【正文】 等波紋頻帶的邊緣頻率。最大平坦衰減特性曲線與切比雪夫特性曲線比較可以看出：若通帶內(nèi)允許的衰減量和電抗元件的數(shù)目n為一定，則切比雪夫?yàn)V波器的截止速率更快[11]。因?yàn)槠浣刂苟赶?，所以常常寧可選擇切比雪夫特性曲線而不取其他的特性曲線。假如濾波器中的電抗元件的損耗較大，那么無(wú)論那種濾波器的通帶響應(yīng)的形狀與無(wú)耗時(shí)的比較，都將發(fā)生變化，而在切比雪夫?yàn)V波器中這種影響尤其嚴(yán)重。理論證明了最大平坦濾波器的延遲畸變要比切比雪夫?yàn)V波器小。 原型濾波器的元件值的歸一化及其計(jì)算目的：提高設(shè)計(jì)通用性歸一化定義：= = 1或= = 1= 1對(duì)于兩端帶有電阻終端的最大平坦濾波器，給定= 3dB、= 1和= 1，則其原型元件值可以按下式計(jì)算： , k=1,2,…,n (26)= 對(duì)于兩端具有電阻終端的切比雪夫?yàn)V波器，當(dāng)其通帶波紋為、= 1和= 1，它的原型元件值可按以下各式計(jì)算： (27) (28) , k=1,2,…,n (29) , k=1,2,…,n (210) (211) , k=2,3,…n (212)當(dāng)n為奇數(shù)時(shí)， (213)當(dāng)n為偶數(shù)時(shí) (214) 本章主要介紹了濾波器的分類，濾波器的主要性能參數(shù)，濾波器的設(shè)計(jì)理論，并對(duì)兩種低通濾波器的原型最大平坦低通濾波器和切比雪夫低通濾波器的特性曲線以及數(shù)學(xué)表達(dá)式進(jìn)行了詳細(xì)的分析，并介紹了原型濾波器的元件值的歸一化及其計(jì)算。第3章 微帶線理論 微帶線微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開(kāi)的印制導(dǎo)線，它是一根帶狀導(dǎo)(信號(hào)線)[12]。與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開(kāi)。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的[13]。單位長(zhǎng)度微帶線的傳輸延遲時(shí)間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無(wú)關(guān)帶狀線是介于兩個(gè)接地層之間的印制導(dǎo)線，它是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。它的特性阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個(gè)接層的距離有關(guān)[14]。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的.微帶線特性阻抗如式(31)和模型（如圖31所示）： (31)圖31 表層微帶線模型其中是微帶線的特性阻抗,w是微帶線寬度，t是微帶線厚度，h是電介質(zhì)厚度，是硬質(zhì)電路板的相對(duì)介電常數(shù)[15]。與金屬波導(dǎo)相比，微帶線體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等；但損耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。一般用薄膜工藝制造[16]。介質(zhì)基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的材料。導(dǎo)體應(yīng)具有導(dǎo)電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附性強(qiáng)等特點(diǎn)。在手機(jī)電路中，一條特殊的印刷銅線即構(gòu)成一個(gè)電感微帶線，在一定條件下，我們又稱其為微帶線。一般有兩個(gè)方面的作用：一是它把高頻信號(hào)能進(jìn)行較有效地傳輸；二是與其他固體器件如電感、電容等構(gòu)成一個(gè)匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號(hào)輸出端與負(fù)載很好地匹配。 　　。影響PCB走線特性阻抗的因素主要有：銅線的寬度和厚度、介質(zhì)的介電常數(shù)和厚度、焊盤(pán)的厚度、地線的路徑、周邊的走線等。　　，必須將印制線看成是帶有寄生電容和電感的傳輸線，而且在高頻下會(huì)有趨膚效應(yīng)和電介質(zhì)損耗，這些都會(huì)影響傳輸線的特征阻抗。按照傳輸線的結(jié)構(gòu)，可以將它分為微帶線和帶狀線?！　≡赑CB的特性阻抗設(shè)計(jì)中，微帶線結(jié)構(gòu)是最受歡迎的，因而得到最廣泛的推廣與應(yīng)用。最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有4種：表面微帶線(surface microstrip)、嵌入式微帶線(embedded microstrip)、帶狀線(stripline)、雙帶線(dualstripline)?！　?，它是一根帶狀導(dǎo)(信號(hào)線)．與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開(kāi)。印制導(dǎo)線的厚度、寬度、印制導(dǎo)線與地層的距離以及電介質(zhì)的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的[17]。單位長(zhǎng)度微帶線的傳輸延遲時(shí)間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無(wú)關(guān)。 