微波濾波器的設計與仿真畢設論文

1、目錄摘要2前言2一、微波概論31.微波 32.微波的特點和應用 42.1 微波波長段易于實現定向輻射 4 2.2 頻率高、頻帶寬、信號容量大 5 2.3 視距傳播能穿透電離層 52.4 微波的熱效應和微波能的應用 6二、 濾波器原理 61.濾波器的基本概念6 2. 濾波器設計的兩種出發(fā)點 10 3.濾波器原型 113.1 最平坦低通原型濾波器113.2 切比雪夫低通原型濾波器 12 3.3 橢圓函數低通原型 13三、 微波傳輸線 141.微波傳輸線 14 2.微帶線 14 2.1微帶傳輸線的構成142.2微帶線的特性阻抗153.微帶線的特點與應用 18四、直接耦合短截線帶通濾波器的設計與仿真1

2、91.兩種短截線濾波器 192.設計步驟 213.仿真運行與優(yōu)化 24五、總結 28六、參考文獻 29摘要 本文對微波理論及微波濾波器作了詳細的介紹。其中有微波技術的發(fā)展以及濾波器的分類、特點和應用。直接耦合短截線帶通濾波器設計方法和參數計算，并對計算結果進行仿真驗證。經過仿真符合設計要求，表明此設計方案正確。關鍵詞 ： 微波帶通濾波器 直接耦合短截線帶通濾波器 HFSS軟件仿真Microwave tape the clear design of wave filterAbstract This paper for microwave theoretical and microwave wav

3、e filter have made detailed introduction. In which, there are the development of microwave technology as well as the classfication of wave filter , characteristic and application. Parallel couple line microwave tape the clear design method and parameter calculation of wave filter, and verify as calc

4、ulating result to carry out emulation. Through emulating , accord with design requirement, it is correct to show this design scheme. Keyword : Microwave tape clear wave filter HFSSmulate前 言 當今信息社會的發(fā)展依賴于通信技術的發(fā)展，而基于多媒體的全球個人通信系統(tǒng)中的無線通信將得到更大的發(fā)展。作為關鍵射頻器件的濾波器的作用越來越重要，對性能的要求也越來越高。濾波器是無線電技術中許多設計問題的中心，可利用它們來分

5、開或組合不同的頻率，如在變頻器、倍頻器以及多路通信中。電磁波頻譜是有限的，且須按應用加以分配；而濾波器既可用來限定大功率發(fā)射機在規(guī)定頻帶內輻射，反過來又可以用來防止接收機受到工作頻帶以外的干擾。在阻抗匹配中也有象濾波器的網絡，如在兩個不同特性阻抗的傳輸線之間，或在有內阻的發(fā)生器于電抗負載（如參量放大器中的二極管）之間。有時需要得到一定的相位（或時延）特性，如脈沖壓縮或展寬，或補償其他的濾波器或色散結構（如一般波導）所產生的相位失真等，也需要濾波器。 此論文從微波的基礎知識入手，逐漸擴展到微波濾波器的一些設計方法。其中主要介紹了微波的一些基礎概念以及微波的應用，濾波器分類和設計原理，微帶線理論、

6、分類及應用以及微波帶通濾波器參數的計算和軟件設計及仿真。最后對這次設計的一個總結。 由于學習能力有限，在設計過程中難免出現了一些錯誤，還請諒解，希望能給一些好的指導，十分感謝！一、微波概論1. 微波 微波是電磁波譜中介于普通無線電波（長波，中波，短波，超短波）與紅外線之間的波段。它是屬于無線電波中波長最短，即頻率最高的波段。 微波和普通無線電波、可見的和不可見的光波、射線、射線一樣，本質上都是隨時間和空間變化呈波動狀態(tài)的電磁場即電磁波。盡管它們的表現各不相同，例如，可見光可以被人眼所感覺而其它波段則不能；射線和射線具有穿透導體的能力而其它波段則不具有這種能力；無線電波可以穿透濃厚的云霧而光波則

