吴晨--毕业论文

1、安徽建筑大学毕业设计（论文）安徽建筑大学毕 业 设 计(论 文)专 业 电子信息工程 班 级 一班 学生姓名 吴晨 学 号 10205010101 课 题 微波器件特性的研究 L型微波带阻滤波器的设计 指导教师 吴东升 2014 年 6 月 8 日安徽建筑大学毕业论文（设计）摘 要微波射频电路已成为无线设备不可缺少的重要组成部分，随着通信技术的飞速发展和军事装备的需求的日益增加，微波电路也越来越广泛的应用于通信、雷达、电子对抗技术等众多领域。微波射频电路通常分为微波无源电路、微波有源电路或者是两者的结合。微波无源电路一般由各种传输线、各种无源器件、各种半导体控制器件等组成，如滤波器、限幅器、功

2、分器、耦合器和开关等。微波有源电路一般由传输线、无源器件、各种半导体有源器件组成，如低噪声放大器、功频率源、混频器、倍频器和检波器等。本文介绍了微波滤波器的基本原理，分析了微带带阻滤波器的基本理论，给出了L型微带滤波器的设计步骤和思路和过程。针对中心频率,上边频：,下边频：,阻带带宽：W=200MHz,阻带内衰减：60dB的带阻滤波器的技术指标，计算出具体的电路结构并应用微波分析软件分析验证了设计的准确性。关键字：带阻滤波器 无源器件 L型 微波电路IABSTRACTMicrowave and RF circuits has become an important part of wirele

3、ss devices are indispensable,with the rapid development of communication technology and the increasing demand of military equipment, microwave circuit is also more and more widely used in many fields of communication,radar,electronic countermeasure technology.Microwave and RF cir

4、cuits are usually divided into passive microwave circuits,microwave active circuits,or a combination of the two. Generally by all kinds oftransmission line, a variety of passive devices, various semiconductor controllercomponent of microwave passive circuits, such as filter,limiter,splitters,co

5、uplers and swith ect.Microwave active circuit consists of transmission line,passivedevices,various semiconductor active components,such as low-noise amplifiers,powerfrequency source,mixer,multiplier and detector.This paper introducesmthe basic principle of microwave filter,analyzes the basic theory

6、of microstrip band-stop filter,L type is given the design steps and thinking of the microstrip filter and process.In view of the center frequency :,frequency above: ,lower frequency:,stopband bandwidth:W=200MHz,attenuation in stopband:technical indexes of 60dB or band-stop filter,calculate the speci

7、fic circuit structure and application of microwave analysis software analysis proves the accuracy of the design.Key words: Band stop filter passive devices L microwave circuit目 录第一章 绪论11.1引言11.2微波滤波器的发展11.3微波滤波器的分类及特点21.4课题主要内容及研究方法3第二章 微波滤波器的基本原理42.1微波的概述42.1.1微波的定义42.1.2微波的特点52.2微波滤波器的概述62.2.1滤波器的

8、基本原理62.2.2滤波器的技术指标72.3归一化低通原型滤波器82.3.1巴特沃斯原型低通滤波器92.3.2切比雪夫原型低通滤波器92.3.3椭圆原型滤波器102.4频率变换112.5微波滤波器的实现方法122.5.1Richards变换原理132.5.2单位元件142.5.3Kuroda规则14第三章 微带线滤波器的设计163.1微带线的基本原理163.1.1微带线的有效介电常数163.1.2微带线的特性阻抗173.1.3微带线的传输特性173.1.4微带线的损耗与衰减173.2微带线带阻滤波器的设计183.2.1性能要求183.2.2确定滤波器的类型183.2.3确定滤波器的结构183.

