大學(xué)物理大學(xué)-射頻電路第13講射頻濾波器(II)

1、A6ooUUQeJ_ jo A七 sa)un snos第13講內(nèi)容帶通濾波器高通濾波器帶阻濾波器Research Institute of Antennas RF TechniquesSouth China University of Technology13.1 帶通濾波器耦合諧振器帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程I由濾波器的衰減特性經(jīng)過頻率變換，定出相應(yīng)的低通原型的衰減特性，選定響應(yīng)函 數(shù)，綜合各元件的歸一化值；根據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的方便性，把低通原型轉(zhuǎn)化 為變形低通原型中的一種，并決定其電路 參數(shù)；把變形低通原型中的電抗元件變換成帶通 濾波器中的串聯(lián)諧振電路或并聯(lián)諧振電路， 決定其電抗或電納斜率參數(shù)；用射頻

2、結(jié)構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)上述電路的變換器和 支路元件，決定結(jié)構(gòu)的具體形狀和尺寸。Research Institute of Antennas RF Techniques串/并聯(lián)諧振器的實(shí)現(xiàn)方案J 半波長傳輸線段可等效為串聯(lián)諧振電路。South China University of Technology2g 000 dXX = Z0(- -1)力=寸-0 2 2d 02g%=I z (20o0 Z 0 兀2 g 0d2d00)=02/20)=0Z0半波長傳輸線段也可等效為并聯(lián)諧振電路。o0 dB2 doSouth China University of Technology1/4波長短路線、1/2波長開路

3、線可等效為并聯(lián) 諧振電路。Z1Zn魚1/4波長開路線、1/2波長短路線可等效為串聯(lián) 諧振電路。A6oouu0al 40 A七 seun Ewt/O wnosSouth China University of Technology從J變換器確定的間隙電容導(dǎo)納為South China University of Technology諧振器的電長度為ek = 95-1, k k, k+11=n2 (+ 件兩電容間隙之間傳輸線的長度為2g 02nSouth China University of Technology解：1 確定切比雪夫低通原型f =f = 3.10GHz丄丄fk WI fo九丿= 6

4、.7選用必確定n,可得n=3。歸一化元件值為例13-1】設(shè)計(jì)一個(gè)切比雪夫電容間隙耦合帶狀線濾波器，在通帶f1=30GHz到f2=32GHz內(nèi)有 0.5dB的波紋，在帶外fs1=25GHz和fs2=35GHz 有30dB以上的衰減。W = f f = 0.0645 foW I fofs 2 ).g0 = g4 = 1.0000, g1 = g3 = 1.5963, g2 = 1.09672.確定J變換器的導(dǎo)納South China University of TechnologyJ0 _ J34 _WYTyt y 2ggttW=0.252=0.07693.確定間隙容納及兩間隙間帶狀線長度B01Y

5、oB34J oi/Y)Y)一 i-(Ji/Yo)2=0.269B12YoB23Y) 1 -(J12IYo)2=0.07701=q = n 1 arctan B011 + arctan 161.4South China University of Technologyqn-22I 2B|2 1f 2B23arctan I 12 1 + arctan I 23 I Yo 丿 I入9.68cm0 fI、= I3 q = 4.30 cm2n12 q 4.60cm2nSouth China University of Technology4. 確定電容間隙A如果電容間隙很小，間隙電容C可用平板電容 J

6、公式來確定，即C = 0.225/ （微微法）A k ,k+1于是，間隙寬度A_ 0.225巧A _ 0.225巧Am。in_12k，k+1二 Bk,k+i10式中，利用了 Bk+1 = C , A為導(dǎo)帶截面積。A如果電容間隙較大，就不能看成簡單串聯(lián)電容， 而是一個(gè)兀型網(wǎng)絡(luò)，這時(shí)，對上述過程需要進(jìn) 行修正?！纠?3-2】設(shè)計(jì)一3節(jié)微帶間隙耦合帶通濾波器。 相對帶寬W=0028,中心頻率f0=6GHz,帶內(nèi)紋 波為01dB。South China University of Technology解：設(shè)計(jì)過程與上題完全一樣。選用切比雪夫低通原型，元件值為J01 _ J3,4 Yc 乙_ nx0.0

