阶跃阻抗微波低通滤波器设计与仿真毕业设计.docx

阶跃阻抗微波低通滤波器设计与仿真设计总说明微波滤波器在无线通信系统中相当重要，起到频带和信道选择的作用，而 且能滤除谐波，抑制杂散。在射频电路设计时，常常会用滤波器从各类信号中 提掏出想要的频谱信号。Angilent ADS软件能够支持从模块到系统设计，能够 完成微波电路设计、通信系统设计、射频集成电路设计，因此是当前射频和微 波电路设计的首选工程软件。本文要紧用三种方式达到了任务书的要求，其具体参数指标为截止频率 8 =2.5GHz;在口 =4GHZ处的插入损耗大于20dB;输入输出阻抗为50 ,依据理 论是巴特沃兹、切比雪夫、RiChardS变换与KUroda规那么，并得出了三种方式 设计的滤波器。利用滤波器向导设计在基于Richards变换与Kuroda规那么最低 需采纳五阶，就能够够达到最平坦响应，但其过渡带过于平坦；采纳最平坦响 应阶跃阻抗低通滤波器原理图设计需要六阶就能够够达到设计参数要求，同时 该方式设计的滤波器过渡带比采纳向导设计的要峻峭；采纳切比雪夫设计的滤 波器所需节数需五阶，但其通带内会显现波纹。本文的设计结果和结论为微波滤波器的设计提供了重要的理论参考。关键词：ADS,巴特沃兹，切比雪夫，Richards , Kuroda,低通滤波器。Stepped impedance of mi>datH)h)w-pass filter design andDesign DescriptionMicrowave filters in a wireless communication system is essential, and play a ro Ie in band and channel selection, and harmonic, suppression of spurious. When the R F circuit design, often used filter wants spectrum signal is extracted from the signal .Angilent ADS software can support from the module to the system design, able t o complete microwave circuit design, communication design, RFIC design, so is th e current choice for RF and microwave circuit design engineering software.This article mainly three ways to meet the requirements of the task, the Specifi c parameters for as at frequencies low pass cut-off frequency of=2.5GHz ; insertio n loss greater than 20dB at the =4GHz input output impedance is 50, based on the t heory OfButterworth, Chebyshev , Richards rules of transformation and Kuroda, an d the three methods of design of the filter. In based on Richards transform and K uroda rules using Filter Wizard design just used four order, on can reached m ost flat response, but its transition with too flat; used principle figure design of has most flat response order jump impedance low pass filter need six orde r to reached design parameter