9、2.4选择设计的方法183.2.5选择介质基片和薄膜193.3设计微带带阻滤波器的计算19第四章 微带滤波器的仿真与分析234.1ADS介绍234.2ADS软件进行仿真设计过程244.2.1建立工程244.2.2绘制原理图244.2.3原理图的仿真与分析244.2.4生成版图27第五章 结论29参考文献30致谢31IVL型微波带阻滤波器的设计电子与信息工程学院 电子信息工程专业 10级（1）班 吴晨指导老师：吴东升第一章 绪论1.1 引言设计滤波器时，当设计的频率不高时，选用集总元器件滤波器，但当频率达到或接近GHz时，选用分布参数元器件构成的滤波器。这是由两个原因造成的，其一，频率过高时电感

10、和电容应选的元器件值过小，由于寄生参数的影响，如此小的电感和电容已经不能再使用集总参数元器件；其二，此时工作波长与滤波器元器件的物理尺寸相近，滤波器元器件之间的距离不可忽视，需要考虑分布参数效应。由于分布元器件中的微带线滤波器具有体积小、重量轻、易于集成等特点，故广泛应用于各种射频通信电路中。滤波器是二端口网络，具有选频的特性。滤波器目前在无线技术方面得到广泛的应用。滤波器体积的减小，使得单位面积中的结构更加紧凑，内部耦合情况更加复杂。用传统的设计方法是很复杂的，且经常达不到指标要求。现在，随着射频电路辅助设计电路的不断发展，利用仿真软件进行微带线滤波器的设计，可以避免复杂的理论计算和推导。A

11、DS(Advanced Design System)是由美国Agilent公司推出的微波电路和通信系统的仿真软件，是当今业界最流行的微波射频电路、通信系统、RFIC设计软件。ADS 功能强大，仿真手段丰富，可实现包括时域与频域、数字与模拟、噪声等多种仿真功能，并可对设计结果进行频率分析和优化，直到仿真结果满意为止，保证实际电路与仿真电路的一致性。1.2 微波滤波器的发展微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用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。在微波滤波器研究和发展的历史长河中，

12、凝聚了众多国内外专家和学者的心血和汗水。1937年，由W.P .Mason和R.A.Sykes发表的文章中首次提出了微波滤波器的研究，对于微波滤波器有比较清晰的介绍，对后来学者的研究有着重大的影响。20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法作出了较全面、系统的介绍，但主要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。20世纪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。Levy建立了集总和分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建立起了线性相位滤波器理论。这一

13、系列贡献，都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。20世纪70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，在国外研究成果的基础上,滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善，为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。近年来，随着军事、科研、通信的发展，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突破。一些学者相继提出了滤波器的综合方法，并将这些方法应用于滤波器的工程设计，取得了良好的效果。现阶段随着低温可烧结陶瓷（LTCC）、光子晶体（PBG）、高温超导（HTS）等材料的出现，以及微波单片机电路、MEMS工艺的提高，微波滤波器开始朝着高性能、小型

14、化、集成化方向发展。1.3 微波滤波器的分类及特点微波滤波器根据频率特性、带宽、调谐等分类，从结构形式看，滤波器主要有以下几种：（1） 集总元件滤波器：集总元件滤波器是由集总元件电感和电容构成的，得到广泛的应用，但是当工作频率高于1GHz时，L、C器件受自身条件的限制，无法正常工作，故这种滤波器只能在低频时工作。（2） 微带线滤波器：微带线滤波器使用微带线作为基本元件，其性能由微带线的特点决定的。由于它的工作频率为几百MHz到几十GHz，所以它适用于所有微波系统中。微带线滤波器主要包括平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、交指微带滤波器、交叉耦合微带线滤波器。（3） 波导滤波器：波导带通滤波器是

15、一种选频电路。由于波导滤波器Q值高，插损小，温度稳定性能好，特别适合于高频窄带应用。（4） 低温共烧陶瓷（LTCC）滤波器：低温共烧陶瓷滤波器是一门新兴的集成封装技术，具有多层厚膜成型技术和共烧技术两者的优点。这种新型的滤波器具有高集成度、高品质因素和高稳定性的特点。（5） 声表面波（SAW）滤波器：声表面波滤波器以体积小及优良的性价比，广泛应用于现代通信系统设备及便携式电话轻簿短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求。但是，美中不足的是插入损耗较大（12dB）,难于集成，且在高频下难以处理大功率信号，一般只用于2GHz以下的通信系统。 （6） 腔体滤波器：由于腔体滤波器的Q值高、插

