微波滤波器设计实例

1、1. 1. 微带匹配电路设计微带匹配电路设计2. 波导匹配电路设计波导匹配电路设计微波电路与器件设计方法及实例微波电路与器件设计方法及实例3. 微带双分支定向耦合器设计微带双分支定向耦合器设计5. 微波低通滤波器设计微波低通滤波器设计6. 波导带通滤波器设计波导带通滤波器设计7. 微带带通滤波器设计微带带通滤波器设计4. 威尔金森功分器设计威尔金森功分器设计解：（解：（1）输入匹配电路的设计）输入匹配电路的设计 输入匹配电路的设计就是将输入匹配电路的设计就是将Z0转换为转换为ZMS，与第，与第1章章中介绍的将负载复阻抗变换为传输线的实特性阻抗的过程中介绍的将负载复阻抗变换为传输线的实特性阻抗的

2、过程相反，但原理是一样的。相反，但原理是一样的。设计实例设计实例1 下图所示是一个下图所示是一个GaAs FET放大电路的原理图。要放大电路的原理图。要求从求从FET向信号源方向看去的阻抗向信号源方向看去的阻抗 ，从，从FET向负载方向看去的阻抗向负载方向看去的阻抗 。已知工作频率为。已知工作频率为3GHz， ，试用微带结构设计输入、输出匹配电路。，试用微带结构设计输入、输出匹配电路。微带基片的相对介电常数微带基片的相对介电常数 =9.9，基片厚度，基片厚度h=1mm。)(8 .18j27. 5MSZ)( 1 .27j46. 7MLZ 500Zr为简单起见，取为简单起见，取 方法：方法：先通过

3、一段四分之一波长的传输线，将导纳先通过一段四分之一波长的传输线，将导纳Y0变换变换为为GMS，然后再用终端开路的并联分支线提供电纳，然后再用终端开路的并联分支线提供电纳jBMS，二者并联后即可得所需要的二者并联后即可得所需要的YMS。 193.60/MS001GZZMS202jtan1jBlZppl125. 08/2284.200493. 082tan02ppZ)(8 .18j27. 5MSZ)(0493. 0 j0138. 0jMSMSMSSBGYh=1mm，193.60/MS001GZZppl125. 08/2284.200493. 082tan02ppZ8 . 2 , 1 . 4/ ;

4、558. 2 , 64. 0/ 2e021e01hWhW mm1 . 4 ; mm64. 00201WW由相对介电常数由相对介电常数 =9.9，查表，查表2.7-1或由式或由式(2.7-8)得得r)mm(100103/1039110mm464. 48 ; mm773. 94 2e021e01ll解：（解：（2）输出匹配电路的设计）输出匹配电路的设计 输出匹配电路的设计就是将输出匹配电路的设计就是将Z0转换为转换为ZML。设计实例设计实例1 下图所示是一个下图所示是一个GaAs FET放大电路的原理图。要放大电路的原理图。要求从求从FET向信号源方向看去的阻抗向信号源方向看去的阻抗 ，从，从FE

5、T向负载方向看去的阻抗向负载方向看去的阻抗 。已知工作频率为。已知工作频率为3GHz， ，试用微带结构设计输入、输出匹配电路。，试用微带结构设计输入、输出匹配电路。微带基片的相对介电常数微带基片的相对介电常数 =9.9，基片厚度，基片厚度h=1mm。)(8 .18j27. 5MSZ)( 1 .27j46. 7MLZ 500Zr由于由于 ，故选取，故选取 方法：方法：先通过一段四分之一波长的传输线，将导纳先通过一段四分之一波长的传输线，将导纳Y0变换变换为为GML，然后再用终端开路的并联分支线提供电纳，然后再用终端开路的并联分支线提供电纳jBML，二者并联后即可得所需要的二者并联后即可得所需要的

6、YML。 778.72/ML002GZZ0MLB83 1pl155.290343. 0832tan01ppZ)(0343. 0 j00944. 0) 1 .27j46. 7/(1jMLMLMLSBGY于是得于是得 因为相对介电常数因为相对介电常数 =9.9，查表，查表2.7-1或由式或由式(2.7-8)得得r778.72/ML002GZZ155.290343. 0832tan01ppZ83 1pl51. 2 , 38. 0/ ; 722. 2 , 4 . 2/ 2e021e01hWhWmm96. 94 , mm38. 0 ; mm777.1383 , mm4 . 22020210101eelW