requirements, while the method design of filter transition with than used wizard design of to steep; used cut than snow husba nd design of filter by needed section number just five order, while transition with than former are stee,But it appears in the pass band ripple.This design results and conclusions for the design of microwave filters offer theo ry reference.Keyword:ADS, Butterworth, Chebyshev ,Richards ,Kuroda and low-pass filters.目录目录11绪论112滤波器的大体原理66772.2 微带线92.2.1 微带线的有效介电常数和特性阻抗102.2.2 微带线的损耗与衰减122.3 微带阶跃阻抗低通灌波器的理论基础131315153微带阶跃阻抗低通滤波器的设计163.1 利用ADS中的滤波器设计向导设计163.1.1 漉波器电路生成163.1.2 集总参数滤波器转化为微带滤波器17193.2 巴特沃兹响应的阶跃阻抗微波低通滤波器的设计20213.2.2仿真参数设置和原理图仿真232628283031参考文献351绪论在无线通信系统中，如何选择适合的信道，并运用微带滤波器提取有效的频 谱信号，同时抑制干扰滤除谐波分量是超级重要的环节。微带滤波器性能的好 坏直接阻碍系统设计的整体性能，从而对滤波器的设计提出了较高的要求。而 运算机辅助软件ADS的普遍运用，幸免设计者花费大量时刻进行理论推导和计 算，有效缩短了设计周期，提高了设计效率。微波滤波器的分类方式很多，依照通频带的不同，微波滤波器可分为低通、 带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和 等波纹型；依照工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线 分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔 滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻 抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。(1)微带滤波器：微带滤波器要紧包括平行耦合微带线滤波器、发夹型滤 波器、微带类椭圆函数滤波器。半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成 电路中广为应用的带通滤波器形式。其结构紧凑、第二寄生通带的中心频率位 于主通带中心频率的3倍处、适应频率范围较大、适用于宽带滤波器时相对带 宽可达20%o其缺点为插损较大，同时，谐振器在一个方向依次摆开，造成滤 波器在一个方向上占用了较大空间。和平行耦合线滤波器结构相较，发夹型滤 波器具有紧凑的电路结构，减小了滤波器占用的空间，容易集成，而且降低了 本钱。在电路尺寸有较严格要求的场合发夹型滤波器取得了较为普遍的应用。发 夹型滤波器是由发夹型谐振器并排排列耦合而成，是半波长耦合微带滤波器的 一种变形结构，是将半波长耦合谐振器折合成U字型组成的，因此与交指式、 梳状线式等其他微波滤波器结构相较，其电路结构加倍紧凑，具有体积小，微 带线终端开路无需过孔接地，易于制造等优势。发夹型滤波器耦合拓扑结构属 于交叉耦合，交叉耦合实质是从信号源到负载端有不止一条耦合途径，包括主 耦合途径和相对较弱的辅耦合途径，任意两谐振器之间都能够产生耦合。相关 于级联耦合，交叉耦合的最大优势是能够在通带周围的有限频率处产生传输零 点，因此滤波器的带外抑制能力将取得极大提高，利用交叉耦合的谐振器滤波 器比一般级联型的滤波器具有更好的频率选择性，同时能够减少所需谐振器的 数量。