微波濾波器設(shè)計(jì)10932

1、微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)二十五所 魏紹仁【摘要】本文旨在介紹微帶抽頭濾波器的曲線設(shè)計(jì)和運(yùn)用Microwave Office軟件對(duì)其設(shè)計(jì)、優(yōu)化。微帶抽頭線濾波器設(shè)計(jì)與常規(guī)微帶濾波器相比其優(yōu)點(diǎn)就是中等帶寬而言在結(jié)構(gòu)上很容易實(shí)現(xiàn)，而常規(guī)微帶濾波器已達(dá)到其結(jié)果的極限范圍。但是曲線設(shè)計(jì)有一定的誤差，而用Microwave Office軟件可以進(jìn)行比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)?！娟P(guān)鍵詞】微帶抽頭線濾波器，耦合系數(shù)。一、引言微波帶通濾波器是一種受到廣泛研究的濾波器，其中最適合微波集成電路的就是半波長(zhǎng)平行耦合濾波器，它們均不要求微帶電路到地的連接（在微波集成電路中，這種對(duì)地連接是不方便的）。如今由于工藝上的進(jìn)步，這種接地已不

2、成問(wèn)題，這使得微帶抽頭線耦合濾波器的制作上很容易實(shí)現(xiàn)。和常規(guī)的濾波器相比具有體積小和成本低的優(yōu)點(diǎn)。尤其在端節(jié)耦合非常緊的情況下，而同樣的濾波器用抽頭線法則是可行的。在以前發(fā)表的有關(guān)文章中都沒(méi)有介紹進(jìn)行抽頭濾波器的準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)，而本文介紹的MicrowaveOffice軟件就可以對(duì)其進(jìn)行比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)。二、微帶抽頭交指濾波器的設(shè)計(jì)在微帶抽頭交指濾波器的設(shè)計(jì)中，以抽頭為加載的第一和最后一節(jié)的單端加載Q（QS）和相鄰諧振器之間的偶合系數(shù)（K）是些必不可少的參量。一旦知道了單端加載Q值，那么圖1的分接點(diǎn)1/L就可以由下式算出： (1)式中： R信號(hào)源阻抗（一般都是50歐姆）ZC為濾波器的內(nèi)阻抗。Qsi為

3、單端加載Q值L為耦合微帶線的長(zhǎng)度l為抽頭線到短路端的距離耦合系數(shù)（k）是由線寬和諧振器間的距離來(lái)確定的，在耦合系數(shù)的測(cè)量實(shí)驗(yàn)中，各諧振器帶線寬度可以選得相等，而通過(guò)改變間隙以得到不同的耦合，從而得到S/H對(duì)K的關(guān)系曲線見(jiàn)（附錄二），這里不去追究實(shí)驗(yàn)原理、方法。圖一 交指抽頭濾波器下面給出一個(gè)在微帶交指濾波器在DF21C高頻前端上的典型實(shí)例。濾波器的技術(shù)指標(biāo)：中心頻率為 f0 GHz，相對(duì)帶寬為10%，帶內(nèi)衰減為2dB，在3BW3dB以外抑制為45dB以上。根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選用八極點(diǎn)微帶抽頭線交指濾波器，并選用復(fù)合介質(zhì)基片=9.6 H=0.8mm。 圖二 8極點(diǎn)微帶抽頭線交指濾波器在設(shè)計(jì)這

4、一濾波器時(shí)，第一步是確定它的3dB帶寬。利用關(guān)系式BW3dB=BW/0.955就可以確定3dB帶寬是138.22MHz。為使最大功率傳遞到終端負(fù)載上，在文獻(xiàn)25-8-28中TABLE提供了濾波器的歸一化單端加載Q值和歸一化耦合系數(shù)（K）值。其值為q2,3,4,5,6,7=q1=q2=1.25k12=k78=0.727k23=k67=0.545k34=k56=0.56k45=0.510 式中： qi為歸一化單端加載Q值ki,j為歸一化耦合系數(shù)K值濾波器的實(shí)際耦合系數(shù)（K）可以由下式算出：K=Kn,m（BW3dB/f0）=0.1047Kn,m式中：Kn,m為實(shí)際耦合系數(shù)K值BW3dB為3dB通帶帶

5、寬f0為中心頻率由濾波器的k值和S/H的關(guān)系曲線（附錄二）可以得到S值，濾波器的內(nèi)阻抗可計(jì)算微帶線的最后是計(jì)算輸入和輸出抽頭的位置，有公式 式中：Qs為單端加載Q值q為歸一化單端加載Q值f0為中心頻率BW3dB為3dB通帶帶寬就能確定l/L。由于曲線設(shè)計(jì)，有一點(diǎn)的誤差，實(shí)際制作的濾波器在頻率上有所偏移，但基本符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，在鏡像抑制上還是相當(dāng)不錯(cuò)的。三、MWOffice軟件對(duì)抽頭濾波器的仿真和優(yōu)化Microwave Office是AWR(Applied wave Research Inc)的一個(gè)專(zhuān)業(yè)微波設(shè)計(jì)，仿真的軟件。這個(gè)軟件優(yōu)于以前的EESOF軟件，圖形化的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，并且能對(duì)EESOF

