龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
微带线带通滤波器的设计
作者：张哲丰
来源：《中国科技博览》2013年第16期
[摘 要]随着商用无线通信的迅猛发展，微波电路越来越得到重视和发展。而微波带通滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端，带通滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏，本文就滤波器的工作原理及一些相关理论做了简要概述，并提出微带线带通滤波器的设计细则。 [关键词]微带线 带通滤波器 设计
中图分类号：TN713.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2013）16-0071-01 随着时代的进步，无线通信技术迅猛发展，业务范围也不断扩大，人们对无线产品的需求日益增长，滤波器在产品电路中又扮演者重要的角色，新通信系统要求研究一种能在特定的频带内提取和检测出信号的新技术，这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。 1.滤波器的工作原理
根据滤波器理论，所有类型的滤波器均可映射成归一化的低通滤波器。因此带通滤波器的设计可以先从设计归一化低通滤波器开始，然后再映射成带通滤波器，微带滤波器当中最基本的滤波器就是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。 2.相关理论概述
滤波器设计理论：低通滤波器的设计是基础，最普通的滤波器有低通、高通、带通、带阻衰减特性，可以从不同的角度对滤波器进行分类。（1）高通滤波器可用带通滤波器（当通带高端很高时）代替；（2）带阻滤波器可看成低通滤波器与高通滤波器的组合；（3）低通滤波器是带通滤波器的特例；（4）低通滤波器原型可作为带通滤波器设计基础。从最大平坦衰减特性曲线和切比雪夫特性曲线比较可以看出：若通带内允许的衰减量和电抗元件的数目一定时，则切比雪夫的滤波器的截止速率更快。因为截止陡峭，所以常常宁可选择切比雪夫特性曲线而不取其他的特性曲线；假如滤波器中的电抗元件的损耗较大，那么无论哪种滤波器的通带响应的形状与无耗时的比较，都将发生变化，而在切比雪夫滤波器中这种影响更为严重；理论证明了最大平坦滤波器的延迟畸变要比切比雪夫滤波器小。
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
微带线理论：微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状信号线，与地平面之间用一种电介质隔离开，印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。与金属波导相比，微带线具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低的特点，但损耗稍大，功率容量小。在手机电路中，一条特殊的印刷铜线即构成一个电感微带线，在一定条件下，又称它为微带线。一般有两方面的作用：一是它把高频信号能进行较有效的传输，二是与其他固体器件如电感、电容等构成一个匹配网络，使信号输出端与负载很好地匹配。 3.微带线带通滤波器的设计细则 （1）微带线的尺寸选择
在微带线带通滤波器中，也经常用半波长平行耦合谐振电路来级联形成带通滤波器。此种滤波器的结构形式使用相邻的半波长谐振单元彼此平行排列，其耦合值的大小通过相邻平行耦合线间的距离来决定。因而，这种结构形式的滤波器易用来制造带通滤波器。微带尺寸可以用计算所得的奇偶模特性阻抗来计算，也可利用ADS软件Linecalc来计算微带尺寸。 （2）滤波器的设计
用平行耦合微带线实现L-C谐振回路，即可将归一化低通滤波器映射到实际的微带线带通滤波器。平行耦合微带线的等效电路为两端具有线长Φ的理想admittance inverter J。 （3）对滤波器性能造成影响的几个参数
1.基底厚度。增加基底厚度可以减小插入损耗，但是会造成 3dB 通带宽度增加，对于可调频滤波器而言，造成了频率的重叠，使调频作用减少。另一方面，插入损耗的减小使得更多功率通过，保持了能量的有效传输。
2. 微带线间缝隙。由于此缝隙直接对微带线的对地电容造成影响，微小的变动对滤波器的中心频率影响很大。诸如馈电传输线宽度 W1，发夹长度 W2 都
需要做很大的调整，已达到最优效果。故对缝隙的制作需要非常精细。在 PVD， 电镀环节，要保持平面铜的密度均匀；在腐蚀环节，应尽可能减小过度腐蚀和腐 蚀不足带来的误差。
（4）基于ADS的平行耦合微带线带通滤波器的设计
按照以下步骤进行操作：设计低通原型，根据带通滤波器的一系列参数通过频率变换和查表选择低通原型滤波器的归一化原型参量；计算各节偶模和奇模的特性阻抗设计；计算微带线
龙源期刊网 http://www.qikan.com.cn
的几何尺寸；仿真及优化。微带滤波器的实际电路是由实际电路板和微带线构成的， 实际电路的性能可能会与原理图仿真的结果会有很大的差别。因此， 需要在ADS中对版图进行进一步的仿真之后才能进行电路板的制作。利用ADS软件可以大大减少工程师的工作量， 并且能提高效率， 降低成本。
（5）微带滤波器的设计指标
设计指标主要包括：绝对衰减（阻带中最大衰减）、宽带（通带的3db宽带）、中心频率（每频程的上限与下限频率的几何平均值）、截止频率、每倍频程衰减等。宽带又叫频宽，是指在固定的时间可传输的资料数量，亦即在传输管道中可以传递数据的能力，在数字设备中，频宽通常以bps表示，即每秒可传输之位数，在模拟设备中，频宽通常以每秒传送周期或赫兹来表示。
工程应用中，一般要求重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类（高通、低通、带通、带阻等）；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。 （6）微带滤波器的设计
通带是两个截止频率之间的频率范围。在截止频率点，输出信号幅值下降到其最大值的0.707倍。
现以设计一个微带低通滤波器为例，滤波器的设计指标如下： 通带截止频率：3GHz.
通带增益：大于-5dB，主要由滤波器的S21参数确定。
阻带增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由滤波器的S21参数确定。 通带反射系数：小于-22dB，由滤波器的S11参数确定。
在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21（S12）随频率变化的曲线上。S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。了解了滤波器的设计原理以及设计指标后，下面的工作就可以设计微带低通滤波器。