发夹型滤波器参数包括：发夹臂长、发夹间距、发夹线宽和和抽头位置。平 行耦合线滤波器、交指型滤波器等，取得在带内较平坦的幅频特性，但带外抑 制特性较差。微带类椭圆函数滤波器，通过在带外引入衰减极点，能明显改善 滤波器的带外特性，比平行耦合线滤波器、交指型滤波器有更好的电特性。而 且微带类椭圆函数滤波器具有较小的体积，同时，在超导状态，由于导体薄膜 的无载Q值很高，该种滤波器将在具有较高选择性的同时又具有较低的插损， 具有专门好的应用前景。（2）交指型滤波器：交指滤波器Q值较高、体积适中。 在0.518GHZ的频率范围内可实现5%60%带通滤波，普遍应用于各类军、 民用电子产品。交指滤波器一样由金属整体切割加工而成，结构牢固，性能稳 固靠得住。交指型滤波器是对平行耦合微带线滤波器的一种改良，一样是减小 微带滤波器占用的体积。具有以下优势：结构紧凑、靠得住性高；由于每一个 谐振器间的距离较大，故公差要求较低，容易制造；由于谐振杆长近似等于1/4 0,因此第二通带中心在33。以上,其间可不能有寄生响应。（3）同轴滤波器：同 轴腔滤波器体积小、Q值较高，温度稳固性好，专门适合于窄带应用。可实现 带宽为0.5%3%,普遍应用于各类军、民用电子系统同轴腔滤波器普遍应用 于通信、雷达等系统，按腔体结构不同一样分为标准同轴、方腔同轴等。同轴 腔体具有Q值高、易于实现的特点，专门适用于通带窄、带内插损小、带外抑 制高的场合。这种滤波器超级适合大规模生产，因此本钱也超级低廉。但要在 IOGHZ以上利历时，由于其微小的物理尺寸，制作精度很难达到。具体的设计 有方式负阻线子网络构造了多腔耦合的同轴带通滤波器电路模型；同轴腔体滤 波器温度补偿法；阶跃阻抗谐振器等。（4）波导滤波器：波导滤波器Q值高， 插损小，温度稳固性好，专门适合于窄带应用。在1.726GHz的频率范围内可 实现0.2%3.5%带通滤波,在各类要求高性能滤波特性的军用电子产品中被普 遍利用。波导型滤波器由于其Q值高，损耗小，功率容量大等优势而普遍应用 于微波毫米波通信、卫星通信等系统中。最近几年来微波技术的快速进展对该 类滤波器的尺寸、阻带特性等指标都提出了愈来愈高的要求。通常可用直接耦 合半波长谐振腔结构来构造波导型滤波器，但由于高次模的阻碍，这种类型的 滤波器第二通带很近，频率高端阻带性能较差。采纳1/4波长传输线耦合谐振 膜片结构，可对此进行改善。通过选择适合的膜片尺寸，使各谐振膜片谐振在 同一频率上，但具有不同的Q值，可使其第二通带位置变远，从而显著提高其 阻带特性。另外，1/4波长传输线耦合谐振膜片型滤波器还具有尺寸小的优势， 其总长度比直接耦合半波长谐振腔型（以下简称半波长型）缩短4（）%。与半波长型 相较较，谐振膜片型带通滤波器的尺寸缩短了 38.4%,且具有更宽的阻带。波 导带通滤波器还应用在各类微波多工器上，但其最大缺点是尺寸明显比其他可 应用在微波段的谐振器大。（5）梳状线腔滤波器：梳状线滤波器标准响应为 0.05dB波纹切比雪夫响应，具有体积小，Q值适中的特点。在0.5-12GHZ的频 率范围内可实现05%-30%的相对带宽，普遍应用于各类军、民用电子产品。外 形:外形尺寸因频率、带宽、插损、及节数的不同而不同，无固定尺寸输入输出 形式：SMA、N、L16等。为了减小尺寸，而且使设计简单，适合规模化生产, 采纳人/4谐振线在高介电常数基片上直接制作一种微带滤波器，即梳状线腔滤 波器。它利用交叉耦合方式提高通带边缘的陡度，同时在微带谐振器中应用了 屏蔽线，减弱了由高介电常数带来的强耦合。“梳状线滤波器”，其谐振器是由 一端短路、一端通过一集总电容接地的一些平行耦合线所组成的结构.在此滤波 器中，谐振器间的耦合由平行耦合线间的边缘场取得。（6）螺旋腔滤波器：目 前采纳的一些滤波器技术如压电晶体共振器，其同轴振荡器体积太大，不适合 VHF和UHF频段的应用。在VHF, UHF频段，螺旋滤波器具有高Q值和较小 的设计参数，可使设计的振荡器由一个1/4人的同轴谐振器装配而成。由于螺旋 滤波器具有较强的耦合性能和高Q值，可经受高的功率容量，因此普遍应用在 较低的射频大功率电路设计中。其缺点是螺旋耦合结构的边界条件很复杂，用 电磁场数值方式进行计算的复杂度和计算量都超级大，因此实现设计比较困难。