实验四-微波射频带通滤波器设计

实验四射频滤波器设计、仿真、制作与测试2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU2一、滤波器原理滤波器~ZLPLf0OfPinfO如图所示的双端口网络,设从一个端口输入一具有均匀功率谱的信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的,也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。dBPPLLinAlg10通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：Pin和PL分别为输出端接匹配负载时的滤波器输入功率和负载吸收功率。1.1滤波器的概念2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU3低通带阻高通带通2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU4三种滤波器函数2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU51.2滤波器的技术指标（1）工作频率：滤波器的工作频率范围（2）插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗（3）带内纹波：插入损耗的波动范围（4）带外抑制:规定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。（5）承受功率：在大功率发射机末端使用的滤波器要按大功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下降。2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU61.3滤波器的设计的经典方法低通原型综合法步骤：（1）由衰减特性综合出低通原型（2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型（3）计算滤波器电路元件值（4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU71.4滤波器的低通原型滤波器低通原型为电感电容网络,其中元件数和元件值只与通带结束频率、衰减和阻带起始频率、衰减有关。设计中都采用表格而不用繁杂的计算公式。巴特沃士、切比雪夫的低通原型电路结构2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU81.巴特沃士：已知带边衰减为3dB处的归一化频率Ωc=1、截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。sASLnlg2)110lg(1.02020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU92.切比雪夫，已知带内衰减与波纹指标LAr、归一化频率Ωc=1、截止衰减LAs和归一化截止频率Ωs,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。sLLArAsn110/10/1cosh110/110cosh2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU102020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU111.5滤波器的四种频率变换由低通原型滤波器经过频率变换,就可得到低通、高通、带通、带阻四种实用滤波器。定义阻抗因子为为电导为电阻000000,,gYgggZ低通变换：2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU12高通变换：带通变换：2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU13带阻变换：2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU14例：设计一个L-C切比雪夫型低通滤波器,截止频率为75MHz,衰减为3dB,波纹为1dB,频率大于100MHz,衰减大于20dB，Z0=50Ω。二、集总参数滤波器（1）确定指标:特性阻抗Z0=50Ω,截止频率fc=75MHz,阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。（2）计算元件级数n：sLLArAsn110/10/1cosh110/110coshn取最接近的整数,则n=5（3）查表求原型元件值gi,2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU15低通变换：（4）计算实际元件值2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU16（5）画出电路结构，进行电路仿真2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU17m1freq=dB(S(2,1))=-0.99823.00MHzm2freq=dB(S(2,1))=-24.990100.0MHzm3freq=dB(S(2,1))=-3.21475.00MHz204060801001201401601800200-60-40-20-800freq,MHzdB(S(1,1))dB(S(2,1))Readoutm1Readoutm2Readoutm3m1freq=dB(S(2,1))=-0.99823.00MHzm2freq=dB(S(2,1))=-24.990100.0MHzm3freq=dB(S(2,1))=-3.21475.00MHz2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU18例2：设计一个L-C切比雪夫型带通滤波器,中心频率为75MHz,3dB带宽为10MHz,波纹为1dB,工作频带外75±15MHz的衰减大于30dB,Z0=50Ω。（1）确定指标:特性阻抗Z0=50Ω,截止频率fc=75MHz,阻带边频fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。特性阻抗：Z0=50Ω上通带边频：f1=75+5=80MHz下通带边频：f2=75-5=70MHz上阻带边频：f=75+15=90MHz下阻带边频：f=75-15=60MHz通带内最大衰减：LAr=3dB阻带最小衰减：LAs=30dB（2）计算相关参数778.2),(778.21333.311083.742120220112210XXsXLXUsXLXLsMINFBWfffFBWfffMHzffFBWfff，，2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU19（3）计算元件节数nsLLArAsn110/10/1cosh110/110coshn取整数3（4）查表得原型元件值gi（5）带通变换2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU20（6）画出电路，进行仿真2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU21m1freq=dB(S(2,1))=-34.69860.00MHzm2freq=dB(S(2,1))=-30.95190.00MHzm3freq=dB(S(2,1))=-0.01275.00MHz6070809050100-50-40-30-20-10-600freq,MHzdB(S(1,1))dB(S(2,1))60.00M-34.70m190.00M-30.95m2Readoutm3m1freq=dB(S(2,1))=-34.69860.00MHzm2freq=dB(S(2,1))=-30.95190.00MHzm3freq=dB(S(2,1))=-0.01275.00MHz2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU22三、分布参数滤波器12单位：mm9.810.27.114.0(a)0.00.51.01.52.02.53.0S11S21－15－10－50IL/dBf/MHz(b)高、低阻抗线低通滤波器12单位：mmS11S210.00.51.01.52.02.53.0－15－10－50IL/dBf/GHz(a)(b)11.044.05.780.2枝节线低通滤波器2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU23七节切比雪夫滤波器L2L4L6C1C3C5C7Z0Z0－10－20－30－40－50－60－70－800.00.51.01.52.02.53.00IL/dBf/GHzWcWLl1l2l3l4l5l6l7(a)(b)L-C低通原型设计1设计2(c)2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU24单位：mm0.0578.1480.8018.3991.1(a)5.65.86.06.26.4S21S11－50－40－30－20－100f/GHzIL/dB(b)三节端耦合微带带通滤波器2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU25平行耦合谐振单元带通滤波器0.592.8522.7722.7560.3850.5750.595单位：mm0.1610.5400.73089101112－80－60－40－200f/GHzS21S11IL/dB(a)(b)2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU26发卡式带通滤波器单位：mm31.20.60.418.41.854.71.01.02.030S21S111.21.41.61.82.02.22.42.62.8－50－40－30－20－100(a)(b)f/GHzIL/dB－60U2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU27同轴腔体低通滤波器2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU287.07.58.08.59.09.510.010.511.011.512.0-40-38-36-34-32-30-28-26-24-22-20-18-16-14-12-10-8-6-4-20S11S21S-parameters(dB)Freqency(GHz)多层左右手复合传输线滤波器2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU29例：设计一个三阶微带低通滤波器,截止频率f1=1GHz,通带波纹为0.1dB,阻抗Z0=50Ω。（1）三节低通原型元件值为g0=g4=1,g1=g3=1.0316,g2=1.1474。2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU30（2）进行低通变换FZfgCHfZgLL12012291013110652.32102098.82（3）微带实现，微带高低阻抗线。高阻抗线近似于电感,低阻抗线近似于电容。取高、低阻抗线的特性阻抗分别为Z0L=93Ω,Z0C=24Ω。微带基板参数：相对介电常数：10.8板材厚度：1.27mm用ADS微带线计算工具计算微带线的参数。2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU31高、低阻抗线的物理长度可以由以下公式得到：mmCZLmmZLlCCgLCLCgLL41.8arcsin204.11arcsin200上式中没有考虑低阻抗线的串联电抗和高阻抗线的并联电纳。考虑这些因素的影响,高、低阻抗线的长度可调整为：gCCLgCCCcgCCCgLLLclZlZClZlZL2tan122sin12tan2sin002001mmlmmlCL11.71.892020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU32（4）建模仿真2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU330.51.01.52.02.50.03.0-10-8-6-4-2-120freq,GHzdB(S(2,1))2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU34作业：对下面结构的微带枝节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，并分析其特性。考虑终端效应的终端开路微带分支线控件：微带线控件：2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU35例：设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带3.0－3.1GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。2020/5/20MW&Opti.Commu.Lab,XJTU36（1）打开ADS，建立工程（2）生成原理图在原理图设计窗口中选择