微帶耦合帶通濾波器的設(shè)計方法和實例

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上微帶耦合帶通濾波器的設(shè)計方法和實例一、 濾波器的分類濾波器按照函數(shù)類型可以分為，巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、貝塞爾濾波器、橢圓型濾波器等。巴特沃斯濾波器的通帶非常平坦，無限遠處的衰減接近無窮大，又稱為最大平滑濾波器，其缺點是衰減曲線不夠陡峭；切比雪夫濾波器用通帶的波動換取更好的衰減特性，其通帶存在等幅度紋波，無限遠處的衰減接近無窮大；貝塞爾濾波器又稱為線性相移濾波器，但是衰減特性較差；橢圓型濾波器的衰減曲線最陡峭，但通帶和阻帶存在等幅度紋波。二、 低通濾波器原型一般用通帶截止頻率和阻帶截止頻率，及相對應(yīng)的衰減和來描述低通濾波器的性能，越小、越大、與越接近，性能就越

2、好。L、C串、并聯(lián)而成的梯形電路能夠?qū)崿F(xiàn)低通特性。要進行綜合設(shè)計，就需要求出工作衰減L與電路各元件值的關(guān)系。n個L、C元件構(gòu)成的低通網(wǎng)絡(luò)，如圖1，R0和Rn+1分別代表電源內(nèi)阻和負載電阻。圖1 低通濾波器原型電路工作衰減L為: （1.1）a d是低通網(wǎng)絡(luò)a矩陣的四個參數(shù)，給定n的L、C低通網(wǎng)絡(luò)的a矩陣等于相應(yīng)n個L、C的a矩陣相乘。單獨的串聯(lián)L、并聯(lián)C的a矩陣分別為： 和 （1.2）計算表明，工作衰減L（dB）可以表達為1加上的2n次的一個偶次多項式： （1.3）例如時 （1.4）時，衰減為零，增加時，L增大，因而有低通特性。如果選取適當?shù)暮瘮?shù)做為濾波器的指標，則通過公式1.3可以求出各元件的

3、值。例如時設(shè)，則，并假定時，工作衰減，可求得，即，與公式1.4比較可求出，。觀察公式1.2，和作為整體出現(xiàn)，等衰減條件下和的值應(yīng)保持不變，即與成反比，與成正比，與、成反比，如果我們求出和時即歸一化的和，通過變換，就能得到任意頻率和內(nèi)阻的L、C元件的值。由于切比雪夫函數(shù)具有較好的衰減頻率特性，而且比較容易實現(xiàn)，所以常被采用。n代表元件的個數(shù)，n越大，濾波器性能越好，但網(wǎng)絡(luò)就越復(fù)雜；根據(jù)和，及和通過查表可以確定最小的 n，然后可計算各個元件歸一化的值，一般用表示，公式如下： （1.5） （k=2，3，n） （1.6） （n為奇） （n為偶） （1.7） （1.8） （1.9） （k=1，2，3，n

4、） （1.10） （k=1，2，3，n） （1.11）三、 帶通濾波器與低通原形的頻率變換帶通濾波器指標的描述： 、為通帶截止頻率，對應(yīng)衰減，、為阻帶截止頻率對應(yīng)衰減，為通帶中心頻率，為相對帶寬。低通濾波器的衰減是一個偶函數(shù)，考慮小于零時，低通濾波器可以看成是由到，為中心頻率的帶通濾波器，當然是沒有負頻率的，但從中可以看出低通與帶通存在著聯(lián)系，其對應(yīng)關(guān)系如下：、及對應(yīng)、及；、及對應(yīng)、及；對應(yīng)。通過下列頻率變換可以由低通得到帶通： （2.1）圖1變換成圖2圖2 帶通濾波器原型電路運用等衰減條件，對于低通串聯(lián)電感有： （2.2）式中 和 （2.3）低通并聯(lián)電容有： （2.4）式中 和 （2.5）這

5、樣就得到了帶通濾波器各個元件的值。四、 帶通濾波器的微帶實現(xiàn)微帶電路通過K、J變換器能實現(xiàn)串并聯(lián)的電路形式，如圖3：圖3 J變換器的等效電路一段長度接近的傳輸線，當終端接負載甚小于特性阻抗時，則線的作用相當于和一個電抗的串聯(lián)，構(gòu)成諧振電路。一段電長度為的終端開路的耦合線可等效為一個J變換器和接在兩邊的兩段電長度為、特性導(dǎo)納為的傳輸線的組合，如圖4圖4 開路耦合線等效電路選擇為90度，將一系列耦合線級連后，形成J變換器和長度為傳輸線諧振電路的級連，可以看出它等效于圖2中的原型電路，通過和帶通濾波器原型電路中各元件值比較，可以求出耦合線的奇偶模阻抗、，再由工具軟件根據(jù)、計算出耦合線的線寬和縫隙及長

