射频微带900MHz带阻滤波器的设计

上海电力学院本科毕业设计（论文）题目：射频微带900MHz带阻滤波器的设计院 系：计算机与信息工程学院专业年级： 通信工程专业 xxx 班学生姓名： XX 学号： xxx指导教师：2012年6月10日射频微带900MHz带阻滤波器的设计摘要当前，无线通信技术高速发展，人们对无线产品的需求迅速增长，滤波器在这些产品电 路中就扮演着重要的角色，随着通信技术的发展而取得不断进展的同时对滤波器的需求也 越来越多。本论文首先介绍了微波滤波器的发展历史，现实社会中的应用，当前的研究情况以及仿 真软件ADS的运用。然后根据滤波器设计的数学理论模型，运用仿真软件ADS进行带阻滤 波器的设计仿真，主要介绍了巴特沃斯和切比雪夫等模型的带阻滤波器的设计方法，以及微 带线滤波器的设计，同时借助ADS软件对所涉及的带阻滤波器进行了仿真和优化，最终得 到比较理想的滤波器。关键词：带阻滤波器，切比雪夫，巴特沃斯，微带滤波器,ADSRF 900MHz BAND-STOP FILTER DESIGNAbstactCurrently,with the high-speed development of wireless communication technology, the demand for wireless products is rapidly growing. The filter circuit in these products play an important role, and continued progress with the development of communication technology at the same time, the demands for filter is increasingly high.This paper first describes the history of the development of microwave filters in the real world applications, the current study, as well as the use of simulation software ADS. Based on the mathematical theory of filter design model, the use of simulation software ADS design and simulation of band-stop filter.Here we mainly introduces the model of Butterworth and Chebyshlf band-stop filter design methods, and microstrip line filter design, with the ADS simulation and optimization software involved in the band-stop filters, and ultimately to the ideal filter.Key words： band-stop filter, chebyshev, butterworth, microstrip line filter, ADS1绪论11.1滤波器概述11.1.1滤波器研究背景和意义 11.1.2发展历程及国内外现状21.1.3微波滤波器的概述 21.2滤波器的基本理论31.2.1滤波器的原理、定义及分类31.2.2原型滤波器元件的归一化及其计算31.3 ADS2006A 仿真软件52切比雪夫与巴特沃斯带阻滤波器设计82.1简介及步骤介绍82.1.1切比雪夫滤波器简介82.1.2阶数的决定92.1.3归一化切比雪夫低通滤波器92.1.4归一化高通滤波器102.1.5由高通到带阻的变换 102.2实例研究122.2.1 3dB切比雪夫带阻滤波器的设计122.2.2 1dB切比雪夫带阻滤波器的设计162.3 巴特沃斯带阻滤波器设计 202.3.1阶数的选取202.3.2实例研究1 212.3.3实例研究2 242.4巴特沃斯带阻滤波器与切比雪夫带阻滤波器的比较273微带带阻滤波器的设计273.1微带线273.2微带线滤波器的实现283.3实例研究30结论41谢辞42附录LC滤波器设计参量43参考文献441绪论1.1滤波器概述当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长， 滤波器在这些产品电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展。