（7）小型集总参数滤波器：小型集总参数滤波器要紧用于电子对抗、电子侦查、 通信、雷达及其它电子设备中作预选、后选、杂波抑制和变频滤波等。它具有 体积小、重量轻、性能稳固靠得住、加工方便、便于安装等优势。较其它滤波 器具有更好的温度性能和带外抑制性能。小型集总参数滤波器等采纳先进的专 用微波CAD软件对滤波器电路进行优化选择。对10-2000MHZ范围内的窄带及 宽带滤波器均能实现。（8）陶瓷介质滤波器：多层陶瓷微波滤波器是通过电子 陶瓷材料流延成型工艺，低温叠层烧结技术，高精度印刷叠层技术及封装技术 等多种工艺流程而制成的高频多层陶瓷微波滤波器。它具有频率高、体积小、 插损小、衰减大的特性，在移动通信、数字化家电等产品中取得普遍的应用。 多层陶瓷微波滤波器是通过在介质层上的印刷金属图案组成散布电容C和散布 电感L,同时位于不同介质层上的金属图案层之间形成耦合电容而取得的。其 实质是用带状线来实现滤波器的设计。叠层后，介质层上的印刷金属图案就相 当于处于介质中的带状线，当设计不同长度和不同宽度的金属图案层时，就能 够够取得不同的L和C。因此，通过设计金属图案层的形状和选用适当的介质 时，就可取得在某一特定频率发生谐振，同时知足带内插损、带宽和阻带等各 项指标要求的滤波器。（9） SIR（阶跃阻抗谐振器）滤波器：阶跃阻抗谐振器（SIR） 是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横.向电 磁场模式的谐振器。入/4型SIR是其中最具吸引力的一种形式。它既能减小滤 波器尺寸，又能通过调剂阻抗比来专门好操纵杂散频率，实现滤波器小型化和 宽阻带的要求。梳状线形式的滤波器由于一端的电容加载，缩短了滤波器的谐 振器的尺寸。交叉耦合滤波器成为近20年的研究热点，由于其有限处的传输零 点能够任意设置，最多能够设置与滤波器阶数一样多的传输零点数量，最大限 度地提高了滤波器的带外抑制能力。（10）高温超导材料：高温超导滤波器要紧 包括放大电路、深度制冷系统、精准操纵系统、真空绝热系统四部份。利用高 温超导薄膜在微波频段的微波表面电阻极低的特性制作的超导滤波器，具有带 内插损极低、边缘峻峭、矩形系数接近理想的频率响应特性和抑制带外干扰超 级好的特点。由超导滤波器、低噪声放大器组成的超导滤波器子系统应用于系 统（发射或接收机）能够大大地改善系统性能，在军事专门是通信领域有着广漠的 应用前景。在国外用制冷机冷却超导滤波器系统已用于通信系统，从而大大地 改善了通信系统质量:提高通话质量、增加通话容量、增大基站的覆盖面积、增 强基站的抗干扰能力、降低电话的发射功率和减少掉话率等，在现代信息战武 器装备（如预警飞机、雷达、电子战设备、导弹制导部件等）中，用高温超导滤波 器替代一般滤波器，能够大幅度地提高接收机的灵敏度和选择性，增强抗干扰 能力，提高通信距离和质量，加长预警时刻，减小发射机功率，提高制导精准 度，增加结尾制导距离等。应用于卫星通信系统可极大地提高空间频率资源利 用率，有效降低卫星的有效载荷，为开发利用空间频率资源提供了新的径。高 温超导滤波器由于工作温度低，需要深度制冷，因另外围部件较多，结构较复 杂。微波滤波器在通信、信号处置、雷达等各类电路系统中具有普遍用途。随 着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速进展，对新的微波元器件的需求和现 有器件性能的改善提出了更高的要求。发达国家都在利用新材料和新技术来提 高器件性能和集成度，同时，尽可能地降低本钱，减小器件尺寸和降低功耗。 与国外相较，我国的微波滤波器的进展还有必然的差距，因此咱们应把握微波 滤波器的进展方向，尽力赶上世界先进水平。微带结构是平面电路，普遍采纳耦合微带线与变阻抗形式设计滤波器，基 于Richards变换与Kuroda规那么微带低通滤波器设计和阶跃阻抗微带低通滤 波器设计是经常使用的两种方式。用微带或带状线实现低通滤波器的一种相对 容易的方式是用很高或很低的传输线交替排列的结构。这种滤波器通常称为阶 跃阻抗或高Z-低Z滤波器，由于它的结构紧凑且较容易设计，因此比较流行。 但是，它的电特性不是专门好，故通常应用于不需要峻峭截止响应的场合。