000. 20.84300.62201.3554. 31.03151.14741.03151.0000. 41.10881.30611.77030.81801.3554. 51.146

49、81.37121.97501.37121.14681.0000. 61.16811.40392.05621.51701.90290.86181.3554 由上表可得，当 n=3 时， g0=1.0000,g1=1.0315,g2=1.1474,g3=1.0315,g4=1.0000 (3)再计算各种阻抗值： 对于开路支节型带阻滤波器 n=1 到 5 的设计公式如表 3.2： 表 3.2 开路支节型带阻滤波器的设计公式 首先由于 n=3，所以计算时选用 n=3 时的计算公式。 计算时首先计算 （7）11w aa 因此可得 1 01 2 2 0 3 434 1201 0 2334 4 11 (1)

50、 50(1) 98.5 g*g1*1*1.0315 50*1 43.6 1*1.1474 150*11 (1)(1) 98.5 11*1.0315*1 (1) 50(1 1*1.0315) 101.6 50*1 (1)(1 1*1.0315*1) 101.6 1 a ao a a a zz z g z g z g z gg g zzg g z g zg g g z 欧 欧 欧 欧 欧 0 4 50*1 50 1 a b z g g 欧 （4）计算各传输线段的尺寸 根据上一步的计算结果可知，除外，和的数值都 比较接近，为了使各短截线的阻抗值近似相同，中阶短截线用两个短截线并联 构成，每个阻抗欧，

51、这样做还可以减小接头尺寸，从而减 小了接头效应的影响。由于采用陶瓷材料作为微带线的基片，其=9.6，厚度 h=1mm，由微带计算的有关数据表格可以直接得出所需微带线的宽度、长度，见 表 3.3。 表 3.3 所求宽阻带滤波器的计算尺寸 1 0.18 w h 116.1 4 lmm 12 0.16 w h 1216.1 4 lmm 2 0.26 w h 216.1 4 lmm 3 0.18 w h 316.1 4 lmm 23 0.16 w h 2316.1 4 lmm 3.3 微波带阻滤波器的仿真与版图制作 3.3.1ads 软件简介 先进设计系统(advanced design system

52、)，简称 ads，是安捷伦科技有限 公司(agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的 一款 eda 软件。软件迅速成为工业设计领域 eda 软件的佼佼者，因其强大的功 能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到 了广大 ic 设计工作者的支持。 ads 是高频设计的工业领袖。它支持系统和射 频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频微波模块到用 于通信和航空航天国防的 mmic。 通过从频域和时域电路仿真到电磁场仿真的全套仿真技术，ads 让设计师 全面表征和优化设计。单一的集成设计环境提供系统和电路仿真器，以及电路 图捕获、

53、布局和验证能力 因此不需要在设计中停下来更换设计工具。 先进设计系统是强大的电子设计自动化软件系统。它为蜂窝和便携电话、 寻呼机、无线网络，以及雷达和卫星通信系统这类产品的设计师提供完全的设 计集成。 ads 电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真 (spice-like simulation)、频域电路仿真 (harmonic balance、linear analysis)、三维电 磁仿真 (em simulation)、通信系统仿真(communication system simulation)、 数字信号处理仿真设计（dsp）；ads 支持射频和系统设计工程师开发所有类型 的

54、rf 设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的 集成 mmic，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统 仿真软件软件。 此外 agilent 公司和多家半导体厂商合作建立 ads design kit 及 model file 供设计人员使用。使用者可以利用 design kit 及软件仿真功能进行通信 系统的设计、规划与评估，及 mmic/rfic、模拟与数字电路设计。除上述仿真 设计功能外，ads 软件也提供辅助设计功能，如 design guide 是以范例及指令 方式示范电路或系统的设计流程，而 simulation wizard 是以步骤式界面进行 电路设计与分析。ads 还能提供与其他 eda 软件，如 spice、mentor graphics 的 modelsim、cadence 的 nc-verilog、mathworks 的 matlab 等做协仿真（co- simulation），加上丰富的元件应用模型