滤波器4-低通与带通滤波器的实现

ResearchInstituteofAntenna&RFTechniques第4讲低通与带通滤波器的实现陈付昌,涂治红华南理工大学电子与信息学院天线与射频技术研究所TEL:22236201-604Email:[e-mail]现代射频滤波器理论与设计ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology第4讲内容低通滤波器的实现变形低通原型耦合谐振器带通滤波器的实现ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology4.1低通滤波器的实现设计一个微波低通滤波器的过程是：根据给定的工作特性指标，如通带内昀大衰减LAr，截止频率1，阻带昀小衰减LAs以及阻带边频s综合出低通原型梯形网络的归一化元件值；利用频率变换和反归一化过程，得出实际滤波器的元件值；用微波网络实现之。ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology通常的微波结构有波导、同轴线、带状线和微带等。因此，按结构分，滤波器也可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带滤波器。用微波网络元件实现低通滤波器中的电感和电容的方法基本上有三种：高低阻抗线法开路短路短截线法集中元件法ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology在短截线长度甚短时，高阻抗线可以等效为一个集中元件串联电感，低阻抗线可等效为一个集中元件并联电容。并联电容也可以采用开路或短路短截线来实现，而串联电感则可以采用高阻抗线来实现。对于带边频率比较低的低通滤波器，也可以采集中电容来实现梯形网络中的电容。ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology【例4-1】设计一切比雪夫同轴线低通滤波器，其技术指标要求：截止频率f1=3.6GHz，通带昀大衰减LAr=0.1dB，在fs=6.4GHz上阻带衰减大于25dB，输入、输出阻抗为50欧。解：（1）计算n，由LAr=0.1dB，有取n=54.1.1高低阻抗线法1101/1011'100.0231.78(101)/4.62ArAsLssLschnchResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（2）根据LAr和n，求低通原型归一化元件值。（3）选用电容输入式电路，由于输入和输出阻抗Z0=50Ω，各元件的真实值为：1524361.14681.37121.97501.0000gggggg311531010202411.01()1.75()3.02()ggCCpFCpFZZgZLLnHResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（4）选取高低阻抗线。选取高低阻抗线的原则是：高低阻抗线的高度必须小于1/8波长；高阻抗线的特性阻抗应可能高，低阻抗线的特性阻抗应尽量低，但必须易于实现，也就是说，高阻抗线阻抗也不能太高，太高则线过细，不易制作，低阻抗线阻抗也不能太低，太低则内导体过粗，可能会出现高次模。ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology选取高特性阻抗为Zoh=138Ω，低特性阻抗为Zol=10Ω，根据同轴线特性阻抗公式取外直径D=1.6cm，则对于50Ω线，内导体：对于138Ω线：对于10Ω线1611.36()dDecm2/100.16()dDcm560.7()dDecmdDdDZlg138ln600ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（5）计算各线段长度。根据高阻抗线等效串连电感公式根据低阻抗线等效并联电容公式91022403.02103100.66()138phLvllcmZ0pLZlv1210151012103301.0110103100.303)1.7510103100.525()lplpllCZv(cmlCZvcm0pClZvResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（6）采用MicrowaveOffice仿真ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology从仿真结果看，与指标稍有偏差，可以通过适当调整各段同轴线长度修正之。在MicrowaveOffice软件中，采用调节器（tune)调整，昀终得到满意的结果。l1=l5=2.75cm,l2=l4=6.6cm,l3=4.7cm仿真中没有加入高低阻抗同轴线间的阶梯，阶梯的影响主要引入了电抗，因此修正后的仿真结果与实际结果还会有一定的差距。ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology0.012.014.016.018Frequency(GHz)s21-50-40-30-20-1006.4GHz-25.344dB3.6GHz-0.0952773dBDB(|S(1,2)|)LPfilter14_1ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology4.1.2开路、短路短截线法【例4-2】设计微带线低通滤波器。其技术指标：截止频率f1=5GHz，通带昀大衰减LAr=0.1dB，在fs=10GHz上阻带衰减大于30dB，输入、输出阻抗为50欧。解：（1）确定低通原型。采用切比雪夫低通原型。由LAr=0.1dB，可得n=5。1101/1011100.0232(101)/4.62ArAsLssLschnchResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology各归一化元件值为：选用电感输入式电容，输入、输出阻抗Z0=50Ω，各元件的感抗和容抗为：111501151121402241303357.341.825()0.02748.728()98.753.143()LLZgLLnHCCZgCCpFLZgLnH1524361.1468,1.3712,1.9750,1ggggggResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（2）选定微带线的介质基片。设选定的介质基片为氧化铝陶瓷基片，它的相对介电常数r=9.6，基片厚度h=0.8mm。（3）设计各电感线采用高阻抗微带线实现串联电感。高阻抗微带线的特性阻抗一般选在100Ω左右，太高，线太细。这里选其为=90.96Ω，则微带线形状比为W1/h=0.2，有效介电常数r=5.93。故微带宽度为：W1=0.2h=0.16mm。微带线波导波长：mmeeh63.24/ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology波速：故线长度：设计各电容线。采用开路短截线实现并联电容，根据开路线公式：1510330/2.47/4.25phhphhllLvZmmlLvZmm0012eCYtgltglZ1111310/1.2310/phevmmsResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology所以，应有le/4。Z0小，则C大。因此，选用较低的特性阻抗。取Z0l=33.87欧。则W2=2.0h，er=6.9，故线宽度W2=1.6mm。在截止频率1处，波导波长采用两条开路线并联构成并联电路，所以20/22.84eLemm1220112024221.5822LeLeLLCtglZCZlltgmmResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology（5）修正不连续的影响。为了修正各电容线的开路端的边缘电容影响，通常将线缩短，对于氧化铝陶瓷基片，有经验公式：为了修正十字接头对电感线的影响，通常将电感线增长，对于氧化铝陶瓷片，有经验公式：于是，修正后各线段长度为151'22330.322.790.2641.31620.324.89lllmmllmmllmm20.21.60.32mm10.330.264hmmResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology微带结构图。（6）采用MicrowaveOffice仿真，并加以调整。ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology电路模型3维电路版图ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology0.0015.0011014Frequency(GHz)s21-30-25-20-15-10-5012.36GHz-0.5923dB10GHz-20.59dB5.001GHz-0.5333dBDB(|S(1,2)|)LPfilter14_2ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology可以看出，由于出现了寄生谐振，在12GHz附近有一个峰，使得衰减不能达到指标要求。为此，首先调整l3，是寄生峰远离，然后调整l2、W2和l1，以满足指标要求，调整后尺寸为:l1=1.6mm,l2=2.3mm,l3=2.7mm,W1=0.16mm,W2=1.0mmResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology修正后的S210.0015.0011014Frequency(GHz)s21-150-100-50010GHz-31.26dB4.999GHz-0.04963dBDB(|S(1,2)|)LPfilter14_2ResearchInstituteofAntenna&RFTechniquesSouthChinaUniversityofTechnology4.1.3集总元件法对于带边频率比较低的低通滤波器，也可以采集中电容来实现梯形网络中的电容。例如，在微带线中用一块金属块与接地板间形成一个平板电容器。应用这种方法时，元件的各向尺寸都要比带边频率的波长小的很多，否则不能应用。R