微帶線和帶狀線的區(qū)別帶狀線是介于兩個(gè)接地層之間的印制導(dǎo)線，它是一條置于兩層導(dǎo)電平面之間的電介質(zhì)中間的銅帶線。它的特性阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個(gè)接層的距離有關(guān)[18]。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，；僅取決于所用介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。(信號(hào)線)。與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開(kāi)。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的。 。如果線的厚度和寬度、介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩層導(dǎo)電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的。單位長(zhǎng)度微帶線的傳輸延遲時(shí)間，僅僅取決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無(wú)關(guān)。因?yàn)槲Ь€一面是FR4（或者其他電介質(zhì)）一面是空氣（介電常數(shù)低）因此速度很快，利于傳輸對(duì)速度要求高的信號(hào)[19]。 帶狀兩邊都有電源或者底層，因此阻抗容易控制，同時(shí)屏蔽較好，但是信號(hào)速度慢些。 通常同樣的介質(zhì)條件微帶線的損耗?。ň€寬），帶狀線的損耗大（線細(xì)，有過(guò)孔）。微帶線是準(zhǔn)TEM波，帶狀線是TEM波 ，相速都是光速[20]。 本章小結(jié) 本章的主要內(nèi)容是微帶線的發(fā)展，最常用的4種微帶線。 最常使用的微帶線結(jié)構(gòu)有4種：表面微帶線（surface microstrip）、嵌入式微帶線（embedded microstrip）、帶狀線（stripline）、雙帶線（dualstripline）。并且介紹了微帶線和帶狀線的區(qū)別。第4章 微帶線帶通濾波器的設(shè)計(jì)微波帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型，它的品種繁多，性能各異，是現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件之一[21]。濾波器在電子電路和系統(tǒng)中的作用是選擇某一頻帶內(nèi)的有用信號(hào)，并把此頻帶之外的無(wú)用信號(hào)抑制掉，微帶線帶通濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶線或耦合微帶線組成，具有體積小、重量輕、價(jià)格低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在微波工程中的應(yīng)用相當(dāng)廣泛[22]。下面將介紹微帶型帶通濾波器的一些結(jié)構(gòu)形式及它們的設(shè)計(jì)圖表、公式和設(shè)計(jì)步驟。在微帶帶通濾波器中，也經(jīng)常用半波長(zhǎng)平行耦合諧振電路來(lái)級(jí)聯(lián)形成帶通濾波器。此種濾波器的結(jié)構(gòu)形式使相鄰的半波長(zhǎng)諧振單元彼此平行排列，其耦合值的大小通過(guò)相鄰平行耦合線間的距離來(lái)決定。因而，這種結(jié)構(gòu)形式的濾波器容易易用來(lái)制造帶通濾波器[23]。這種類型濾波器的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下:因?yàn)樵摓V波器由平行禍合諧振器為單元而構(gòu)成，首先由下列各式(41)、(42)、(43)計(jì)算出耦合間變換的特性導(dǎo)納。 (41) (42) (43)上式中…是低通原型濾波器的歸一化值。FBW是帶通濾波器的相對(duì)帶寬，是J變換的特性導(dǎo)納，Y是輸入輸出微帶線端的特性導(dǎo)納。再利用下面的公式(44)、(45)計(jì)算出奇偶模特性阻抗。 (44) (45)再由所求得奇偶模特性阻抗來(lái)計(jì)算出實(shí)際微帶尺寸[24]。也可利用ADS軟件Linecalc來(lái)計(jì)算微帶尺寸。設(shè)計(jì)指標(biāo)：－，帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB，端口反射系數(shù)小于20dB。基板參數(shù)：H:基板厚度( mm)Er:基板相對(duì)介電常數(shù)()Mur:磁導(dǎo)率(1)Cond:金屬電導(dǎo)率(+7)Hu:封裝高度(+33 mm)T:金屬層厚度( mm)TanD:損耗角正切(1e4)Roungh:表面粗糙度(0 mm)微帶帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)：、起伏 前兩項(xiàng)是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等)。輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小。群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真。寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的 ，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。