7、lW放大电路的最终结构如下图所示。放大电路的最终结构如下图所示。mm96. 9 , mm38. 0 ; mm777.13 , mm4 . 2202101lWlWmm464. 4 , mm1 . 4 ; mm773. 9 , mm64. 0202101lWlW解：解：设计实例设计实例2 一个喇叭天线由标准矩形波导一个喇叭天线由标准矩形波导BJ-100 馈电，传输馈电，传输TE10模，波长为模，波长为3cm，天线的归一化输入阻抗为，天线的归一化输入阻抗为 （1）若用一对称电容膜片进行匹配，如下图所示，求电容膜片接）若用一对称电容膜片进行匹配，如下图所示，求电容膜片接入处到喇叭天线的距离入处到喇叭天

8、线的距离L及膜片尺寸及膜片尺寸d的值。（设膜片厚度的值。（设膜片厚度t=0）（2）若采用对称电感膜片进行匹配，则）若采用对称电感膜片进行匹配，则L及及d各为多少？设各为多少？设t=0）查附录查附录I知，标准矩形波导知，标准矩形波导BJ-100的尺寸为的尺寸为 6 . 0 j8 . 0LZ2cm016. 1286. 2cm3cm286. 22cm5 . 1a故可实现故可实现单模传输单模传输。 )cm(976. 3)286. 223(13)2(122ag所以，所以，该馈电网络与并联单枝节匹该馈电网络与并联单枝节匹配电路的原理相同配电路的原理相同。设计实例设计实例2 天线的归一化输入阻抗为天线的归一

9、化输入阻抗为 （1）若用一对称电容膜片进行匹配，如下图所示，求电容膜片）若用一对称电容膜片进行匹配，如下图所示，求电容膜片接入处到喇叭天线的距离接入处到喇叭天线的距离L及膜片尺寸的值。（设及膜片尺寸的值。（设t=0）（2）若采用对称电感膜片进行匹配，则）若采用对称电感膜片进行匹配，则L及及d各为多少？设各为多少？设t=0）用并联单枝节匹配原理进行求解用并联单枝节匹配原理进行求解。6 . 0 j8 . 0LZ 若采用若采用并联终端开路分支并联终端开路分支的的计算公式，则计算公式，则 iiddL0min (i=1,2)2jLLe311)6 . 0 j8 . 0(1)6 . 0 j8 . 0(11Z

10、ZLggggLd375. 04222/42min2311311解：解：（1）若用一对称电容膜片进行匹配，求）若用一对称电容膜片进行匹配，求L及及d的值。（设的值。（设t=0）（2）若用一对称电感膜片进行匹配，则）若用一对称电感膜片进行匹配，则L及及d各为多少？设各为多少？设t=0）由式（由式（1.6-21a）、（）、（1.6-23a）得）得 iiddL0min由由式式（1.6-21b）、（）、（1.6-23b）得）得A-A1处所呈现的归一化电纳处所呈现的归一化电纳gd375. 0min2ggd1 . 0)1arctan(201ggd1 . 0)1arctan(202 707. 0 j1jtan

11、j11lb（容性）（容性）707. 0 j1jtanj22lb（感性）（感性）解：解：（1）若用一对称电容膜片进行匹配，求）若用一对称电容膜片进行匹配，求L及及d的值。（设的值。（设t=0）（2）若用一对称电感膜片进行匹配，则）若用一对称电感膜片进行匹配，则L及及d各为多少？设各为多少？设t=0）若采用若采用对称电容膜片对称电容膜片，则，则 iiddL0min（1）对于容性电纳）对于容性电纳，取，取gd375. 0mingd1 . 001gd1 . 002 707. 0 j1b（容性）（容性）707. 0 j2b（感性）（感性）)cm(889. 1475. 01 . 0375. 01gggLL

12、)2ln(csc022. 1)2ln(csc976. 3016. 14)2ln(csc40bdbdbdbYBbgcc707. 0)2ln(csc022. 11bbdbc令令)cm(339. 03bd解：解：（1）若用一对称电容膜片进行匹配，求）若用一对称电容膜片进行匹配，求L及及d的值。（设的值。（设t=0）（2）若用一对称电感膜片进行匹配，则）若用一对称电感膜片进行匹配，则L及及d各为多少？设各为多少？设t=0）若采用若采用对称电感膜片对称电感膜片，令，令 iiddL0min（2）对于感性电纳）对于感性电纳，取，取gd375. 0mingd1 . 001gd1 . 002 707. 0 j1

