微波滤波器的设计及实例解析.docx
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微波滤波器的设计及实例解析
滤波器(Filter)
(一)滤波器之种类
以信号被滤掉的频率范围来区分,可分为「低通」(Lowpass)、「高通」(Highpass)、「带通」(Bandpass)及「带阻」(Bandstop)四种。
若以滤波器原型之频率响应来分,则常见有「巴特沃斯型」(Butter-worth)、「切比雪夫I型」(TchebeshevType-I)、「切比雪夫II型」(TchebyshevType-II)及「椭圆型」(Elliptic)等几类。
若以使用组件型态来分,则可分为「主动型」(Active)及「被动型」(Passive)两类。
其中「被动型」又可分为「L-C型」(L-CLumped)及「传输线型」(Transmissionline)。
而「传输线型」以其结构不同又可分为「平行耦合型」(ParallelCoupled)、「交叉指型」(Interdigital)、「梳型」(Combline)及「发针型」(Hairpin-line)等不同型态。
这里以较为常使用的「巴特沃斯型」(Butterworth)、「柴比雪夫I型」(TchebeshevType-I)为例,说明其设计方法。
(二)「低通滤波器」设计方法
(A)「巴特沃斯型」(ButterworthLowpassFilter)
步骤一:
决定规格。
电路特性阻抗(Impedance):
Zo(ohm)
通带截止频率(CutoffFrequency):
fc(Hz)
阻带起始频率(StopbandFrequency):
fx(Hz)
通带衰减量(MaximumAttenuationatcutofffrequency):
Ap(dB)
阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopbandfrequency):
Ax(dB)
步骤二:
计算组件级数(Orderofelements,N)。
,N取最接近的整数。
步骤三:
计算原型组件值(PrototypeElementValues,gK)。
步骤四:
先选择「串L并C型」或「并C串L型」,再依公式计算实际电感电容值。
(a)「串L并C型」
(b)「并C串L型」
(B)「切比雪夫I型」(TchebyshevType-ILowpassFilter)
步骤一:
决定规格。
电路阻抗(Impedance):
Zo(ohm)
通带截止频率(CutoffFrequency):
fc(Hz)
阻带起始频率(StopbandFrequency):
fx(Hz)
通带涟波量(MaximumRippleatpassband):
rp(dB)
阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):
Ax(dB)
步骤二:
计算组件级数(Orderofelements,N)。
,其中
N取最接近的奇整数。
采用奇整数是为了避免「切比雪夫低通原型」在偶数级时,其输入与输出阻抗不相等的情况。
步骤三:
计算原型组件值(PrototypeElementValues,gK)。
其中
步骤四:
先选择「串L并C型」或「并C串L型」,再依公式计算实际电感电容值。
(a)「串L并C型」
(b)「并C串L型」
(三)「带通滤波器」设计方法
步骤一:
决定规格。
电路阻抗(Impedance):
Zo(ohm)
上通带频率(upperpassbandedgefrequency):
fPU(Hz)
下通带频率(lowerpassbandedgefrequency):
fPL(Hz)
上截通频率(upperstopbandedgefrequency):
fXU(Hz)
下截通频率(lowerstopbandedgefrequency):
fXL(Hz)
通带衰减量(MaximumAttenuationatpassband):
Ap(dB)
截通衰减量(MinimumAttenuationatstopband):
Ax(dB)
步骤二:
计算组件级数(Orderofelements,N)。
其中
(1)「巴特渥斯型」(Butterworth)
,N取最接近的整数。
(2)「柴比雪夫型」(TchebyshevType)
,N取最接近的奇整数。
步骤三:
计算「低通原型」组件值(PrototypeElementValues,gK),其
公式依前所示。
并选择「串L并C型」或「并C串L型」,以计算出实际电容(Cp)、电感(Ls)值。
(a)「串L并C型」
(b)「并C串L型」
步骤四:
计算「带通原型」组件转换值。
由「低通原型」实际组件值依下列转换对照表计算出「带通原型」实际组件值,并用「带通原型」转换电路取代「低通原型」电路组件,以完成带通电路结构。
(三)设计实例
(A)设计一个3dB截止频率为75MHz之「切比雪夫型1dB涟波」LC低通滤波器(Zo=50ohm),且其在100MHz至少有20dB的衰减。
解:
步骤一:
决定规格。
电路特性阻抗(Impedance):
Zo=50ohm
通带截止频率(CutoffFrequency):
fc=75MHz
(fc=75MHz对应衰减为3dB的低通原型中的Ωc=1的那个点)
阻带起始频率(StopbandFrequency):
fx=100MHz
通带衰减量(Max.Attenuationatcutofffrequency):
Ap=3dB
(又称为通带最大衰减)
阻带衰减量(Min.Attenuationatstopbandfrequency):
Ax=20dB
(又称为阻带最小衰减)
通带涟波量:
rp=1dB(通带涟波量又称为通带波纹)
步骤二:
计算组件级数(Orderofelements,N)。
,N取最接近的整数。
N=5
步骤三:
计算原型组件值(PrototypeElementValues,gK)。
g1
g2
g3
g4
g5
2.2072
1.1279
3.1025
1.1279
2.2072
步骤四:
选择「并C串L型」
C1
L2
