1、安徽建筑大學畢業設計（論文）安徽建筑大學畢 業 設 計(論 文)專 業 電子信息工程 班 級 一班 學生姓名 吳晨 學 號 10205010101 課 題 微波器件特性的研究 L型微波帶阻濾波器的設計 指導教師 吳東升 2014 年 6 月 8 日安徽建筑大學畢業論文（設計）摘 要微波射頻電路已成為無線設備不可缺少的重要組成部分，隨著通信技術的飛速發展和軍事裝備的需求的日益增加，微波電路也越來越廣泛的應用于通信、雷達、電子對抗技術等眾多領域。微波射頻電路通常分為微波無源電路、微波有源電路或者是兩者的結合。微波無源電路一般由各種傳輸線、各種無源器件、各種半導體控制器件等組成，如濾波器、限幅器、功

2、分器、耦合器和開關等。微波有源電路一般由傳輸線、無源器件、各種半導體有源器件組成，如低噪聲放大器、功頻率源、混頻器、倍頻器和檢波器等。本文介紹了微波濾波器的基本原理，分析了微帶帶阻濾波器的基本理論，給出了L型微帶濾波器的設計步驟和思路和過程。針對中心頻率,上邊頻：,下邊頻：,阻帶帶寬：W=200MHz,阻帶內衰減：60dB的帶阻濾波器的技術指標，計算出具體的電路結構并應用微波分析軟件分析驗證了設計的準確性。關鍵字：帶阻濾波器 無源器件 L型 微波電路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 錄第一章 緒論11.1引言11.2微波濾波器的發展11.3微波濾波器的分類及特點21.4課題主要內容及研究方法3第二章 微波濾波器的基本原理42.1微波的概述42.1.1微波的定義42.1.2微波的特點52.2微波濾波器的概述62.2.1濾波器的

8、基本原理62.2.2濾波器的技術指標72.3歸一化低通原型濾波器82.3.1巴特沃斯原型低通濾波器92.3.2切比雪夫原型低通濾波器92.3.3橢圓原型濾波器102.4頻率變換112.5微波濾波器的實現方法122.5.1Richards變換原理132.5.2單位元件142.5.3Kuroda規則14第三章 微帶線濾波器的設計163.1微帶線的基本原理163.1.1微帶線的有效介電常數163.1.2微帶線的特性阻抗173.1.3微帶線的傳輸特性173.1.4微帶線的損耗與衰減173.2微帶線帶阻濾波器的設計183.2.1性能要求183.2.2確定濾波器的類型183.2.3確定濾波器的結構183.

9、2.4選擇設計的方法183.2.5選擇介質基片和薄膜193.3設計微帶帶阻濾波器的計算19第四章 微帶濾波器的仿真與分析234.1ADS介紹234.2ADS軟件進行仿真設計過程244.2.1建立工程244.2.2繪制原理圖244.2.3原理圖的仿真與分析244.2.4生成版圖27第五章 結論29參考文獻30致謝31IVL型微波帶阻濾波器的設計電子與信息工程學院 電子信息工程專業 10級（1）班 吳晨指導老師：吳東升第一章 緒論1.1 引言設計濾波器時，當設計的頻率不高時，選用集總元器件濾波器，但當頻率達到或接近GHz時，選用分布參數元器件構成的濾波器。這是由兩個原因造成的，其一，頻率過高時電感

10、和電容應選的元器件值過小，由于寄生參數的影響，如此小的電感和電容已經不能再使用集總參數元器件；其二，此時工作波長與濾波器元器件的物理尺寸相近，濾波器元器件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數效應。由于分布元器件中的微帶線濾波器具有體積小、重量輕、易于集成等特點，故廣泛應用于各種射頻通信電路中。濾波器是二端口網絡，具有選頻的特性。濾波器目前在無線技術方面得到廣泛的應用。濾波器體積的減小，使得單位面積中的結構更加緊湊，內部耦合情況更加復雜。用傳統的設計方法是很復雜的，且經常達不到指標要求。現在，隨著射頻電路輔助設計電路的不斷發展，利用仿真軟件進行微帶線濾波器的設計，可以避免復雜的理論計算和推導。A

