S波段微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)及基于AnsoftDesigner3.5的仿真報(bào)告

-.zS波段微帶帶通濾波器設(shè)計(jì)與基于AnsoftDesigner3.5的仿真報(bào)告微波濾波器作為射頻系統(tǒng)中廣泛使用的無源器件之一,它的性能好壞將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的優(yōu)劣。微帶線濾波器由于其構(gòu)造簡(jiǎn)單,體積小,重量輕等特點(diǎn),得到了廣泛的應(yīng)用。隨著衛(wèi)星通信技術(shù)的開展，對(duì)頻段、帶寬的要求越來越高，S波段微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)也益發(fā)的重要。本次設(shè)計(jì)指標(biāo)要求：中心頻率：=3GHz，帶寬：400MHz，插損：2dB，帶外抑制：500MHz衰減40dB，紋波系數(shù)：0.5dB，實(shí)現(xiàn)方法：微帶線、耦合微帶線設(shè)計(jì)步驟：考慮的濾波器的參數(shù)要求及工程實(shí)際，本設(shè)計(jì)方案采用切比雪夫〔Chebyshev〕濾波器，切比雪夫?yàn)V波器在過渡帶比巴特沃斯〔Butterworth〕濾波器的衰減快，但頻率響應(yīng)的幅頻特性不如后者平坦。切比雪夫?yàn)V波器和理想濾波器的頻率響應(yīng)曲線之間的誤差最小，但是在通頻帶內(nèi)存在幅度波動(dòng)。這種濾波器的特點(diǎn)是可以產(chǎn)生一個(gè)較陡的截止響應(yīng)，在通帶內(nèi)具有等幅紋波。步驟一、為確定濾波器階數(shù)，將濾波器帶通指標(biāo)復(fù)原為低通模型，帶通響應(yīng)下的頻率與低通原型歸一化頻率之間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如下：〔其中和分別表示通帶邊界，〕上式中，：通帶的相對(duì)寬度：通帶中心頻率：帶通情況下的頻率：低通原型下對(duì)應(yīng)的頻率500MHz衰減40dB，所以將先將帶外500MHz頻率轉(zhuǎn)化為低通原型對(duì)應(yīng)頻率。帶外500MHz對(duì)應(yīng)的兩頻率點(diǎn)分別為=3.25MHz、=2.75MHz，由頻率轉(zhuǎn)換公式可得低通原型下對(duì)應(yīng)的歸一化頻率分別=1.57MHz=1.73MHz紋波系數(shù)要求為0.5dB，查表的在此情況下采用8階切比雪夫?yàn)V波器即可以滿足設(shè)計(jì)要求，即N=8。步驟二、選定濾波器原型電路和各個(gè)元件參數(shù)數(shù)值低通濾波器原型電路如下：圖中各元件參數(shù)為：=1.745，=1.265，=2.656，=1.359，=2.696，=1.339，=2.509，=0.880，g9=1.984步驟三、由等效原則將低通濾波器原型變換為帶通濾波器如下列圖所示進(jìn)展變換可完成從低通原型到帶通濾波器單元轉(zhuǎn)換。注：所以由低通原型電路變換得到的帶通濾波器的電路如下列圖所示：以上結(jié)果可從下面的推導(dǎo)中得出帶通濾波器元件是由頻率變換中的串聯(lián)電抗和并聯(lián)電納確定的。所以，該式說明串聯(lián)電感轉(zhuǎn)換為串聯(lián)LC電路，其元件值為同樣，該式說明并聯(lián)電容轉(zhuǎn)換為并聯(lián)LC電路，其元件值為：所以低通濾波器在串聯(lián)臂上的元件變換成串聯(lián)諧振電路〔諧振時(shí)低阻抗〕，而在并聯(lián)臂上的元件變換成并聯(lián)諧振電路〔諧振時(shí)高阻抗〕。另外，在原型設(shè)計(jì)中，源和負(fù)載電阻是1〔出了等波紋濾波器N為偶數(shù)有不是1的負(fù)載阻抗外〕。