圖41是一個(gè)微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是左右對(duì)稱的，每一個(gè)耦合線節(jié)長(zhǎng)度約為四分之一波長(zhǎng)(對(duì)中心頻率而言)，構(gòu)成諧振電路 圖41 微帶帶通濾波器模型及其等效電路圖在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電壓駐波比。如果反射系數(shù)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。根據(jù)ADS軟件設(shè)計(jì)出濾波器的原理圖（如圖42所示）：圖42 微帶帶通濾波器原理圖濾波器兩邊的引出線TL1和TL2是特性阻抗為50歐姆的微帶線。耦合線節(jié)的長(zhǎng)L約為四分之一波長(zhǎng)(根據(jù)中心頻率用微帶線計(jì)算工具算出)， mm( mm以上)。平行耦合線濾波器的結(jié)構(gòu)是對(duì)稱的，所以五個(gè)耦合線節(jié)中，第5及4節(jié)微帶線長(zhǎng)L、寬W和縫隙S的尺寸是相同的。耦合線的這些參數(shù)是濾波器設(shè)計(jì)和優(yōu)化的主要參數(shù)，因此要用變量代替，便于后面修改和優(yōu)化。原理圖生成后需要對(duì)以上微帶電路進(jìn)行優(yōu)化，ADS提供了Tune和optim(optimization)兩種優(yōu)化工具。由于原理圖仿真和實(shí)際情況會(huì)有一定的偏差，在設(shè)定優(yōu)化參數(shù)時(shí)，可以適當(dāng)增加通帶寬度。對(duì)于其它的參數(shù)，也可以根據(jù)優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行一定的調(diào)整。經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化后得到微帶線尺寸如表41所示(w是微帶線的寬度，l是微帶線的長(zhǎng)度，s是微帶耦合線間隙,單位mm)：表41 微帶線尺寸TL1CL1CL2CL3CL4CL5TL2WLS優(yōu)化完成后必須關(guān)掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。再次對(duì)優(yōu)化后的微帶原理電路進(jìn)行仿真就可以得到比較滿意的濾波器傳輸和反射曲線(如圖43所示)：圖43 原理圖仿真曲線觀察S11(S22)和S21 (S12)曲線是否滿足指標(biāo)要求(包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于1dB的要求)，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了，如果沒(méi)有達(dá)到指標(biāo)要求，那么就重新進(jìn)行優(yōu)化仿真。版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此作為對(duì)原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。所以在版圖仿真前要看一下相鄰各耦合線節(jié)的微帶線寬是否相差過(guò)大，如果相差過(guò)大就會(huì)造成原理圖和版圖仿真有較大的差別，這就需要改變變量初值重新進(jìn)行優(yōu)化。用于生成版圖的原理圖(如圖44所示)：圖44 用于生成版圖的原理圖版圖仿真(如圖45)：圖45 版圖仿真版圖生成后先要設(shè)置微帶電路的基本參數(shù)，為了進(jìn)行S參數(shù)仿真還要在濾波器兩側(cè)添加兩個(gè)端口，做法是點(diǎn)擊工具欄上的Port按鈕，彈出port設(shè)置窗口，點(diǎn)擊OK關(guān)閉該窗口，在濾波器兩邊要加端口的地方分別點(diǎn)擊加上兩個(gè)port，將版圖放大后可以看到兩個(gè)端口(如圖46)：圖46 添加端口P1和P2仿真運(yùn)算要進(jìn)行數(shù)分鐘，仿真結(jié)束后將出現(xiàn)曲線顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有不同程度的惡化，起伏小于1dB，阻帶衰減大于40 dB。S11在通帶內(nèi)最好小于15dB。版圖仿真曲線(如圖47)：圖47 版圖仿真曲線如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標(biāo)要求，那么要重新回到原理圖窗口進(jìn)行優(yōu)化仿真，產(chǎn)生這種情況的原因是相鄰耦合線節(jié)間的線寬相差過(guò)大或者其它的參數(shù)取值不合適，可以改變優(yōu)化變量的初值，也可根據(jù)曲線與指標(biāo)的差別情況適當(dāng)調(diào)整優(yōu)化目標(biāo)的參數(shù)，重新進(jìn)行優(yōu)化。 實(shí)物制作仿真完成后要根據(jù)結(jié)果用Protel 99軟件繪制電路版圖，繪制版圖時(shí)要注意以下幾點(diǎn)。(1)所用電路板是普通的雙層板，上層用來(lái)繪制電路，下層整個(gè)作為接地。在繪制版圖時(shí)受加工工藝的限制， mm即可，(2)考慮到加工電路板時(shí)的側(cè)向腐蝕問(wèn)題，微帶線的寬度和長(zhǎng)度要適當(dāng)增加。(3)版圖的大小要符合規(guī)定尺寸，以便于安裝在測(cè)試架上。用Protel軟件繪制電路版圖(如圖48)：圖48 電路版圖 本章小結(jié)濾波器的作用就是過(guò)濾信號(hào)，在安全系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)，通信設(shè)備，雷達(dá)系統(tǒng)，導(dǎo)航系統(tǒng)以及在電子數(shù)據(jù)處理設(shè)備，自動(dòng)控制設(shè)備等方面應(yīng)用得比較廣泛。微帶線帶通濾波器是一種分布參數(shù)濾波器