S波段微带带通滤波器设计与基于Ansoft Designer 3.5的仿真报告

S波段微带带通滤波器设计与基于Ansoft Designer 3.5的仿真报告

微波滤波器作为射频系统中广泛使用的无源器件之一,它的性能好坏将直接影响到整个系统的优劣。微带线滤波器由于其结构简单,体积小,重量轻等特点,得到了广泛的应用。随着卫星通信技术的发展，对频段、带宽的要求越来越高，S波段微带带通滤波器的设计也益发的重要。 本次设计指标要求：

中心频率：f0=3GHz，带宽：400MHz，插损：2dB，带外抑制：500MHz衰减40dB，纹波系数：0.5dB，实现方法：微带线、耦合微带线

设计步骤：

考虑的滤波器的参数要求及工程实际，本设计方案采用切比雪夫（Chebyshev）滤波器，切比雪夫滤波器在过渡带比巴特沃斯（Butterworth）滤波器的衰减快，但频率响应的幅频特性不如后者平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差最小，但是在通频带内存在幅度波动。这种滤波器的特点是可以产生一个较陡的截止响应，在通带内具有等幅纹波。

步骤一、为确定滤波器阶数，将滤波器带通指标还原为低通模型，

带通响应下的频率与低通原型归一化频率之间的转化关系如下：（其中?1和

?2分别表示通带边界，）

?'?上式中，

???0?1???0?????????????? ?2??1????0??0??0???2??1：通带的相对宽度 ?0：通带中心频率 ?0?：带通情况下的频率 ?'：低通原型下对应的频率

500MHz衰减40dB，所以将先将带外500MHz频率转化为低通原型对应频率。

带外500MHz对应的两频率点分别为?3=3.25MHz、?4=2.75MHz，由频率转换公式可得低通原型下对应的归一化频率分别

?3'=1.57MHz

'?4=1.73MHz

纹波系数要求为0.5dB，查表的在此情况下采用8阶切比雪夫滤波器即可以满足设计要求，即N=8。

步骤二、选定滤波器原型电路和各个元件参数数值 低通滤波器原型电路如下：

图中各元件参数为：g1=1.745，g2=1.265，g3=2.656，g4=1.359，g5=2.696，

g6=1.339，g7=2.509，g8=0.880，g9=1.984

步骤三、由等效原则将低通滤波器原型变换为带通滤波器

如下图所示进行变换可完成从低通原型到带通滤波器单元转换。

注：???2??1 ?0所以由低通原型电路变换得到的带通滤波器的电路如下图所示：

以上结果可从下面的推导中得出

带通滤波器元件是由频率变换中的串联电抗和并联电纳确定的。所以，

jXk??Lk?0Lkj???0?1'?? ?L?j?j?j?L?jkk'?????0????0???Ck该式表明串联电感Lk转换为串联LC电路，其元件值为

L'k?Lk ??0? ?0LkCk'?同样，

jBk??Ck?0Ckj???0?1'?? ?C?j?j?j?C?jkk'?????0????0???Lk该式表明并联电容Ck转换为并联LC电路，其元件值为：

L'k?? ?0CkCk'?Ck ??0所以低通滤波器在串联臂上的元件变换成串联谐振电路（谐振时低阻抗），而在并联臂上的元件变换成并联谐振电路（谐振时高阻抗）。

另外，在原型设计中，源和负载电阻是1（出了等波纹滤波器N为偶数有不

是1的负载阻抗外）。源阻抗R0可以通过原型设计的阻抗值与R0相乘得到。下面令带撇号的符号表示阻抗定标后的值，则可给出新的滤波器元件值为

L'?R0L C'?C R0Rs'?R0

'RL?R0RL

式中L，C和RL是原始原型元件的值。

经过阻抗定标和频率变换的元件值为：

L1=0.153nH，C1=18.4pF L2=33.4nH，C2=0.844pF L3=0.1006nH，C3=28.01pF L4=35.7nH，C4=0.789pF L5=0.1006nH，C5=28.01pF L6=33.4nH，C6=0.844pF L7=0.153nH，C7=18.4pF

L8=1.476nH，C8=19.107pF 步骤四、使用微带线实现带通滤波器

对于低通滤波器来说，由于特性阻抗不同的微带传输线连接后，具有近似于串联或并联LC集总参数的特性，因而电路结构比较容易解决。但要在微带电路上实现这种滤波器，却不像低通滤波器那样方便。

对于带通滤波器而言，其结构元件已不是简单的电感或电容，而是LC串联或并联谐振电路，多个谐振电路（3个或3个以上）要连接与一个点，在微带线传输线上很难实现；

另一方面，经变换后LC元件的值差别很大，特别是串联电路与并联电路的电感值可能相差两个数量级以上，这在电路结构上也比较难以做到。为了解决这一困难，可将串并联谐振电路转换成全部串联或全部并联的谐振元件，在微带电路结构上就可以得到实现了。