11、DS(Advanced Design System)是由美國Agilent公司推出的微波電路和通信系統的仿真軟件，是當今業界最流行的微波射頻電路、通信系統、RFIC設計軟件。ADS 功能強大，仿真手段豐富，可實現包括時域與頻域、數字與模擬、噪聲等多種仿真功能，并可對設計結果進行頻率分析和優化，直到仿真結果滿意為止，保證實際電路與仿真電路的一致性。1.2 微波濾波器的發展微波濾波器是一類無耗的二端口網絡，廣泛應用于微波通信、雷達、電子對抗及微波測量儀器中，在系統中用來控制信號的頻率響應，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。在微波濾波器研究和發展的歷史長河中，

12、凝聚了眾多國內外專家和學者的心血和汗水。1937年，由W.P .Mason和R.A.Sykes發表的文章中首次提出了微波濾波器的研究，對于微波濾波器有比較清晰的介紹，對后來學者的研究有著重大的影響。20世紀60年代，G.L.Matthaei在其專著中對微波濾波器的經典設計方法作出了較全面、系統的介紹，但主要針對最平坦型和切比雪夫型，未涉及橢圓函數型和廣義切比雪夫型。20世紀70年代初，A.E.Williams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低階濾波器。Levy建立了集總和分布原型的元件公式間的聯系，給出了推導原型元件的簡單而準確的公式；Rhode建立起了線性相位濾波器理論。這一

13、系列貢獻，都可以說是微波濾波器發展史上的重大突破。20世紀70年代初期，我國的老一輩微波專家甘本拔、吳萬春、李嗣范、林為干等，在國外研究成果的基礎上,濾波器的設計理論和方法進行了補充和完善，為我國微波濾波器的研究奠定了良好的基礎。近年來，隨著軍事、科研、通信的發展，市場對微波濾波器在性能方面的需求不斷地提升。而在微波濾波器的研究方面又有了新的突破。一些學者相繼提出了濾波器的綜合方法，并將這些方法應用于濾波器的工程設計，取得了良好的效果。現階段隨著低溫可燒結陶瓷（LTCC）、光子晶體（PBG）、高溫超導（HTS）等材料的出現，以及微波單片機電路、MEMS工藝的提高，微波濾波器開始朝著高性能、小型

14、化、集成化方向發展。1.3 微波濾波器的分類及特點微波濾波器根據頻率特性、帶寬、調諧等分類，從結構形式看，濾波器主要有以下幾種：（1） 集總元件濾波器：集總元件濾波器是由集總元件電感和電容構成的，得到廣泛的應用，但是當工作頻率高于1GHz時，L、C器件受自身條件的限制，無法正常工作，故這種濾波器只能在低頻時工作。（2） 微帶線濾波器：微帶線濾波器使用微帶線作為基本元件，其性能由微帶線的特點決定的。由于它的工作頻率為幾百MHz到幾十GHz，所以它適用于所有微波系統中。微帶線濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發夾型濾波器、交指微帶濾波器、交叉耦合微帶線濾波器。（3） 波導濾波器：波導帶通濾波器是

15、一種選頻電路。由于波導濾波器Q值高，插損小，溫度穩定性能好，特別適合于高頻窄帶應用。（4） 低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器：低溫共燒陶瓷濾波器是一門新興的集成封裝技術，具有多層厚膜成型技術和共燒技術兩者的優點。這種新型的濾波器具有高集成度、高品質因素和高穩定性的特點。（5） 聲表面波（SAW）濾波器：聲表面波濾波器以體積小及優良的性價比，廣泛應用于現代通信系統設備及便攜式電話輕簿短小化和高頻化、數字化、高性能、高可靠等方面的要求。但是，美中不足的是插入損耗較大（12dB）,難于集成，且在高頻下難以處理大功率信號，一般只用于2GHz以下的通信系統。 （6） 腔體濾波器：由于腔體濾波器的Q值高、插

16、損低（一般在1dB內）、阻帶抑制高、調諧方便、尺寸小和體積較輕等特點，得到較為廣泛的應用。但是在10GHz以上使用是，由于物理尺寸過小，制作精度要求很高，比較難以達到。 （7） 微機械結構（MEMS）濾波器：在新型LC濾波器的基礎上通過添加微孔開關構成的可調濾波器就是微機械結構濾波器。其主要應用于測量設備及通信設備，如衛星通信、移動通信等。1.4 課題主要內容及研究方法本畢業設計主要內容是綜合運用電子專業學生所學的電路、信號與系統、電磁場與電磁波技術以及微波技術等專業基礎理論知識和專業知識，根據技術要求選擇合適的微波電路形式，綜合出微波濾波器的具體結構形式；借助于微波專業軟件（ADS）進行微波

