微波濾波器和無源電路講座(14-a)課件

微波低通濾波器設(shè)計微波低通濾波器設(shè)計1微波低通濾波器的設(shè)計方法微波低通濾波器的設(shè)計過程大致可分為3個步驟：(1)根據(jù)濾波器的預(yù)先給定的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計出一個LC梯型網(wǎng)絡(luò)低通原型濾波器；(2)通過低通變換得到LC低通濾波器。(3)選擇合適的微波結(jié)構(gòu)用微波網(wǎng)絡(luò)元件來實現(xiàn)LC低通濾波器中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。實現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)元件的結(jié)構(gòu)有：波導(dǎo)，同軸線，帶狀線，微帶線等。相對應(yīng)的低通濾波器分別被稱作波導(dǎo)低通濾波器，同軸線低通濾波器，帶狀線低通濾波器和微帶線低通濾波器等。微波低通濾波器的設(shè)計方法微波低通濾波器的設(shè)計過程大致可分為32微波低通濾波器的設(shè)計方法（續(xù)）用微波網(wǎng)絡(luò)元件實現(xiàn)LC低通濾波器中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的方法有三種：(1)用高、低阻抗傳輸線來實現(xiàn)，這對波導(dǎo)，同軸線、帶狀線和徽帶線低通濾波器都適用。(2)用短路短截線和開路短截線來實現(xiàn)，這主要用于帶狀線和微帶線低通濾波器。(3)用集總元件來實現(xiàn)，這主要適用于同軸線，帶狀線和微帶線低通濾波器。微波低通濾波器的設(shè)計方法（續(xù)）用微波網(wǎng)絡(luò)元件實現(xiàn)LC低通濾波3低通濾波器的實現(xiàn)方法（一）高、低阻抗傳輸線法：一段傳輸線的兩種等效電路低通濾波器的實現(xiàn)方法（一）高、低阻抗傳輸線法：一段傳輸線的兩4高阻抗線等效電路由于高阻抗傳輸線的阻抗Z0>>Y0，所以，高阻抗線可以近似等效成一個串聯(lián)電感。高阻抗線等效電路由于高阻抗傳輸線的阻抗Z0>>Y0，所以，高5低阻抗線等效電路由于低阻抗傳輸線的阻抗Z0<<Y0，所以，低阻抗線可以近似等效成一個并聯(lián)電容。低阻抗線等效電路由于低阻抗傳輸線的阻抗Z0<<Y0，所以，低6設(shè)計原則用高、低阻抗線設(shè)計低通濾波器時，傳輸線的阻抗Z0和線長中必須要選定一個。設(shè)計出另一個。通常是先選定高、低阻抗線的阻抗，再設(shè)計出線長。高低阻抗的確定受工藝條件限制。線長的選擇應(yīng)以小于1/8波長為宜。，固定線長設(shè)計傳輸線的高低阻抗固定傳輸線的高低阻抗設(shè)計線長1、2、設(shè)計原則用高、低阻抗線設(shè)計低通濾波器時，傳輸線的阻抗Z0和線7低通濾波器的實現(xiàn)方法（二）開路、短路短截線法：一段傳輸線的兩種等效電路開路短截線短路短截線低通濾波器的實現(xiàn)方法（二）開路、短路短截線法：一段傳輸線的兩8設(shè)計原則用此法設(shè)計低通濾波器時，可先選定各短截線的特性阻抗。然后設(shè)計出各線段的寬度和長度。值得注意的是，線段的長度應(yīng)限制在1/4波導(dǎo)波長以內(nèi)。否則，濾波器的寄生通帶特性不好。固定線長設(shè)計傳輸線的高低阻抗固定傳輸線的高低阻抗設(shè)計線長1、2、設(shè)計原則用此法設(shè)計低通濾波器時，可先選定各短截線的特性阻抗。