微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號(hào)的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號(hào), 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號(hào)通過。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器，對(duì)設(shè)計(jì)微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一，因此本節(jié)將重點(diǎn)研究如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化微帶濾波器。

　　1 微帶濾波器的原理

　　微帶濾波器當(dāng)中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫?yàn)V波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯(lián)短截線或是短路串聯(lián)短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實(shí)現(xiàn)濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應(yīng)用場合，但是由于它設(shè)計(jì)簡單，因此在某些地方還是值得應(yīng)用的。

　　2 濾波器的分類

　　最普通的濾波器的分類方法通?？煞譃榈屯ā⒏咄?、帶通及帶阻四種類型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線。

　　按濾波器的頻率響應(yīng)來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等;按濾波器的構(gòu)成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類;按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

　　3 微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

　　微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括：

　　1絕對(duì)衰減(Absolute attenuation)：阻帶中最大衰減(dB)。

　　2帶寬(Bandwidth)：通帶的3dB帶寬(flow—fhigh)。

　　3中心頻率：fc或f0。

　　4截止頻率。下降沿3dB點(diǎn)頻率。

　　5每倍頻程衰減(dB/Octave)：離開截止頻率一個(gè)倍頻程衰減(dB)。

　　6微分時(shí)延(differential delay)：兩特定頻率點(diǎn)群時(shí)延之差以ns計(jì)。

　　7群時(shí)延(Group delay)：任何離散信號(hào)經(jīng)過濾波器的時(shí)延(ns)。

　　8插入損耗(insertion loss)：當(dāng)濾波器與設(shè)計(jì)要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，dB

　　9帶內(nèi)波紋(passband ripple)：在通帶內(nèi)幅度波動(dòng)，以dB計(jì)。

　　10相移(phase shift)：當(dāng)信號(hào)經(jīng)過濾波器引起的相移。

　　11品質(zhì)因數(shù)Q(quality factor)：中心頻率與3dB帶寬之比。

　　12反射損耗(Return loss)

　　13形狀系數(shù)(shape factor)：定義為。

　　14止帶(stop band或reject band)：對(duì)于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(diǎn)(如60dB點(diǎn))的帶寬。

　　工程應(yīng)用中，一般要求我們重點(diǎn)考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時(shí)延、寄生通帶。前兩項(xiàng)是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等);輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小;群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真;寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

　　4 微帶濾波器的設(shè)計(jì)

　　本小節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)微帶低通濾波器，濾波器的指標(biāo)如下：

　　通帶截止頻率：3GHz。

　　通帶增益：大于-5dB，主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

　　阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

　　通帶反射系數(shù)：小于-22dB，由濾波器的S11參數(shù)確定。

　　在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化的曲線上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。

　　了解了濾波器的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)指標(biāo)后，下面開始設(shè)計(jì)微帶低通濾波器。

　　4.1建立工程

　　新建工程，選擇【File】→【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對(duì)話框。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter，并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard：Length unit——millimet，默認(rèn)單位為mm，如圖12.2所示。單擊OK，完成新建工程，此時(shí)原理圖設(shè)計(jì)窗口會(huì)自動(dòng)打開。

　　4.2原理圖和電路參數(shù)設(shè)計(jì)

　　工程文件創(chuàng)立完畢后，下面介紹微帶低通濾波器的原理圖設(shè)計(jì)過程。

　　1)在原理圖設(shè)計(jì)窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，窗口左側(cè)的工具欄變?yōu)槿鐖D12.3所示。并選擇6個(gè)MLIN、5個(gè)MLOC、1個(gè)MSUB按照?qǐng)D12-4所示的方式連接起來。

　　2)設(shè)置圖12-4中的控件MSUB微帶線參數(shù)

　　H:基板厚度(0.1 mm)

　　Er:基板相對(duì)介電常數(shù)(2.16)

　　Mur:磁導(dǎo)率(1)

　　Cond:金屬電導(dǎo)率(6.14E+7)

　　Hu:封裝高度(1.0e+33 mm)

　　T:金屬層厚度(0.001 mm)

　　TanD:損耗角正切(1e-3)

　　Roungh:表面粗糙度(0 mm)

　　完成設(shè)置的MSUB控件如圖12.5所示。