6、中無(wú)法描敘的微波結(jié)構(gòu)進(jìn)行描敘，像微帶線之間的這種多級(jí)抽頭耦合在EESOF中是不好描敘的，但是在MWOffice中是很方便描敘的。下面以上述微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)為例，濾波器的技術(shù)要求是八節(jié)，BW為10%，40dB以上的抑制。在Microwave Office中進(jìn)行設(shè)置、模擬和優(yōu)化。首先對(duì)計(jì)算頻率進(jìn)行設(shè)置，在打開(kāi)一個(gè)New Project后雙擊Project Frequency，設(shè)置開(kāi)始和終止頻率以及STEP如圖三所示：圖三、工作頻率的設(shè)置 然后就是建立微帶抽頭濾波器的模型，雖說(shuō)元件中有許多耦合微帶線的模型結(jié)構(gòu)，但是由于抽頭的存在，我們不得不對(duì)濾波器進(jìn)行分解，首先新建一個(gè)模型（New Schem

7、atic），然后在元件（Elem）的微帶中選擇你自己需要的元件，如圖四所示：圖四、濾波器的模型建立好模型以后還要對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行設(shè)置，其中有些有必要利用公式的可以建立方程，例如那些可供優(yōu)化的量和聯(lián)接的值。如圖五所示：圖五元件參數(shù)設(shè)置模型建立完成后，我們需要建立圖表和優(yōu)化目標(biāo)，在Add Graph后對(duì)圖表的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，數(shù)據(jù)源的名稱(chēng)選擇你的濾波器的模型名稱(chēng)，如圖六所示圖六、圖表參數(shù)的設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)無(wú)非就是對(duì)其提出種種限制，當(dāng)然這些限制要是合適，對(duì)優(yōu)化的結(jié)果有很大的影響。因此我們?cè)趦?yōu)化結(jié)果不滿(mǎn)意時(shí)，除了檢查模型等問(wèn)題，還要看看優(yōu)化目標(biāo)是否需要修改。圖七、設(shè)置優(yōu)化目標(biāo)一切完成后，我們就可以分析、模擬仿真

8、。我們給的初值結(jié)果不夠滿(mǎn)意，就要進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，如下面所示：圖八。優(yōu)化過(guò)程優(yōu)化完成后，就可以得到最佳曲線，也就是自己要求的條件，同時(shí)還要對(duì)可變量進(jìn)行取整，這就需要調(diào)諧（Tune），調(diào)諧的過(guò)程中圖形隨之變化，找到最佳曲線。如圖九所示 圖九、調(diào)諧取整整個(gè)仿真、優(yōu)化過(guò)程基本如上，由于微帶耦合抽頭濾波器的設(shè)計(jì)有其局限性，一直是以查表的形式設(shè)計(jì)，準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)抽頭線濾波器并不容易，運(yùn)用這個(gè)軟件設(shè)計(jì)的濾波器還是相當(dāng)方便、可靠的。四、設(shè)計(jì)分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在這種濾波器的設(shè)計(jì)中，一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是濾波器中的所有的諧振器都可以做成等線寬的，而只把間距比S/H作為唯一變量。在氧化鋁陶瓷基片上帶線的寬度是根據(jù)濾波器阻抗為58歐

9、姆來(lái)確定的，在Duroid基片上濾波器的阻抗則取為70歐姆，同時(shí)運(yùn)用MicrowaveOffice優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器，在軟件的幫助下能起到事半功倍的效果，實(shí)際制作濾波器是在一塊30×30mm2的復(fù)合介質(zhì)基片上，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單調(diào)試，實(shí)際得到的比優(yōu)化的結(jié)果還要好，以下是測(cè)試結(jié)果，由測(cè)試結(jié)果可以看到，其帶外抑制特別好，可以達(dá)到55dB以上。而且基本滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)，完全滿(mǎn)足實(shí)際工程需要。 圖十、處理后的測(cè)試結(jié)果 五、結(jié)論微帶抽頭線濾波器設(shè)計(jì)與常規(guī)微帶濾波器相比就中等帶寬而言抽頭線濾波器在結(jié)構(gòu)上仍然很容易實(shí)現(xiàn)，而常規(guī)微帶濾波器則一達(dá)到結(jié)構(gòu)極限范圍。而在軟件的幫助下，使得其設(shè)計(jì)更加方便，容易，還有一定的精確性，去除了查表的麻煩和不準(zhǔn)確性。2001年3月8日參考文獻(xiàn)：1. 微帶抽頭線濾波器的設(shè)計(jì)吳世杰譯自IEEE trans,Microwave Theory Tech.Vol MTT-27 P.44 Nol 1979年2. International Telephone and Telegraph corp. Reference data for Radio Engineers 6th ed Howard W Sums Co Inc3. M .Dishal, ”A simple design procedure for small percentage bend