17、電磁場分析，根據分析結果修正設計參數；設計出符合要求的微波濾波器。通過畢業設計，提高學生理論聯系實際、獨立解決問題、系統思考的能力，從而基本掌握科研或新品研發的工作流程，積累一定的項目規劃及設計的經驗。此外，通過畢業設計，培養學生嚴謹治學的態度，堅韌不拔的作風，良好的團隊精神，為今后從事科研、生產工作打下堅實的基礎。所設計L型微波帶阻濾波器的技術指標為：中心頻率,上邊頻：,下邊頻：,阻帶帶寬：W=200MHz,阻帶內衰減：60dB。研究方法：以切比雪夫低通原型設計法為基礎,利用頻率對應關系，將帶阻濾波器的插入衰減特性轉換成低通原型濾波器的插入衰減頻率特性，按要求確定濾波器的階數，求得低通原型濾

18、波器的g參數值，可得出耦合微帶線間的距離，求得微帶線的尺寸，再利用ADS軟件進行模擬和優化，從而實現了帶阻濾波器的設計。 第二章 微波濾波器的基本原理2.1 微波的概述2.1.1 微波的定義微波是頻率非常高的電磁波，通常是指頻率為300MHz到3000GHz范圍內的無線電波，其相應的波長范圍，根據頻率f，波長和電磁波在空中的傳播速度c(c=2.998×m/s3.0×m/s)之間的關系式f=c,應是1m到0.1mm。微波的低頻端接近于普通無線電波的超短波，微波的高頻端接近于紅外線的遠紅外。在微波的實際應用中,常將它分成分米波、厘米波、毫米波和亞毫米（絲米）波四個波段。如表2-

19、1。表2-1 無線電頻段和波段命名段號頻段名稱頻率范圍（含高不含低）波段名稱波長范圍（含短不含長）1極低頻330赫茲（Hz）極長波10010兆米2超低頻30300赫茲（Hz）超長波101米3特低頻3003000赫茲（Hz）特長波10010萬米4甚低頻（VLF）330千赫（kHz）甚長波101萬米5低頻（LF）30300千赫（kHz）長波101千米6中頻（MF）3003000千赫（kHz）中波101百米7高頻（HF）330兆赫（MHz）短波10010米8甚高頻（VHF）30300兆赫（MHz）米波101米9特高頻（UHF）3003000兆赫（MHz）分米波101分米10超高頻（SHF）330吉赫

20、（GHz）厘米波101厘米11極高頻（EHF）30300吉赫（GHz）毫米波101毫米12至高頻3003000吉赫（GHz）絲米波10絲米在通信和雷達工程中，常使用拉丁字母來代表微波各波段的名稱，列于2-2。表2-2 微波常用波段代號及頻率范圍波段名稱頻率范圍(GHz)波段名稱頻率范圍(GHz)UHF0.31.12K1826.5L1.121.7Ka26.540LS1.72.5Q3350S2.53.95U4060C3.955.85M5075XC5.858.2E6090X8.212.4F90140Ku12.418R220325微波在電磁波波譜中位置如圖2-1所示圖 2-1電磁波波譜（波長單位為：n

21、m）2.1.2 微波的特點微波只是整個電磁波譜中的一個頻段，但它既具有不同于普通無線電波的特點，也具有不同于光波的特點。在微波波段，其波長與電路尺寸可相比擬，甚至更小，空間電磁場分布不能忽略。電磁場以波動形式出現，在傳播過程中，呈現相位滯后效應。同時，隨著波的傳播，電磁能量分布在整個微波電路中，不再像低頻電路那樣電場能量全部集中在電容中，而磁場能量集中于電感中。因此，對于微波電路的研究，傳輸線的長度可與信號波長相比擬時，傳輸線本身就是一種分布參數電路，必須研究電磁場的波動過程。另外，傳輸線傳輸微波時，由于高頻電流有集膚效應，產生導體損耗和輻射損耗嚴重，必須采用微波傳輸線。從學科領域上講，微波技