C3
L4
C5
理论值
93.658pF
119.67nH
131.65pF
119.67nH
93.658pF
采用值
94pF
120nH
132pF
120nH
94pF
(B)设计一个中心频率为75MHz、通带带宽为10MHz的「切比雪夫型0.1dB涟波」带通滤波器(Zo=50ohm),工作频带外75±15MHz衰减量大于30dB。
解:
步骤一:
决定规格。
电路特性阻抗(Impedance):
Zo=50ohm
上通带频率(upperpassbandedgefrequency):
fPU=75+5=80MHz
(又称为上通带起始频率)
下通带频率(lowerpassbandedgefrequency):
fPL=75–5=70MHz
(又称为下通带截止频率)
上阻带边频(upperstopbandedgefrequency):
fXU=75+15=90MHz
(又称为上阻带起始频率)
下阻带边频(lowerstopbandedgefrequency):
fXL=75–15=60MHz
(又称为下阻带截止频率)
通带涟波量(MaximumAttenuationatpassband):
rp=0.1dB
(又称为通带波纹)
阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):
Ax=30dB
(又称为阻带最小衰减)
步骤二:
计算组件级数(Orderofelements,N)。
其中
「柴比雪夫型」(TchebyshevType)
,N取最接近的奇整数。
N=3
步骤三:
计算「低通原型」组件值(PrototypeElementValues,gK),其
公式依前所示。
并选择「并C串L型」,以计算出实际电容(Cp)、电感(Ls)值。
步骤四:
计算「带通原型」组件转换值。
由「低通原型」实际组件值依下列转换对照表计算出「带通原型」实际组件值,并用「带通原型」转换电路取代「低通原型」电路组件,以完成带通电路结构。
低通原型值
g1
1.4329
g2
1.5937
g3
1.4329
低通原型组件值
Cp1
456pF
Ls2
1268nH
Cp3
456pF
带通原型转换值
Lp1
10nH
Cs2
3.6pF
Lp3
10nH
「并C串L型」
(C)设计一个中心频率为208MHz、通带带宽为74MHz的「切比雪夫型0.1dB涟波」带通滤波器(Zo=50ohm),工作频带外208±90MHz衰减量大于15dB。
解:
步骤一:
决定规格。
电路特性阻抗(Impedance):
Zo=50ohm
上通带频率(upperpassbandedgefrequency):
fPU=208+37=245MHz
(又称为上通带起始频率)
下通带频率(lowerpassbandedgefrequency):
fPL=208–37=171MHz
(又称为下通带截止频率)
上阻带边频(upperstopbandedgefrequency):
fXU=208+90=298MHz
(又称为上阻带起始频率)
下阻带边频(lowerstopbandedgefrequency):
fXL=208–90=118MHz
(又称为下阻带截止频率)
通带涟波量(MaximumAttenuationatpassband):
rp=0.1dB
(又称为通带波纹)
阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):
Ax=15dB
(又称为阻带最小衰减)
步骤二:
计算组件级数(Orderofelements,N)。
其中
「柴比雪夫型」(TchebyshevType)
,N取最接近的奇整数。
N=3
步骤三:
计算「低通原型」组件值(PrototypeElementValues,gK),其
公式依前所示。
并选择「并C串L型」,以计算出实际电容(Cp)、电感(Ls)值。
步骤四:
计算「带通原型」组件转换值。
由「低通原型」实际组件值依下列转换对照表计算出「带通原型」实际组件值,并用「带通原型」转换电路取代「低通原型」电路组件,以完成带通电路结构。
低通原型值
g1
1.4329
g2
1.5937
g3
1.4329
低通原型组件值
Cp1
61.6pF
Ls2
171.4nH
Cp3
61.6pF
带通原型转换值
Lp1
9.81nH
Cs2
3.53pF
Lp3
3.53nH
「并C串L型」
(四)仿真电路
1.中心频率为75MHz的切比雪夫型1dB涟波的低通滤波器如下图:
2.中心频率为208MHz的切比雪夫型0.1dB涟波的带通滤波器的原理图如下:
(五)仿真结果与实测结果对比
S11
注意:
由于实测时网络分析仪的频率范围无法从零开始,因而我们无法得知30MHz以前的波形
S21
S21
S11
观察mark的数据,我们可以看出设计室符合要求的(带宽,中心频率,波纹)。
问题:
仿真的图像有三个包,但是实测为何只有两个?
这是因为我们仿真所用的电容电感不一定能在市场上买到,我们换成市场可以购买到的电容电感,L1=10nH,L2=180nH,C1=62pF,C2=3.3pF.考虑电容电感有一定的误差,在实际仿真时我们按照C2=3.27pF进行仿真。
仿真原理图与仿真结果(band_pass208M_Filter_1.dsn,band_pass208M_Filter_1.dds)如下所示:
附:
我们若采用课本(《微波技术》,北京邮电大学出版社,栾秀珍等编著,199页)上的波纹为1dB的低通切比雪夫滤波器设计方案。
则
通过计算我们得到C1=C5=90.6pfL2=L4=115.769nHC3=127.3pf
仿真电路如下图:
仿真结果如下图:
由文档公式得出的仿真结果与课本给出g值所得到的仿真结果相对比,我们可以看出由文档公式计算出的g值更为精确,但是随着滤波器阶数的提高,两个仿真结果基本吻合!
这是因为g值与阶数N与波纹有关,
课本上
文档内是
随着N的逐渐增大
越来越接近1。
因而两个结果越来越接近。
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- 微波 滤波器 设计 实例 解析