7、28- 0.20652 1.0 x1.0316g0 g 4 1，gi g3 1.0316,g 2 1.1474Jl,2J2,3n x 0.02812V1.0316 x 1.1474 0.0404South China University of Technology耦合電容電納B1 = B4 = .265 2 = 0.2157Y1 - (0.2065)2B B.44B12 =亠=0.0405Y1- (.44)2半波長諧振器的電長度1 = 63 = narctan( 2 x 0.2157) + arctan(2 x 0.0405) = 2.8976 21$ = narctan(2 x 0.040

8、5) + arctan(2 x 0.0405) = 3.0608 2 耦合電容C0,1 =C3,4 = 0.11443 pFC1,2 =C2,3 = 0.021483 pFSouth China University of Technology用介電常數(shù)為108、厚度為127mm的介質(zhì)基片 來實(shí)現(xiàn)。半波長諧振器的寬度為W=11mm, 特性阻抗50 Q。還要根據(jù)耦合電容來決定間隙的寬度，傳統(tǒng)的 公式誤差較大?？刹捎们懊嬲鹿?jié)介紹的EM仿 真方法來求間隙的寬度。11=9微帶間隙特性wr = 10.8 h = 1.27mm W = 1.1mmSouth China University of Tech

9、nologyS( mm) Y11 = Y22(Q)6GHz0.05 j0.00459770.1 j0.00392400.2 j0.00329330.5 j0.00268470.8 j0.00253101.0 j0.00249531.5 j0.0024808乙2 =均1(。)Cg (pF) Cp (pF)6GHz-j0.004434 0.11762 0.00434 -j0.003604 0.09560 0.00849 -j0.0026908 0.07138 0.01598 -j0.0014229 0.03744 0.03354 -j0.0008110 0.02151 0.04562 -j0.00

10、05558 0.01474 0.05145 -j0.0001876 0.00498 0.06083South China University of Technology然后根據(jù)上面給出的濾波器對間隙電容值的要 求，利用插值來確定間隙寬度Sj,j+1s0,1 = s3,4 = 0.057mm= s = 0.801mm也可以利用插值得到與間隙相關(guān)的并聯(lián)電容值C0,1 = C3,4 = 0.0049 pF，C1,2 = C2,3 = 0.0457 pF在f=6GHz時(shí)微帶的波導(dǎo)波長為 Ag = 18.27 mm， 因此，并聯(lián)電容對應(yīng)的開路線的有效長度為=2 =論 6X109 X O.O。49-12

11、 18.27 = 0.0269mm13(1/50)2nA 7e2 A 7ei 2” X 6 X109 X 0.0457 x 10-12 1 8.27(1/50)蘭2 = A/e1 = 0.2505mmZ1 2雖=船=2South China University of Technology最終，諧振器的實(shí)際長度為18.27l =厶=x 2.8976 - 0.0269 - 0.25.5 = 8.148mm1318.272n Microwave Office 仿真I Ii ii iSouth China University of Technologychniques13. 1.2 平行耦合線諧振

12、器濾波器J 兩端開路的1/4波長平行耦合線可以等效為J變 換器。South China University of Technology等效條件0-n/2Z0e - Z01 + JZ0 + (JZ0)o - Zl JZo + (JZo)2South China University of Technology(Z0 e)j ,j+11 + Jj,j+1 + | JJ ,j+lY0SouVersity of Technology(Z0 o) J ,j+1Y01 _ Jj ,j+ + | + J，j+lY01YZqZ0- 90。Z。例13-3】設(shè)計(jì)一個(gè)五階的微帶帶通濾波器，相對帶寬w=015,中心

13、頻率f0=10GHZ,帶內(nèi)波紋 是0 1dB, Z = 50Q。解：采用Chebyshev型，濾波器低通原型參數(shù)為go = g6 =1gi = g5 = 1.1468g 2 = g 4 = 1.3712 gs = L9750j如+皿（鬲詡丿+100.453382.936737.6092I0.1S7961.160042.370520.14325&943.8661South China University of Technology根據(jù)奇偶模阻抗得出微帶耦合線的實(shí)際尺寸。 假定微帶基片的相對介電常數(shù)為10.2，厚度為 0635mm。fi,- tiun.vjmm1 and 60.3850.1616

14、.54655.74222 and 50.5750.5406.76056.02733 and 40.5950.7306.78076.1260于是，每節(jié)1/4波長耦合線的實(shí)際長度為lj =1 -4 弋 Sj X d )2(其中紜是微帶開路端的等效長度。Research Institute of Antennas RF TechniquesSouth China University of Technology Microwave Office 仿真PORTP=1Z=50 OhmMACLINID=TL1South China University of TechnologyMACLINID=TL2W