7、不能等等，但他們都是電磁波。之所以出現這么多不同表現歸根結底是因為它們的頻率不同波長不同。 微波波段區(qū)別于其它波段的主要特點是其波長可同常用電路或元件的尺寸相比擬，即為分米、厘米、毫米量級。其它多波段都不具有這個特點。普通無線電波的波長大于或遠大于電路或元件的尺寸，電路或元件內部的波過程可忽略不計，因此可用路的方法進行研究。光波、射線、射線的波長則遠小于常用元件的尺寸，甚至可以同分子和原子的尺寸相比擬，因此根本不可能用電磁的方法或普通電子學的方法來產生和研究它們，它們是同分子、原子或核的行為相聯(lián)系的。 由于微波的波長可以同元件或電路相比擬，因此電磁波在電路內甚至元件內的傳播時間就不再是微不足道

8、的，我們在普通無線電電子技術中的集總參數的概念和方法就不那么有效了。在頻率較低的電路中，我們往往可以區(qū)分出電路的某一部分是電容，另一部分是電感或電阻，而連接它們的導線則既沒有電容、電感，也沒有電阻，這就構成集總參數電路。但是到了微波波段，元件中的電場與磁場已構成了一個整體交變電磁場或電磁波，使用的元件成為傳輸線、波導、諧振腔等，因此，集總參數電路的方法就失效了。在微波領域中以麥克斯韋方程為基礎的宏觀電磁理論得到了最充分最成功的運用。當進一步過度到亞毫米波、紅外線以至可見光或頻率更高的電磁波譜時，由于波長逐漸同分子或原子的尺寸相比擬，宏觀電磁理論又不是那么有效了，不那么完善，這時就必須運用量子理

9、論的方法。當然，以上的劃分不是絕對的，例如，在研究普通無線電波的輻射和傳播問題時必須舍棄路的方法而采用場的方法；在研究原子或分子精細能級結構的微波發(fā)射與吸收時必須舍棄宏觀的方法而采用量子的方法。但是，在研究光學的某些問題如反射、折射、衍射等時宏觀的方法也是行之有效的?？傊?，微波波段的范圍是由所應用的獨特的元件、技術和研究方法所決定的。精確的劃分出微波波段的范圍是沒有什么實際意義的。只能說波長從幾米的量級到十分之幾毫米的量級屬于微波波段，通常把波長一米到一毫米（即頻率300M至300GHz）之間的波段稱為微波，波長從1毫米到0.01毫米的亞毫米波段是微波與紅外的過度波段，有時把其中波長較長的部分

10、歸入微波領域。2 .微波的特點和應用 自20世紀初無線電技術發(fā)展以來，使用的波段不斷擴展。從最初使用的長波和中波一直擴展到超長波，另一方面尤為迅速地向短波方向擴展，經過短波、超短波，在20世紀40到50年代擴展到分米波和厘米波，在20世紀60到70年代又擴展到毫米波和亞毫米波?，F在無線電波和光波之間不已不存在空白。 微波波段研究的進展是由實際需要推動的，而微波的實際運用則是同微波的特點密切相關的。微波具有如下四個重要特點：2.1 微波波長段易于實現定向輻射 早在無線電發(fā)展初期，人們在實踐中就認識到可以利用無線電波的反射測定目標物的位置，這就是雷達的原理。為了精確的，則必須讓無線電波定向發(fā)射，也

11、就是聚成一個窄束，不這樣就無法判斷反射波究竟是從哪個方向反射回來的。 事實上在微波歷史發(fā)展初期（20世紀40年代），微波技術幾乎是與雷達一起發(fā)展起來的?，F在雷達的種類和用途已是多種多樣，如遠程或超遠程警戒雷達、炮火控制和瞄準雷達，火箭或航天器的制導及軌道警戒雷達、導航雷達、氣象雷達、汽車防撞雷達等等。它們所使用的幾乎無例外地是微波波段。微波易于實現定向輻射的特點還有助于點對點通信及定向廣播?，F代多路通信、衛(wèi)星通信、衛(wèi)星電視廣播等都使用微波波段。2.2 頻率高、頻帶寬、信號容量大 任何通信系統(tǒng)為了傳遞一定的信息必須占有一定的頻帶，純粹的單頻正弦波并不攜帶任何信息。為傳遞某種信息必須的頻帶寬度叫信