13、b（容性）（容性）707. 0 j2b（感性）（感性） d1.46cm)cm(093. 1275. 01 . 0375. 02gggLL707. 0)286. 22(cot286. 2976. 3)2(cot 2220LLbdadaYBbg设计步骤：设计步骤： 3.微带双分支定向耦合器设计方法微带双分支定向耦合器设计方法12312310)(3)1 (1101aaRvbavRbvdBC 确定耦合器技术指标。确定耦合器技术指标。利用式利用式(6.2-17)计算出各线段的计算出各线段的归一化导纳。归一化导纳。bZYZaZYZaZYZbbaaaa020221011111利用式利用式（6.2-19）计算

14、各段微带计算各段微带线的特性阻抗；线的特性阻抗； bZYZaZYZaZYZbbaaaa0202210111;1;1)52. 1( 61. 039. 0) 1ln(21) 12ln(12)52. 1( 2ee82ABBBAhWrrrAA利用式利用式（2.7-8）计算主线和各微计算主线和各微带线段的导体带条宽度。带线段的导体带条宽度。根据工作频率计算微带线段的相波长和导体带条长度。根据工作频率计算微带线段的相波长和导体带条长度。 21rre1012121 Wh e0p rrrrrZBZA002377 ; )11. 023. 0(112160设计实例设计实例 3 试设计一个试设计一个3dB微带双分支

15、定向耦合器，已知微带双分支定向耦合器，已知各端口微带线特性阻抗均为各端口微带线特性阻抗均为50欧姆欧姆，中心频率为，中心频率为5GHz，介质基板的相对介电常数介质基板的相对介电常数 ，基板厚度，基板厚度h=0.8mm。C=3dB, R=1解：解： 1 , 2 21aab4 .3550500202101bZZaZZaZZbaa 由式（由式（2.7-8）得）得主线和各微带线段主线和各微带线段的导体带条宽度分别为的导体带条宽度分别为mm795. 0210aaWWWmm486. 1bW6 . 9r12312310)(3)1 (1101aaRvbavRbvdBC设计实例设计实例 3 试设计一个试设计一个

16、3dB微带双分支定向耦合器，已知微带双分支定向耦合器，已知各端口微带线特性阻抗均为各端口微带线特性阻抗均为50欧姆欧姆，中心频率为中心频率为5GHz，介质基板的相对介电常数介质基板的相对介电常数 ，基板厚度，基板厚度h=0.8mm。解：解： 由式（由式（2.7-7）得）得mm795. 0210aaWWWmm486. 1bW593. 62ea1ea)mm(367.231ea02pa1pafc)mm(842. 541paa2a1LL)mm(675.22eb0pbfc)mm(669. 54pbbL002. 7eb6 . 9r对于等分功分器对于等分功分器3200320021 )1 (kkZZkkZZk

17、ZZRZZkZRZ00305002041,32kPP003022ZZZ00504ZZZ02Zr 021Zkkr4. 威尔金森功分器设计公式汇总威尔金森功分器设计公式汇总等分功分器等分功分器)mm()GHz(1030200ffceep21)101 (2121Wdrre003022ZZZ00504ZZZ02Zr 设计实例设计实例4 试用介电常数试用介电常数 ，厚度，厚度h=1.0mm的介质的介质基片设计一个基片设计一个二等分二等分的威尔金森功分器。要求其中心频率的威尔金森功分器。要求其中心频率为为1.8GHz，输入、输出端均接特性阻抗为，输入、输出端均接特性阻抗为50的微带线。的微带线。4 . 4

18、r解：解：已知对于等分功分器已知对于等分功分器1002507 .7020050400302ZrZZZZZ)52. 1( 61. 039. 0) 1ln(21) 12ln(12)52. 1( 2ee82ABBBAhWrrrAAW01.91mm， W02= W031.01mmrrrrrZBZA002377)11. 023. 0(112160设计实例设计实例4 试用介电常数试用介电常数 ，厚度，厚度h=1.0mm的介质的介质基片设计一个基片设计一个二等分二等分的威尔金森功分器。要求其中心频率的威尔金森功分器。要求其中心频率为为1.8GHz，输入、输出端均接特性阻抗为，输入、输出端均接特性阻抗为50的