9低通濾波器的實現(xiàn)方法（三）集總元件法：在LC梯形網(wǎng)絡(luò)低通濾波器中，用一塊矩形金屬塊（或同軸導(dǎo)體）的平行板電容來實現(xiàn)并聯(lián)電容，用一段高阻抗線來實現(xiàn)串聯(lián)電感。由于他們都是按集總元件來考慮，所以被稱為集總元件法。這種方法特別適合制作微波低端的微帶濾波器。需要注意的是應(yīng)用這個方法時元件的幾何尺寸都要比通帶邊緣頻率小得多，否則，這種等效不能成立。低通濾波器的實現(xiàn)方法（三）集總元件法：10微帶結(jié)構(gòu)集中元件法LPF微帶結(jié)構(gòu)集中元件法LPF11并聯(lián)電容的設(shè)計微帶線的電容Cn可以按下列方法計算：其中，是基片的介電常數(shù)；h是級片厚度；是電容極板的有效面積。并聯(lián)電容的設(shè)計微帶線的電容Cn可以按下列方法計算：12串聯(lián)電感的設(shè)計微帶線的單位長度電感，可以按下列方法計算：其中，是自由空間的光速；W是導(dǎo)帶寬度。電感線的長度L為。串聯(lián)電感的設(shè)計微帶線的單位長度電感，可以按下列方法計算：13其它集總元件等效電路

對于橢圓函數(shù)低通濾波器還會用到其它集總元件等效電路。其它集總元件等效電路

對于橢圓函數(shù)低通濾波器還會用到其它集總14并聯(lián)電感的微波實現(xiàn)帶狀線的并聯(lián)電感其中：V是相速并聯(lián)電感的微波實現(xiàn)帶狀線的并聯(lián)電感其中：V是相速15并聯(lián)電感的微波實現(xiàn)（續(xù)）同軸線的并聯(lián)電感并聯(lián)電感的微波實現(xiàn)（續(xù)）同軸線的并聯(lián)電感16串聯(lián)電容的微波實現(xiàn)帶狀線的串聯(lián)電容串聯(lián)電容的微波實現(xiàn)帶狀線的串聯(lián)電容17串聯(lián)電容的微波實現(xiàn)同軸線的串聯(lián)電容串聯(lián)電容的微波實現(xiàn)同軸線的串聯(lián)電容18并聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路的微波實現(xiàn)微帶線結(jié)構(gòu)的并聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路并聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路還可以用1/4波長開路短截線來實現(xiàn)。并聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路的微波實現(xiàn)微帶線結(jié)構(gòu)的并聯(lián)的LC串聯(lián)諧19并聯(lián)的LC并聯(lián)諧振電路的微波實現(xiàn)微帶線結(jié)構(gòu)的并聯(lián)的LC并聯(lián)諧振電路并聯(lián)的LC串聯(lián)諧振電路還可以用1/4波長短路短截線來實現(xiàn)。串聯(lián)的LC并聯(lián)諧振回路/LC串聯(lián)諧振回路難于實現(xiàn)。并聯(lián)的LC并聯(lián)諧振電路的微波實現(xiàn)微帶線結(jié)構(gòu)的并聯(lián)的LC并聯(lián)諧20設(shè)計方法小結(jié)一般來說，上述三種方法都可以用于設(shè)計低通濾波器。但是由于等效方法的局限上述三種設(shè)計方法各有不同使用范圍。如果通帶邊緣頻率較低，用集總元件法。如果通帶邊緣頻率較高，阻帶不太寬用開路、短路短截線法。如果通帶邊緣頻率較高，阻帶較寬（4倍頻程以內(nèi)）用高、低阻抗線法。