新 的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展 进一步加速了滤波器技术的研究和发展。由于在通讯，雷达，微波等部门，多频率工作越来越普遍，对分割频率的要求也相应地 提高，所以需用大量的滤波器。1.1.1滤波器研究背景和意义当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长， 滤波器在这些产品电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展。新 的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展 进一步加速了滤波器技术的研究和发展。对于无线通信系统而言，滤波器是一种关键的射频器件。滤波器常常可以看成是一种二 端口网络，它具有划分信道，筛选信号的功能，是一种重要的微波通信器件，它的性能的好 坏往往会对整个通信系统的性能指标缠身直接影响。信息产业和无线通信系统的快速发展导 致的相对拥挤的微波频带使得频带划分更加的精细，于是，各类通信系统所能使用的频率间 隔也越来越密，从而对滤波器的性能指标的要求也越来越高。随着科学技术的快速发展，新 材料领域、新工艺方面也取得了长足的进步，设计体积小、重量轻、性能高、成本低的射频 /微波滤波器以及其它器件必将是工程设计和市场竞争的趋势。这就是要求电路一方面要满 足电气性能指标，另一方面还要尽可能的减少电路所占用的空间。传统方法设计出来的滤波 器结构尺寸一般比较大，在性能指标上也存在着一定程度上的局限性，往往不能够满足现代 无线通信系统的要求。现在，在射频、微波电路中较长选用的是波导滤波器、同轴电缆滤波 器、带专线滤波器、微带线滤波器。由于微带线结构的微波滤波器体积小、重量轻、通过光 刻术容易加工且方便与其他滤波器集成在一起，故许多电路均可使用此类滤波器。11.1.2发展历程及国内外现状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应用。80年代， 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年代至现在主要致 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。 -我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个 世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门 研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展 有一段距离。1.1.3微波滤波器的概述微波滤波器作为滤波器的一种，在移动通信中有着广泛的应用。在射频端有源电路中输 入输出各级之间普遍存在，各滤波器都用不同的功能和特性要求。滤波器在发射机接收机各 位置都起着举足轻重的作用。接收机前段带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号 泄露而使接收机前段饱和；除去如镜频一类的干扰信号；减少来自天线端的本机振荡器的功 率泄露。所以接收端带通滤波器的最佳性能包括衰减以除去干扰，同事减少将直接影响接收 端灵敏度的通带插损。发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对 其他无线通信系统的干扰，这些无用的信号的主要成分是发射信号皮率的二、三次谐波和本 机振荡。另一个重要的功能是衰减掉发射信号中接受频段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏 度之下。因此发射端带通滤波器必须保持一个宽的阻带以抑制杂散信号，同时能维持低的通 带插损和在输出端处理大电平信号。1-2滤波器的基本理论1.2.1滤波器的原理、定义及分类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。通过滤波器时不衰减或衰减很小的频带称为通带，衰减超过某一规定 值的频带称为阻带，位于通带和阻带之间的频带称为过渡带。凡是可以使信号中特定的频率 成分通过，而极大地衰减或抑制其他频率成分的装置或系统都称之为滤波器，相当于频率“筛 子”。只要改变滤波器的特性就可以得到不同的输出。滤波器的分类：根据频率响应特性的不同，滤波器可分为低通、高通、带通和带阻四种。