22、術應屬于電磁場工程，人們之所以對微波特別感興趣，專門對其進行研究，是因為微波波段相較于別的波段，具有以下特點：（1） 微波的波長很短。具有似光性，且波長越短，波束的定向性和分辨能力越高，天線的尺寸可以。因此，利用微波的波長短這一特點，可以設計體積小、方向性和增益都很高的天線應用于雷達、導航和通訊等系統。（2） 微波的頻率很高。即微波的震蕩周期很短，一般為10-9s10-15s。（3） 微波能穿透 電離層，因而衛星通訊必須利用微波。（4） 微波的量子特性。微波相應的量子能量范圍為10-410-9電子伏，當微波照射到物體（介質）上時，能深入到物質內部，可研究分子和原子核的內部結構。2.2 微波濾波

23、器的概述2.2.1 濾波器的基本原理濾波器的基礎是諧振電路，只要構成諧振電路組合就可實現濾波器。根據其頻率響應特性可分為低通、帶通、帶阻、高通四種基本類型，其衰減特性如圖2-2所示。實現濾波器就是實現相應的諧振系統。其中，電感、電容形成的濾波器，稱為集總參數濾波器；各種射頻/微波傳輸線形成的諧振器，稱為分布參數濾波器。 圖2-2 四種基本濾波器2.2.2 濾波器的技術指標濾波器的指標形象地描述了濾波器的頻率響應特性。（1） RF插入損耗：由于濾波器的介入，在系統內引入的損耗。濾波器通帶內的最大損耗包括構成濾波器的所有組件的電阻性損耗（如電感、電容、導體、介質的不理想）和濾波器的回波損耗（兩端電

24、壓駐波比不為1）.插入損耗定量地描述了功率響應幅度與0dB基準的差值，其數學表達式為：IL=10log=-10log(1-|in|2) （2.1）其中PL是濾波器向負載輸出的功率，Pin是濾波器從信號源得到的輸入功率，|in|是從信號源向濾波器看去的反射系數。（2） 帶內波紋：插入損耗的波動范圍。帶內波紋越小越好。采用dB或奈貝（Neper）為單位表示響應幅度的最大值與最小值之差。（3） 帶寬：通帶內對應于3dB衰減量的上邊頻和下邊頻的頻率差，即：BW=fU-fL （2.2）（4） 矩形系數：矩形系數是60dB帶寬與3dB帶寬的比值，它描述了濾波器在截止頻率附近響應曲線變化的陡峭程度：SF=

25、（2.3）（5） 阻帶抑制：在理想情況下，我們希望濾波器在阻帶頻段內具有無窮大的衰減量。規定濾波器在什么頻率上會阻斷信號，是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。通常以60dB作為阻帶抑制的設計值。（6） 中心頻率f0：即工作頻帶的中心，一般取：f0=， （2.4）fU、fL為分別是指濾波器帶內3dB衰減量的上、下邊頻。（7） 品質因數Q：諧振頻率下，平均儲能與一個周期內平均耗能相比：Q= （2.5）Q描述了濾波器的頻率選擇性，Q越高，帶寬越窄，諧振曲線越尖銳，頻率選擇能力越強。2.3 歸一化低通原型濾波器低通原型濾波器主要由L、C器件串并聯構成的簡單電路，如下圖2-3所示。根據頻率變換理論，低通

26、原型濾波器可以與其他類型的濾波器進行等價變換。取參數（=）作為相對于角頻率的歸一化頻率，對于低通、高通濾波器，是截止頻率，對于帶通和帶阻濾波器，是中心頻率。 圖2-3 低通原型電路圖2.3.1 巴特沃斯原型低通濾波器如果濾波器在通帶內的插入損耗隨頻率的變化是最平坦的，這種濾波器是巴特沃斯濾波器，也稱為最平坦濾波器，圖2-4給出了巴特沃斯濾波器的響應。圖2-4 巴特沃斯原型低通濾波器的頻率響應巴特沃斯原型低通濾波器的響應特性如下所示：（1） 是低通濾波器的通帶。（2） 是低通濾波器的阻帶。（3） 是通帶和阻帶的分界點，在分界點處插入損耗需要給出指標值。（4） 在通帶內巴特沃斯濾波器沒有任何波紋，

