【文章內(nèi)容簡介】 為巴特沃茲、切比雪夫、橢圓、高斯、貝塞爾等類型，其中前三種較為常用，圖 分別給出了理想、巴特沃茲、切比雪夫和橢圓函數(shù)四種響應(yīng)的低通濾波器的頻率響應(yīng)。 “ 巴 特沃茲響應(yīng) ” 也稱為 “ 最平坦響應(yīng) ” ，這是 因 為濾波器在通帶內(nèi)的幅度衰減曲線非常的平滑，但是通帶到阻帶的過渡帶很難做得陡峭。切比雪夫濾波器的設(shè)計是使用切比雪夫多項式來逼近濾波器的幅度衰減，其特點是在通帶內(nèi)有等波紋系數(shù)的幅度衰減曲線，因此 ，“ 切比雪夫響應(yīng) ” 也叫 “ 等波紋響應(yīng) ” 。由于切比雪夫濾波器的設(shè)計相對于巴特沃茲濾波器需要更多的部件，因而具有比較陡峭的通帶到阻帶的過渡帶，即比較好的選擇性。 “ 橢圓函數(shù)濾波器 ”的參數(shù)須用橢圓函數(shù)來進行計算，又叫 “ 考爾濾波器 ” ，它的幅度衰減函數(shù)在通帶和阻帶內(nèi)都具有切比雪夫波紋，能實現(xiàn)最陡 峭的過渡帶，因而它的帶外抑制能力最強。 圖 低通原型濾波器的衰減頻率特性 按 所用諧振器的類型 分類 微波濾波器一般使用分布參數(shù)來實現(xiàn)，而微波諧振器的種類繁多，按照所用諧振器的類型來分，可分為介質(zhì)濾波器、波導濾波器、同軸線濾波器、微帶線濾波器、帶狀線濾波器等結(jié)構(gòu)的濾波器。其中每一種諧振器都有自己的優(yōu)勢和不足，因此根據(jù)濾波器的實際應(yīng)用和目的來選擇不同類型的濾波器是很有必要的。 南京郵電大學 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 5 （ 1） 介質(zhì)濾波器 介質(zhì)濾波器采用高介電常數(shù)低損耗正切的介質(zhì)作為諧振器，具有低損耗、可接受的溫度穩(wěn)定性和尺寸小等特點。然而， 受高成本和現(xiàn)在的加工技術(shù)的限制，它的使用范圍被限制在50GHz 以下。如圖 所示，中間的圓柱形突起即為介質(zhì)諧振器，可以利用微帶線對介質(zhì)諧振器饋電。 圖 介質(zhì)濾波器示意圖 （ 2） 波導濾波器 波導濾波器采用波導諧振腔設(shè)計制作，具有低損耗、功率容量大和可以實際應(yīng)用到100GHz等特點。但是，其最大的缺點是，尺寸明顯比其他類型的諧振器大。圖 一種經(jīng)典的通過十字孔耦合的三階波導腔體濾波器。 圖 波導濾波器示意圖 （ 3） 同軸濾波器 同軸濾波器采用同軸諧振腔設(shè)計制作，具有電磁屏蔽、低損耗和尺寸小等特 點。但是，要在 10GHz以上使用，則由于其微小的物理尺寸，制作精度難以達到。其示意圖如圖 示。 圖 同軸濾波器示意圖 （ 4）微帶濾波器 微帶線諧振器和帶狀線諧振器具有尺寸小、通過光刻技術(shù)易于加工、與其它有源電路元件易于集成等優(yōu)點，許多電路更傾向于此類諧振器。它們的另外一大優(yōu)勢是，通過采用不同介電常數(shù)的襯底材料使其能在很大的頻率范圍內(nèi)得到應(yīng)用。然而，和其它諧振器相比，其差損明顯比較大，使其很難在窄帶濾波器中得到應(yīng)用。目前已經(jīng)有新型的材料可以在某些應(yīng)用場合解決這個問題，如采用 HTS（高溫超導體） 及 LTCC（低溫退火共燒結(jié)技術(shù)）等先進技術(shù)制成的微帶濾波器 ]34[ 。 因為本文中的濾波器設(shè)計主要基于微帶結(jié)構(gòu)，所以在這里著重介紹一些微帶結(jié)構(gòu)的濾波南京郵電大學 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 6 器。 微帶線是采用光刻工藝制作在薄的介質(zhì)基片上的一種微波集成傳輸線，其由金屬底板和介質(zhì)基片以 及另一面的金屬條帶構(gòu)成，加工方便，如圖 。微帶線中導行的是準 TEM波，可以非常方便地與其它微波元器件集成，一直是研究的熱點 。 