6、度，就能確定濾波器的尺寸，形式如圖5圖5 耦合線帶通濾波器省略公式推倒，公式如下： （3.1） （3.2） （i從1到n-1） （3.3） （3.4） （3.5）整個設(shè)計過程總結(jié)如下：（1）、根據(jù)濾波器的指標要求，查表確定濾波器節(jié)數(shù)n（一般微波書都有）；（2）、根據(jù)n和帶內(nèi)衰減由公式1.51.11或查表可求，然后通過公式3.13.5可以計算奇偶模阻抗；（3）、根據(jù)、就可以計算出微帶濾波器的尺寸，完成微帶濾波器的設(shè)計。五、 實例仿真設(shè)計一款通帶為2.2GHz2.4GHz的微帶耦合帶通濾波器，要求在2.6GHz處的衰減超過30dB，帶內(nèi)紋波小于1dB，駐波比小于1.3。設(shè)計此濾波器的第一步是選擇適

7、當?shù)臍w一化原型低通濾波器，此處選擇5階0.5dB通帶波動的切比雪夫濾波器。通過查表法（參考其他教科書）可以得到：g0=1； g1=1.7058；g2=1.2296；g3=2.5408；g4=1.2296；g5=1.7058；g6=1；使用公式3.13.5，可以得到：J0，1/Y0=0.283；Z0o=39.8，Z0e=68.15；J1，2/Y0=0.094；Z0o=45.7，Z0e=55.14；J2，3/Y0=0.077；Z0o=46.44，Z0e=54.14；J3，4/Y0=0.077；Z0o=46.44，Z0e=54.14；J4，5/Y0=0.094；Z0o=45.7，Z0e=55.14；

8、J5，6/Y0=0.283；Z0o=39.8，Z0e=68.15；選用Rogers4350的材質(zhì)作為PCB的基板，板材厚度為10mil，使用ADS的lineCale計算耦合線的長度、寬度和間距，圖6所示為lineCale的設(shè)置方法。lineCale的計算結(jié)果如下：L1=L6=792.32mil；W1=W6=16.59mil；S1=S6=4.33mil；L2=L5= 770.11mil；W2=W5= 19.89mil；S2=S5= 15.59mil；L3=L4= 769.03mil；W3=W4= 20.03mil；S3=S4= 18.77mil；圖6所示為lineCale的設(shè)置方法使用ADS對計

9、算出來的參數(shù)進行原理圖仿真，如下圖7所示為ADS的原理圖。圖7 ADS的原理圖仿真結(jié)果如下圖8所示，可以看出仿真結(jié)果并不理想，通帶內(nèi)起伏較大，且駐波較差，需要進一步優(yōu)化。圖8仿真結(jié)果使用ADS的優(yōu)化功能，如下圖9所示設(shè)置優(yōu)化目標，使用隨機優(yōu)化模式，迭代次數(shù)設(shè)置為200，主要優(yōu)化通帶內(nèi)的駐波和帶外抑制。圖9 優(yōu)化目標的設(shè)置優(yōu)化后的結(jié)果如下圖10所示，可以明顯看出，通帶內(nèi)的駐波小于1.3，2.6GHz處的帶外抑制達到了36dB，與我們的設(shè)計初衷相符合，為了更加精確的驗證該設(shè)計指標，我們下一步使用ADS進行PCB仿真。圖10 優(yōu)化后的結(jié)果將原理圖的參數(shù)通過layout-generate/updata layout導(dǎo)入到PCB中，并對PCB進行微小的調(diào)整，添加端口，設(shè)置疊層和仿真參數(shù)后，進行PCB仿真，仿真結(jié)果如下圖11所示。可以看出，PCB的仿真結(jié)果和原理圖的仿真結(jié)果差別不大。圖11 PCB仿真結(jié)果HFSS可以建立與實際電路板結(jié)構(gòu)非常近似的模型，其無源器件的仿真結(jié)果在業(yè)內(nèi)具有很高的可信度，我們使用ADS優(yōu)化后的參數(shù)，在HFSS中建立相同的模型來仿真。下圖12所示是建立好的HFSS仿真模型。圖12 HFSS的仿真模型運行HFSS