微波滤波器的设计及实例要点.docx

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1、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（Bandpas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-J、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网类。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

2、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-）为例，说明其设计方法。67(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 Freque

3、ncy : 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)。10Ax/10 - 10.50g J 1nAp/101ju 11N之N取最接近的整数。fxlog ly-fc 一 X J I - j | LX A. j*步骤三：计算原型组件值(Prototype Element Values gQ。gu = 1 gn 1 = 1gK=2 sin(2

4、K - 1)二2nK = 1,2,., N步骤四：先选择串 感电容值。L并C型或并C串L型，再依公式计算实际电(a)串L并C型Loddgdd Zo2fccevengeven2 fc Zoc(b)并C串L型coddgodd2 fc ZocLeveng even Zo2工(B) 切比雪夫 I 型(TchebyshevType-I Lowpass Filter步骤一：决定规格电路阻抗(Impedanc : 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

5、at passband) : rp (dB) 阻带衰减量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB). I - -_ L r /步骤二：计算组件级数(Order of elements, N)。1 - Mag arccos t 2 Magfx arccos() fc2Ax/10Mag = 10其中；2 = 10rp/10一 1N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 gQ2 Ag1 二4A =-log 1 - X 1(2)柴比雪

6、夫型(Tchebyshev Type1- Mag2arccos .22 MagN 一arccos ) 一，N取最接近的山。二一! I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。=门 i I(a)串L并C型Lsoddgodd Zo2BWpasspassCpevengeven2BWpass Zopass(b)并C串L型Cpoddgodd2BWpass ZopLseveng even Zo2 BWpass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

7、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 电路组件帚通原型 转损电骋转领公式电容T1Cp,i心-%匕Q3工4 =2%电感JLs wCs Ls HI/ U图6-2(a) N=5 用L并C型低通滤波器电路原型图6-2(b) N=5 并C用L型低通滤波器电路原型? LJII图6-2(c) N=5 用L并C型带通滤波器电路原型II图6-2(d) N=5 并C用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

8、骤一：决定规格。电路特性阻抗（ Impedanc : Zo = 50 ohmc. I r ii .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Qc=1的那个点）阻带起始频率（Stopband Frequency : fx = 100MHz一 口c J通带共减量（Max. Attenuation at cutoff frequency） : Ap = 3 dB（又称为通带最大衰减）jT 1 i,*l阻带衰减量（Min. Attenuation at stopband frequency : Ax = 20dB （又

9、称为阻带最小衰减）i 11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)1 - Mag 2a9cos2 2N取最接近的整数。、Mag步骤三:godd2 fC Zoarccos( X)g1g2g3g4g52.20721.12793.10251.12792.2072计算原型组件值(Prototype Element Values gK)步骤四：选择并C串L型C1L2C3L4C5理论值93.658pF119.67nH131.65pF119.67nH93.658pF采用值94pF120nH132pF120nH94pFCoddLe

10、veng even Zo2 fc(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）4.- Jjf f. I ijF /上阻

11、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） : = 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）种31 I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)f：_18X1

12、= -fXL=3.333UxLb BWPassfo 二 fPL fPJ = 74.83MHzBWpass=fPU - fPL = 10MHzN取最接近的奇整数。N=31fc2 10x2= fxU-=2.778IfxU ） BWPassX =MIN（xi,x2）=2.778柴比雪夫型(Tchebyshev Type1 - Mag arccos .2i； Magarccos（ X）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ft通原型电路组件电容芾通原型特换电路Cs Ls并C串L型C

13、poddgodd2BWpass ZoLsevengeven Zo2 二BWpasspass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Lp110nHCs23.6pFLp310nHBWpass = fpu 一 fpL（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

14、20890MHz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（lowerstopband edge fre

15、quency）:丸=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）二、二 旦旦 阻带衰减量（Minimum Attenuation at stopband）: Ax = 15dB（又称为阻带最小衰减）昌1步骤二：计算组件级数（Order of elements, N）f：X1 =- JXL/X2 = fXU其中X =MIN（ X1, X2） =2.127fo = fPL fPU = 204.68MHzBWDass = fPU -fPL = 74 MHz pass p

16、u pl1 - Mag 2 Mag2 2柴比雪夫型（Tchebyshev TypearccosN取最接近的奇整数。N=3N arccos（ X）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。低通原型 电路组件 电容IFCp帝通原型 转换电路转换公式步骤四：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C

17、p161.6pFLs2口 . 1171.4nH1. 4、311vCp361.6pF带通原型转换 值Lp19.81nHCs23.53pFLp33.53nHBWpass : fpu 一 fpL并C串L型Cpoddgodd2 二BWpass ZoLSevengeven Zo2 BWpasspass（四）仿真电路I .中心频率为75MHz的切比雪夫型1dB涟波的低通滤波器如下图:印 S-PARAMETERS S PafflmLL . SP1II L2Start=O MHzIIIIIIIIIIIIIIIL=120nHL=120nH Stop=100MHzilh R=R= Step=1.0MHz| j-_

18、pC=94PFTenn2Num=1 Num=2Z=50 Ohm t|jZ=50 Ohm2.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:PARAMETERS Tern .丽Num=l 2-50 OnLl ,L81rtH -S_Paramspi,Sian=IOS MHzSi 叩=308 毗 1 C.lHpF,StEp=1.QMHz .l|FWACl.rrrx，L ，IfC3061断Term. Term?.Num2Z=50 Otni- -LC=61,6pFL2 , LM4 nHL3L-9.81 乙R =zTxii（五）仿真结果与实测结果对比0注意：由于实测时网络分析仪的

19、频率范围无法从零开始，因而我们无法得知 30MH拟前的波形S214 n3 A通道插损HilliIF4 on1 un 1., fa,，1a.ia, 1三 4 a. A a a.*.、一 -,三.i1jhi1 OLJ1 sod nt . p_.r h.4L _H1R11I111 40H 2DI u-Th-iilHIIP dll it1 _ -1 -NU1 IIaB._ _ _ _ _ _ .r iIjiiL_j_LS1-11 JII1*iR1iaoJBO-OUam1 1!1n| aR I hR IhdHFill liflariitb1Ss_.l4a20 相-16+11i1 i r R hr 1il

20、dIr侠 x度nuon1 i * . a. miR Hr1JdIRI1I1120 、；4ODUyn一$一，! 1a. I h r _p _Fill lidalrR11kriIgo80一u_Anhildh1iRII-1*i-1OO-OLIani1 ir 、liJdKI1iF11R1HU49I1thddh1d -120-1401izFill lidaIII 1ildR1diirR11h1-1601 J324040SB看乐士 力&减率(MHz)6G104m. 1f r e q = 2 0 5 , OMH z C；j L=115.76& nH 一 C=1273pFr= C . C5 . C=90.6

21、pTerm- - term? N,um-2Z=50 Ohm-=仿真结果如下图:pzco)mp120一mlfreq=77.60MHzdB(S(2T1)=-3.0585060708090100freq, M Hz石0 -r |30405060708090100freq, MHz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，c cosh 工一 NJ -1 1 cosh I课本上2Algi二K = 2,3，N4AK-1AKgK 一gK-1 BK-1文档内是2Ag1 gK4 A k -1AK-随着N的逐渐增大gK -1 BK -1a越来越接近1K = 2,3,.,N因而两个结果越来越接近。