16、损低（一般在1dB内）、阻带抑制高、调谐方便、尺寸小和体积较轻等特点，得到较为广泛的应用。但是在10GHz以上使用是，由于物理尺寸过小，制作精度要求很高，比较难以达到。 （7） 微机械结构（MEMS）滤波器：在新型LC滤波器的基础上通过添加微孔开关构成的可调滤波器就是微机械结构滤波器。其主要应用于测量设备及通信设备，如卫星通信、移动通信等。1.4 课题主要内容及研究方法本毕业设计主要内容是综合运用电子专业学生所学的电路、信号与系统、电磁场与电磁波技术以及微波技术等专业基础理论知识和专业知识，根据技术要求选择合适的微波电路形式，综合出微波滤波器的具体结构形式；借助于微波专业软件（ADS）进行微波

17、电磁场分析，根据分析结果修正设计参数；设计出符合要求的微波滤波器。通过毕业设计，提高学生理论联系实际、独立解决问题、系统思考的能力，从而基本掌握科研或新品研发的工作流程，积累一定的项目规划及设计的经验。此外，通过毕业设计，培养学生严谨治学的态度，坚韧不拔的作风，良好的团队精神，为今后从事科研、生产工作打下坚实的基础。所设计L型微波带阻滤波器的技术指标为：中心频率,上边频：,下边频：,阻带带宽：W=200MHz,阻带内衰减：60dB。研究方法：以切比雪夫低通原型设计法为基础,利用频率对应关系，将带阻滤波器的插入衰减特性转换成低通原型滤波器的插入衰减频率特性，按要求确定滤波器的阶数，求得低通原型滤

18、波器的g参数值，可得出耦合微带线间的距离，求得微带线的尺寸，再利用ADS软件进行模拟和优化，从而实现了带阻滤波器的设计。 第二章 微波滤波器的基本原理2.1 微波的概述2.1.1 微波的定义微波是频率非常高的电磁波，通常是指频率为300MHz到3000GHz范围内的无线电波，其相应的波长范围，根据频率f，波长和电磁波在空中的传播速度c(c=2.998×m/s3.0×m/s)之间的关系式f=c,应是1m到0.1mm。微波的低频端接近于普通无线电波的超短波，微波的高频端接近于红外线的远红外。在微波的实际应用中,常将它分成分米波、厘米波、毫米波和亚毫米（丝米）波四个波段。如表2-

19、1。表2-1 无线电频段和波段命名段号频段名称频率范围（含高不含低）波段名称波长范围（含短不含长）1极低频330赫兹（Hz）极长波10010兆米2超低频30300赫兹（Hz）超长波101米3特低频3003000赫兹（Hz）特长波10010万米4甚低频（VLF）330千赫（kHz）甚长波101万米5低频（LF）30300千赫（kHz）长波101千米6中频（MF）3003000千赫（kHz）中波101百米7高频（HF）330兆赫（MHz）短波10010米8甚高频（VHF）30300兆赫（MHz）米波101米9特高频（UHF）3003000兆赫（MHz）分米波101分米10超高频（SHF）330吉赫

20、（GHz）厘米波101厘米11极高频（EHF）30300吉赫（GHz）毫米波101毫米12至高频3003000吉赫（GHz）丝米波10丝米在通信和雷达工程中，常使用拉丁字母来代表微波各波段的名称，列于2-2。表2-2 微波常用波段代号及频率范围波段名称频率范围(GHz)波段名称频率范围(GHz)UHF0.31.12K1826.5L1.121.7Ka26.540LS1.72.5Q3350S2.53.95U4060C3.955.85M5075XC5.858.2E6090X8.212.4F90140Ku12.418R220325微波在电磁波波谱中位置如图2-1所示图 2-1电磁波波谱（波长单位为：n

21、m）2.1.2 微波的特点微波只是整个电磁波谱中的一个频段，但它既具有不同于普通无线电波的特点，也具有不同于光波的特点。在微波波段，其波长与电路尺寸可相比拟，甚至更小，空间电磁场分布不能忽略。电磁场以波动形式出现，在传播过程中，呈现相位滞后效应。同时，随着波的传播，电磁能量分布在整个微波电路中，不再像低频电路那样电场能量全部集中在电容中，而磁场能量集中于电感中。因此，对于微波电路的研究，传输线的长度可与信号波长相比拟时，传输线本身就是一种分布参数电路，必须研究电磁场的波动过程。另外，传输线传输微波时，由于高频电流有集肤效应，产生导体损耗和辐射损耗严重，必须采用微波传输线。从学科领域上讲，微波技