12、道。例如，人耳所能聽到的聲音頻帶范圍大約是在20至20000Hz，但為了能聽懂對方的語言，大約只需傳輸300至3400Hz這一段頻率的信號就夠了，也就是說，一個語言信道至少要有3000Hz的頻帶，普通電話就是這樣設計的。因此電話可以聽懂但不悅耳，也就是不夠逼真。為了相當逼真地傳送語言和音樂，則需要占6至15KHz的頻帶，這就是廣播所要求的頻帶。為了傳送電視圖象，則需要更寬的頻帶，對于我國的電視制式，一路黑白的或彩色的電視加上伴音要占據8MHz的頻帶。 為了避免相互干擾，一個地區(qū)或一條線路上各個信道所占的頻帶必須錯開，因此在一定頻段內所能容納的信道是有限的。即使采用數字通信，線路的信息容量仍然取

13、決于線路的頻帶寬度。 根據目前的技術水平，一條通信線路一般只有不超過百分之幾的相對帶寬。所以，為了把許多路電視、電話 或電報同時在一條線路上傳送，就必須使信道容量，現代多路通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星通信系統(tǒng)幾乎無例外地工作在微波波段。2.3 視距傳播能穿透電離層 各波段的無線電波傳播特性是不一樣的，長波可以沿著地球的彎曲表面?zhèn)鞑サ胶苓h，這種傳播方式叫地波。從中波過渡到短波，地波的衰減逐漸增大，傳播距離逐漸減小。但短波可以借助60至300km高空的電離層折射返回地面，這種方式叫天波。短波通信就是利用了天波，它可實現遠距離通信，但不夠穩(wěn)定，因為電離層的密度和高度隨季節(jié)，晝夜以及太陽的活動而變化 到了超短波和

14、微波波段，地波的衰減更大，已無法利用。同時，這個波段的電磁波一般不能被電離層折射返回地面，它能穿過電離層，因此也不能采用天波的傳播方式。超短波和微波只能在視距內沿直線傳播，并能穿過電離層達到外層空間。這種傳播稱為空間波。 微波的視距傳播特性有它有利的一面，也有不利的一面。其有利方面是可以把作用范圍限制在我們所需要的區(qū)域內，以避免干擾。同時由于微波可以穿透電離層而不像頻率較低的電磁波那樣被電離層折返或吸收，因此，地球和宇宙之間的通信、衛(wèi)星通信等必須使用微波。2.4 微波的熱效應和微波能的應用 高頻率感應加熱和介質加熱早已應用在許多工業(yè)部門。在微波波段，材料的介質損耗增大，特別是含水份的材料對微波

15、能的吸收非常有效，從而使微波成為很好的加熱手段。微波加熱具有效率高、透熱深度大、加熱迅速等一系列優(yōu)點。因此，微波加熱和微波烘干正日益廣泛地應用于糧食、茶葉、卷煙、木材、紙張、皮革、蠶絲、紡織、食品等工農業(yè)生產領域中。微波理療也日益廣泛地被利用微波代替原來所用的煤、煤氣或蒸汽進行加熱或烘烤可以節(jié)約能源，提高產品質量，改善勞動條件，便于實現生產過程的自動化。此外，家庭烹飪用微波爐也已得到了廣泛的應用。 微波在未來能源的探索和開發(fā)中也起著重要作用。例如，在受控熱核聚變研究中利用毫米波電子回旋共振效應加熱等離子體，在空間太陽能發(fā)電站的設計中用微波作為將能量送回地面的手段等。二、濾波器原理濾波器是一種二

16、端口網絡。它具有選擇頻率的特性，即可以讓某些頻率順利 通過，而對其它頻率則加以阻攔，目前由于在雷達、微波、通訊等部門，多頻率工作越來越普遍，對分隔頻率的要求也相應提高；所以需用大量的濾波器。再則，微波固體器件的應用對濾波器的發(fā)展也有推動作用，像參數放大器、微波固體倍頻器、微波固體混頻器等一類器件都是多頻率工作的，都需用相應的濾波器。更何況，隨著集成電路的迅速發(fā)展，近幾年來，電子電路的構成完全改變了，電子設備日趨小型化。原來為處理模擬信號所不可缺少的LC型濾波器，在低頻部分，將逐漸為有源濾波器和陶瓷濾波器所替代。在高頻部分也出現了許多新型的濾波器，例如：螺旋振子濾波器、微帶濾波器、交指型濾波器等

