【正文】 這兩個中心頻率，是因為這是GPS通信的兩個中心頻率，而且無線通信在生活中的比重越來越大，所以對于雙頻濾波器的研究是很有意義的。最后通過微帶線轉(zhuǎn)化變成微波雙頻帶通濾波器。ADS(Advanced Design system)高級系統(tǒng)設(shè)計是一種支持模塊到系統(tǒng)的由美國安捷倫公司開發(fā)的一種微波仿真軟件，由于其仿真功能強大且豐富多樣，是當(dāng)今通信系統(tǒng)中設(shè)計射頻和微波電路中非常優(yōu)秀的仿真軟件。我們采用ADS軟件設(shè)計的原因是ADS軟件可以使復(fù)雜電路變得簡單化，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計時間。因此深受廣大電子工程設(shè)計師們的喜愛。2 微波濾波器基本原理 濾波器簡介微波濾波器就是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，濾波器在通帶內(nèi)提供信號傳輸，在阻帶內(nèi)提供信號衰減特性，用來控制微波系統(tǒng)中某處的頻率響應(yīng)。濾波器的頻率選擇特性可以通過濾波器的衰減特性函數(shù)來表示： （） 按照衰減特性的不同濾波器可以分為四大類，分別為：低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器。這種特性對于在現(xiàn)實生活中用有限個元件的阻抗網(wǎng)絡(luò)來說是不可能實現(xiàn)的。實際上的濾波器的特性只能是接近于理想濾波器的衰減特性。 濾波器的基本類型 巴特沃士濾波器巴特沃式低通原型濾波器頻率響應(yīng)的函數(shù)表達式為 （）在公式（）中 是波紋常數(shù)，是低通原型濾波器的歸一化角頻率，式中n表示低通原型濾波器的級數(shù)。巴特沃士濾波器的衰減特性規(guī)律為衰減變量隨著頻率變量的增大而單調(diào)增大，同時濾波器通帶內(nèi)顯示非常平坦，變化也比較平緩，位于通帶與阻帶中間的過渡帶太寬，阻帶的抑制不是太好[4]。 切比雪夫低通原型濾波器的衰減特性 相較于同等階數(shù)而言，可以得出切比雪夫式的濾波器由通帶到阻帶的過渡段的衰減曲線比擁有最平坦式的巴特沃士式濾波器要陡峭得多，所以可以更好的抑制阻帶，但這也是有代價的，它通帶內(nèi)顯示不夠平坦，出現(xiàn)了波紋[4]。 橢圓函數(shù)濾波器 橢圓函數(shù)濾波器的低通原型頻率響應(yīng)函數(shù)表達式為 當(dāng)n≥3為奇數(shù)時 （） 當(dāng)n≥3為奇數(shù)時 （）公式中01，1表示為臨界頻率，和是由濾波器的特性所決定的待定常數(shù)。、可以看出橢圓函數(shù)式的濾波器在過渡帶內(nèi)邊帶特性是最陡峭的，因此具有最良好的頻率選擇特性，但是網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)牧泓c不再位于無窮遠處，所以不能用梯形網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)。 頻率變換集總元件低通原型濾波器是梯形網(wǎng)絡(luò)設(shè)計微波濾波器的基礎(chǔ)。低通原型濾波器可分為兩種，電感輸入式以及電容輸入式。 低通原型和高通濾波器的對應(yīng)電路，低通原型濾波器的電感變換成為了高通濾波器中的電容，而低通原型濾波器中的電容換為高通濾波器中的電感[5]。 帶通濾波器與低通原型的變換為了實現(xiàn)帶通濾波器轉(zhuǎn)化成為低通原型的衰減特性，采用頻率變換公式 （） 式中， 是相對帶寬，是中心頻率。低通原型電路電感輸入式變換為化為帶通濾波器。 