按元件分类，滤波器可分为：有源滤波器、无源滤波器、陶瓷滤波器、晶体滤波器、机 械滤波器、锁相环滤波器、开关电容滤波器等。按信号处理的方式分类，滤波器可分为：模拟滤波器、数字滤波器。四、按通带滤波特性分类，有源滤波器可分为：最大平坦型（巴特沃思型）滤波器、等 波纹型（切比雪夫型）滤波器、线性相移型（贝塞尔型）滤波器。1.2.2原型滤波器元件的归一化及其计算目的：提高设计通用性归一化定义：对于两端带有电阻终端的最大平坦滤波器，给定LAr = 3dB,g0 = 1 和 * = 1则其原型元件值可以按下式计算:g Tg = 2sin（2k-V2n（1-1）g =1n+1对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为LAr(dB),g = 1 和” 1它的原型元件值可按以下各式计算：其中(12)g = 4Ak 1A 2,k = 2,3,., n kgk(13)1Ja = cosh cosht () n e A 、 p = lncoth17.37P、Y = sinh() 2n, (2 k1*A = sin, k = 1,2,n(14)(15)(16)2n一 .如、，一B =丫2 + sin2(),k = 1,2,n(17)(1 8)一般归一化低通滤波器有两种可行结构如图1.1所示(a)并C串L(b)串L并C图1.1标出归一化元件值的两种多节低通滤波器等效电路本次设计不再一一计算，参考附录内的的表格。所有g值都有数表可查，可以在相关文献中查到。1.3 ADS2006A 仿真软件ADS2006A软件集成了四大仿真平台：模拟/射频仿真平台、数字信号处理仿真平台、Momentum电磁仿真平台红润EMDS电磁仿真平台。这四个平台既可以独立工作又彼此联 系，在软件内部进行协同仿真。3ADS工作窗口ADS主要操作窗口包括主窗口、原理图窗口、数据显示窗口和Momentum/Layout窗口 等。主窗口运行ADS2006A软件，进入ADS主窗口，如图2.1所示。ADS主窗口主要用来进行工 程和文件的创建及管理。主窗口包括菜单栏、工具栏、文件浏览区和工程管理区。其中，文 件浏览区和工程管理区又有文件视图和工程视图两个选项卡。下面介绍主窗口的基本操作和应用。图1.2 ADS主窗口原理图窗口单击菜单命令【File】一【New Design，新建一个原理图，弹出图1.3所示的对话框。图 1.3“New Design ”对话框其中，网络类型(Type of Network)包括模拟/射频网络设计和数字信号处理网络设计两种；设计窗口的类型包括原理图窗口(New Schematic Window)和版图窗口(New LayoutWindow)。对话框中还可以直接调用原理图模板和设置长度单位。设定好新的原理图参数之后，单击【OK】按钮，弹出图1.4所示的原理图向导。在这 里可以选择进行电路或仿真的模板设计，也可以单击Cancel】按钮关闭向导。原理图编辑窗口如图1.4所示:图1.4原理图向导亮单栏 一.牝栏亍暗，:二可长PR uirt it lied -pr j J nnt itledlL (Scheaat ic : LfZ| 篱EHit. Select Vj w Jpacrl. jlpiiiMLS Loola Ljoul.5_ln.dw性-_i B点邕t?网睇W C疔E珞畿咏爻w-fllmupeMBipgmH,| 圭 黑也 血 每 |Tt3.-Wr-E3F； Mdd，n jl-l 1虬Id-J-卜1 C_WMhlDCFwdH +日5HW=nhjihdFLDP-il - PRL:I;:;:*3 a it MiyirA| 5.625, E. 291in | A/EF SirSchur,图1.5原理图编辑窗口数据显示窗口当仿真运行完成后，ADS会自动弹出数据显示窗口，如图1.6所示，为了能对结果进行直观的分析，用户需要利用数据显示窗口把仿真得到的数据以各种方式显示出来。图1.6数据显示窗口2切比雪夫与巴特沃斯带阻滤波器设计2.1简介及步骤介绍2.1.1切比雪夫滤波器简介一个适当的滤波器幅度平方函数是H (川)|211 + 2T2( jw)（2-1）式中式一个独立的参数，它决定了波纹幅度。具有2-1所给出的幅度平方函数的滤波 器称为n阶归一化低通切比雪夫滤波器，简称切比雪夫滤波器。4根据式5-1和切比雪夫多项式的性质，n阶归一化低通切比雪夫滤波器具有下列基本特 性：切比雪夫特性一:对于|w| 1时，|Hjw） 2|单调下降到零，高频降落时每十倍频程20dB。