值得注意的是，不管是用那種方法都需要對不連續(xù)性進(jìn)行修正。設(shè)計方法通帶邊緣頻率阻帶寬度高、低阻抗線法較高較寬開路短路法高窄集總元件法低較窄設(shè)計方法小結(jié)一般來說，上述三種方法都可以用于設(shè)計低通濾波器。21同軸低通濾波器設(shè)計同軸低通濾波器設(shè)計22同軸線低通濾波器設(shè)計實例同軸線低通濾波器是由若干段高、低阻抗線交替級聯(lián)所構(gòu)成的。這種低通濾波器結(jié)構(gòu)簡單、性能良好。通常，這種濾波器的第一個寄生通帶出現(xiàn)在高低阻抗線近似等于半波長之時所對應(yīng)的頻率，因此，它在4倍截止頻率的阻帶內(nèi)都不存在寄生通帶響應(yīng)。這種濾波器的截止頻率大致可以設(shè)計在100MHz到10GHz的范圍之內(nèi)。同軸線低通濾波器設(shè)計實例同軸線低通濾波器是由若干段高、低阻抗23濾波器的設(shè)計步驟1、根據(jù)低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計出低通原型。2、根據(jù)濾波器的截止頻率和終端阻抗，設(shè)計出濾波器的實際元件值（反歸一化）。3、選定濾波器中的高、低阻抗線的阻抗值，設(shè)計出高低阻抗線的徑向尺寸。4、計算各個不連續(xù)性階梯的邊緣電容。5、根據(jù)各實際元件值和邊緣電容，計算出各高、低阻抗線的長度。6、修正兩端阻抗線的長度以補(bǔ)償它們與50歐姆輸入、輸出線的邊緣電容。濾波器的設(shè)計步驟1、根據(jù)低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計出低通原24技術(shù)指標(biāo)截止頻率：通帶最大插入損耗：阻帶最大衰減：輸入、輸出阻抗：技術(shù)指標(biāo)截止頻率：25確定濾波器級數(shù)如選擇切比雪夫濾波器，根據(jù)公式，可以確定濾波器的級數(shù)。根據(jù)Lar=0.1，可以確定n=5La=34.85dB。確定濾波器級數(shù)如選擇切比雪夫濾波器，根據(jù)公式，26計算歸一化元件值由于要求通帶波紋為0.1dB，用Designer可以查出歸一化G值。計算歸一化元件值由于要求通帶波紋為0.1dB，用Design27計算實際元件值假設(shè)濾波器的第一個元件為電感，根據(jù)頻率變換公式：計算實際元件值假設(shè)濾波器的第一個元件為電感，根據(jù)頻率變換公式28選定高低阻抗線的特性阻抗選定高低阻抗線的原則是：高低阻抗線的長度必須小于1/8波長。因此，高阻抗應(yīng)盡量高，低阻抗應(yīng)盡量低。但實際制作時，高阻抗線不能選的太高，太高了同軸線內(nèi)導(dǎo)體太細(xì)，不易制作。同時，低阻抗線也不能選的太低。太低了同軸線內(nèi)導(dǎo)體太粗，可能出現(xiàn)高次模。所以在選擇高低阻抗時，必須預(yù)先進(jìn)行粗略計算?？锤鞑糠殖叽缡欠窈线m。選擇高阻抗為150歐姆；低阻抗10歐姆。并在低阻抗線處采用聚苯乙烯墊圈，以增強(qiáng)其電容。聚苯乙烯的介電常數(shù)。選定高低阻抗線的特性阻抗選定高低阻抗線的原則是：高低阻抗線的29設(shè)計各段同軸線外導(dǎo)體直徑：50歐姆線：150歐姆線：10歐姆線：設(shè)計各段同軸線外導(dǎo)體直徑：30計算邊緣電容計算同軸線內(nèi)導(dǎo)體階梯的邊緣電容可以用下面的公式計算。其中，50-150歐姆階梯電容：150-10歐姆階梯電容：計算邊緣電容計算同軸線內(nèi)導(dǎo)體階梯的邊緣電容可以用下面的公式計31計算各線段的長度先把圖中每一節(jié)高低阻抗線的等效電路和階梯電容都表示在等效電路圖（b）中。