源阻抗R0可以通過原型設(shè)計(jì)的阻抗值與R0相乘得到。下面令帶撇號(hào)的符號(hào)表示阻抗定標(biāo)后的值，則可給出新的濾波器元件值為式中L，C和RL是原始原型元件的值。經(jīng)過阻抗定標(biāo)和頻率變換的元件值為：L1=0.153nH，C1=18.4pFL2=33.4nH，C2=0.844pFL3=0.1006nH，C3=28.01pFL4=35.7nH，C4=0.789pFL5=0.1006nH，C5=28.01pFL6=33.4nH，C6=0.844pFL7=0.153nH，C7=18.4pFL8=1.476nH，C8=19.107pF步驟四、使用微帶線實(shí)現(xiàn)帶通濾波器對(duì)于低通濾波器來說，由于特性阻抗不同的微帶傳輸線連接后，具有近似于串聯(lián)或并聯(lián)LC集總參數(shù)的特性，因而電路構(gòu)造比擬容易解決。但要在微帶電路上實(shí)現(xiàn)這種濾波器，卻不像低通濾波器那樣方便。對(duì)于帶通濾波器而言，其構(gòu)造元件已不是簡(jiǎn)單的電感或電容，而是LC串聯(lián)或并聯(lián)諧振電路，多個(gè)諧振電路〔3個(gè)或3個(gè)以上〕要連接與一個(gè)點(diǎn)，在微帶線傳輸線上很難實(shí)現(xiàn)；另一方面，經(jīng)變換后LC元件的值差異很大，特別是串聯(lián)電路與并聯(lián)電路的電感值可能相差兩個(gè)數(shù)量級(jí)以上，這在電路構(gòu)造上也比擬難以做到。為了解決這一困難，可將串并聯(lián)諧振電路轉(zhuǎn)換成全部串聯(lián)或全部并聯(lián)的諧振元件，在微帶電路構(gòu)造上就可以得到實(shí)現(xiàn)了。此題采用倒置變換器實(shí)現(xiàn)倒置變換，等效電路入下列圖所示：其中所以，將之前得到的既有串聯(lián)諧振電路又有并聯(lián)諧振電路組成的帶通濾波器，經(jīng)倒置變換后成為一個(gè)全部由并聯(lián)元件構(gòu)成的電路，如下列圖所示。選取特性阻抗為50Ω的傳輸線，則經(jīng)過倒置變換后的電容與電感值如下：L1=0.152nH，C1=18.5pFL2=2.12nH，C2=13.28pFL3=0.1000nH，C3=28.13pFL4=2.28nH，C4=12.37pFL5=0.986nH，C5=28.56pFL6=2.25nH，C6=12.55pFL7=1.059nH，C7=26.58pFL8=1.476nH，C8=19.107pF因?yàn)槲Ь€短截線可以等效為諧振器，而且終端短路的短截線和終端開路的短截線等效為并聯(lián)諧振，所以將短路短截線或者開路短截線與倒置變換器聯(lián)合，就可以構(gòu)成帶通濾波器。因?yàn)槭褂貌⒙?lián)開路短截線不要求對(duì)地連接以構(gòu)成短路，所以在實(shí)際微帶電路中使用較多。下列圖為并聯(lián)開路短截線帶通濾波器。注：短截線的特性阻抗又LC諧振器參數(shù)確定將之前得到的電路中的并聯(lián)電感和電容都用短截線取代，得到微帶濾波器如下如所示。步驟五、AnsoftDesigner3.5仿真使用InsertFilterDesigneritem控件，進(jìn)展濾波器設(shè)計(jì)，對(duì)話框如下列圖所示，分別選擇帶通、理想分布參數(shù)以及自定義元件參數(shù)等幾個(gè)選項(xiàng)。設(shè)定濾波器階數(shù)以及紋波系數(shù)，分別為8和0.5，對(duì)話框如下列圖所示。將濾波器構(gòu)造設(shè)定為前文確定的8階構(gòu)造，并對(duì)每個(gè)元件賦值，如下列圖所示。設(shè)定中心頻率、帶寬，求解插入損耗以及回波損耗，如下如所示。對(duì)設(shè)定的參數(shù)進(jìn)展求解，得到的電路圖如下列圖所示，元件參數(shù)也在