27、在阻帶內巴特沃斯濾波器的衰減隨著頻率的升高單調急劇上升。巴特沃斯原型低通濾波器的帶內的插入衰減為：LA（）=10lg（1+k2） （2.6）其中n 為元件數目。 巴特沃斯濾波器具有單調下降的幅頻特性，其過渡帶變化較平穩。2.3.2 切比雪夫原型低通濾波器如果濾波器在通帶內有等波紋的響應，這種濾波器是切比雪夫濾波器，也稱為等波紋濾波器，圖2-5給出了切比雪夫濾波器的響應。圖2-5 切比雪夫原型低通濾波器的頻率響應切比雪夫低通原型濾波器的響應特性如下所示：（1） 是低通濾波器的通帶，在通帶內響應是等幅度的波紋，波紋高度用dB表示。（2） 是低通濾波器的阻帶，阻帶內的衰減隨著頻率的升高單調急劇上升。

28、（3） 是通帶和阻帶的分界點，在分界點處插入損耗需要給出指標值。切比雪夫低通原型濾波器的插入衰減為：LA（）=10lg（1+k2Tn2()） （2.7）Tn()=，或| （2.8a）Tn()=，或| （2.8b）式中Tn()為切比雪夫多項式。由上式可知，切比雪夫原型低通濾波器雖然在通帶內有起伏，但是它的起伏是控制在LA以內的,且其過濾帶要比巴特沃斯原型低通濾波器陡峭的多。因此，切比雪夫原型低通濾波器在實際設計中應用的較多。2.3.3 橢圓原型濾波器橢圓濾波器是利用橢圓函數使的濾波器在整個頻率響應里的通帶和阻帶都具有等波紋型特性。圖2-6給出了橢圓原型濾波器的響應。圖2-6橢圓原型濾波器的頻率響

29、應橢圓原型濾波器的響應特性如下所示：（1） 是低通濾波器的通帶，在通帶內響應是等幅值的波紋。（2） 是低通濾波器的阻帶，在通帶內響應是等幅值的波紋。（3） 是通帶和阻帶的分界點，在分界點處插入損耗需要給出指標值。橢圓原型濾波器的插入衰減為：LA（）=10lg（1+k2Fn2()）， （2.9）式中Fn()為橢圓函數。因為橢圓原型濾波器不僅在通帶內等波紋的變化，在阻帶內也等波紋的變化，從而導致其從通帶到阻帶的變化非常陡峭。2.4 頻率變換前面已經學習了歸一化原型低通濾波器的特性。如果將它們的衰減特性的頻率變量經過適當的變換，那么，就有可能得到以新的頻率為變量的衰減特性，用它們來表示高通、帶通、帶

30、阻等類型的濾波器。這樣的方法叫做“頻率變換”，相應的公式叫做“變換式”。經過頻率變換后，通過查表可以求得濾波器的網絡結構和g參數。由于只對橫坐標的自變量進行變換，對縱坐標的衰減值并無影響。故頻率變換是不改變電路中所有電阻元件的特性，它只作用在電路中所有的電抗元件上，故變換時，幅度波紋特性仍保持不變。下面著重說明低通濾波器到帶阻濾波器的頻率變換。圖2-7為低通和帶阻濾波器的頻率響應特性。圖2-7 低通原型濾波器及其對應的帶阻濾波器的響應設低通原型濾波器的頻率變量為，帶阻濾波器的頻率變量為。由于=0的點，變換成=0和=的點，而=的點，變換成=0的點。故由低通到帶阻的變換公式為： （2.10）式中，

31、為低通原型的截止頻率，為帶阻濾波器的相對帶寬，為阻帶中心頻率， 為上邊帶頻率，為下邊帶頻率。2.5 微波濾波器的實現方法工作頻率超過500MHz的濾波器是難于采用分立元件實現的，這是由于工作波長與濾波器的物理尺寸相近，從而造成了多方面的損耗并使電路性能嚴重惡化。所以，實際濾波器的實現，必須要將集總元件變換分布參數元件。我們將來利用一些有用的工具Richards變換，單位元件概念和Kuroda規則，實現電路設計從集總參數到分布參數的變換。2.5.1 Richards變換原理Richards變換可以將一段開路或短路傳輸線等效于分布的電感或電容元件。把集總LC網絡用短路或者開路的傳輸線來表示,從而引

