阶跃阻抗微波低通滤波器设计与仿真设计.docx

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阶跃阻抗微波低通滤波器设计与仿真设计

阶跃阻抗微波低通滤波器设计与仿真

设计总说明

微波滤波器在无线通信系统中至关重要，起到频带和信道选择的作用，并且能滤除谐波，抑制杂散。

在射频电路设计时，经常会用滤波器从各种信号中提取出想要的频谱信号。

AngilentADS软件可以支持从模块到系统设计，能够完成微波电路设计、通信系统设计、射频集成电路设计，因此是当前射频和微波电路设计的首选工程软件。

本文主要用三种方法达到了任务书的要求，其具体参数指标为截止频率=2.5GHz;在=4GHz处的插入损耗大于20dB;输入输出阻抗为50，依据理论是巴特沃兹、切比雪夫、Richards变换与Kuroda规则，并得出了三种方法设计的滤波器。

利用滤波器向导设计在基于Richards变换与Kuroda规则最低需采用五阶，就可以达到最平坦响应，但其过渡带过于平坦；采用最平坦响应阶跃阻抗低通滤波器原理图设计需要六阶就可以达到设计参数要求，同时该方法设计的滤波器过渡带比采用向导设计的要陡峭；采用切比雪夫设计的滤波器所需节数需五阶，但其通带内会出现波纹。

本文的设计结果和结论为微波滤波器的设计提供了重要的理论参考。

关键词：

ADS，巴特沃兹，切比雪夫，Richards，Kuroda，低通滤波器。

Stepped impedance of microwave low-pass filter design and simulation

DesignDescription

Microwave filters in a wireless communication system isessential, and playa role in band and channel selection, and harmonic, suppression of spurious.When the RF circuit design, often used filter wants spectrum signal isextracted from the signal. Angilent ADSsoftware can support from the moduleto the system design, ableto complete microwave circuit design，communication design, RFIC design, so is the current choice for RF andmicrowave circuit design engineering software.

Thisarticle mainly three ways to meet the requirements of the task, thespecific parameters for  asat frequencies low pass cut-off frequency of=2.5GHz ;insertion loss greaterthan 20dB at the =4GHz  input outputimpedance is 50, basedon the theory of Butterworth, Chebyshev , Richardsrules of transformation and Kuroda, and the three methods of design of thefilter. InbasedonRichardstransformandKurodarulesusingFilterWizarddesignjustusedfourorder,oncanreachedmostflatresponse,butitstransitionwithtooflat;usedprinciplefiguredesignofhasmostflatresponseorderjumpimpedancelowpassfilterneedsixordertoreacheddesignparameterrequirements,whilethemethoddesignoffiltertransitionwiththanusedwizarddesignoftosteep;usedcutthansnowhusbanddesignoffilterbyneededsectionnumberjustfiveorder,whiletransitionwiththanformerarestee,But it appears in the passband ripple.

This design results and conclusions for the design of microwave filtersoffer theory reference.

Keyword:

ADS, Butterworth, Chebyshev ,Richards,Kuroda and low-pass filters.

1绪论

1.1阶跃阻抗微波低通滤波器简介

在无线通信系统中，如何选择合适的信道，并运用微带滤波器提取有用的频谱信号，同时抑制干扰滤除谐波分量是非常重要的环节。

微带滤波器性能的好坏直接影响系统设计的整体性能，从而对滤波器的设计提出了较高的要求。

而计算机辅助软件ADS的广泛运用，避免设计者花费大量时间进行理论推导和计算，有效缩短了设计周期，提高了设计效率。

微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR（阶跃阻抗谐振器）滤波器、高温超导材料等。

1.1.1按滤波器的传输线分类

（1）微带滤波器：

 微带滤波器主要包括平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、微带类椭圆函数滤波器。

半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为应用的带通滤波器形式。

其结构紧凑、第二寄生通带的中心频率位于主通带中心频率的3倍处、适应频率范围较大、适用于宽带滤波器时相对带宽可达20%。

其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤波器在一个方向上占用了较大空间。

和平行耦合线滤波器结构相比，发夹型滤波器具有紧凑的电路结构，减小了滤波器占用的空间，容易集成，并且降低了成本。

在电路尺寸有较严格要求的场合发夹型滤波器得到了较为广泛的应用。

 发夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，是半波长耦合微带滤波器的一种变形结构，是将半波长耦合谐振器折合成U字型构成的，因此与交指式、梳状线式等其他微波滤波器结构相比，其电路结构更加紧凑，具有体积小，微带线终端开路无需过孔接地，易于制造等优点。

发夹型滤波器耦合拓扑结构属于交叉耦合，交叉耦合实质是从信号源到负载端有不止一条耦合路径，包括主耦合路径和相对较弱的辅耦合路径，任意两谐振器之间都可以产生耦合。

相对于级联耦合，交叉耦合的最大优点是能够在通带附近的有限频率处产生传输零点，因而滤波器的带外抑制能力将获得极大提高，使用交叉耦合的谐振器滤波器比普通级联型的滤波器具有更好的频率选择性，同时可以减少所需谐振器的数目。