17、等。雖然它們的設計方法各有自己的特殊之點，但是這些設計方法仍是以低頻“綜合法濾波器設計”為基礎，再從中演變而成。1.濾波器的基本概念圖2.1的虛線方框里面是一個由電抗元件L和C組成的兩端口。它的輸入端1-'1與電源相接，其電動勢為Eg，內阻為R1。二端口網絡的輸出端2'2與負載R2相接，當電源的頻率為零（直流） 或較低時，感抗Lwjw很小，負載R2兩端的電壓降E2比較大（當然這也就是說負載R2可以得到比較大的功率）。 但是，當電流的頻率很高時，一方面感抗Lwjw變得很大，另一方面容抗-j/wc卻很 小，電感L上有一個很大的壓降，電容C又幾乎把R2短路，所以，縱然電源的電動勢 E

18、g保持不變，負載R2兩端的壓降E2也接近于零。換句話說，R2不能從電源取得多少功率。網絡會讓低頻信號順利通過，到達R2，但阻攔了高頻信號，使R2不受它們的作用，那些被網絡A（或其他濾波器）順利通過的頻率構成一個“通帶”，而那些受網絡A阻攔的頻率構成一個“止帶”，通帶和止帶相接頻率稱為截止頻率。 什么機理使網絡A具有阻止高頻功率通過的能力呢？網絡A是由電抗元件組成的，而電抗元件是不消耗功率的，所以，高頻功率并沒有被網絡A吸收，在圖一所示的具體情況中，它有時貯存于電感L的周圍，作為磁能；在另一些時間，它又由電感L交還給電源。如果L和C都是無損元件（即它們的電阻等于零），那么，高頻功率就是這樣在電感

19、與電源之間來回交換，絲毫不受損耗，這就是電抗濾波器阻止一些頻率通過的物理基礎。從這個意義來說，我們可以認為濾波器將止帶頻率的功率發(fā)射回電源去，同時也是因為這個關系，在止帶內濾波器的輸入阻抗是純電抗性的。圖2.1的網絡A是一個很簡單的濾波電路，它的濾波效能是比較低的，在許多場合下，往往不能滿足技術上的要求，而不得不采取更復雜的電路結構。然而，不管電路結構如何復雜，濾波作用的物理根源還是和前面所說的完全一樣。 濾波作用是濾波網絡所具有的內在特性，但濾波網絡所能起到的作用還受外界因素（電源內阻R1和負載電阻R2）的影響。濾波效能首先決定于濾波器的內在特性（這是主要的），同時還決定于濾波器的外加阻抗（

20、這也是不可忽略的）。那么，濾波器效能是用什么來衡量的呢？圖2.2(a)表示一個電源，它的電動勢為Eg，內阻為R1。設負載為R2，則當負載直接與電源相接時，它所能吸收的功率Po2為：現在我們將濾波器A接于電源與負載之間，如圖2.2(b)所示，由于濾波器的特性，當電源頻率變化時，出現于R2兩端的壓降E2是不同的，即R2從電源所取得的功率 =在不同頻率上是不等的。用分貝來表示的Po2與R2的比值稱為插入損耗Li：插入損耗Li是衡量濾波器效能的一個參數。根據上面的討論，顯然可見，一個良好的濾波器的插入損耗在通帶內應該比較低，而在止帶內應該比較高。理想的濾波器的插入損耗在通帶內應該等于零，而在止帶內應該

21、是無窮大。 插入損耗是普通濾波器常用的參數。濾波網絡具有的阻抗變換特性不難使負載R2在整個通帶內與電源達成匹配。這時，負荷所吸收的功率將超過Po2，而使Li取得負值。根據R1和R2的比值不同，Li的這個負值也不一樣。因此，插入損耗Li并不是一個很方便的比較基準。為了避免這種困難，人們還提出另外一個參數，它以電源所能供給的最大功率Po為基準。從電工基礎我們知道：P1與Po的比值，如以分貝來表示，稱為變換器損耗LA根據以上給出的種種關系，可以算出：從上式顯然可見，當R1=R2=時，變換器損耗就是插入損耗。有些參考書上，這兩者是混為一談的。 必須注意，在上式中，當頻率變化時，P2是跟著變化的。在理想