32、入變換式:= （2.11）將平面映射到平面,它的周期是以=重復出現。現在用替換頻率變量,可以得到: （2.12） （2.13）上面兩個式子分別代表電感的電抗能表示式與電容的電納能表示式。通過式子可以發現,微波電路中的電容、電感可以用長度為的開路或短路截線來代替。其中代替電容的開路截線的阻抗為1/C,代替電感的短路截線的阻抗為L。假設低通原型濾波器的特性阻抗=1,它的截止頻率在單位頻率處,濾波器經過理査德變換之后,要保持截止頻率不變,則： （2.14）其中代表短路截線的長度,它的長度為,是指截止頻率是時傳輸線的波長。當傳輸線的長度增大到時，頻率時，傳輸線會出現極點的衰減,這時候濾波器的響應與原型

33、濾波器的響應相同。但在頻率大于或者小于時,短路截線的阻抗將與最初的集總元件不再匹配,這個時候濾波器的響應與原型濾波器的響應有很大的區別。原型濾波器的響應是以頻率的周期重復出現。原理上說，集總元件濾波器設計中的電容和電感用短路和開路截線來代替，如圖2-8所示。當短路截線的長度時,這種線叫做公比線。圖2-8 理查德變換 (a)電感變為短路短截線；(b)電容變為開路短截線2.5.2 單位元件在把集總參數元件變成傳輸線段時，需要分解傳輸線元件，即插入所謂單位元件（UE）以便得到可以實現的電路結構。單位元件的的電長度特性阻抗為。單位元件可視為兩端口網絡，表達式如下：=（2.15）2.5.3 Kuroda

34、規則科洛達恒等關系是指用增加冗余傳輸線段的方法來實現開路截線和短路截線的相互轉換,如圖2-9所示。通過科洛達恒等關系可以很容易的實現濾波器。圖2-9 四個Kuroda恒等關系（）第三章 微帶線濾波器的設計3.1 微帶線的基本原理微帶線是目前射頻電路中使用最廣泛的傳輸線。微帶線是平面型結構，可以用蝕刻電路技術在PCB上制作，而且它很容易與其他無源和有源的濾波器件集成，而且可以在一塊介質基片上制作完整的電路，實現射頻部件和系統的集成化、固態化和小型化。微帶線的幾何結構如圖3-1所示。 圖3-1 微帶線結構示意圖其中，t為金屬導體厚度，w為金屬導體寬度，h為介質厚度， 為基片的相對介電常數。3.1.

35、1 微帶線的有效介電常數微帶線導體帶的上方為空氣，下方為介質，可以定義為一種全部填充等效介質的微帶線，等效介質的相對介電常數為，這種等效的微帶線和實際微帶線具有相同的相速度和特性阻抗，其等效關系由有效相對介電常數決定，在范圍內。微帶線有效相對介電常數的近似計算公式為，（3.1a）, （3.1b）3.1.2 微帶線的特性阻抗利用微帶線有效相對介電常數,可以得到微帶線特性阻抗的近似計算公式 （3.2） （3.3）在給定微帶線的特性阻抗和相對介電常數后，也可以求出的值。值的計算公式為= ， （3.4）= ， （3.5）式中 , 3.1.3 微帶線的傳輸特性微帶線傳輸準TEM模，但微帶線的傳輸特性近似

36、按照TEM模計算。微帶線的相速度和波長按下面公式計算 （3.6）3.1.4 微帶線的損耗與衰減微帶線存在損耗.微帶線除了導體損耗和介質損耗外,還有輻射損耗,微帶線的損耗可以用衰減常數來表示。如果忽略輻射損耗，則微帶線的衰減損耗為，其中由微帶線介質損耗引起，由微帶線導體損耗引起的。微帶線的介質損耗是由介質損耗是由介質的漏電導致的。對于低損耗介質，微帶線的介質損耗為 =（dB/cm）， （3.7）式中。對于高損耗介質，微帶線的介質損耗為：（dB/cm） （3.8）微帶線的導體損耗為：， （3.9）其中 ，式中為導體的導電率。3.2 微帶線帶阻濾波器的設計3.2.1 性能要求所設計的濾波器的技術指標

