【文章內(nèi)容簡介】 點由微帶線本身的特點決定，例如 為了 在 平面上作圖和制版的安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 11 方便， 微帶 濾波器廣泛采用各種變阻抗 形式和耦合微帶線形式；又由于微帶線的結(jié)構(gòu)特點， 導(dǎo)體帶條和接地板之間的短路較為不便，短路結(jié)構(gòu)在 微帶 濾波器中較少采用。因此，像 帶狀線中廣泛應(yīng)用的交指、梳妝濾波器，在微帶線中就較少使用。此外，由于微帶損耗大， Q 值低，其結(jié)構(gòu)又不易調(diào)整， 因此微帶濾波器的某些指標(biāo)（如通帶損耗和阻帶衰減）較低于其他微波濾波器。 微波濾波器的設(shè)計基礎(chǔ) 在設(shè)計濾波器時，一般先要進(jìn)行頻率變換，即把給定的插入衰減頻率特性曲線變換成原型低通濾波器的插入衰減特性曲線，然后計算出濾波器的階數(shù) ，根據(jù)階數(shù)求出網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后根據(jù)原型低通濾波器的設(shè)計表格來求出各元件的真實值。 原型低通濾波器 對于原型低通濾波器的設(shè)計 ,通常用歸一化頻率 ? ( 0ww?? )代替真實頻率 ? ,然后根據(jù)這個特性進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)綜合 ,得到的濾波器稱為原型低通濾波器。原型低通濾波器是濾波器設(shè)計的主要依據(jù)。通常 使 用 的 原型低通濾波器有巴特沃斯（最大平坦）原型濾波器、切比雪夫（等波紋）原型濾波器和橢圓函數(shù)原型濾波器。 巴 特沃斯原型低通濾波器的帶內(nèi)插入衰減為： )1lg(10 22 ncp kL ??? dB，在通帶外 c??? 處的帶外插入衰減為： )1lg(10 22 ncS kL ??? dB。巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性，其過渡帶變化較平穩(wěn)。 切比雪夫原型低通濾波器的插入衰減 為 ： dBTkL n ))(1lg (10 22 ??? ，式中)(?Tn 為切比雪夫多項式。切比雪夫原型 低通濾波器 雖然在通帶內(nèi)有起伏，但是它的起伏是控制在 Lp 以內(nèi)，而且其過濾帶要比巴特沃斯原型 低通濾波器 陡峭的多。因此，切比雪夫原型濾波器經(jīng)常在微波濾波器設(shè)計中用到。 橢圓原型濾波器插入衰減為： dBCL n ))(1lg (10 22 ???? 。 橢圓原型濾波器 不僅在通帶內(nèi)為 等波紋變化，而且在阻帶內(nèi)也有等波紋變化，從而使得其通帶到阻帶的過渡變化非常陡峭。 對于綜合設(shè)計原型低通濾波器，首先要確定濾波器的階數(shù) n。通過插入衰減特性表及其帶外衰減的性能要求，可以確定階數(shù) n。當(dāng) n 確定后，原型低通濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)就確定了，而原型低通濾波器的各參數(shù)則可以通過查表或者通過計算機(jī) 計算 獲得。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 12 微波帶阻濾波器 的常見類型 圖 24 列出了微波帶阻濾波器的幾種常見類型，各濾波器都是由 1/4 波長的短截線組成 。 其中 （ a）圖中濾波器的諧振器為并聯(lián)開路短截線，其間由聯(lián)接線相接。（ b）圖為（ a）圖的對偶電路，其諧振器為串聯(lián)短路短截線。并連基型特別適用于帶狀線濾波器，而串聯(lián)基型特別適用于同軸線 濾波器或波導(dǎo)濾波器；開路支節(jié)型適于設(shè)計寬帶帶阻濾波器， L 型耦合微帶線式適合設(shè)計窄帶濾波器。 