15、1=w22 mmW2=w33 mmS=s2 mmL=L2 mmW1=w11 mmW2=w22 mmMSUBEr=10.2H=0.635 mmT=0.001 mmRho=1Tand=0ErNom=3.38Name=SUB1mMmACLINID=TL10W1=w33 mmW2=w33 mmS=s3 mmL=L3 mmMACLINID=TL17W1=w11 mmW2=w11 mmS=s1 mmL=L1 mmMOPENID=TL18W=w11 mmMLIN ID=TL3W=0.59 mm L=2 mmPORTP=2Z=50 OhmSouth China University of Technology

16、13.1.3短路支節(jié)帶通濾波器South China University of Technology1/4波長短路支 節(jié)實(shí)現(xiàn) 并聯(lián)開 路諧振 器1/4波長 短截線 實(shí)現(xiàn)J變 換器South China University of Technology； mliosF： ：+|10.035250.025 S 720.06937O.O27S70.06824O.O27S7斗0.069370.025 S 750.03525【例13-4】設(shè)計(jì)一5節(jié)短路支節(jié)微帶帶通濾波器。 要求中心頻率f0=2GHz處相對帶寬W=05。選用 500的終端阻抗。解：采用通帶波紋為01dB的Chebyshev低通原 型。原

17、型參數(shù)為go = g6 = l. gi = g5 = 1.1468 g2 = g4 = 1.3712 g3 = 1.975A利用相關(guān)公式計(jì)算出各段傳輸線的特性導(dǎo)納選用相對介電常數(shù)為102、厚度為0635mm的介質(zhì)基片。利用微帶設(shè)計(jì)公式，可以求出對應(yīng)South China University of Technology的帶線寬度及四分之一波導(dǎo)波長的長度。HP,- mmA),：/4 (mm)(mm)A)Jif+|/4 mm1.6113.670.Q714.0324.0013.071.1013.Q733.9313.031.1013.Q744.0013.070.Q714.0351.6113.6714.

18、0313.94Unit: mmJ 0.9713.671.1013.0713.03 _1.614.03.93Via hole grounding(a)A6ooULIOeJ_4o euzo 4/Jnos13.2 高通濾波器的實(shí)現(xiàn)South China University of Technology在某些射頻/微波信號接收設(shè)備中，為了抑制 低頻雜散，需要在天線饋源后面接一高通濾波 器。zn+C = ZQ0 eg,Z0L = gcgiSouth China University of Technology13.2.1 準(zhǔn)集總元件高通濾波器【例13-5】設(shè)計(jì)一個(gè)三階微帶高通Chebyshev濾 波器。

19、技術(shù)指標(biāo)：截止頻率齊=15GHz,通帶最 大衰減LAr=01dB，輸入、輸出阻抗為50歐。解：(1) 選定低通原型go g4 1.0, gi g3 1.316, g2 = 1.1474 (2 1)(2) 由頻率變換和阻抗變換可以得到1C = C =-= 2.0571X10-12 FZ0c ciZL 二一=4.6236 x109 HgcgiSouth China University of Technology用兩個(gè)相同的交指電容可以實(shí)現(xiàn)C1和C3兩個(gè) 串聯(lián)電容，用一個(gè)短路枝節(jié)可以實(shí)現(xiàn)電感L2 的并聯(lián)。微帶線基片的相對介電常數(shù)為2.2,厚度為 1.57mm。交指電容的尺寸可以由公式計(jì)算；也可以由

20、 EM仿真提取，方法是在截止頻率計(jì)算出電容 兩端的導(dǎo)納參數(shù)丫滬丫川 使其等于才。(3) 確定交指電容 的參數(shù)為：South China University of Technology交指數(shù)10交指長度10mm 寬度03mm 相鄰交指間隙jZ tan=jcL202mm。 短路枝節(jié)的寬度 W和長度L由下 面公式估計(jì):結(jié)果(a)商業(yè)軟件IE3D (MoM)仿真(b)測量South China University of Technology短路枝節(jié)長度L=ll327mm,在截止頻率電抗 與理想電抗相匹配，但是它在3GHz比理想集 總元件設(shè)計(jì)的電抗高36%。一般說來，為了在寬頻帶上得到集總元件電感

