微帶濾波器的設(shè)計優(yōu)化

微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計出一個具有高性能的濾波器，對設(shè)計微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點，近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一，因此本節(jié)將重點研究如何設(shè)計并優(yōu)化微帶濾波器。

　　1 微帶濾波器的原理

　　微帶濾波器當(dāng)中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應(yīng)用場合，但是由于它設(shè)計簡單，因此在某些地方還是值得應(yīng)用的。

　　2 濾波器的分類

　　最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃榈屯?、高通、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。

　　按濾波器的頻率響應(yīng)來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等;按濾波器的構(gòu)成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類;按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

　　3 微帶濾波器的設(shè)計指標(biāo)

　　微帶濾波器的設(shè)計指標(biāo)主要包括：

　　1絕對衰減(Absolute attenuation)：阻帶中最大衰減(dB)。

　　2帶寬(Bandwidth)：通帶的3dB帶寬(flow—fhigh)。

　　3中心頻率：fc或f0。

　　4截止頻率。下降沿3dB點頻率。

　　5每倍頻程衰減(dB/Octave)：離開截止頻率一個倍頻程衰減(dB)。

　　6微分時延(differential delay)：兩特定頻率點群時延之差以ns計。

　　7群時延(Group delay)：任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延(ns)。

　　8插入損耗(insertion loss)：當(dāng)濾波器與設(shè)計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB

　　9帶內(nèi)波紋(passband ripple)：在通帶內(nèi)幅度波動，以dB計。

　　10相移(phase shift)：當(dāng)信號經(jīng)過濾波器引起的相移。

　　11品質(zhì)因數(shù)Q(quality factor)：中心頻率與3dB帶寬之比。

　　12反射損耗(Return loss)

　　13形狀系數(shù)(shape factor)：定義為。

　　14止帶(stop band或reject band)：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(如60dB點)的帶寬。

　　工程應(yīng)用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等);輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小;群時延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時延為常數(shù)時，信號通過網(wǎng)絡(luò)才不會產(chǎn)生相位失真;寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計時要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

　　4 微帶濾波器的設(shè)計

　　本小節(jié)設(shè)計一個微帶低通濾波器，濾波器的指標(biāo)如下：