圖 24 1/4波長短截線微波帶阻濾波器的常見類型 微波帶 阻 濾波器的頻率變化 前面已經(jīng)說明了 幾個低通原型濾波器以及它們的衰減特性。如果將這些衰減特性的頻率變量經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，那么，就有可能得到以新的頻率為變量的安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 13 衰減特性，用它們來表示高通、帶通、帶阻等類型的濾波器。這種方法叫做“頻率變換”，相應(yīng)的關(guān)系式叫做“變換式”。 由于僅對橫坐標(biāo)的自變量進(jìn)行變換， 故對縱坐標(biāo)的衰減值并無影響，因此，當(dāng)?shù)屯ㄔ蜑V波器變換為其他類型濾波器時，幅度波紋特性仍保持不變。選取某一變換式，必須使其對衰減特性的影響直接表示為實現(xiàn)這種特性的低通原型濾波 器元件數(shù)值的變化，這樣，可以避免再去求其他類型濾波器的衰減函數(shù) 以及實現(xiàn)這種函 數(shù)的一系列的復(fù)雜計算。下面著重說明從低通濾波器到帶阻濾波器的頻率變換。 設(shè)低通原型 濾波器 的頻率變量為 ，帶阻濾波器的頻率變量為 ，如圖26 所示。由圖可見，低通原型 濾波器 的 的點，變換成 和的點， 的點則變換成 的點，故此有低通到帶阻的變換式應(yīng)是 （ 1） 式中， ， △ =（ f2f1） /f0， 為阻帶中心頻率。 低通原型 濾波器 及其對 應(yīng)的帶阻濾波器的響應(yīng) 如圖 25所示： 圖 25 低通原型 濾波器 及其對應(yīng)的帶阻濾波器的響應(yīng) 傳輸線諧振器 帶通和帶阻濾波器的濾波元件是諧振元件 ，常用傳輸線諧振器。 在討論傳輸線諧振器以前 , 先討論 串聯(lián)和并聯(lián)諧振回路的一些基本概念。 圖 26(a)是一個 L1和 C1組成的串聯(lián)諧振回路 , 它的諧振頻率 ω 0是 : 假如現(xiàn)在還有另外一個串聯(lián)諧振回路 如 圖 26(b), 它由 L2和 C2組成 , L2≠L 1, 但 ，則 這個串聯(lián)回路的諧振頻率和前一個回路完全一樣 , 但這兩個回路之間究竟有什么 差別呢 ? 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 14 圖 26 兩個參數(shù)不同的串聯(lián) 如果我們計算回路 a的輸入阻抗 Z, 我們得到 : (2) 當(dāng) ω=ω 0時 , Z1=0。但當(dāng)頻率偏離 ω 0, Z1便是一個純電抗 , 根據(jù)頻率的不同 , X1的大小也不一樣。 我們可以將 （ 1） 式改變一下 : （ 3） 由 （ 3） 式可知， 當(dāng)頻率 ω 偏離 ω 0 很小時 ,可 以認(rèn)為： ω+ω 0=2ω 、ω ω 0=Δω 將以上關(guān)系代入 式 （ 3） , 我們得到 : X1=2L1Δω 。 于是 , 我們得到這樣一個結(jié)論 : 對于一個串聯(lián)諧振回路來說 , 當(dāng)頻率 ω從 ω 0偏離一點點 , 變成為 ω 0+Δω 時 , 輸入電抗 X從 0改變成一數(shù)值 Δx, Δx 與 串聯(lián)回路的電感 L成正比 ，因此若電感 L 的值有所不同， 則 Δx 也有所不同 。 所以 , 對于諧振于同一頻率的兩個串聯(lián)回路 , 如果它們所用的元件不同 , 則當(dāng)頻 率偏離 ω 0時 , 這兩個回路的反應(yīng)是不一樣的 。 具體 來 說 ,就是它們的輸入阻抗的變化是不相等的。對于同一頻率增量 Δω, 串聯(lián)回路的電感 L愈大 , 輸 入電抗 X 上升愈快。事實上人們正是利用了這個關(guān)系 , 使 從外表看來完全相同 的電路結(jié)構(gòu) 能 給出不同的濾波特性。 任何一段短路或開路傳輸線都具有諧振特性。