22、术应属于电磁场工程，人们之所以对微波特别感兴趣，专门对其进行研究，是因为微波波段相较于别的波段，具有以下特点：（1） 微波的波长很短。具有似光性，且波长越短，波束的定向性和分辨能力越高，天线的尺寸可以。因此，利用微波的波长短这一特点，可以设计体积小、方向性和增益都很高的天线应用于雷达、导航和通讯等系统。（2） 微波的频率很高。即微波的震荡周期很短，一般为10-9s10-15s。（3） 微波能穿透 电离层，因而卫星通讯必须利用微波。（4） 微波的量子特性。微波相应的量子能量范围为10-410-9电子伏，当微波照射到物体（介质）上时，能深入到物质内部，可研究分子和原子核的内部结构。2.2 微波滤波

23、器的概述2.2.1 滤波器的基本原理滤波器的基础是谐振电路，只要构成谐振电路组合就可实现滤波器。根据其频率响应特性可分为低通、带通、带阻、高通四种基本类型，其衰减特性如图2-2所示。实现滤波器就是实现相应的谐振系统。其中，电感、电容形成的滤波器，称为集总参数滤波器；各种射频/微波传输线形成的谐振器，称为分布参数滤波器。 图2-2 四种基本滤波器2.2.2 滤波器的技术指标滤波器的指标形象地描述了滤波器的频率响应特性。（1） RF插入损耗：由于滤波器的介入，在系统内引入的损耗。滤波器通带内的最大损耗包括构成滤波器的所有组件的电阻性损耗（如电感、电容、导体、介质的不理想）和滤波器的回波损耗（两端电

24、压驻波比不为1）.插入损耗定量地描述了功率响应幅度与0dB基准的差值，其数学表达式为：IL=10log=-10log(1-|in|2) （2.1）其中PL是滤波器向负载输出的功率，Pin是滤波器从信号源得到的输入功率，|in|是从信号源向滤波器看去的反射系数。（2） 带内波纹：插入损耗的波动范围。带内波纹越小越好。采用dB或奈贝（Neper）为单位表示响应幅度的最大值与最小值之差。（3） 带宽：通带内对应于3dB衰减量的上边频和下边频的频率差，即：BW=fU-fL （2.2）（4） 矩形系数：矩形系数是60dB带宽与3dB带宽的比值，它描述了滤波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度：SF=

25、（2.3）（5） 阻带抑制：在理想情况下，我们希望滤波器在阻带频段内具有无穷大的衰减量。规定滤波器在什么频率上会阻断信号，是滤波器特性的矩形度的一种描述方式。通常以60dB作为阻带抑制的设计值。（6） 中心频率f0：即工作频带的中心，一般取：f0=， （2.4）fU、fL为分别是指滤波器带内3dB衰减量的上、下边频。（7） 品质因数Q：谐振频率下，平均储能与一个周期内平均耗能相比：Q= （2.5）Q描述了滤波器的频率选择性，Q越高，带宽越窄，谐振曲线越尖锐，频率选择能力越强。2.3 归一化低通原型滤波器低通原型滤波器主要由L、C器件串并联构成的简单电路，如下图2-3所示。根据频率变换理论，低通

26、原型滤波器可以与其他类型的滤波器进行等价变换。取参数（=）作为相对于角频率的归一化频率，对于低通、高通滤波器，是截止频率，对于带通和带阻滤波器，是中心频率。 图2-3 低通原型电路图2.3.1 巴特沃斯原型低通滤波器如果滤波器在通带内的插入损耗随频率的变化是最平坦的，这种滤波器是巴特沃斯滤波器，也称为最平坦滤波器，图2-4给出了巴特沃斯滤波器的响应。图2-4 巴特沃斯原型低通滤波器的频率响应巴特沃斯原型低通滤波器的响应特性如下所示：（1） 是低通滤波器的通带。（2） 是低通滤波器的阻带。（3） 是通带和阻带的分界点，在分界点处插入损耗需要给出指标值。（4） 在通带内巴特沃斯滤波器没有任何波纹，

