微波滤波器的设计及实例.doc
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（Tchebeshev Type-I）、切比雪夫II型（Tchebyshev Type-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-C Lumped）及传输线型（Transmission line）。而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型（Parallel Coupled）、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（Tchebeshev Type-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（Butterworth Lowpass Filter）步骤一：决定规格。电路特性阻抗（Impedance）: Zo (ohm)通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc (Hz)阻带起始频率（Stopband Frequency）: fx (Hz)通带衰减量（Maximum Attenuation at cutoff frequency）: Ap (dB)阻带衰减量（Minimum Attenuation at stopband frequency）：Ax(dB)步骤二：计算组件级数（Order of elements，N）。 ， N取最接近的整数。步骤三：计算原型组件值（Prototype Element Values，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（Tchebyshev Type-I Lowpass Filter）步骤一：决定规格。电路阻抗（Impedance）: Zo (ohm)通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc (Hz)阻带起始频率（Stopband Frequency）: fx (Hz)通带涟波量（Maximum Ripple at passband）: rp (dB)阻带衰减量（Minimum Attenuation at stopband）：Ax(dB)步骤二：计算组件级数（Order of elements，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（Prototype Element Values，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（upper passband edge frequency）: fPU (Hz)下通带频率（lower passband edge frequency）: fPL (Hz)上截通频率（upper stopband edge frequency）: fXU (Hz)下截通频率（lower stopband edge frequency）: fXL (Hz)通带衰减量（Maximum Attenuation at passband）: Ap (dB)截通衰减量（Minimum Attenuation at stopband）：Ax(dB)步骤二：计算组件级数（Order of elements，N）。其中 （1）巴特渥斯型（Butterworth）， N取最接近的整数。（2）柴比雪夫型（Tchebyshev Type） ， N取最接近的奇整数。步骤三：计算低通原型组件值（Prototype Element Values，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。图6-2(a) N=5 串L并C型低通滤波器电路原型图6-2(b) N=5 并C串L型低通滤波器电路原型图6-2(c) N=5 串L并C型带通滤波器电路原型图6-2(d) N=5 并C串L型带通滤波器电路原型（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=50 ohm），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 = 50 ohm通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc = 75MHz （fc = 75MHz对应衰减为3dB的低通原型中的c=1的那个点）阻带起始频率（Stopband Frequency）: fx = 100MHz通带衰减量（Max. Attenuation at cutoff frequency）: Ap = 3 dB（又称为通带最大衰减）阻带衰减量（Min. Attenuation at stopband frequency）：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（Order of elements，N）。 ， N取最接近的整数。N = 5步骤三：计算原型组件值（Prototype Element Values，gK）。g1g2g3g4g52.20721.12793.10251.12792.2072步骤四：选择并C串L型C1L2C3L4C5理论值93.658pF119.67nH131.65pF119.67nH93.658pF采用值94pF120nH132pF120nH94pF（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=50 ohm），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 = 50 ohm上通带频率（upper passband edge frequency）: fPU = 75 + 5 = 80 MHz（又称为上通带起始频率）下通带频率（lower passband edge frequency）: fPL = 75 5 = 70 MHz（又称为下通带截止频率）上阻带边频（upper stopband edge frequency）: fXU = 75 + 15 = 90 MHz（又称为上阻带起始频率）下阻带边频( lower stopband edge frequency) : fXL = 75 15 = 60 MHz（又称为下阻带截止频率）通带涟波量（Maximum Attenuation at passband）: rp = 0.1 dB（又称为通带波纹）阻带衰减量（Minimum Attenuation at stopband）：Ax = 30dB（又称为阻带最小衰减）步骤二：计算组件级数（Order of elements，N）。其中柴比雪夫型（Tchebyshev Type） ， N取最接近的奇整数。N=3步骤三：计算低通原型组件值（Prototype Element Values，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g11.4329g21.5937g31.4329低通原型组件值Cp1456pFLs21268nHCp3456pF带通原型转换值Lp110nHCs23.6pFLp310nH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=50 ohm），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 = 50 ohm上通带频率（upper passband edge frequency）: fPU = 208 + 37= 245MHz（又称为上通带起始频率）下通带频率（lower passband edge frequency）: fPL = 208 37 =171MHz（又称为下通带截止频率）上阻带边频（upper stopband edge frequency）: fXU = 208 + 90 =298MHz（又称为上阻带起始频率）下阻带边频( lower stopband edge frequency) : fXL = 208 90 = 118MHz（又称为下阻带截止频率）通带涟波量（Maximum Attenuation at passband）: rp = 0.1 dB（又称为通带波纹）阻带衰减量（Minimum Attenuation at stopband）：Ax = 15dB（又称为阻带最小衰减）步骤二：计算组件级数（Order of elements，N）。其中柴比雪夫型（Tchebyshev Type） ， N取最接近的奇整数。N=3步骤三：计算低通原型组件值（Prototype Element Values，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g11.4329g21.5937g31.4329低通原型组件值Cp161.6pFLs2171.4nHCp361.6pF带通原型转换值Lp19.81nHCs23.53pFLp33.53nH 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S21S21S11 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=90.6 pf L2=L4=115.769 nH C3=127.3 pf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。