對于終端短路的一段傳輸線安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 15 來說 , 當(dāng)它的長度 ι =λ/4 時 ,它的輸入端呈現(xiàn)并聯(lián)諧振性質(zhì) 。 當(dāng) ι =λ/2 時 ,輸入端呈現(xiàn)串聯(lián)諧振性質(zhì)。對于終端開路的一段傳輸線來說 , 當(dāng)它的長度 ι=λ/4 時 , 輸入端呈現(xiàn)串聯(lián)諧振 性質(zhì) 。 而 ι =λ/2 時 , 輸入端呈現(xiàn)并聯(lián)諧振 性質(zhì) 。不論是微帶線、波導(dǎo) 還是 同軸線都具有這種特性。這 使 在微波濾波器中 , 人們能夠非常便利地采用 的諧振器。在微波濾波器的設(shè)計中，常用一段開路傳輸線或短路傳輸線作為諧振器。表 列出 了四種 傳輸線諧振器以及它們的集總參數(shù)等效電 路，其中（ a）和（ c）的諧振器，每個長度都是半波長的整數(shù)倍，兩者互為對偶。同樣的，（ b）和（ d） 的諧振器，每個長度都是波長的奇數(shù)倍，兩者也互為對偶。 表 四種傳輸線諧振器的等效電路及其電路參數(shù) 微波濾波器 常用 設(shè)計 方法 微波濾波器的 設(shè)計方法 有多種。 為了展現(xiàn) 基本的通帶 阻帶響應(yīng) ,由此導(dǎo)出了濾波器設(shè)計的鏡像參量法。使用鏡像參量法設(shè)計的濾波器，由較簡單的二端口濾波器節(jié)的級聯(lián)構(gòu)成，以便提供所希望的截止頻率和衰減特性，但不能提供在整個工作范圍內(nèi)頻率響應(yīng)的具安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 體性質(zhì)。所以用鏡像參量法設(shè)計濾波器雖然程序 簡單，但為了達(dá)到所希望的結(jié)果，常常必須迭代多次，并且在分析過程中沒有考慮外接負(fù)載的影響。 還有更現(xiàn)代的 方法 稱為插入損耗法，該方法采用網(wǎng)絡(luò)綜合技術(shù)設(shè)計出有完整的特定 頻率響應(yīng)的濾波器。 從 使用阻抗和頻率歸一化的低通濾波器原型開始，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)換，以便將設(shè)計原型變換到所希望的頻率范圍和阻抗上去 ， 設(shè)計過程得到了簡化 。這種設(shè)計通常必須變更到由傳輸線段組成的分布元件，理查德變換和科洛達(dá)恒等關(guān)系提供了這個手段，因此該方法比較復(fù)雜。 以上兩種設(shè)計方法不是最佳的方法，因此目前濾波器設(shè)計就逐漸過渡到以綜合設(shè)計為基礎(chǔ)的原型電路設(shè)計法 。原型電路就是以 L、 C作為元件的集中參數(shù)低頻電路，其中 L、 C的數(shù)值都根據(jù) 濾波器的指標(biāo) 要求，以不同的綜合設(shè)計方法求得，由此得出一系列規(guī)格化的元件數(shù)值 列成表格 成 為原型電路元件參數(shù) 表 。在進(jìn)行 具體濾波器的設(shè)計時，不必每次進(jìn)行計算，而只須根據(jù)一定的變換關(guān)系把原型電路元件參數(shù)轉(zhuǎn)化為實際濾波器的元件值，就實現(xiàn)了微波濾波器的設(shè)計。應(yīng)用此種方法不僅 因為原型電路的元件參數(shù)已經(jīng) 通 過綜合設(shè)計而達(dá)到了“最佳化”，而且設(shè)計參數(shù)均已“規(guī)格化”，只須得出原型濾波器 和實際濾波器之間 的變換關(guān)系，即可設(shè)計各種濾波器， 這就顯示了這種方法的優(yōu)越性。