22、的情況下，濾波器的變換器損耗LA 在通帶內應該是零，而在止帶內則應該具有比較大的數值。根據濾波器的具體電路結構，變換器損耗與頻率保持有各種不同的關系。圖2.3給出四種典型關系，在這些圖中，橫坐標w表示頻率w，縱坐標表示變換器損耗LA。(a)表示有關器件順利通過低于w1w的頻率，而阻礙高于w1w的頻率通過；這樣的器件稱為低通濾波器（LPLow Pass）。(b)的情況正好相反，稱為高通濾波器（HPHigh Pass）。(c) 表示有關器件順利通過w1w至w2w之間的頻率，對于低于w1w或高于w2w的頻率都阻礙它們通過；這樣的器件稱為帶通濾波器（BP-Band Pass）。(d)是(c)的對立面，

23、它阻止w1w至w2w之間的頻率通過，稱為帶阻濾波器（BSBand Suppress）。這些不同的頻率特性取決于電路的具體結構，圖四給出以上四種濾波器的基本結構形式，各個元件的數值是和變換器衰減的頻率特性以及所接負載密切聯(lián)系著的。驟然看來，這四種電路結構是很不相同的，似乎各自應有各自的設計方法。其實不然，通過一些數學方法，人們可以把這四種濾波器電路結構完全統(tǒng)一起來，這里用到的數學方法叫作“頻率變換”。應用頻率變換法，其它三種濾波器都可以看作低通濾波器；在設計時，先從它對應的低通濾波器著手（因為這樣簡單得多），在獲得低通濾波器的設計數據以后，再用頻率變換法，求得所要設計的濾波器的數據。因為這個關系

24、，滿足設計技術要求的低通濾波器稱為“母型濾波器”或“原型濾波器”（prototype)。圖2.3圖2.4上面提出了衡量濾波器效能的參數變換器損耗LA，但是，效能好壞的準則又是什么呢？在實際濾波器中，變換器損耗的頻率特性往往不像圖三那樣理想。首先，從通帶過渡到止帶，LA是慢慢增加的，所以，衡量濾波器效能好壞的有關標準是：從通帶過渡到止帶時，LA曲線的上升要陡峭。其次在通帶內，變換器損耗不是完全不存在的，一方面因為構成濾波器的元件多少總帶有一點損耗，如電感中的電阻，電容中的漏阻等。另一方面，由于設計上的考慮，有時故意要LA在通帶內不能完全為零。故衡量濾波器效能的另一準則是：在AL曲線從通帶過渡到止

25、帶的上升程度相同的情況下，LA在通帶內的大小究竟怎樣。 對以上兩點的要求越高，濾波器所需用的元件越多，這將帶來生產工作和造價的增加。所以，對于實際設計，應根據具體情況進行全面的考慮，只要濾波性能能夠滿足所提出的要求，那便沒有追求LA曲線上升過分陡峭的必要。2.濾波器設計的兩種出發(fā)點濾波器的設計當前有兩種不同的出發(fā)點。一種稱為鏡象參數法。它以濾波網絡的內在特性為根據。是人們一向用來設計濾波器的老辦法。這種方法的特點是:根據濾波網絡的具體電路,用分析的方法推算出變換器損耗的特性。然后再將這些具體電路拼湊起來,使總的LA特性滿足所需要的技術要求。用這種方法設計出來的濾波器一般為K 式濾波器和m式濾波

26、器等。這種方法的優(yōu)點是理論根據簡單。它的缺點是在分析過程中沒有考慮外接負載的影響,故在具體的設計要求提出后,需要反復試探,才能得到設計結果;這對于缺乏經驗的工作人員來說,是頗費時間的。 另一種方法從插入損耗入手,它是近年來應用的很多的設計方法。這種方法的特點是:根據所提出的技術要求,決定插入損耗Li(在R2=R1=時也就是孌換器損耗LA)與頻率w的函數關系,然后根據這個函數關系,應用網絡理論綜合出具體的電路結構。所以這種方法和前面的一種方法正好是相反的;這種方法根據要求推求電路,而鏡象參數法則是應用已知的特性電路拼湊出滿足要求的結構。這種方法的優(yōu)點是設計準確,而且設計是已經考慮到外接負載的影響