切比雪夫特性三：n阶切比雪夫的幅度平方函数满足：,1H （jw）2= （2-2）1 + 2 ,1H（jw）|2 = 1 + 2，当 n 为奇数（2-3）1和H（jw） 2=，当n为偶数（2-4）1 + 8 2给定一组通带和阻带条件，就可以确定波纹参数和切比雪夫滤波器的阶数n。通常是 给出通带最大波纹衰减人尸来代替8，这里1（2-5）（2-6）A （dB） = 10用葺厂=10lg（1 + 82）因此，波纹参数由下式确定 =、.100.1 Ap 12.1.2阶数的决定设定。为归一化频率Q =，,吃称为截止频率。规定在频带0 n 1上，衰减不得大于Ap。范围0。Op是通带，1。 A由此得（2-7）COSh-1（k100.1Ag 1 / ） n cosh -1。p（2 8）2.1.3归一化切比雪夫低通滤波器本文所说的归一化低通滤波器，是指特征阻抗为1Q，且截止频率为1/（2n）Hz的低通 滤波器。在设计切比雪夫低通滤波器的时候，是以切比雪夫归一化低通滤波器的设计数据为基准 的滤波器，把它的等起伏带宽截止频率和特征阻抗的值，变换成带设计滤波器的等起伏带宽 截止频率和特征阻抗的值。5实现截止频率变换的步骤是先求出待设计滤波器等起伏带宽截止频率与基准等起伏带宽截止频率的比值M，并用这个M去除基准滤波器的各元件值。祯待设计滤波器的截止频率M =基准滤波器的截止频率（2-9）CC（NEW）=W（2-10）（2-11）实现特征阻抗变换的步骤是先求出待设计滤波器特征阻抗与基准滤波器特征阻抗的比值K，并把经过截止频率变换后所得到的滤波器各电感元件值乘以K，把各电容元件值除以K。(2-13)C(NEW)C(OLD)K(2-14)丫_待设计滤波器的特征阻抗K 771Zi(2-12)基准滤波器的特征阻抗完成了以上过程，就可以查表求出归一化低通切比雪夫滤波器的设计数据。62.1.4归一化高通滤波器M的计算步骤1 F截止频率变换特征阻抗变换图2.1高通滤波器的设计步骤高通滤波器的设计其实很简单，分为两个阶段，第一阶段是从归一化的低通滤波器求出 归一化的高通滤波器，第二阶段是对已经求得的归一化高通滤波器进行截止频率变换和特征 阻抗变换。2.1.5由高通到带阻的变换一个带阻f滤波器可以按照以下步骤进行设计，给定带阻范围f f A sQ Q p A Af= 2.02,因此 =3(2 27)cosh-1 (p)s步骤二：n=3阶3dB切比雪夫低通滤波器(原型截止频率为1/ (2n) Hz,特征阻抗为1)的元件值如表2-1表2-1低通原型元件值ng1g2g333.34870.71173.3487选择并C串L模型:S2图2.3并C串L模型步骤三：低通滤波器转换为高通滤波器：电容变成电感，电感变成电容。元件值取倒数， 元件值如表2-2。表2-2高通原型元件值nL1C2L330.29861.40510.2986步骤四：频率变化:M =直-=1.884 x109 Hz(2 - 28)12L=L( OLD )(2 - 29)(NEW) MC、C = (OLD )(2 - 30)(NEW)M变化后的元件值如表2-3表2-3频率变换后的元件值nL1C2L33158.493x 10-12745.806X10-12158.493x10-12阻抗变换：K=50QL= L x K(2 - 31)CC=-4DLD(2 - 32)(NEW) K表2-4阻抗变换后的元件值nL1 nHC2 pFL3 nH37.9237.37.92步骤五：高通滤波器转化为带阻滤波器由图2.2 I和II类型的电路转可以转换出带阻滤波器的电路结构，我们在仿真软件ADS中进行电路连接，如图2.4所示:Terml Nuinni=1ct2 C=14.9pFTerm Terni2-Mun=2Z=50 Ohm LL1L=7.R=5 海.IjlT,L ,L=2：1 nH 出 R= ! |_3L=7.92.R.= CI s 一.宇PARAMETERS . SParam-.SF?1 .5tart=2DD MHzSfcp=1 4DD M4z 5fep=5 MHz图2.4带阻滤波器原理图根据图2.2中的公式转换元件值得到带阻滤波器的元件值如表2-5所示:表2-5带阻滤波器元件值L1C2L37.9214.97.92C1L2C33.952.13.95电容的单位为pF电阻的单位为nH步骤六：由于取了近似值，计算难免有误差。这是需要用仿真软件ADS工具栏中的调谐功能，对元件参数进行未调整，以达到更好的效果。TuningEnables you tc change one ar more design parameter values and quickly see the effect on the output without r日simulating the entire design. Multiple plots generated from various tuning trials can be overlaid in the Data Display window using this feature.