再把小串聯(lián)電感分別合并到大串聯(lián)電感上。小并聯(lián)電容分別合并到大并聯(lián)電容上如圖（c）所示。將圖（c）與低通濾波電路比較，可以看出圖（c）中除兩端的匹配段外，中間部分就應(yīng)當(dāng)是LC梯形網(wǎng)絡(luò)低通濾波器。比較之后得到同軸線等效電路與集總元件電路之間的關(guān)系：計算各線段的長度先把圖中每一節(jié)高低阻抗線的等效電路和階梯電容32計算各線段的長度（續(xù)1）同軸線等效電路與集總元件電路之間的關(guān)系其中，計算各線段的長度（續(xù)1）同軸線等效電路與集總元件電路之間的關(guān)33計算各線段的長度（續(xù)2）整理后得，由此解出，計算各線段的長度（續(xù)2）整理后得，34兩端不連續(xù)性的補(bǔ)償?shù)屯V波器兩端高阻抗線與50歐姆線之間的不連續(xù)電容Cf0以及高阻抗線的小并聯(lián)電容的影響，可以用兩端高阻抗線增長

來補(bǔ)償，此

段相當(dāng)于一個小串聯(lián)電感，它和并聯(lián)電容構(gòu)成半節(jié)LC低通濾波器，只要兩者的數(shù)值很小，則其截止頻率就很高，使得它對主濾波器的影響甚小。這兩端LC低通濾波器的特性阻抗應(yīng)是50歐才能與輸入傳輸線相匹配，即由此解出，兩端不連續(xù)性的補(bǔ)償?shù)屯V波器兩端高阻抗線與50歐姆線之間的不35同軸濾波器仿真結(jié)果同軸濾波器仿真結(jié)果36微帶低通濾波器設(shè)計微帶低通濾波器設(shè)計37微帶線低通濾波器設(shè)計通常，濾波器特性要求不高的條件下，常用用開路、短路短截線法設(shè)計低通濾波器。濾波器技術(shù)指標(biāo)：截止頻率：通帶最大插入損耗：阻帶最大衰減：輸入、輸出阻抗：微帶線低通濾波器設(shè)計通常，濾波器特性要求不高的條件下，常用用38確定濾波器級數(shù)如選擇切比雪夫濾波器，根據(jù)公式，可以確定濾波器的級數(shù)。根據(jù)Lar=0.1，可以確定n=5La=34.85dB。確定濾波器級數(shù)如選擇切比雪夫濾波器，根據(jù)公式，39計算歸一化元件值由于要求通帶波紋為0.1dB，用Designer可以查出歸一化G值。計算歸一化元件值由于要求通帶波紋為0.1dB，用Design40計算各元件的感抗和容納設(shè)此低通原型為電感輸入，則這些元件中奇數(shù)是電感元件，偶數(shù)是電容元件。終端阻抗為50歐姆。故得到選定介質(zhì)基片：介質(zhì)基片選用氧化鋁陶瓷基片，厚度0.8mm計算各元件的感抗和容納設(shè)此低通原型為電感輸入，則這些元件中奇41計算電感線長度在用微帶線實現(xiàn)串聯(lián)電感時，首先必須選定該微帶線的特性阻抗，此阻抗一般是高阻抗以選100歐姆左右為宜。阻抗選的太低，則微帶線太長。阻抗選的太高，則微帶線太細(xì)。這些都是不恰當(dāng)?shù)摹，F(xiàn)在我們選其為90.96歐姆。高阻抗線的寬度是此段微帶線的微帶波長是計算電感線長度在用微帶線實現(xiàn)串聯(lián)電感時，首先必須選定該微帶線42計算電感線長度（續(xù)）根據(jù)公式：計算出各段電感線的長度：計算電感線長度（續(xù)）根據(jù)公式：43設(shè)計電容線設(shè)計各電容線時，可以先選定它的阻抗去計算長度，也可以先選定它的長度去計算阻抗。前者比較簡單，較為常用；后者比較麻煩，只在特殊需要情況下才用。現(xiàn)在我們選定電容線的特性阻抗為33．87歐，則此段微帶線的寬度是