27、,無需經過多次試探的手續(xù)。它的缺點是需要用到比較難深的網絡理論。但是,這個缺點是可以彌補的,因為只要一當把滿足各種要求的母型濾波器設計出來以后,后來的設計手續(xù)變成了簡單的查表讀圖和應用淺近數學方法換算數據,從實用角度來說比鏡象參數法還要簡單得多。3.濾波器原型 集總元件低通原型濾波器是用現代網絡綜合法設計微波濾波器的基礎。后面要討論的各種低通、高通、帶通、帶阻微波濾波器，其傳輸特性大都是根據此原型特性推導出來的（“原型”之稱即由此而來）。正因如此，才使微波濾波器的設計得以簡化，精度得以提高。圖2.12示出低通濾波器的理想化衰減-頻率特性（濾波器的衰減-頻率特性，工程上常稱之為“濾波器響應”）。

28、事實上，如此理想的特性是無法實現的，只不過力圖逼近此曲線而已。根據所選逼近函數的不同，而有不同的響應。圖2.12就是這種常見的響應。圖2.12所示的響應通帶頂部最平坦，故稱為“最平坦響應”，也叫做“巴特沃爾斯響應”。圖2.13所示的響應通帶衰減有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，稱為“等波紋響應”，也叫做“切比雪夫響應”。3.1 最平坦低通原型濾波器 最平坦響應的頻率衰減特性曲線，它的數學表達式為 式中是歸一頻率。這個響應的特點是： 在=0=c處，LA（0'）=0，其后隨歸一頻率的增大而單調增大。 在1<c（w'w'w1w)的通帶內，曲線增長及其緩慢，比較平坦。 在1&g

29、t;c（w'w>'w1w）的阻帶內，曲線增長很快，比較陡峭。增長的速率有n來決定，n越大，增長越快。3.2 切比雪夫低通原型濾波器 圖2.13所示的切比雪夫低通原型的頻率衰減響應，其數學表達式為：其中的定義與最平坦型響應是一樣的。式中Tn（）是n階第一類切比雪夫多項式。在=1處，Tn(1),LA=LAR是通帶內最大的衰減，因此 即這個響應的特點是：在=01之間，由于切比雪夫多項式是個余弦，故衰減在通帶內呈現出等效紋變化，最大值為LAR，最小值為0，即LAR代表的是通帶內的衰減波紋的幅度，則是波紋因數，顯然，e越小，波紋幅度越小。在1>c的區(qū)域（阻帶），切比雪夫多項式

30、雙曲線余弦，衰減將隨c的增大而單調增大。3.3 橢圓函數低通原型w 橢圓函數低通原型濾波器頻率衰減響應的數學表達式是式中Fn(jw')是橢圓函數，故稱為橢圓函數低通原型濾波器。 橢圓函數低通原型濾波器的特點是：在通帶0w'1w內，衰減的最大值為LAR；在阻帶w'sw¥內，衰減的最小值為LAS。通帶內具有若干個零點頻率，阻帶內有若干個極點頻率，極點與零點的數目相同。其頻率衰減響應曲線如圖2.14所示。三、微波傳輸線1. 微波傳輸線 引導電磁波能量向一定方向傳輸的各種傳輸系統(tǒng)都被稱為傳輸線，這些傳輸線起著引導能量和傳輸信息的作用，其所引導的電磁波稱為導波，因此傳輸

31、線也被導波系統(tǒng)。 在微波工程中使用著各種類型的傳輸線，例如平行雙導線、同軸線、矩形波導、圓波導、介質線、帶狀線、微帶線等等，這些傳輸線統(tǒng)稱為微波傳輸線。各種類型的微波傳輸線分別運用于不同的微波工作頻段和微波系統(tǒng)工程中，在研究各種類型的微波傳輸線時都要涉及到一些共同的概念和電特性，例如傳播常數、特性阻抗、場結構、臨界波數、波阻抗、等效阻抗、功率容量、衰減損耗、工作頻帶、結構尺寸、制造工藝等等。 2. 微帶線 微帶線是一種平面結構的微波傳輸線，由微帶線構成的微波電路具有系統(tǒng)集成度高、頻帶寬、體積小、重量輕、工藝重復性好，成本低等一系列優(yōu)點，特別是隨著微波單片集成電路的發(fā)展，越來越顯示出它在微波電路