27、在阻带内巴特沃斯滤波器的衰减随着频率的升高单调急剧上升。巴特沃斯原型低通滤波器的带内的插入衰减为：LA（）=10lg（1+k2） （2.6）其中n 为元件数目。 巴特沃斯滤波器具有单调下降的幅频特性，其过渡带变化较平稳。2.3.2 切比雪夫原型低通滤波器如果滤波器在通带内有等波纹的响应，这种滤波器是切比雪夫滤波器，也称为等波纹滤波器，图2-5给出了切比雪夫滤波器的响应。图2-5 切比雪夫原型低通滤波器的频率响应切比雪夫低通原型滤波器的响应特性如下所示：（1） 是低通滤波器的通带，在通带内响应是等幅度的波纹，波纹高度用dB表示。（2） 是低通滤波器的阻带，阻带内的衰减随着频率的升高单调急剧上升。

28、（3） 是通带和阻带的分界点，在分界点处插入损耗需要给出指标值。切比雪夫低通原型滤波器的插入衰减为：LA（）=10lg（1+k2Tn2()） （2.7）Tn()=，或| （2.8a）Tn()=，或| （2.8b）式中Tn()为切比雪夫多项式。由上式可知，切比雪夫原型低通滤波器虽然在通带内有起伏，但是它的起伏是控制在LA以内的,且其过滤带要比巴特沃斯原型低通滤波器陡峭的多。因此，切比雪夫原型低通滤波器在实际设计中应用的较多。2.3.3 椭圆原型滤波器椭圆滤波器是利用椭圆函数使的滤波器在整个频率响应里的通带和阻带都具有等波纹型特性。图2-6给出了椭圆原型滤波器的响应。图2-6椭圆原型滤波器的频率响

29、应椭圆原型滤波器的响应特性如下所示：（1） 是低通滤波器的通带，在通带内响应是等幅值的波纹。（2） 是低通滤波器的阻带，在通带内响应是等幅值的波纹。（3） 是通带和阻带的分界点，在分界点处插入损耗需要给出指标值。椭圆原型滤波器的插入衰减为：LA（）=10lg（1+k2Fn2()）， （2.9）式中Fn()为椭圆函数。因为椭圆原型滤波器不仅在通带内等波纹的变化，在阻带内也等波纹的变化，从而导致其从通带到阻带的变化非常陡峭。2.4 频率变换前面已经学习了归一化原型低通滤波器的特性。如果将它们的衰减特性的频率变量经过适当的变换，那么，就有可能得到以新的频率为变量的衰减特性，用它们来表示高通、带通、带

30、阻等类型的滤波器。这样的方法叫做“频率变换”，相应的公式叫做“变换式”。经过频率变换后，通过查表可以求得滤波器的网络结构和g参数。由于只对横坐标的自变量进行变换，对纵坐标的衰减值并无影响。故频率变换是不改变电路中所有电阻元件的特性，它只作用在电路中所有的电抗元件上，故变换时，幅度波纹特性仍保持不变。下面着重说明低通滤波器到带阻滤波器的频率变换。图2-7为低通和带阻滤波器的频率响应特性。图2-7 低通原型滤波器及其对应的带阻滤波器的响应设低通原型滤波器的频率变量为，带阻滤波器的频率变量为。由于=0的点，变换成=0和=的点，而=的点，变换成=0的点。故由低通到带阻的变换公式为： （2.10）式中，

31、为低通原型的截止频率，为带阻滤波器的相对带宽，为阻带中心频率， 为上边带频率，为下边带频率。2.5 微波滤波器的实现方法工作频率超过500MHz的滤波器是难于采用分立元件实现的，这是由于工作波长与滤波器的物理尺寸相近，从而造成了多方面的损耗并使电路性能严重恶化。所以，实际滤波器的实现，必须要将集总元件变换分布参数元件。我们将来利用一些有用的工具Richards变换，单位元件概念和Kuroda规则，实现电路设计从集总参数到分布参数的变换。2.5.1 Richards变换原理Richards变换可以将一段开路或短路传输线等效于分布的电感或电容元件。把集总LC网络用短路或者开路的传输线来表示,从而引