图2.5调谐按钮仿真结果如图2.6所示:图2.6仿真结果由图2.6衰减曲线可知：阻带840960MHz内的最小衰减为33.896dB，通带内的波纹衰减为2.998dB，符合设计要求。2.2.2 1dB切比雪夫带阻滤波器的设计滤波器指标：电路阻抗：Z = 50Q中心频率：fo = 900MHz带宽：BW=120MHz通带上截止频率：f = 750MHz pl通带下截止频率：f = 1050MHz p2阻带上截止频率：f = 840MHz sl阻带下截止频率：f = 960MHz s2通带最大衰减量：A =ldBs阻带最小衰减量：A =20dBs步骤-：求七和阶数n；通带中心频率f。：f =* 840x960 = 898MHz(2-33)J 0f W的几何对称频W1 WplPl p2f =2 = 1080MHz(2-34)pl f plf =- = JJlA3MHz(2-35)p2 fp2由此得(Af ) =f -f =330MHz(2-36)p 1 pl pl(Af ) =f -f =278.57Affiz(2-37)p 2 p2 p2因此选取f = 278.57MHz(2-38)阻带宽带为w = f -f =960-840 = 120MHz(2-39)s2 sif -f Q = J pi d = 2.32(2- 40)p f -f si s2根据切比雪夫滤波器的阶数计算公式，得n cos，1源sT = 2.47,因此n取3(2-41)cosh-1()s步骤二：n=3阶1dB切比雪夫低通滤波器原型(截止频率为1/(2n)Hz,特征阻抗为1)的元件值如表2-6表2-6低通原型元件值ng1g2g332.21601.08832.2160步骤三：低通滤波器转换为高通滤波器：电容变成电感，电感变成电容。元件值取倒数， 元件值如表2-7。表2-7高通原型元件值nL1C2L330.45120.91890.4512步骤四：频率变化:M = C = 1.884 x109 Hz(2 - 42)1/2nL、L = (old)(2-43)(NEW) MC、C = (OLD)(2 - 44)(NEW)M变化后的元件值如表2-8表2-8频率变换后的元件值nL1C2L33239.490X10-12487.739X10-12239.490X10-12阻抗变换：K=50QL(new)= L(old)X K(2-45)C、C = ( old)(2-46)(NEW)K变换后的值如表2-9表2-9阻抗变换后的元件值nL1C2L3311.529.7511.52步骤五：高通滤波器转化为带阻滤波器：由图2.0知I和II类型的电路转可以转换出带阻滤波器的电路结构，我们在仿真软件ADS中进行电路连接，如图2.7所示：L f , LI YL=11.52rl-.L2L=3J21 rt1tR= -Term .TermlZ=E Ohm -LTerm T&rmi2 - blum=2 Z=5D Ohm-C-2.71 pF ft-=S二PaamSP1 .S-tart=2DD MHzStop=14(ffl MHzS1ep=5 MHz图2.7切比雪夫带阻滤波器原理图根据图2.1中的公式转换元件值得到带阻滤波器的元件值如表2-10：表2-10带阻滤波器元件值L1C2L311.529.7511.52C1L2C32.713.212.71电容的单位为pF电阻的单位为步骤六：调谐之后，仿真结果如图下示仿真结果如图2.8所示：m3frea=1 230-GHml1req=a4D.QMHz dBS (2,1)=-37352m3图2.8仿真结果通带内的波(2-47)由图2.8衰减曲线可知：阻带840960MHz内的最小衰减为29.298dB,纹衰减小于1dB,符合设计要求。2.3巴特沃斯带阻滤波器设计2.3.1阶数的选取最大平坦低通滤波器特性曲线的数学表达式为：A = 10lg1 +8 (W )2 n dBwp式中8满足关系式10lg(e +1)= AP(2-48)其中wp是通带的截止频率，Ap为其对应的衰减；参数n为滤波器的阶数。这种衰减特性曲线之所以称为最大平坦曲线，是由于式（2-47）方括号中的量在 = 0处（2n-1）阶的导数为零。大多数场合，最大平坦滤波器的wp定义为衰减3dB的通带截止点。