37、為:中心頻率：,上邊頻：,下邊頻：,阻帶帶寬：W=200MHz,阻帶內衰減：60dB。3.2.2 確定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、介質濾波器、波導濾波器和表面濾波器等等。因為微帶結構簡單、體積小、重量輕、便于制作，所以，我們選用微帶線濾波器。3.2.3 確定濾波器的結構濾波器的結構有：梳狀結構、平行耦合結構、發夾結構、開路支節結構等。我設計的是L型微帶線帶阻濾波器。3.2.4 選擇設計的方法前面介紹已經了解到，濾波器的設計方法有巴特沃斯法、切比雪夫法或者橢圓濾波器等等。因為設計是帶阻濾波器，按照切比雪夫原型設計出的帶阻濾波器雖然在通帶內衰減的變化有起伏波紋，但不超過

38、預先給定值；而在此條件下，可得到相當陡峭的帶外衰減特性。因此我們選用的是切比雪夫原型濾波器來設計L型帶阻濾波器。其設計圖如圖3-2所示圖3-2 L型帶阻濾波器的設計圖3.2.5 選擇介質基片和薄膜本設計選用RT/D 6010為介質基片，其相對介電常數=10.8，厚度 h=1.27mm；微帶薄膜選用銅作導體，它的厚度為T=0.005mm。3.3 設計微帶帶阻濾波器的計算（1） 階數計算已知設計的濾波器的相關參數為：阻帶衰減：60dB首先根據帶阻濾波器和原型低通濾波器之間的頻率對應關系，求出帶阻濾波器中心頻率所對應的低通原型濾波器的頻率，由低通原型濾波器的衰減特性曲線，查出濾波器所需的階數n。根據

39、低通原型濾波器和帶阻濾波器的變換關系得： （3.10）其中，代入，可得：圖3-3給出了通帶內最大衰減值為0.1dB時切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性，其中是通帶內衰減最大值。圖3-3 0.1dB的切比雪夫低通濾波器的的阻帶衰減由圖3-3可知，滿足濾波器性能要求的階數為n=5。（2）根據階數及衰減波紋值，查表得出下列低通原型參量表3-1給出了n=1到6的切比雪夫低通濾波器對應于=0.1時的元件數值。表3-1 切比雪夫0.1dB波紋的元件值（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，當n=5時，g0= g6=1，g1= g5=1.1468，g2= g4=1.3712，g3=1.9750、（3）計算微帶線參數值 （3.11） （3.12） i=1n; （3.13） （3.14） （3.15） i=1n; （3.16）其中Z0、Y0分別表示終端阻抗和終端導納，ZU、YU分別表示特性阻抗和特性導納，L、C表示電感電容，為低通原型參量，

41、為串并聯諧振器的電抗斜率參數，為串并聯諧振器的電納斜率參數。（4）計算各傳輸線段的尺寸因為我們設計的是5階濾波器，故，取，FBW=0.588，Z0=50，g0= g6=1。則： =由于采用RT/D 6010作為微帶線的介質，其=10.8，h=1.27mm，因為已知Z0=50，所以其主微帶線的寬度W=1.1mm，為了簡單考慮和達到較好的效果，將L諧振腔上的寬度也設置為W=1.1mm，而諧振器上的長度是一樣的，分別為，但是耦合間距s是不同的，由圖3-4可得，。圖 3-4 提取的歸一化電抗斜率參數與耦合間距的關系第四章 微帶濾波器的仿真與分析微帶線濾波器是采用微帶線作為基本元件的。在前面,我們介紹了

42、微帶線的基本原理,以及L型帶阻濾波器的設計過程。在這一章里我們通過根據理論分析,結合ADS電磁仿真軟件設計L型帶阻濾波器,并給出最終的優化結果。4.1 ADS介紹ADS（Advanced Design System）是安捷倫科技有限公司所設計研發的一款電子設計自動化仿真軟件。ADS軟件的功能十分強大,在微波射頻領域有著高效和準確的仿真能力,它還能夠實現時域、頻域、模擬、數字、線性、非線性等多個方面的仿真,并能分析優化仿真結果。ADS有著豐富的元件庫,還能夠對元件進行測量并對器件間的連接進行檢測,這些功能對設計電路提供了很大程度的方便性、速度與精確性。因此ADS深受廣大電子工程設計師的喜愛,是當