32、入变换式:= （2.11）将平面映射到平面,它的周期是以=重复出现。现在用替换频率变量,可以得到: （2.12） （2.13）上面两个式子分别代表电感的电抗能表示式与电容的电纳能表示式。通过式子可以发现,微波电路中的电容、电感可以用长度为的开路或短路截线来代替。其中代替电容的开路截线的阻抗为1/C,代替电感的短路截线的阻抗为L。假设低通原型滤波器的特性阻抗=1,它的截止频率在单位频率处,滤波器经过理査德变换之后,要保持截止频率不变,则： （2.14）其中代表短路截线的长度,它的长度为,是指截止频率是时传输线的波长。当传输线的长度增大到时，频率时，传输线会出现极点的衰减,这时候滤波器的响应与原型

33、滤波器的响应相同。但在频率大于或者小于时,短路截线的阻抗将与最初的集总元件不再匹配,这个时候滤波器的响应与原型滤波器的响应有很大的区别。原型滤波器的响应是以频率的周期重复出现。原理上说，集总元件滤波器设计中的电容和电感用短路和开路截线来代替，如图2-8所示。当短路截线的长度时,这种线叫做公比线。图2-8 理查德变换 (a)电感变为短路短截线；(b)电容变为开路短截线2.5.2 单位元件在把集总参数元件变成传输线段时，需要分解传输线元件，即插入所谓单位元件（UE）以便得到可以实现的电路结构。单位元件的的电长度特性阻抗为。单位元件可视为两端口网络，表达式如下：=（2.15）2.5.3 Kuroda

34、规则科洛达恒等关系是指用增加冗余传输线段的方法来实现开路截线和短路截线的相互转换,如图2-9所示。通过科洛达恒等关系可以很容易的实现滤波器。图2-9 四个Kuroda恒等关系（）第三章 微带线滤波器的设计3.1 微带线的基本原理微带线是目前射频电路中使用最广泛的传输线。微带线是平面型结构，可以用蚀刻电路技术在PCB上制作，而且它很容易与其他无源和有源的滤波器件集成，而且可以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。微带线的几何结构如图3-1所示。 图3-1 微带线结构示意图其中，t为金属导体厚度，w为金属导体宽度，h为介质厚度， 为基片的相对介电常数。3.1.

35、1 微带线的有效介电常数微带线导体带的上方为空气，下方为介质，可以定义为一种全部填充等效介质的微带线，等效介质的相对介电常数为，这种等效的微带线和实际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数决定，在范围内。微带线有效相对介电常数的近似计算公式为，（3.1a）, （3.1b）3.1.2 微带线的特性阻抗利用微带线有效相对介电常数,可以得到微带线特性阻抗的近似计算公式 （3.2） （3.3）在给定微带线的特性阻抗和相对介电常数后，也可以求出的值。值的计算公式为= ， （3.4）= ， （3.5）式中 , 3.1.3 微带线的传输特性微带线传输准TEM模，但微带线的传输特性近似

36、按照TEM模计算。微带线的相速度和波长按下面公式计算 （3.6）3.1.4 微带线的损耗与衰减微带线存在损耗.微带线除了导体损耗和介质损耗外,还有辐射损耗,微带线的损耗可以用衰减常数来表示。如果忽略辐射损耗，则微带线的衰减损耗为，其中由微带线介质损耗引起，由微带线导体损耗引起的。微带线的介质损耗是由介质损耗是由介质的漏电导致的。对于低损耗介质，微带线的介质损耗为 =（dB/cm）， （3.7）式中。对于高损耗介质，微带线的介质损耗为：（dB/cm） （3.8）微带线的导体损耗为：， （3.9）其中 ，式中为导体的导电率。3.2 微带线带阻滤波器的设计3.2.1 性能要求所设计的滤波器的技术指标

37、为:中心频率：,上边频：,下边频：,阻带带宽：W=200MHz,阻带内衰减：60dB。3.2.2 确定滤波器的类型微波滤波器的类型有微带滤波器、带状线滤波器、介质滤波器、波导滤波器和表面滤波器等等。因为微带结构简单、体积小、重量轻、便于制作，所以，我们选用微带线滤波器。3.2.3 确定滤波器的结构滤波器的结构有：梳状结构、平行耦合结构、发夹结构、开路支节结构等。我设计的是L型微带线带阻滤波器。3.2.4 选择设计的方法前面介绍已经了解到，滤波器的设计方法有巴特沃斯法、切比雪夫法或者椭圆滤波器等等。因为设计是带阻滤波器，按照切比雪夫原型设计出的带阻滤波器虽然在通带内衰减的变化有起伏波纹，但不超过