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 第 3章 微波 帶阻 濾波器的設(shè)計 設(shè)計微波帶阻濾波器的 理論 分析 確定所設(shè)計的 微波 濾波器的性能指標(biāo) 已知所設(shè)計的 微波 帶阻 濾波器的相關(guān)參數(shù)為： 中心頻率 ： 2GHz； 阻帶帶寬 ： 2GHz； 通帶帶寬 ： 600MHz； 阻帶衰減≥ 30dB 。 確定 微波 濾波器的類型 微波 濾波器的類型有微帶濾波器、帶狀線濾波器、介質(zhì)濾波器、波導(dǎo)濾波器和表面波濾波器等等。因為微帶結(jié)構(gòu)簡單，體積小，重量輕，便于制作，所以我們選用的是微帶濾波器。 選擇介質(zhì)基片 和薄膜 本設(shè)計所選用的介質(zhì) 基 片為陶瓷，其相對介電常數(shù) r? =，厚度 h=1mm；微帶薄膜采用銅做導(dǎo)體，它的厚度 T=。 確定 微波 濾波器的結(jié)構(gòu) 微波 濾波器的結(jié)構(gòu)有：發(fā)夾結(jié)構(gòu)、平行耦合結(jié)構(gòu) 、 開路支節(jié)結(jié)構(gòu) 等。 本設(shè)計 是寬帶帶阻濾波器，所以 采用 開路支節(jié)型 結(jié)構(gòu)。 確定 微波濾波器的 設(shè)計方法 如前 所述， 微波濾波器的設(shè)計方 法有 巴特沃斯法，切比雪夫法或者橢圓濾波器設(shè)計法等。由于設(shè)計的是帶阻濾波器，按照切比雪夫原型設(shè)計出的帶阻濾波器雖然在通帶內(nèi)衰 減的變化有起伏波紋，但不超過預(yù)先給定值， 并且在此條件下，可得到相當(dāng)陡峭的帶外衰減特性。因此 選用的是切比雪夫原型濾波器來設(shè)計開路支節(jié)型帶阻濾波器，其設(shè)計圖如圖 31 所示。 圖 31 寬阻帶帶阻濾波器的設(shè)計圖 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 設(shè)計微波帶阻濾波器的計算 (1) 階 數(shù)計算 首先計算 分貝點 的相對帶寬 ： 210fff??? （ 4） 再計算 a 值 ： ta n ( ) 14a ?? ? ? （ 5） 計算對應(yīng)于 f== 頻率的比值 ： （ 6） 圖 32給出了 通帶內(nèi)最大衰減值為 分貝 時 的切比雪夫低通 濾波器的阻帶衰減特性 ，其中， LA（ dB）是通帶內(nèi)衰減最大值。 圖 32 分貝波紋的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 由圖 32 查出， 取 n=3設(shè)計可以給出 大于 30 分貝的阻帶衰減，因此應(yīng)當(dāng)選用 n=3 的低通原型。 (2) 根據(jù)節(jié)數(shù)及衰減波紋值，查表得到下列低通原型參數(shù)： 表 n=1 到 6 的切比雪夫低通濾波器的對應(yīng)于 LA（ dB） = 時的元件數(shù)值： 表 切比雪夫 dB波紋的元件值 （其中 g0=，ω 1‘ =1， n=1到 10） n g1 g2 g3 g4 g5 g6 g7 1 . . . . . 2 . . . . 3 . . . 4 . . 5 . 6 由上表可得，當(dāng) n=3 時，g0=,g1=,g2=,g3=,g4= (3)再計算各種阻抗值： 對于開路支節(jié)型帶阻濾波器 n=1到 5的設(shè)計公式如表 ： 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 表 開路支節(jié)型帶阻濾波器的設(shè)計公式 首 先 由于 n=3，所以 計算 時選用 n=3 時的計算公式。 安徽建筑工業(yè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 計算時首先 計 算 1 39。1w a a? 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