微 波滤波器是一类无耗的二端口网络，普遍应用于微波通信、雷达、电子对抗及 微波测量仪器中，在系统顶用来操纵信号的频率响应，使有效的信号频率分量 几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的要紧技 术指标有:中心频率，通带带宽，带内插损，带外抑制，通带波纹等。本文设计 截止频率2.5GHz； 4GHz处插入损耗大于20dB；阻抗为50欧微波低通滤波器。在1937年，由W PMaSOn和R. A. SykeS发表的文章中第一研究了微波 滤波器，他们是利用了 ABCD参数推导出了大量有效滤波器相位和衰减函数。 应用映像参数方式在美国各大实验室中，例如在Mn'实验室里，他们重点研究 波导滤波器，而在Harvard实验室重点研究宽带低通、带通同轴及窄带可调谐 滤波器。映像参数方式的工作大多在Mrr实验室由Fano和LaWSOn完成，他们 的高作关于微波滤波器有比较清楚的介绍，乃至在40年后还有应用价值。在随 后的微波滤波器理论的研究和进展进程中，许多专家和学者作出了重大的奉献。 Cohn在集总元件低通滤波器原型机的基础上第一个提出了方便有效的直接耦 合空腔滤波器理论。上世纪60年代，G. L. Matthaei在其专著中对微波滤波器 的经典设计方式作出了较全面、系统的介绍，但要紧针对最平坦型和切比雪夫 型，未涉及椭圆函数型和广义切比雪夫型。70年代初，A. E. Williams和Kurzrok 提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器。A. E. Atia, A. E. Williams和 R. W. Newcomb对交叉耦合合展开研究，总结出传输零点对称散布时的偶模 网络和相应的偶模矩阵的综合方式。Levy成立了集总和散布原型的元件公式间 的联系，给出了推导原型元件的简单而准确的公式；Rhode成立起了线性相位 滤波器理论。1999年Richard J. Cameron把广义切比雪夫滤波器的传输零点由 实数扩展到复数，从而将传输零点和时延结合起来研究，提出用循环递归的方 式组成广义切比雪夫的传输和反射函数多项式，依照导纳矩阵和部份分式展开 求取留数，再利用施密特正交变换的方式综合耦合矩阵，其矩阵综合和消零计 算量较大。如何将不可实现或不是最简的耦合元素消零成为研究热点，但目前 国际上要紧采纳相似变换（矩阵旋转）尽可能多地消去非零元。这一系列奉献，都 能够说是微波滤波器进展史上的重大冲破。七十年代初期，我国的老一辈微波 专家甘本拔、吴万春、李嗣范、林为干等，在国外研究功效的基础上，滤波器 的设计理论和方式进行了补充和完善，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的 基础。最近几年来，随着军事、科研、通信的进展，市场对微波滤波器在性能 方面的需求不断地提升。而在微波滤波器的研究方面又有了新的冲破。一些学 者接踵提出了滤波器的综合方式，并将这些方式应用于滤波器的工程设计，取 得了良好的成效。2滤波器的大体原理滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现 匹配的传输，对阻带频率信号失配而进行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功 能。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性，如图2-1所示。镜像 参量法和插入损耗法是设计鸡根元器件滤波器经常使用的方式。关于微波应用， 这种设计通常必需变更到传输线段组成的散布元器件。Richard变换和Kuroda恒等关系提供了那个手腕。图2-1滤波器的频响曲线在射几回段，电路端口的理想短路或理想开路难以在宽频带内实现，网络 电压和网络电流也多采纳入射与反射的方式表示，因此必需利用波的概念来概 念能够以射频网络参量。在射几回段，用散射参量描述网络的网络参量。S 参量是在各端口匹配时用入射电压和反射电压之间的关系取得的，散射参量采 纳入射行波和反射行波的归一化电压表征各网络端口的彼此关系。