8巴特沃斯滤波器的阶数n取决于阻带的截止频率弋（弋 七）所对应的最小衰减A,即：10lg1 +8 (土 )2 n ASP（2-49）联立式（2-48）和式（2-49）可得:L ig(10 10t ) n 210A。no 1wlg(f)wp（2-50）2.3.2实例研究1步骤一：确定规格电路阻抗：Z = 50Q中心频率：fo = 900MHz带宽：BW=120MHz通带上截止频率：f i = 750MHz 通带下截止频率：f 2 = 1050MHz 阻带上截止频率：七=840MHz 阻带下截止频率：f 2 = 960MHz 通带最大衰减量：A =1dB阻带最小衰减量：气=20dB步骤二：计算滤波器阶数（颂）=f - f 和（颂）=f -三（2-51）p 1 fplp 2p 2 fAf = min（W ），（W ） （2-52）pp 1 p 2（注：Afp取最小值，是为了保证给定的匕,和匕2都位于阻带内。）其中：1 lg(10 即-1)=3.53，所以n取5（2-53）2，、10土/io-1wlg()w步骤三：选取并C串L电路，查表得元件值如表2-11所示:表2-11低通型元件值g1g2g3g4g50.61801.61802.00001.61800.6180步骤四：低通滤波器向高通滤波器转换，电容变电阻，电阻变电容，元件值取倒数结果如表2-12所示：表2-12高通元件值L1C2L3C4L51.61810.61800.50000.61801.6181步骤五：频率变换M=1.884E-9元件值如表2-13所示表2-13频率变换后的元件值L1C2L3C4L5858.86328.02265.39328.02858.86x10-12X10-12X10-12X 10-12X 10-12阻抗变换：K=50Q阻抗变换后的元件值如表2-14所示：表2-14元件值L1C2L3C4L542.946.5613.276,5642.94电容的单位pF电阻的单位为nH步骤六：高通滤波器像带阻滤波器的转换根据图2.2中的转换。巴特沃斯带阻滤波器实现的原理图，如下图2.9所示。L4L=4-. 77 nH 苦L& .L=4.7T rHR= TMjrrrt Tsrml -2=54?*IfLt1L=4i.O nHR=,1 XL=1327 nH t R=!_1(*C Gfi.C=.56 pF；C左 K,网 pF t L3 . j L=42.0 JiH. w,产.5i c Terrm2 Nwni=2 .Ci- . 士.pF ft- ERaran-i . . .驴I .Start=2OT MHzStQp=14CD MHz . Stap：=5 UHz . .图2.9巴特沃斯滤波器的实现元件值计算结果如表2-15所示：表2-15巴特沃斯滤波器元件值L1C2L3C4L542.946.5613.276,5642.94C1L2C3L4C50.734.772.364.770.73电容的单位为pF电阻的单位为nH步骤七：根据理论计算值进行仿真，带阻内的最小衰减不达要就，此时需要用到调谐功能对元件进行微调整。仿真结果及分析，如图2.10所示。mSfreq=1 .OMGHz dBCS.2,1=-r.-S53图2.10滤波器的S21参数曲线由图2.10衰减曲线可知：阻带840MHz960MHz内的最小衰减为35.081dB，通带 内的衰减小于1dB，符合设计要求。2.3.3实例研究2步骤一：确定规格电路阻抗：Z = 50Q中心频率：f0 = 900MHz带宽：BW=120MHz通带上截止频率：f 1 = 750MHz通带下截止频率：f 2 = 1050MHz阻带上截止频率：f= 840MHz 阻带下截止频率：f 2= 960MHz通带最大衰减量：A = 3dB阻带最小衰减量：A = 20dB步骤二：计算滤波器阶数ig（10A）、210 A /10 -1r、n =2.71，n 取 3 （2-54）wlg（）wp步骤三：选取并C串L电路，查表得元件值如表2-16所示：表2.16低通型元件值ng1g2g331.00002.00001.0000步骤四：低通滤波器向高通滤波器转换，电容变电阻，电阻变电容，元件值取倒数结果如表2-17所示：表2-17高通元件值nL131C2L30.51步骤五：频率变换M=1.884E-9元件值如表2-18所示表2-18频率变换后的元件值nL1C2L33530.78X 10-12265.39X 10-12530.78X 10-12阻抗变换：K=50Q阻抗变换后的元件值如表2-19所示:电容的单位为pF电阻的单位为nH表2-19元件值nL1C2L3326.555.3126.55步骤六：高通滤波器像带阻滤波器的转换根据图2.2中的转换。