19、微带线。的微带线。4 . 4r解：解：=3.215 W01.91mm， W02= W031.01mm21rre1012121 Wh )mm(24.23215. 3108 . 1410349110efcl各尺寸含义如右图所示。各尺寸含义如右图所示。设计实例设计实例5 分别用分别用同轴同轴结构和结构和微带微带结构设计切比雪夫式结构设计切比雪夫式微波低通滤波器，要求其截止频率微波低通滤波器，要求其截止频率 ,带内最带内最大衰减大衰减 ,在阻带边频在阻带边频 处处,Ls30dB, 输输入、输出传输线的特性阻抗均为入、输出传输线的特性阻抗均为Z0=50。解解:根据技术指标根据技术指标LS、S确定元件数确

20、定元件数n 求低通原型滤波器元件的归一化值求低通原型滤波器元件的归一化值 由由L LS S 30dB,30dB,从图从图7.2.5(a)7.2.5(a)中查得中查得n5由表由表7.2.2(b)7.2.2(b)查得查得n n5 5时低通原型滤波器元件的归一化时低通原型滤波器元件的归一化值为值为 g1 =g5 =1.7058， g2 =g4=1.2296， g3 =2.5408， g6 =1.0000GHz2 . 3cfdB5 . 0PLGHz4 . 6sf11 , 2scssff选定梯形电路的形式选定梯形电路的形式, ,计算各元件的真实值计算各元件的真实值 选用选用电容输入式电容输入式电路。电路

21、。 0000RgRCCRgRLLciiickkk频率变换式：频率变换式：)nH(058. 3)PF(527. 2)PF(697. 102420330151cccZgLLZgCZgCC 微波实现微波实现 用用高、高、低低阻抗线等效阻抗线等效串联电感串联电感和和并联电容。并联电容。 应在可实现的前提下，选应在可实现的前提下，选尽可能高的高阻抗尽可能高的高阻抗和和尽尽可能低的低阻抗可能低的低阻抗，同时还要保证线段长度，同时还要保证线段长度（即满足（即满足 的条件）的条件） 高、低阻抗线等效的电感、电容由特性阻抗和线高、低阻抗线等效的电感、电容由特性阻抗和线段长度段长度l共同决定，故可以选择其中一个，

22、用上式确共同决定，故可以选择其中一个，用上式确定另一个。定另一个。 pliihpkkvZClZvLl008/plplrpcv为了保证选择的合理性，需首先进行初步的测算。为了保证选择的合理性，需首先进行初步的测算。pliihpkkvZClZvLl00 0000RgRCCRgRLLciiickkkplciihpckhpkkvZRglZvRgZvLl00000lplcpihcchcphpkZRvZRgRZRfZRvZg00000000004848188p8p当当R0=50时时 在确定了在确定了gk和和gi后，就可后，就可以根据上式选尽可能高的以根据上式选尽可能高的阻抗和尽可能低的阻抗了。阻抗和尽可能

23、低的阻抗了。（i）同轴结构）同轴结构lplcpihcchcphpkZRvZRgRZRfZRvZg0000000000484818lihkZgZg0027.3964外导体内直径外导体内直径D=1.6cm 选择选择l 2、l 4段的高特性阻抗为段的高特性阻抗为 )(138lg138ln60220 dDdDZh102 dDcm)(16. 0106 . 11042Ddd)(50ln600dDZ50输入、输出同轴线的内导体直径输入、输出同轴线的内导体直径d=0.695 cm。 g1 =g5 =1.7058， g2 =g4=1.2296， g3 =2.5408， g6 =1.0000lihkZgZg002

24、7.3964cm665. 00242hpZvLllrpcv选择选择l 1、l 3、l 5段的低特性阻抗为段的低特性阻抗为 则则 10lg13810dDZl 18. 110138101dDcm)(356. 118. 16 . 118. 1531Dddd)cm(509. 00151plvZCll)cm(758. 0033plvZCl(ii) 微带结构微带结构如此选择的高、低阻抗线特性阻抗满足上式要求。如此选择的高、低阻抗线特性阻抗满足上式要求。 假设选择假设选择r=9.9，h=1mm的介质基板进行设计，则查的介质基板进行设计，则查表表2.7-1得得lihkZgZg0027.396424.1464.