38、预先给定值；而在此条件下，可得到相当陡峭的带外衰减特性。因此我们选用的是切比雪夫原型滤波器来设计L型带阻滤波器。其设计图如图3-2所示图3-2 L型带阻滤波器的设计图3.2.5 选择介质基片和薄膜本设计选用RT/D 6010为介质基片，其相对介电常数=10.8，厚度 h=1.27mm；微带薄膜选用铜作导体，它的厚度为T=0.005mm。3.3 设计微带带阻滤波器的计算（1） 阶数计算已知设计的滤波器的相关参数为：阻带衰减：60dB首先根据带阻滤波器和原型低通滤波器之间的频率对应关系，求出带阻滤波器中心频率所对应的低通原型滤波器的频率，由低通原型滤波器的衰减特性曲线，查出滤波器所需的阶数n。根据

39、低通原型滤波器和带阻滤波器的变换关系得： （3.10）其中，代入，可得：图3-3给出了通带内最大衰减值为0.1dB时切比雪夫低通滤波器的阻带衰减特性，其中是通带内衰减最大值。图3-3 0.1dB的切比雪夫低通滤波器的的阻带衰减由图3-3可知，满足滤波器性能要求的阶数为n=5。（2）根据阶数及衰减波纹值，查表得出下列低通原型参量表3-1给出了n=1到6的切比雪夫低通滤波器对应于=0.1时的元件数值。表3-1 切比雪夫0.1dB波纹的元件值（其中g0=1，=1，n=1到10）ng1g2g3g4g5g6g710.30521.00020.84300.62201.355431.03151.14741.0

40、3151.00041.10881.30611.77030.81801.355451.14681.37121.97501.37121.14681.00061.16811.40932.05621.51701.90290.86181.3554由上表可得，当n=5时，g0= g6=1，g1= g5=1.1468，g2= g4=1.3712，g3=1.9750、（3）计算微带线参数值 （3.11） （3.12） i=1n; （3.13） （3.14） （3.15） i=1n; （3.16）其中Z0、Y0分别表示终端阻抗和终端导纳，ZU、YU分别表示特性阻抗和特性导纳，L、C表示电感电容，为低通原型参量，

41、为串并联谐振器的电抗斜率参数，为串并联谐振器的电纳斜率参数。（4）计算各传输线段的尺寸因为我们设计的是5阶滤波器，故，取，FBW=0.588，Z0=50，g0= g6=1。则： =由于采用RT/D 6010作为微带线的介质，其=10.8，h=1.27mm，因为已知Z0=50，所以其主微带线的宽度W=1.1mm，为了简单考虑和达到较好的效果，将L谐振腔上的宽度也设置为W=1.1mm，而谐振器上的长度是一样的，分别为，但是耦合间距s是不同的，由图3-4可得，。图 3-4 提取的归一化电抗斜率参数与耦合间距的关系第四章 微带滤波器的仿真与分析微带线滤波器是采用微带线作为基本元件的。在前面,我们介绍了

42、微带线的基本原理,以及L型带阻滤波器的设计过程。在这一章里我们通过根据理论分析,结合ADS电磁仿真软件设计L型带阻滤波器,并给出最终的优化结果。4.1 ADS介绍ADS（Advanced Design System）是安捷伦科技有限公司所设计研发的一款电子设计自动化仿真软件。ADS软件的功能十分强大,在微波射频领域有着高效和准确的仿真能力,它还能够实现时域、频域、模拟、数字、线性、非线性等多个方面的仿真,并能分析优化仿真结果。ADS有着丰富的元件库,还能够对元件进行测量并对器件间的连接进行检测,这些功能对设计电路提供了很大程度的方便性、速度与精确性。因此ADS深受广大电子工程设计师的喜爱,是当