基于微帶結(jié)構(gòu)的濾波器形式多種多樣，有專門的著作介紹 ]34[ 。 由于采用光刻工藝加工，微帶濾波器多采用兩維 （ 2D）平面結(jié)構(gòu)的半開放諧振器，相比波導和同軸等封閉三維（ 3D）腔體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計上少了一維自由度，且品質(zhì)因數(shù)相對較低，從而其插入損耗相對較大。最常見微帶濾波器的有平行耦合線型、梳狀線型、交指線型和發(fā)夾線型等。其中平行耦合線濾波器作為出現(xiàn)比較早的一種濾波器，由于其簡單易行的設(shè)計一直受到廣泛的關(guān)注，在實際中被大量使用。這種濾波器可以通過公式根據(jù)設(shè)計要求直接計算得到濾波器具體的尺寸。平行線濾波器是由若干個 平行耦合節(jié)依次級聯(lián)而成的，其中單節(jié)四分之波長平行耦合微帶線是構(gòu)成這種濾波器的基本單元，對它們的設(shè)計構(gòu)成了整個濾波器設(shè)計的基礎(chǔ) 。圖 中 列出了上面提到的幾種濾波器。具體的設(shè)計方法請參閱文獻 ]34[ 。 圖 微帶結(jié)構(gòu)示意圖 圖 幾種常見的微帶濾波器 近年來，由于各種數(shù)值方法的快速發(fā)展 （ MoM， FDTD等）， 商業(yè)全波分析軟件的成熟，以及計算機硬件水平的不斷提升，使得以前難以被精確分析的一些混合結(jié)構(gòu)可以直接快速仿真加 以設(shè)計，于是出現(xiàn)了很多微帶 共面波導、微帶 槽線等混合結(jié)構(gòu)的濾波器，在一定程度上南京郵電大學 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 7 突破了傳統(tǒng)微帶濾波器 2D設(shè)計的局限性。特別的，由于 LTCC（ 低 溫退火共燒結(jié)陶瓷）技術(shù)的出現(xiàn)，使得多層微帶濾波器的加工更為簡便易行，為設(shè)計提供了非常大的自由度，已有許多全新結(jié)構(gòu)和新特性的微帶濾波器被設(shè)計出來 。 微波濾波器的主要性能參數(shù)列出如下： （ 1） 通帶帶寬與中心頻率。微波濾波器設(shè)計中所指的帶寬一般為 3dB 帶寬，即插入損耗達到最小衰減的 3dB時對應(yīng)的上下限截止頻率 1f 和 2f 之間的頻帶寬度， 1f 與 2f 的中心被稱之為中心頻率 0f ，相對帶寬定義為絕對帶寬與中心頻率 0f 的比值，表達式如下 012 || f ffFBW ?? （ ） （ 2） 插入損耗。在電路中由于插入元器件所導致的信號損耗，可以用網(wǎng)絡(luò)插入前的負載功率 LP 與插入后的負載功率 inP 的比值來表 示，即端口匹配時傳輸系數(shù)的倒數(shù)，在某一特定頻率下的插入損耗 IL（用分貝表示）定義為 )(||)(|| 1lg10lg10 21221 dBSdBSPPIL inL ????? （ ） 與 3dB帶寬相對應(yīng)，在濾波器設(shè)計中，一般認為通帶插損不超過 3dB。對阻帶衰減的標準各不相同，一般認為至少大于 15dB。實際常用 || 21S 參數(shù)表示。 （ 3）回波損耗。輸入功率 inP 與反射功率 rP 的比值，即端口接匹配負載時的反射系數(shù)的倒數(shù)，若以 dB為度量單位，定義為 )(||1011 dBSPPl ogRL rin ??? （ ） 回波損耗表征了通帶內(nèi)的駐波特性 ，與外部電路的匹配狀況，一般認為至少要大于 10dB。同樣，為了方便起見，也常用 || 11S 參數(shù)來表示。 （ 4） 矩形系數(shù)。描述濾波器對頻帶外信號的衰減程度，過渡帶越陡峭，選擇性越好。理想濾波器的幅頻特性應(yīng)該是一個矩形。為了描述濾波器接近矩形的程度，定義一個指標為矩形系數(shù)，其定義式為 dBBWBWK 3 ? （ ） 即濾波器的傳輸系數(shù)下降到中心頻率最大傳輸系數(shù)的 倍時的帶寬 與其 3dB 帶寬之比。