25、9200lhZZmm94. 0 ,mm5 . 6 ,mm18. 0000WWWlh599. 2 ,871. 2 ,458. 20eelehmm525. 20151plvZCllmm76. 3033plvZClmm029. 40242hpZvLllepcv 确定低通原型参数确定低通原型参数设计实例设计实例6 设计一最平坦式波导带通滤波器，其中心频率设计一最平坦式波导带通滤波器，其中心频率f0=11.95GHz,带宽带宽f=500MHz，带内最大衰减，带内最大衰减Lp=3dB，频，频率在率在11.951.0 GHz以外衰减以外衰减30dB。查图查图7.2-3得，得，n=3, 查表查表7.2-1得各

26、归一化元件值为得各归一化元件值为 849. 395.1295.1195.1195.120418. 0110418. 095.115 . 020020sssffffWffW2 , 1 , 123140ggggg 由滤波器的工作频带，查附录由滤波器的工作频带，查附录I可知，可选可知，可选BJ120标准标准矩形波导进行设计，矩形波导进行设计，解：解：其尺寸为其尺寸为a=19.05mm, b=9.525mm 计算倒置变换器的归一化特性阻抗计算倒置变换器的归一化特性阻抗 设计实例设计实例6 设计一最平坦式波导带通滤波器，其中心频设计一最平坦式波导带通滤波器，其中心频率率f0=11.95GHz,带宽带宽f

27、=500MHz，带内最大衰减，带内最大衰减Lp=3dB，频率在，频率在11.951.0 GHz以外衰减以外衰减30dB。波导的尺寸波导的尺寸a=19.05mm, b=9.525mm。2 , 1 , 123140gggggmm1 .2500fc074. 02120aWW0.0822 12 0.341 22102301210034001ggWZKZKggWZKZK 计算并联电感的归一化感抗计算并联电感的归一化感抗0.0822 0.341023012034001ZKZKZKZK083. 0)(1386. 0)(12012012231220010013401ZKZKxxZKZKxx 计算谐振腔的实际长

28、度计算谐振腔的实际长度rad977. 22tan212tan21rad731. 22tan212tan21231121212101131xxxxmm431.33)2(12000agmm84.152mm531.1422021031gglll腔体的实际长度为腔体的实际长度为 求电感的尺寸求电感的尺寸(i) 若用电感膜片实现电感若用电感膜片实现电感 312012401011mm415. 4tan2 ; mm337. 8tan2daxaddaxadgg 求电感的尺寸求电感的尺寸(ii) 若用单销钉实现电感，则得销钉的直径分别为若用单销钉实现电感，则得销钉的直径分别为3)1(224)1(21mm445.

29、 2 4 ; mm842. 0 4120010deaddeadaxaxgg 求电感的尺寸求电感的尺寸(iii) 若用三销钉实现电感，则得销钉的直径分别为若用三销钉实现电感，则得销钉的直径分别为3410004 .4024410004 .401mm879. 00811. 0 mm104. 00811. 01202201022daeddaedaxaaxagg采用切比雪夫衰减特性进行设计。采用切比雪夫衰减特性进行设计。 解：解： 确定低通原型确定低通原型设计实例设计实例7 设计一侧边平行耦合微带带通滤波器，其通带设计一侧边平行耦合微带带通滤波器，其通带的频率范围为的频率范围为4.755.25GHz，通

30、带内允许的最大衰减，通带内允许的最大衰减Lp=0.5dB, 通带外通带外fS1=3.9GHz, fS2=6GHz处的处的LS30dB,输入输入、输出传输线特性阻抗为、输出传输线特性阻抗为50欧姆。基片厚度欧姆。基片厚度h = 0.8mm, 相对介电常数相对介电常数r10。GHz0 . 5210CCfff02. 510011201SSccS67. 320021202SSccS02. 411s67. 212s查图查图7.2-6（b）得）得n=3 查表查表7.2-2（b）得）得 5963. 131 gg0967. 12g0000. 140 gg 计算各导纳倒置变换器的特性导计算各导纳倒置变换器的特性导纳纳设计实例设计实例7 设计一侧边平行耦合微带带通滤波器，其通带设计一侧边平行耦合