32、設計中的優(yōu)越性。與波導相比，它的缺點是損耗較大，Q值低和功率容量小。2.1微帶傳輸線的構成圖3.1一般來講，微帶線指的是標準微帶線，但隨微波電路設計和工作頻率的要求不同，還有微帶線的其它變種。下面重點介紹常用的微帶線結構。（1） 標準微帶線 標準微帶線的結構如圖3-1，它是在介質基片上沉積金屬導帶而成，底面為接地板，上面為導帶。中間為介質基片。常用的介質基片有三氧化二鋁陶瓷（r=109），復合微波介質（r=202），聚四氟乙烯玻璃纖維（r32）以及石英玻璃（r=78.3）。標準微帶線構成的微波電路一般都安裝在屏蔽盒內，通過微帶同軸轉換接頭與系統(tǒng)的其它電路相連接。標準微帶線是在微波集成電路中最常

33、用的微波傳輸線。 （2） 懸浮微帶線 懸浮微帶線的結構是在接地板和微帶介質基片之間有一層空氣，相對于標準微帶線，懸浮微帶線的損耗要小，適合于工作在毫米波頻段，在毫米波頻段，為了防止輻射損耗，常常要外加屏蔽盒，值得注意的是，與標準微帶線不同，懸浮微帶線的屏蔽盒尺寸直接影響其特性阻抗，懸浮微帶線的缺點是微波器件的安裝相對來說要麻煩些。 （3） 屏蔽微帶線 在標準微帶線中，雖然也有屏蔽盒，但相對于微帶線的條帶尺寸來說，屏蔽盒的尺寸要大得多，因此屏蔽盒的大小對微帶線的特性阻抗基本上沒有影響。但在屏蔽微帶線中，屏蔽盒的寬和高離微帶線的條帶很近，直接影響微帶線的特性阻抗，屏蔽微帶線主要用于毫米波頻段。2.

34、2微帶線的特性阻抗這里只簡單介紹標準微帶線的特性阻抗。屏蔽微帶線和懸浮微帶線可由有關文獻介紹的方法來計算。 （1） 特性阻抗的計算 標準微帶線的特性阻抗的計算方法有多種，有保角變換法，變分法，譜域法等。用保角變換和變分法只能計算出微帶線基模（準TEM模）的特性阻抗，不能反映出高次模的影響。但相對于譜域法，保角變換和變分法計算簡單，在大多數情況下，可以滿足微波電路設計的要求。 微帶線特性阻抗的計算方法是，先計算空氣介質微帶線的單位長電容C01，單位長電感L01和特性阻抗Z01，然后求出實際微帶線的有效介電常數，這樣就可以得到微帶線的特性阻抗，波導波長等，即當不考慮高次模的影響時，可以采用下面的經

35、驗公式計算微帶線的特性阻抗可有效介電常數當W/h1時。當W/h1時上述公式在<0.5w/h20，r16的范圍內，精度優(yōu)于1%。 在微帶線電路的設計中，一般不考慮金屬導帶的厚度，當要考慮導帶厚度時，可等效于導帶加寬為，有如下的修正公式（th,tw/2)< :當給定微帶線特性阻抗Zo和介質相對介電常數re，求導帶寬度時，有如下的綜合公式：其中;微帶線的特性阻抗和有效介電常數已有現成的數據表和計算軟件。（2）特性阻抗的選擇原則 標準微帶線的特性阻抗的選擇原則除了要根據微波電路元件的設計要求來考慮之外，還要根據微帶基片材料和工藝的要求來選擇。例如對于三氧化二鋁陶瓷基片，一般微帶線最窄的線寬

36、不能低于0.05毫米，而對于聚四氟乙烯玻璃纖維和復合微波材料基片，最窄線寬不能小于0.15毫米。同時，當特性阻抗太低時，微帶線的線寬太寬，則容易產生輻射和高次模，導體條帶的的寬度應滿足：基片厚度應滿足：在微波頻段在微波頻段（f18GHz<），常用的微帶線基片厚度h為0.51mm，在毫米波段，一般選擇為0.1270.254mm。3. 微帶線的特點與應用 微帶線有如下特點： （1） 平面電路，方便微波電路元件如微波二極管，三極管，微波單片集成電路模塊的安裝。 （2） 采用光刻工藝，加工精度高，成本低，工藝重復性好，適合于大批量生產。 （3） 體積小，重量輕，電路集成度高。 微帶線的缺點是損耗