巴特沃斯带阻滤波器实现的原理图，如下图2.11T 乳 m .Term2 .Mmn=2Z=5- Oimleijn .:TemlZ=50 0hm. . SParsin .SP1 .Siart=O GHzStap=1.6GHz Sfep=5 蛔1图2.11巴特沃斯滤波器的实现元件值计算结果如表2-20所示：表2-20巴特沃斯滤波器元件值L1C2L326.555.3126.55C1L2C31.175.885.88电容的单位为pF电阻的单位为nH步骤七：根据理论计算值进行仿真，带阻内的最小衰减不达要就，此时需要用到调谐功能对元件进行微调整。仿真结果及分析，如图2.12所示。freq=a4D.flMHz dBtSt2,1)=-24332m2freq=90.DMHzdBCS(2,1)=-2Z.3W 响 freq=1.050GHz dB(5C2,1=-2.951图2.12滤波器的S21参数曲线由图2.12衰减曲线可知：阻带840MHz960MHz内的最小衰减为22.850dB，通带 内的衰减小于2.951dB，符合设计要求。2.4巴特沃斯带阻滤波器与切比雪夫带阻滤波器的比较通过仿真波形可以看出，当带宽，最小阻带衰减，最大通带衰减相同的情况下，巴特沃 斯滤波器的阶数要大于切比雪夫滤波器，就计算方面切比雪夫滤波器要比巴特沃斯滤波器设 计简便。巴特沃斯滤波器的特征是通带区域中没有增益的起伏，衰减区域的倾斜就是截止频 率附近开始的，由于巴特沃斯滤波器的衰减曲线平滑，所以用仿真软件调谐时也比较轻松地 达到设计要求。切比雪夫滤波器在通过的区域允许的波动下其截止特性有非常大的倾斜，能 够在截止频率附近获得最大的倾斜。93微带带阻滤波器的设计3.1微带线微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导（信号线）。与地平 面之间用一种电介质隔离开。印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的 介电常数决定了微带线的特性阻抗。如果线的厚度、宽度以及地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而 与线的宽度或间隔无关带状线是介于两个接地层之间的印制导线，它是一条置于两层导电平 面之间的电介质中间的铜带线。他的特性阻抗和印制导线的宽度、厚度、电介质的介电常数 以及两个接层的距离有关。如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距 离是可控的，那么线的特征阻抗也是可控的。微带线的特性阻抗如3-1和模型（如图3.1所示）87,5.98龙Z = ,Ln (3-1)0 齐 +1.41|_ 0.8w +1图3.1表层微带线模型其中A是微带线的特性阻抗，w是微带线宽度，是微带线厚度，h是电介质厚度是 硬质电路板的相对介电常数。3.2微带线滤波器的实现工作频率超过500MHz的滤波器是难于采用分立元件实现的，这是由于工作波长与滤 波器元件的物理尺寸相近，从而造成了多方面的损耗并使电路性能严重恶化。所以实际滤波 器的实现必须讲集总参数元件变为分布参数元件。1.Richards变换原理为了将集总参数元件变换成分布参数元件，Richards提出了一种独特的变换，该变换可 将一段开路（短路）传输线等效于分布的电感（电容）元件。由传输线理论知，一段特性阻 抗为Z0的终端短路传输线具有纯电抗性输入阻抗:(32)ZZn = jZ0tan(印)=jZ0 tan(6)其中0为电长度，为了使它与频率的关系更加明显，它也可以用以下方法来表式。若传输线的长度为入0/8,而相应的工作频率为f0 =叩孔，则电长度可表示：0 = 6上=迪 =1q(3 - 3)8 v 8 fo4其中B为传播常数，vp为相速度，Q为归一化频率，将(3-3)式代人(3-2)式，则电 感性集总参数元件可以用一段短路传输线来实现：jX = jwL = jZ tan( f) = jZ tan( -) = SZ (3 - 4)o 4 fo，o 、4/ o同理，电容性集总参数元件也可以用一段开路传输线来实现：一，一、jB = jwC = j% tan(-。) = SZ(3 - 5)利用Richards变换可以用特性阻抗Z=L的一段短路传输线替代集总参数电感，也可 以用特性阻抗Zo=1 / C的一段开路传输线替代集总参数电容。由于传输线的长度选为扁/ 8 (也可选为扁/4)，变换过程将集总参数元件在0, 8)区间的频率响应映射到0, 4 f ) 区间，以及正切函数的周期性，使频率响应被限制在0, 2匕)区间。在将集总参数元件转变成传输线段时，要分解传输线元件，也就是要插入单位元件(UE)来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ZUF。