帶阻濾波器與低通原型的轉(zhuǎn)換為了實現(xiàn)帶阻濾波器的衰減特性轉(zhuǎn)化成低通原型的衰減特性，需要采用頻率變換函數(shù) （）式中， 是相對帶寬，是中心頻率。，兩個電路雖然有著一定的差異，但是可以看出兩種結(jié)構(gòu)存在著必然的聯(lián)系，在低通原型濾波器中只由電感元件和電容元件組成，但是在帶阻濾波器的電路 結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的卻是電容和電感并聯(lián)和電容和電感串聯(lián)。這個可以和帶通濾波器的電路結(jié)構(gòu)對比，可以明顯的看出差異，比較兩種濾波器電路結(jié)構(gòu)的不同之處，可以更加清晰的認識濾波器之間存在的聯(lián)系。 低通原型和帶阻濾波器的對應(yīng)電路倒置變換器實際就是一個二端口網(wǎng)絡(luò)，它可以把輸出端所接的負載阻抗或?qū)Ъ{變成其倒數(shù)反應(yīng)在輸入端口上，[5]。（b）所示為導(dǎo)納倒置變換器，其輸入導(dǎo)納與負載導(dǎo)納的關(guān)系為 ()式中為常數(shù)，稱為導(dǎo)納倒置變換器的特性導(dǎo)納。就是因為這種特性，梯形電路才可以通過加導(dǎo)納入倒置變換器來使得原本的低通原型濾波器變成一種只含有一種元件的電路，這種電路被稱為變形低通原型。 含有電抗斜率參量的帶通濾波器得到的計算含有阻抗倒置變換器的微波帶通濾波器的計算公式為 () 同理，也可以得到只含有導(dǎo)納倒置變換器的微波帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)，在這個電路的結(jié)構(gòu)中只含有的是并聯(lián)諧振器。 含有電納斜率參量的帶通濾波器同時得到的實際計算公式為 （） 倒置變換器的實現(xiàn) 倒置變換器在有許多實現(xiàn)方法，其中包括均勻傳輸線、集總參數(shù)電路、平行耦合線等方法。當(dāng)時，即四分之一波長傳輸線，根據(jù)傳輸線理論，這時輸入阻抗與負載阻抗，輸入導(dǎo)納與負載導(dǎo)納的關(guān)系為 ， （）利用四分之一波長傳輸線作為倒置變換器使用時，傳輸線的阻抗就是，傳輸線的特性導(dǎo)納就是。在上一節(jié)中我們已經(jīng)介紹了利用頻率變換把低通原型轉(zhuǎn)換成低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器，雙頻帶通濾波器可以由低通原型通過兩次頻率變換來實現(xiàn)。其中、是低通原型濾波器歸一化的電路元件值，它們由濾波器的類型、通帶波紋、阻帶衰減等濾波器的特性決定[8][9]。 是電壓傳輸系數(shù)。圖 二階帶通濾波器及其頻率響應(yīng)特性，從低通原型濾波器轉(zhuǎn)換為帶通濾波器，它們的衰減特性其實并沒有什么變化，改變的只有所在的頻域。通過一定的方法對信號源內(nèi)阻進行反歸一化處理，最終得到、的值為： ， ， ， （） 為了從單頻特性變?yōu)殡p頻特性，對變換后的帶通濾波器進行二次的頻率變換，得到新的頻率變換關(guān)系[10]： （）其中，是第一次頻率后變換得到的中心角的角頻率。設(shè)為第一次頻率變換后得到的帶通濾波器的相對帶寬，和分別是第二次頻率變換后得到的兩個通帶的相對帶寬。 二階雙頻帶通濾波器及其頻率響應(yīng)特性 （） （） （） （） 電路變換根據(jù)以上的電路原理圖可以看出，經(jīng)過二次頻率變換以后得到的新的雙頻帶通濾波器的集總參數(shù)電路較為復(fù)雜，電路中不但有串聯(lián)支路，還有并聯(lián)支路，而且串聯(lián)支路中又有并聯(lián)諧振器，在并聯(lián)支路中又有串聯(lián)諧振器。