 发夹型滤波器参数包括：

发夹臂长、发夹间距、发夹线宽和和抽头位置。

 平行耦合线滤波器、交指型滤波器等，获得在带内较平坦的幅频特性，但带外抑制特性较差。

微带类椭圆函数滤波器，通过在带外引入衰减极点，能明显改善滤波器的带外特性，比平行耦合线滤波器、交指型滤波器有更好的电特性。

并且微带类椭圆函数滤波器具有较小的体积，同时，在超导状态，由于导体薄膜的无载Q值很高，该种滤波器将在具有较高选择性的同时又具有较低的插损，具有很好的应用前景。

（2）交指型滤波器 ：

交指滤波器Q值较高、体积适中。

在0.5～18GHz的频率范围内可实现5％～60％带通滤波，广泛应用于各种军、民用电子产品。

交指滤波器一般由金属整体切割加工而成，结构牢固，性能稳定可靠。

交指型滤波器是对平行耦合微带线滤波器的一种改进，同样是减小微带滤波器占用的体积。

具有以下优点：

结构紧凑、可靠性高； 由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，容易制造；由于谐振杆长近似等于1/4λ0，所以第二通带中心在3ω0以上，其间不会有寄生响应。

（3）同轴滤波器：

 同轴腔滤波器体积小、Q值较高，温度稳定性好，特别适合于窄带应用。

可实现带宽为0.5％～3％，广泛应用于各种军、民用电子系统同轴腔滤波器广泛应用于通信、雷达等系统，按腔体结构不同一般分为标准同轴、方腔同轴等。

同轴腔体具有Q值高、易于实现的特点，特别适用于通带窄、带内插损小、带外抑制高的场合。

这类滤波器非常适合大规模生产，因此成本也非常低廉。

但要在10 GHz以上使用时，由于其微小的物理尺寸，制作精度很难达到。

具体的设计有方法负阻线子网络构造了多腔耦合的同轴带通滤波器电路模型；同轴腔体滤波器温度补偿法；阶跃阻抗谐振器等。

（4）波导滤波器 ：

波导滤波器Q值高，插损小，温度稳定性好，特别适合于窄带应用。

在1.7～26GHz的频率范围内可实现0.2％～3.5％带通滤波，在各种要求高性能滤波特性的军用电子产品中被广泛使用。

 波导型滤波器由于其Q值高，损耗小，功率容量大等优点而广泛应用于微波毫米波通信、卫星通信等系统中。

近年来微波技术的快速发展对该类滤波器的尺寸、阻带特性等指标都提出了越来越高的要求。

通常可用直接耦合半波长谐振腔结构来构造波导型滤波器，但由于高次模的影响，这种类型的滤波器第二通带很近，频率高端阻带性能较差。

采用1/4波长传输线耦合谐振膜片结构，可对此进行改善。

通过选择合适的膜片尺寸，使各谐振膜片谐振在同一频率上，但具有不同的Q值，可使其第二通带位置变远，从而显著提高其阻带特性。

另外，1/4波长传输线耦合谐振膜片型滤波器还具有尺寸小的优点，其总长度比直接耦合半波长谐振腔型（以下简称半波长型）缩短40%。

与半波长型相比较，谐振膜片型带通滤波器的尺寸缩短了38.4%，且具有更宽的阻带。

 波导带通滤波器还应用在各种微波多工器上，但其最大缺点是尺寸明显比其他可应用在微波段的谐振器大。

（5）梳状线腔滤波器：

 梳状线滤波器标准响应为0.05dB波纹切比雪夫响应，具有体积小，Q值适中的特点。

在0.5-12GHz的频率范围内可实现0.5%-30%的相对带宽，广泛应用于各种军、民用电子产品。

 外形:

外形尺寸因频率、带宽、插损、及节数的不同而不同，无固定尺寸 输入输出形式：

SMA、N、L16等 。

为了减小尺寸，并且使设计简单，适合规模化生产，采用λ/4谐振线在高介电常数基片上直接制作一种微带滤波器，即梳状线腔滤波器。

它利用交叉耦合方法提高通带边缘的陡度，同时在微带谐振器中应用了屏蔽线，减弱了由高介电常数带来的强耦合。

 常用的微带线滤波器结构，有交指、梳状及发卡型等形式.所谓“梳状线滤波器”，其谐振器是由一端短路、一端经过一集总电容接地的一些平行耦合线所组成的结构.在此滤波器中，谐振器间的耦合由平行耦合线间的边缘场得到。

（6）螺旋腔滤波器：

 目前采用的一些滤波器技术如压电晶体共振器，其同轴振荡器体积太大，不适合VHF以及UHF频段的应用。

在VHF，UHF频段，螺旋滤波器具有高Q值和较小的设计参数，可使设计的振荡器由一个1/4λ的同轴谐振器装配而成。

由于螺旋滤波器具有较强的耦合性能和高Q值，可承受高的功率容量，因此广泛应用在较低的射频大功率电路设计中。

其缺点是螺旋耦合结构的边界条件很复杂，用电磁场数值方法进行