理想的濾波器，矩形系數(shù)等于 1，此時通頻帶外的信號全部衰減，具有最佳濾波性能。 （ 5）品質(zhì)因數(shù) Q。諧振器的頻率選擇性可以用品質(zhì)因數(shù) 0Q 來描述，定義為在諧振頻率點時，平均儲能與每周期損耗能量的比值，它的表達式如下式 ??? ??? |20 每周期的能 量損耗濾波器總儲 能Q （ ） 南京郵電大學 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 8 品質(zhì)因數(shù)還可分為加載品質(zhì)因數(shù) LQ 和外部品質(zhì)因數(shù) eQ 三種情況，它們之間有如下關(guān)系 eL Q 111 0?? （ ） 0Q 是與諧振器及其耦合結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)的參數(shù)，當諧振器（結(jié)構(gòu)、材料）被最終確定下來之后，0Q 同時也被確定下來，這是其固有的物理參量，而采用不同的耦合結(jié)構(gòu)時，會對諧振器造成不同程度的微擾，導致 0Q 不同程度的降低。 0Q 是濾波器性能的最為關(guān)鍵的參數(shù)。 eQ 表示外部電路與濾波器總的能量耦合程度，一般而言，窄帶濾波器要求較高的 eQ ，寬帶的則反之。 （ 6）波紋系數(shù)。用于描述頻率響應(yīng)曲線在濾波器通帶內(nèi)的變化程度的 量，定義為通帶內(nèi)頻率響應(yīng)曲線上幅度的最大值與最小值之差。 （ 7）端口特性阻抗。連接到濾波器的輸入輸出終端傳輸線的特性阻抗，在實際工程中多數(shù)情況下取 50或 75歐姆。 （ 8）群時延。濾波器做為一個時延網(wǎng)絡(luò)，當信號通過時相位要發(fā)生變化。插入相移 ?? 是頻率的函數(shù)，插入相移頻率特性曲線的斜率就稱為群時延，定義為 ??? ??? ?D （ ） 當通帶內(nèi)的相移是線性時，群時延為一固定值；否則信號就會產(chǎn)生畸變。 （ 9）寄生通帶。由于微波濾波器采用的是分布參數(shù)元件，頻率響應(yīng)具有周期性，隨著工作頻率的升高，這些元件的感性和容性將發(fā)生轉(zhuǎn)化，故在理想的阻帶中會出現(xiàn)不期望的通帶，這就是寄生通帶。在設(shè)計時，應(yīng)盡量消除寄生通帶，或使之遠離需要抑制的頻段。 （ 10）傳輸零點。傳輸零點又叫衰減極點或者陷波點，是指從通帶到阻帶過渡段中一個明顯的下陷點，傳輸零點的出現(xiàn)意味著濾波器的帶外衰減快，抑制能力 好。 圖 典型微波帶通濾波器的響應(yīng) 圖 中畫出了一個典型的兩階微波帶通濾波器響應(yīng)，可以對照理解濾波器的各個指標的意義。 南京郵電大學 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 9 理想的濾波器應(yīng)該是這樣一種二端口網(wǎng)絡(luò)：在通帶范圍內(nèi)它能使信號完全傳輸，而在阻帶范圍內(nèi)使信號完全被抑制。然而在實際工程中，我們只能設(shè)計一個盡可能接近理想濾波特性的濾波器。實際的濾波器總有一定的插入損耗的（有用信號沒有完全傳輸） ，另 外阻帶的抑制也總是有限的（有部分干擾信號通過 ） 。 目前濾波器的設(shè)計有兩種不同的方法 ]30[ 。 一種稱為鏡像參數(shù)法。它是以濾波網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在特性作為根據(jù)的，這種方法的特點是：根據(jù)濾波網(wǎng)絡(luò)的具體電路，用分析的方法推算出變換器損耗的特性。然后再將這些具體電路拼湊起來，使總的衰減特性滿足所需要的技術(shù)要求。用這種方法設(shè)計出來的濾波器一般為 K式濾波器和 m式濾波器等。這種方法的優(yōu)點是理論根據(jù)簡單，它的缺點是在分析過程中沒有考慮外接負載的影響。 另一種方法從插入損耗入手，是近年來應(yīng)用很多的設(shè)計方法。