21、的較好近似，應(yīng)使短路枝節(jié)長度盡可能短。高 特性阻抗的細(xì)線通?？梢詽M足要求。但它常常 受限于制作誤差和功率容量。還應(yīng)注意，交指電容在大約37GHz開始諧振， 限制了帶寬。為增加帶寬，應(yīng)該減小交指電容 的尺寸，或用適當(dāng)?shù)奈⒉ㄐ酒蛄菏揭€電容 來代替它。13.2.2 同軸高通濾波器South China University of Technology與微帶結(jié)構(gòu)類似，用同軸線結(jié)構(gòu)也可以實(shí)現(xiàn)的 準(zhǔn)集總元件高通濾波器。用短路短截線來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)電感，用墊有聚四氟 乙烯片的導(dǎo)體圓盤來實(shí)現(xiàn)串聯(lián)電容，從而構(gòu)成 LC梯形咼通濾波器。=1這種濾波器截止特性甚好，通帶衰減和駐波比 亦低。但是在咼頻時(shí)，結(jié)構(gòu)過小，因此只

22、適用 較低的截止頻率范圍(200MHz-2000MHz), 對于精密制作的小型化樣品，也能用于5GHz- 6GHz。South China University of Technology2）經(jīng)過頻率變換和阻抗變換得到South China University of Technology【例13-6】設(shè)計(jì)9階同軸高通Chebyshev濾波器。 技術(shù)指標(biāo)：截止頻率/1=1GHz, Chebyshev通帶 最大衰減LAr=01dB,在=08 q時(shí)，阻帶衰 減=30dB,輸入、輸出阻抗為50歐。解：（1 ）選定低通原型g0 = g10 = 1，g1 = g9 = 1.1 956, g2 = g8

23、l.4425g3 = g7 = 21444, g4 = g6 = 1.6167, g5 = 2.2053C = C = 2.66 pF, L = L = 5.51nH ,C = C = 1.49 pF,L L 4.92nH C 1.44 pFSouth China University of Technology（3）串聯(lián)電容的設(shè)計(jì)。兩個(gè)小金屬圓盤間填充 聚四氟乙烯（er=21）忽略邊沿電容，采用平 板電容的計(jì)算公式（r為圓盤半徑，s為兩圓盤 間距。）C = 0.225刁匚rs 并聯(lián)短截線。特性阻抗為100ohm,利用近似公式 L=0.0847Z0l ，確定短路短截線的長 度仃Z為集總兀件電感

24、值。South China University of Technology由于建立 EM 模型 時(shí)對電容 作了近似， 沒有考慮 盤的厚度，因此仿真 結(jié)果有一 些偏差。13.3 帶阻濾波器South China University of Technology在許多微波系統(tǒng)中，要求信號以盡可能小的衰 減在其中傳輸，而對不需要的的干擾需要很高 的衰減，這用一個(gè)普通的微波帶通濾波器就可 以。但是，若某一干擾特別強(qiáng)，就須采用專門 措施才能抑制?；蛘咴陬l譜發(fā)生器中只有某個(gè) （或某幾個(gè)）頻率上需要高衰減，這時(shí)就需要 采用帶阻濾波器抑制。13.3.1 波導(dǎo)帶阻濾波器J :利用相距1/4波長奇數(shù)倍的諧振器構(gòu)

25、成J變換器、孔耦合短路器構(gòu)成串聯(lián)并聯(lián)諧振電路，來實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)帶阻濾波器最為方便South China University of Technology例13-7】設(shè)計(jì)一3階Chebyshev波導(dǎo)帶阻濾波器， 指標(biāo)如下：阻帶中心頻率o=10GHz,通帶波紋 0.5dB，相對帶寬W=0.05。解: (1)確定低通原型g0=g4=1, g1=g3=1.5963, g2=1.0967(2)計(jì)算各諧振器的電納斜率參數(shù)= 1YoYoWg o gi=12.528色= -g = 18.232Y02South China University of Technology選定各波導(dǎo)特性導(dǎo)納為卩0,則可得到G g = G So?)=半=25.056Y0G Gy =專=36.464各諧振器的長度Si + 90。= 003 + 90。= 159.5, L = L = 17.6mm002 + 90 = 163,L - 18mm耦合孔的大小可通過軟件優(yōu)化得出，耦合孔 寬度均為3mm,寬度分別為12.2mm, 11.6mm，12.2mmSouth China University of TechnologyX1= 9.58GHzX2= 10.32GHzX3= ID.DDGHzX4= 10.15GHz