43、今各研究單位使用最多的微波/射頻電路仿真軟件。圖4.1所示為ADS啟動界面。圖4-1 ADS界面ADS有著十分強大的仿真功能,它可以進行微波系統的電路仿真設計、DSP的仿真設計、通信系統的仿真、電磁矩覺仿真。ADS軟件所采用的電磁矩量仿真（Momentum）。它可以對微帶線、帶狀線、共面波導等的電磁特性進行分析仿真。矩量法可以對積分、微分方程進行數值求解,它是一種數值計算方法,與有限元法、時域差分法一樣。要得到射頻電路電磁分布的解,矩量法要把電路對應的泛函數方程轉換成矩陣方程,并且對激勵和加載進行分割,分割的越細,矩量法所仿真的結果就越精確。這種電磁矩量法可以對設計好的微波電路圖進行電磁仿真分

44、析,仿真電路板上的各種寄生和耦合效應,從而進一步的對原理圖的結果進行優化。4.2 ADS軟件進行仿真設計過程4.2.1 建立工程新建工程，選擇【File】【New Project】，系統出現新建工程對話框，在Name欄中輸入工程名，并在Project Technology File中選擇ADS Standard:Length unitmillimet，默認單位為：mm，如圖4-2所示圖4-2 建立工程圖4.2.2 繪制原理圖建立完工程后，我們開始繪制原理圖。原理圖繪制如圖4-3所示圖4-3 L型帶阻濾波器的原理圖4.2.3 原理圖的仿真與分析由于原理圖中微帶線的寬度W、線長L、線間距S都是變量

45、,所以需要在原理圖上添加一個變量控件。在ADS上變量控件是VAR控件,我們單擊VAR圖標將控件放置在原理圖上,然后雙擊控件,在彈出的變量設置窗口分別把每條微帶線的W參數、L參數、S參數添加上去。如圖4-4所示圖4-4 變量設置窗口添加S參數掃描控件S-Param,設置掃描的頻率范圍和步長。在對優化控件Goal的設置時要適當的增大優化參數的數值,回波損耗調整到20dB,對阻帶抑制度可以調整到60dB,這樣可以使優化結果較容易的與設計目標匹配。具體設置方案如圖4-5所示。圖4-5 優化控件設置用ADS軟件繪制完它的原理圖后，并把計算的值和所選的濾波器的材料參數輸入到原理圖中進行仿真和優化后，其結果

46、如圖4-6所示 圖 4-6(a)微波濾波器優化前的仿真波形圖 4-6(b)微波濾波器優化后的仿真波形此次仿真我們采用的是S參數仿真。S參數稱為散射參數，相較于Z和Y參數，它更適合適合與分布參數的仿真。S參數是建立在入射波、反射波關系基礎上的網絡參數，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號，以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網絡。二端口網絡有4個S參數，表示能量從口注入，在口測得的能量，各參數物理含義和特殊網絡的特性如下所述：端口2匹配時，端口1的反射系數：端口1匹配時，端口2的反射系數：端口1匹配時，端口2到端口1的反向傳輸系數：端口2匹配時，端口1到端口2的正向傳輸系數對于互易網絡=；

47、對于對稱網絡=；對于無耗網絡。通常可以將單根傳輸線或一個過孔等效成一個二端口網絡。端口1接輸入信號，端口2接輸出信號，那么表示回波損耗，即有多少能量被反射回源端（端口1），該值越小越好，一般建議，即-20 dB；表示插入損耗，即有多少能量被傳輸到目的端口（端口2），該值越大表示傳輸的效率越高，理想值為1，即0 dB。一般建議，即-3 dB4.2.4 生成版圖生成版圖前我們要把傳輸線的特性阻抗(Term)和接地禁用,用按鈕把兩個Term和接地打上紅叉，然后就可以生成版圖了，點擊【Layout】【Generate/Updata Layout】生成版圖，在進行版圖仿真前我們要重新對基板材料參數進行設置,可以用【Momentum】 【Substrate】 【Update From Schematic】功能直接將原理圖的基板參數更新到版圖里。要重新修改基板材料參數就需要用【Momentum】【Substrate】【Create/Modify】功能。要進行版圖仿真,還要在濾波器上添加兩個Port端口,在工具欄菜單上找到Port選項,點擊該按鈕,在彈出的設置窗口里,把兩個port端口分別添加到濾波器的兩邊。版圖如圖4-7、4-8所示，版圖仿真波形如圖4-9所示圖4-7生成的版圖圖4-8仿真后的版圖圖4-9版圖仿真波形第五章 結論本畢業設計主要內容是綜合運用電子專業學生所學的電路、信號