它的基本步驟大致如下所述。首先根據(jù)給定指標利用網(wǎng)絡(luò)綜合理論確定歸一化低通 原型濾波器的集總參數(shù)值，然后經(jīng)過阻抗變換實現(xiàn)與信號源和負載的匹配，再經(jīng)過頻率變換實現(xiàn)要求的通帶形式，這樣就得到了由集總參數(shù)元件實現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。對于微波濾波器的設(shè)計，最后還需要把集總參數(shù)元件用分布參數(shù)的微波結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)，這個過程是由 Richards 變換來實現(xiàn)的。整個設(shè)計流程如圖 所示，圖 給出一個集總參數(shù)低通濾波器用分布參數(shù) 來 實現(xiàn)的例子，由 LC 網(wǎng)絡(luò)變?yōu)?高 低阻抗變換微帶線的形式。其中，串聯(lián)電感 L可用高阻抗微帶短線來實現(xiàn)，并聯(lián)電容 C可用低阻抗微帶短線來實現(xiàn)。 圖 插入損耗法的設(shè)計流程圖 圖 集總參數(shù)濾波器轉(zhuǎn)化為分布參數(shù)的微帶線低通濾波器 南京郵電大學 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計（ 論文） 10 插入損耗設(shè)計法的優(yōu)點是設(shè)計準確，且設(shè)計時 已 經(jīng)考慮到了外接負載的影響。它的缺點是需要用到比較復雜的網(wǎng)絡(luò)理論。但是，這個缺點是可以彌補的，因為只要一旦把滿足各種要求的低通原型濾波器設(shè)計出來以后，后來的設(shè)計手續(xù)就變成了簡單的查表、讀圖和應(yīng)用淺顯數(shù)學方法換算數(shù)據(jù)。在上述設(shè)計步驟中，最關(guān)鍵也最難的一步是用分布參數(shù)的形式 來 實現(xiàn)集總元件參數(shù)的濾波器，特別是在串并聯(lián)諧振回路結(jié)構(gòu)復雜的情況下。所以用 開 路、短路短截線級聯(lián) 來 實現(xiàn)的微波濾波器極為少用。但是依據(jù)這種基本理論衍 生而出的其它多種設(shè)計過程和結(jié)構(gòu)形式卻得以在實際中廣泛使用。 另外在設(shè)計帶通濾波器時，有 —種快速設(shè)計的實驗方法。其通過大量的虛擬實驗預先擬合出一系列圖表，然后利用圖表逐步實現(xiàn)優(yōu)化過的目標耦合系數(shù)矩陣，最終達到設(shè)計要求指標。限于篇幅及與本文的相關(guān)程度，這里不詳細加以介紹，具體請參閱文獻 ]34[ 。 最后，上面所提到的設(shè)計方法都是在中心頻率附近近似得出的，因此只適用與相對帶寬不太大的濾波器，這同時也是微波濾波器具有特殊的寄生通帶的原因。要實 現(xiàn)寬帶或?qū)捵鑾У臑V波器，一般通過特殊的結(jié)構(gòu)或設(shè)計方法。 本文中設(shè)計使用的軟件有 ADS 和 Zeland IE3D，測量儀器為 Agilent HP8720 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。下面分別對其進行簡單的介紹。 ADS 仿真軟件 ADS是領(lǐng)先的電子設(shè)計自動化軟件，適用于射頻、微波和信號完整性應(yīng)用。 ADS電子設(shè)計自動化功能十分強大，包含時域 電路仿真 （ SPICElike Simulation） 、頻域電路仿真 （ Harmonic Balance、 Linear Analysis） 、三維電磁仿真 （ EM Simulation） 、通信系統(tǒng)仿真 （ Communication System Simulation） 、 數(shù)字信號處理 仿真設(shè)計（ DSP）； ADS支持射頻和 系統(tǒng)設(shè)計 工程師開發(fā)所有類型的 RF設(shè) 計