37、較大，功率容量小，不適合一些需要特別高的Q值的電路如窄帶濾波器，高Q穩(wěn)頻腔和大功率傳輸系統(tǒng)等的場合。四、直接耦合短截線帶通濾波器的設計與仿真1.兩種短截線濾波器 下圖1（a）為并聯(lián)短路短截線和連接線濾波器1（b）為并聯(lián)開路短截線和連接線濾波器。圖1（a）圖1（b） 后者適用于微波集成電路，因為他不要求對地連接，但前者的有關數據與設計后者有關，因此一并介紹，圖a的濾波器的方程由下表列出：go/4短截線導納（相對于YA歸一化）go/4連接導納（相對于YA歸一化）Y1=Y2=Yn-1=Yn=Yk=,k=3,4.(n-2)Y12=/Yn-1,n=/Yk,k+1=,k=2,3.(n-2)直接耦合短截線濾

38、波器圖1（a）設計方程 圖b的濾波器是將a的濾波器的每一條短路短截線用一條的開路短截線去替代構成的，因此可以使兩個濾波器的帶通特性相等，而兩者的阻帶特性卻有很大的差異。如果圖b濾波器的 每個短截線在其全長上特性導納相同。則在和的阻帶頻率上將有無限的衰減。如果每個短截線的外邊一半的特性導納為其里邊一半的特性導納的常倍數，則可使其無限衰減頻率不出現在和上。這種類型濾波器在和附近將有附加的帶通。 為了設計圖b濾波器，可將圖a濾波器的短路短截線用開路短截線去替換。替換的原則是：使半波長開路短截線在帶邊頻率上的電納與被替換的短路短截線在該頻率上的電納相等，并且使二者在帶通中心頻率上的導納都是零。這種替換

39、的計算公式如下。對于短截線其里邊的部分的導納是：其外邊的部分的導納是：參數a規(guī)定為式中，而是并聯(lián)短截線諧振產生無限衰減時的頻率。 上述濾波器在和附近的帶通并非確定，而期間相當窄的阻帶也有用處。適當選擇可以得出最好的帶通響應，但稍微前后交錯各短截線的點，就可得到更寬的高衰減區(qū)域。對于相同的特性導納短截線的電納斜率比短截線的更大，故圖b形式設計帶寬較窄的濾波器更加實用。2.設計步驟 所設計的微波帶通濾波器的指標是：中心頻率：千兆赫，通帶寬度：相對寬度帶通衰減：等于或小于0.1分貝，阻帶衰減：在5.0千兆赫頻率上至少有25分貝的衰減，端接條件：兩端均為50歐的微帶線。 設計計算步驟如下： （1）確定

40、低通原型：由于要求通帶衰減等于或小于0.1分貝，故可選用0.1分貝波紋的切比雪夫原型。該低通原型濾波器的階次，等于短截數的數目。在此情況下，弧度/秒，弧度/秒，得出n=4的設計在5.0千兆赫茲頻率上將給出大約20分貝的衰減；而n=5的設計將給出大約30分貝的衰減，因而應當選擇n=5的設計。且n=5的歸一化低通原型的原件值為： （2）計算以下參數： 選擇h=1，可以給出合理的導納水平。 （3）計算上述表格所列各項導納值： （4）計算短截線的導納：選定，則給出，這就是說綜上所述，得出所設計的濾波器的全部導納數據，如下表短截線的導納值連接線的導納值濾波器各短截線和連接線的導納數值 （5）決定各線段的尺寸，由于各短截線的導納值較大（即阻抗值較低），因此要用較寬的微帶線來實現。這種寬的微帶線與較窄的微帶線連接進行T型連接，將出現明顯的接頭相應。為了緩和街頭效應的并用影響，可以將各短截線用阻抗值加倍的兩條短截線的并聯(lián)組合來實現。 該微帶電路的基片厚度為h，并用的陶瓷材料，因此所設計的濾波器的結構尺寸如下表所示。濾波器的結構尺寸 （6）接頭效應和邊緣電容的修正： 再決定短截線的連接線長度是，應當