单位元件可以看成是一个二端口网络，根据二端口理论，对于长度为1，阻抗特性为ZUE，传播常数为。，其ABCD参量表达式为:ue =cos0j sin 0zUEjZ sin 0cos 0(1-S 21SZUEZUES1,其中S = j tan( Q)(3-6)2.Kuroda 规则为了方便各种传输线结构之间的相互变换，使工程上难于实现的滤波器形式变换成容易 实现的形式，Kuroda提出了四个电路变换规则，由于本文中只用了其中两个，故列出其中 两个如图1。10图3.2Kuroda变换准则3.3实例研究微带巴特沃斯带阻滤波器的设计指标：中心频率：900MHz阻带频率范围：840MHz-960MHz通带内最大衰减小于3dB阻带内最小衰减20dB系统特性阻抗50Q带宽120MH微带线基板厚度选为1mm,基板的相对介电常数选为2.7mm在设计带阻滤波器时候，若采用七线段定义的Richards变换，我们在f = f处将遇到8人困难，因为此时正切函数值为1而非最大值。然而，如果米用才线段，则f = f处正切函数值趋于无穷大，正好符合阻带设计要求。11_、 一 一 兀，一 sbw这需要引入所谓的带宽系数：bf = cot -(1一一(3-7)J J其中：sbw = (w 一 w )/w(3-8)计算步骤如下：1. 前文中已经计算过n=3因此选择3阶3dB巴特沃斯滤波器参数2. 用0/4传输线替换电阻和电容，微带线的特性阻抗和特性导纳为带宽系数与归一 化参数的乘积3. 根据Kuroda准则将串联短线变换为并联短线利用Kuroad规则将串联短线变成并联短线后的元件值计算结果如表3-2所示：表3-2 Kuroad规则变换后的元件值Z1ZUE1Z2ZUE2Z33.41421.41421.20711.41423.4142、利用ADS设计并仿真微带带阻滤波器的原理图：步骤一：创建原理图步骤二：利用ADS的工具tools完成对微带线的计算1 .设置微带线参数在微带线元件面板上，选择MSUB插入到原理图的画图区，设置参数如图3.3所示:MSub-.MSubf H = 1 mtji Er=2.7 Mur=1 - , . fcond=5.8E+7.Hu=1.0_e+033T=0.05 mm TanD=OOOOa Rougri=0 m rir -图3.3 MSUB设置2.在微带线元件面板上，选择一个微带线MLIN插入原理图的画图区。选择tools菜单LinCalcsend selected component to linecalc 弹出 LinCalc 窗口 如下图 3.4 所示：图 3.4 LineCalc 设置通过上述计算得到的数据如表3-3所示:表3-3计算微带短截线的尺寸节的名称特性阻抗Q相移微带线宽度微带线长度单位元件167.8901.569820mm28.5552mm单位元件238.3903.91549mm27.5861mm短截线1190.7900.045322mm30.8136mm短截线2204.4900.02617mm30.9957mm短截线369.6901.4948mm28.6042mm系统阻抗502.6335mm步骤三：设计原理图如图3.5, 3.6所示:D.OB24S3 mmi -1 SiibstWSubr .451220 mmL=57 3075 rw SubstMlSubfL=5mm州如2g UTE. Tee J.Sut slMSubr.W1-1.4E1220mm=1.45122() nim 圳3T.33D*，. mrfi -.SjtfctWSubr. L=5730T5 mm W1: =2.6333 mm!A2|=l.45i220 mm . . YV3，jubitMSjibf .1.45220 mm2.233 mn O.C924B3 mrarMLOC TLE SubstMSibl. 海).0324 贸 mn L=61 0255 mmJL HI. )C.TL6Subst= rjSubi V-1.93036 lira . L=56 735?. mmL WLQC .TL7Sjbst=rtSubf-1 W5.DE2453 rim L=61图3.5微带短截线滤波器带阻滤波器SjjI 8t=TuOrWiW2如成二陋面颂 mmL=S1.02fi5inml.4S1220m：L45122DmSulMdJMSubr1 妇.珈36 rhT L 二祯了 333 rmiW=2.KM m-n T&b L-& ES5ut=M5lit)r W1I SUtSt=W5lJC1T,1 V=-0.D92453.mni L-SI .323S mm233rlrm