d, “二端口网络“ 必b <A b2图2-2归一化入射电压和归一化反射电压概念如图22所示，关于二端口网络，端口 1的归一化入射电压和归一化反射 电压概念为_ V；bl = L端口 2的归一化入射电压和归一化反射电压概念为a,半y/ Z 02(2-1)(2-2)(2-3)(2-4)二端口网络中归一化入射电压和归一化反射电压的关系用方程表示为1 b,二S dr-S 2U2I b2=S 2id+S 22CL2S”、S入SN和S”为散射参量，由公式(2-5)能够得出这些参数的概念如 下。(2-6)S = -a'a>=0表示端口 2接负载，端口 1的电压反射系数;(2-7)表示端口 1接负载，端口 2至端口 1的反向电压传输系数;(2-8)表示端口 2接负载,端口 1至端口 2的正向电压传输系数;S?尸斗(2-9)a2a=0表示端口 1接负载，端口 2的电压反射系数；在滤波器中，通常采纳工作衰减来描述滤波器的衰减特性，即A = 7yB(2-10)公式中，尸加和R别离为输入端匹配负载时的滤波器输出功率和负载吸收的功 率。为了描述衰减特性和频率的相关性，通常采纳数学多项式逼近方式来描滤 波器特性，如巴特沃兹(BUtterWorth)、切比雪夫(ChebyShev)、椭圆函数型(EIl高 斯多项式(GaUSSian)等.表2-1给出了这四种滤波器的大体特性。表2-1四种滤波器函数类 V.传除函数频响曲线浊波器特点巴特沃兹)结构简单，插入投耗最小， 适用于本带场合切比雪夫际网，占(工 结构简单.弹带宽.边沿陡 珀，应用他由广椭圆函数型tL a结构复杂,边沿陡峭，适用特殊场合高斯多项式04,t *=0rI结构筒羊.群延时好,适用 于特殊场合滤波器设计通常需要由衰减特性综合出滤波器低通原型，再将原型低通滤 波器转换到要求设计的低通、高通、带通滤波器，最后用集总参数元器件或散 布参数元器件是实现设计的滤波器。滤波器低通原型为电感电容网络。其中，元器件数和元器件值只与通带终 止频率、衰减和阻带起始频率有关。设计都采纳表格而不采纳发在的计算公式。 表2-2列出了巴特沃兹滤波器低通原型元器件值。表2-2巴特沃兹滤波器低通原型元器件值ng'容g'以gsg6g?母g9g><'12123121141521631817219 1 2 1 I实际设计中，第一需要确信滤波器的阶数，这通常由滤波器阻带某一频率 处给定的插入损耗制约。如图2-3所示为最平坦滤波器原型衰减和归一化频率 的关系曲线。图2-3最平坦滤波器原型衰减和归一化频率的关系曲线2.2 微带线微带线是目前射频电路中利用最普遍的传输线。微带线是平面型结构，能 够用蚀刻电路技术在印制电路板(PCB)上制作，容易外接固体射频器件组成 各类射频有源电路，而且能够在一块介质基片上制作完整的电路，实现射频部 件和系统的集成化、固态化和小型化。若是导体带与接地金属平板之间由一种 介质包围，那么微带线能够传输TEM波。可是，微带线导体带周围有两种媒质， 导体带上面为空气、下面为介质，存在着介质、空气分界面。微带线中不可能 传输TEM波，而是传输准TEM波。2.2.1 微带线的有效介电常数和特性阻抗微带线有效介电常数的含义如图2-4所示。若是将导体下面的截至基片去 掉，那么成为图2-4 (a)所示的全数填充空气的微带线；若是导体上方也填充 和介质基片一样的介质，那么成为图2-4 (b)所示的全数填充介电常数£血的微 带线；图2.4 (C)是真实微带线的结构图；图2-4 (d)为全数填充介电常数比C 的微带线，称为有效相对介电单常数。图2-4微带线有效介电常熟示用意依照以上分析，能够概念一种全数填充等效介质的微带线，如图2-4 (d) 所示，等效介质的有效相对介电常数&C。这种等效的微带线和图2-4 (c)所示 的真是微带线具有相同的相速度和特性阻抗，其等效关系由有效相对介电常 (1嬴&)决定。微带线有效相对介电常数的近似计算公式=+三(1+12 旦)(2-11)公式(2-11)中，W表示导体带宽度，h表示介质基片厚度。利用微带线有效相对介电常数，能够取得微带线特性阻抗乙的近似计算公式为z, = -f-+w 3" 4h)wh (2-12)在给定微带线的特性阻抗ZO和相对介电常数&后，已能够求出w/h的值。 