對于這種情況，需要將電路中的復(fù)雜電路轉(zhuǎn)換成單一電路來簡化電路結(jié)構(gòu)，對于電路結(jié)構(gòu)的簡化，已經(jīng)在上一節(jié)做了介紹，所以需要引入導(dǎo)納倒置變換器來實現(xiàn)。 只含有導(dǎo)納倒置變換器和并聯(lián)支路的雙頻帶通濾波器根據(jù)公式（）， （） （） （） ，經(jīng)過一次電路轉(zhuǎn)換后得到的雙頻帶通濾波器，它的每一個并聯(lián)支路中又出現(xiàn)了新的串聯(lián)支路和新的并聯(lián)支路，設(shè)計需要的是電路中只存在一種電路結(jié)構(gòu)，為了實現(xiàn)能夠?qū)崿F(xiàn)電路構(gòu)想，可以通過第二次引入倒置變換器來進行電路變換，這種電路的變換可以產(chǎn)生兩種結(jié)果，一種是電路中只會存在串聯(lián)諧振回路，另一種是電路中只會存在并聯(lián)諧振回路。（b）所示的電路，計算公式為 （） 傳輸線諧振器通過兩次電路變換后，得到的新的雙頻帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)中只含有導(dǎo)納倒置變換器和理想的串聯(lián)諧振回路或者并聯(lián)諧振回路。如在電路中的倒置變換器可以采用均勻傳輸線、半集總參數(shù)電路、終端開路的平行耦合線等實現(xiàn)，但是考慮到電路的實用性與簡易性，倒置變換器一般采用四分之一波長的微帶傳輸線來實現(xiàn)。對于諧振頻率來說，其電長度為四分之一波長。由此可見，可以利用四分之一開路線微帶線代替電路中的串聯(lián)諧振回路。 四分之一波長短路微帶線 并聯(lián)諧振電路相應(yīng)的導(dǎo)納計算公式為 （）在諧振頻率處，電路輸入導(dǎo)納為零，輸入阻抗無窮大，相當(dāng)于一個并聯(lián)的諧振電路，諧振電路的諧振頻率為。并聯(lián)諧振電路的輸入導(dǎo)納為 （）從導(dǎo)納計算公式（）與（）可以看出，終端開路的微帶線與串聯(lián)諧振電路的輸入阻抗的頻率響應(yīng)還是有不同的，為了使在諧振頻率附近的兩個電路的頻率響應(yīng)特性也相同，令兩個電路的電抗斜率參量在處相等，則 （)最終得到的傳輸線的特性阻抗與并聯(lián)諧振回路的關(guān)系為 （）4設(shè)計實例 集總參數(shù)元件設(shè)計對于微波雙頻帶通濾波器的設(shè)計我們先通過分立元件的仿真來驗證雙頻濾波器理論的正確性，通過分立元件的仿真不但可以驗證理論的正確性，還可以為后面的微帶線微波雙頻帶通濾波器的仿真提供必要的幫助。通帶波紋： 通頻帶帶寬： 均為80MHz低通原型原件值[13]： 通過參數(shù)計算， 從圖可以看出，帶通濾波器在m1處的中心頻率符合我們的設(shè)計要求。 雙頻帶通濾波器 由上面幾個圖可以看出，他們的插入損耗也都符合本次設(shè)計的設(shè)計要求。雖然它不夠完美，但在之后的微波雙頻帶通濾波器的設(shè)計處理上可以加入優(yōu)化控件，這樣使得設(shè)計的雙頻帶通濾波器的誤差更加一步的減少，也使理論更加完美與正確，所以，用分立元件首先來做這個驗證是非常有必要的。 微帶線參數(shù)計算電路選擇切比雪夫式低通原型，考慮到在集總參數(shù)濾波器電路中，如果采用并聯(lián)諧振器，其分布參數(shù)電路需要用四分之一短路線來實現(xiàn)，這樣不利于電路的簡易性，所以分布參數(shù)電路采用四分之一開路線來實現(xiàn)，即采用導(dǎo)納倒置變換器和串聯(lián)諧振回路來實現(xiàn)電路結(jié)構(gòu)，以此結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)雙頻特性。變換后的分布元件傳輸線對應(yīng)的特性阻抗分別為 ， ， ， 通過參數(shù)的計算，最后微帶線的長寬如下所示 ： ， ： ， : ， ： , ： ， （1）