43、今各研究单位使用最多的微波/射频电路仿真软件。图4.1所示为ADS启动界面。图4-1 ADS界面ADS有着十分强大的仿真功能,它可以进行微波系统的电路仿真设计、DSP的仿真设计、通信系统的仿真、电磁矩觉仿真。ADS软件所采用的电磁矩量仿真（Momentum）。它可以对微带线、带状线、共面波导等的电磁特性进行分析仿真。矩量法可以对积分、微分方程进行数值求解,它是一种数值计算方法,与有限元法、时域差分法一样。要得到射频电路电磁分布的解,矩量法要把电路对应的泛函数方程转换成矩阵方程,并且对激励和加载进行分割,分割的越细,矩量法所仿真的结果就越精确。这种电磁矩量法可以对设计好的微波电路图进行电磁仿真分

44、析,仿真电路板上的各种寄生和耦合效应,从而进一步的对原理图的结果进行优化。4.2 ADS软件进行仿真设计过程4.2.1 建立工程新建工程，选择【File】【New Project】，系统出现新建工程对话框，在Name栏中输入工程名，并在Project Technology File中选择ADS Standard:Length unitmillimet，默认单位为：mm，如图4-2所示图4-2 建立工程图4.2.2 绘制原理图建立完工程后，我们开始绘制原理图。原理图绘制如图4-3所示图4-3 L型带阻滤波器的原理图4.2.3 原理图的仿真与分析由于原理图中微带线的宽度W、线长L、线间距S都是变量

45、,所以需要在原理图上添加一个变量控件。在ADS上变量控件是VAR控件,我们单击VAR图标将控件放置在原理图上,然后双击控件,在弹出的变量设置窗口分别把每条微带线的W参数、L参数、S参数添加上去。如图4-4所示图4-4 变量设置窗口添加S参数扫描控件S-Param,设置扫描的频率范围和步长。在对优化控件Goal的设置时要适当的增大优化参数的数值,回波损耗调整到20dB,对阻带抑制度可以调整到60dB,这样可以使优化结果较容易的与设计目标匹配。具体设置方案如图4-5所示。图4-5 优化控件设置用ADS软件绘制完它的原理图后，并把计算的值和所选的滤波器的材料参数输入到原理图中进行仿真和优化后，其结果

46、如图4-6所示 图 4-6(a)微波滤波器优化前的仿真波形图 4-6(b)微波滤波器优化后的仿真波形此次仿真我们采用的是S参数仿真。S参数称为散射参数，相较于Z和Y参数，它更适合适合与分布参数的仿真。S参数是建立在入射波、反射波关系基础上的网络参数，适于微波电路分析，以器件端口的反射信号，以及从该端口传向另一端口的信号来描述电路网络。二端口网络有4个S参数，表示能量从口注入，在口测得的能量，各参数物理含义和特殊网络的特性如下所述：端口2匹配时，端口1的反射系数：端口1匹配时，端口2的反射系数：端口1匹配时，端口2到端口1的反向传输系数：端口2匹配时，端口1到端口2的正向传输系数对于互易网络=；

47、对于对称网络=；对于无耗网络。通常可以将单根传输线或一个过孔等效成一个二端口网络。端口1接输入信号，端口2接输出信号，那么表示回波损耗，即有多少能量被反射回源端（端口1），该值越小越好，一般建议，即-20 dB；表示插入损耗，即有多少能量被传输到目的端口（端口2），该值越大表示传输的效率越高，理想值为1，即0 dB。一般建议，即-3 dB4.2.4 生成版图生成版图前我们要把传输线的特性阻抗(Term)和接地禁用,用按钮把两个Term和接地打上红叉，然后就可以生成版图了，点击【Layout】【Generate/Updata Layout】生成版图，在进行版图仿真前我们要重新对基板材料参数进行设置,可以用【Momentum】 【Substrate】 【Update From Schematic】功能直接将原理图的基板参数更新到版图里。要重新修改基板材料参数就需要用【Momentum】【Substrate】【Create/Modify】功能。要进行版图仿真,还要在滤波器上添加两个Port端口,在工具栏菜单上找到Port选项,点击该按钮,在弹出的设置窗口里,把两个port端口分别添加到滤波器的两边。版图如图4-7、4-8所示，版图仿真波形如图4-9所示图4-7生成的版图图4-8仿真后的版图图4-9版图仿真波形第五章 结论本毕业设计主要内容是综合运用电子专业学生所学的电路、信号