w/h值的计算公式为- = -竺 2h e2A-2h- = -B-7-ln(2B-7; + -/?(B-/)+0.39-Il2(2-13)h 2&& JJh(2-13)中的损耗能够用衰减常数表示。若是忽略辐射损耗公式（2-14）中，。由微带线介质损耗引发，1）微带线的介质损耗微带线的介质损耗是由介质的漏电致使的。微带线的介质损耗为CrC £ ,v-ltCOa - 27.37=& 1公式（2-15）中，tan<为损耗角正切，有tan =,那么微带线的衰减常数为（2-14） 外由微带线导体损耗引发。dB/m（2-15）Ao（2-16）公式（216）中，为介质的导电率。表2-3微带线的有效介电常数及特性阻抗的数值£&W/h6cTOl W/hfieTO2mwwww微带线存在损耗。微带线除导体损耗和介质损耗外，还有辐射损耗，微带线2)微带线的导体损耗 微带线的导体损耗为(2-17)a=-NpmZ,W公式(217)中，R为导体的表面电阻，有(2-18)公式(2-18)中，。为导体的导电率。通常情形下，微带线的导体损耗远大于微带线的介质损耗；但是在某些情 形(如硅基片中)下，微带线的介质损耗和导体损耗处于同一量级，乃至更大。2.3 微带阶跃阻抗低通滤波器的理论基础阶跃阻抗低通滤波器是由特性阻抗很高或很低的段传输线段组成，一段特 性阻抗为乙、长度为1的传输线Z矩阵为(2-19)Zn Z2 - cot l jZocsc 加Z2/ Z2J -Zcscl cotl一段传输线的网络参量与集总元件T形网络的网络参量有等效关系，集总元件T形网络的组成如图2-5 (a)所示。 集总元件T形网络的Z矩阵为：Zh(2-20)ZYI Zl + Zc Zj222Zr Z+ ZlOiO偿输鳗肉集购将接用抗t 蝌硒诙嬲船旃假输幽礴,假度假就 XZ.l(2-21)B0(2-22)假定传输线有小的特性阻抗和短的长度(l兀/4)，一段短传输线与集总 元件T形网络的等效关系为：X0(2-23)B Zofil(2-24)图2-6由电感和电容组成的集总元件T形网络之前面的讨论的能够明白，一段特性阻抗很高的传输线能够等效为串联电 感，如图2-6 (b)所示，而且传输线的特性阻抗越高所需的传输线长度越短； 一段特性阻抗很低的传输线能够等效为并联电容，如图2-6 (c)所示，而且传 输线的特性阻抗越低所需的传输线长度越短。正是因为上面的缘故，等效电感 传输线通常选实际能做到的特性阻抗的最大值，等效电容传输线通常选实际能 做到的特性阻抗的最小值。设传输线能做到的特性阻抗的最大值和最小值别离 为Z,和z,等效串联电感和并联电容所需传输线的长度为：l =处(2-25)Zhi = d(2-26)公式(2-25)和(2-26)中，L和C是低通滤波器原型的元件值，R是滤波 器的阻抗。在低通滤波器原型设计中，除偶数切比雪夫滤波器外，其余低通滤波器原型 的源阻抗和负载阻抗均为1.若是实际的源阻抗和负载阻抗不为1,就必需对所有 阻抗的表达式做比例变换，这需要用实际的源阻抗乘低通滤波器原型中的阻抗 值。假设源电阻为R，令变换后的滤波器的元件值用带撇的符号表示，那么有如下关系。R - 1/?(2-27)L = R'LC彳R = RR公式(2-27)中，1为低通滤波器原型的源阻抗，R.为实际滤波器的源阻抗。将归一化频率变换为实际频率，相当于变换原型中的电感和电容值。通过 频率变换，能够将低通滤波器原型变换为低通滤波器。将低通滤波器原型的截 止频率由1改变成M (cl),在低通滤波器中需要用,代替低通滤波器 原型中的3,即 > co(2-28)0将公式(228)代入低通滤波器原型的串联阻抗jwL和并联导纳jwC中， 能够确信低通滤波器的元件值J和C,，有如下关系。JX =琮 L =(2-19)jBj-Cjc(!7于是取得L=-(2-30),Y公式(229)中，L和C为低通滤波器原型的元件值，公式(2-30)中，L和 C为频率变换后低通滤波器的元件值。当频率和阻抗都变换时，低通滤波器的元件值L和C为L 吟I(2-31)C=CR.(a3微带阶跃阻抗低通滤波器的设计本文要求设计的滤波器指标如下： 具有最平坦响应 截止频率改 在g=4GHz处的插入损耗必需大于20dB 输入输出阻抗为50 射频电路许多有源和无源部件都没有取得精准的频率特性，因此在设计射 频系统时通常会加入滤波器。滤波器是一个二端口网络，许诺所需要频率的信 号以最小可能的衰减通过，同时衰减不需要频率的信号。当频率不高时，滤波 器由集总元件的电感和电容组成，但当频率高于500MHZ时，电路寄生参数阻 碍不可忽略，滤波器通常由散布参数元件组成。阶跃阻抗低通滤波器也称为高 低阻抗低通滤波器，它是一种结构简练的电路，其由很高和很低特性阻抗的传 输线段交替排列而成，结构紧凑，便于设计和实现。3.1利用ADS中的滤波器设计向导设计ADS中自带了一个滤波器设计工具，利用那个滤波器设计工具能够方便地 设计出知足要求的微波滤波器。本文将通过设计一个2.5GHz的微波低通滤波器 位例，介绍如何利用滤波器设计向导工具既准确而又快速地设计一个滤波器。 1）成立工程 u Step_filter_deignguide,然后成立“FilteJmiCro_lpf” 原理图。 2）利用执行菜单命令Design GuideFilter,弹出如图2-5所示的滤波器选择对 话框。西 Filten3 : T F LfljgflFilter Control Window- Impedance Matching. Smith Chart.filter DesignGuide DocumentationAbout FiHer DesignGuide图3-1滤波器选择对话框3）选择 Filter Control Window.,项，在刚成立的"Filter_micropf” 原理图 中将弹出一个新的元器件面板“Filter DG-AH在“Filter DG-All”元器件面板 选择一个双端口低通滤波器原型，将其添加到原理图中。4）从头回到滤波器设计想到中，然后查看"FilterAssistanJ标签页，能够看见 滤波器设计向导中显现一个带有滤波器参数设置和滤波器幅频特性曲线的参数 设置窗口，依照设计指标进行设置。5）所有参数设置完成后，系统将自动设计一个集总参数滤波器。返回原理图窗 口中，查看滤波器的参数，这时滤波器的所有参数都在原理图窗口中显示出来。 6）查看模型中的具体电路，取得滤波器的子电路图。7）设置好滤波器的响应后，在滤波器设计向导当选择“Simulation Assistant" 标签页。修改滤波器仿真设置："Start”设置为0, “Stop”设置为5GHz, “Step” 设置为20MHz。开始仿真，仿真结果如3-2所示。如此，一个集总参数滤波器的设计就完成了。因为上述滤波电路工作频率 高，不宜采纳集总元器件，需要把集总元器件转化为散布参数元器件，那个地 址采纳Richards变换和Kuroda等效来实现。Richards变换是将一段开路或短路的传输线等效为散布的电感或电容元器 件的理论，即将串联电感等效为一段短路短截线，将并联电容等效为一段并联 短截线。但实际的微带线电路设计中串联短路短截线是无法实现的。KUrOda等 效给出了并短截线和一段传输线与及串联短截线和一段传输线两种电路之间的 一种转换方式。LC滤波器到微带滤波器转换1打开滤波器转换助手对话框，将相应的集中参数器件转换为传输线，转化好的 电路如图3-3所示。图3-2生成的巴特沃兹滤波器响应曲线Lurood )orw IS Pass ftar (sraAM6n!Need 他Ip? Ptaasa MO the approprote DftttgnGurio User ManualII OMSU>1 学 H30eI 7,g hEl Ccnd=1 0e5OQMLOC- M-N 'TL6 TL7SUt闲=MSut*以 MMSubrV32l94m*V=48Gml L378S4 Q=378 507 miP2 NJm=2Htf=39eMmiT0 mil IlnDR ugh0ml图3-3转换为微带线后的电路图1 .由滤波器设计向导完成微带滤波器设计后，需要对该滤波器进行仿真，以验证 它的性能。2 .在原理图设计窗口当选择"Simulation-S_param”元器件面板列表，从元器件 面板当选择终端负载，添加到原理图中，在工具栏当选择两个地添加到原理图 中。1）从元器件面板当选择S参数仿真操纵器添加到原理图中。设置起始频率 OGHz,终止频率5GHz,步长0.01GHz。完成设计的原理图如3-4所示。1 I >ep.r