一種可應用于實驗教學的微波低通濾波器的實現(xiàn)

王 蒙，王春玲

(泰山學院物理與電子工程學院，山東泰安 271021)

1 濾波器設計要求及方案

首先我們要了解微波濾波器設計的基本思路，是根據(jù)濾波器的指標要求(如截止頻率、通帶損耗、阻帶邊頻、阻帶衰減以及輸入輸出阻抗等)，選定低通原型濾波器(常用的包括巴特沃斯函數(shù)、切比雪夫函數(shù)和橢圓函數(shù)等)及諧振腔的數(shù)目;然后通過頻率變換得到所需濾波器的理論模型;最后通過實際結(jié)構(gòu)或電路來實現(xiàn)濾波器.

本論文提出的濾波器主要技術指標:截止頻率fc=3.0GHz，帶內(nèi)等波紋衰減Lp=0.1dB，阻帶邊頻fs=5.1GHz處的衰減為Ls≥25dB，輸入、輸出的同軸線特性阻抗為Z0=50Ω.利用高低阻抗線交替級聯(lián)的微帶線體系結(jié)構(gòu)，并采用切比雪夫低通原型實際制作出一個微波低通濾波器.

2 濾波器設計過程

微波濾波器設計步驟如下:

(1)確定低通原型:由于要求通帶衰減等于0.1dB，故選用0.1分貝波紋的切比雪夫低通原型.根據(jù)頻率5.1GHz上的衰減為25dB和截止頻率為3.0GHz，可查得濾波器的階數(shù)N=5，歸一化低通濾波器其它參數(shù)為:

(2)根據(jù)濾波器的截止頻率和終端電阻，計算出濾波器的實際元件數(shù)值.

圖1 濾波器低通原型

(3)元件的微波實現(xiàn)

這里選用高低阻抗短線相級聯(lián)的方式實現(xiàn)串聯(lián)電感和并聯(lián)電容.原則上，高阻段的Z0h應盡量高，低阻段的Z0l應盡量低，這樣集總參數(shù)的接近程度會更好一些，但工藝的局限性卻加以限制，在這里我們選微帶線的高特性阻抗Z0h為100Ω，低特性阻抗Z0l為10Ω.所選介質(zhì)板的參數(shù)為εr=9，h=0.88mm.可確定高低阻抗段微帶線的寬度W，由式可確定隔斷高低阻抗微帶線的長度l，從而完成設計.

計算微帶線濾波器的實際尺寸

①高阻抗線，阻抗Z0h=100Ω，計算得W=0.1331mm、εre=5.5.

②低阻抗線，阻抗Z0l=10Ω，計算得W=8.5379mm、εre=7.7.

計算結(jié)果如下表所示:

表1 微帶線結(jié)構(gòu)下濾波器尺寸

3 設計論證及二次應用

本論文作為微波實驗室平臺典型的濾波器設計，圖2為在MATLAB里仿真濾波器的波形.

由此得出結(jié)論:從設計到編程計算、從分析到測試全過程基本符合微波濾波器的特征，可以用在微波教學的實驗平臺.

圖2 設計微波濾波器波形仿真

本論文設計的濾波器是在特定技術指標下采用的是切比雪夫型濾波器設計方法，在二次應用時，可以用HFSS軟件進行仿真并在工藝允許條件下制作實物，用于微波平臺的濾波和通信，如圖3所示;或者可以根據(jù)此低通濾波器原型設計高通、帶通及帶阻濾波器供實驗平臺應用;也可繼續(xù)在微波實驗平臺里設計巴特沃斯濾波器、貝塞爾濾波器和橢圓形濾波器并進行性能比較，選取不同情況下合適的濾波器.

圖3 射頻接收機通信模塊

4 結(jié)論

微波低通濾波器的典型結(jié)構(gòu)是高、低阻抗傳輸線交替級聯(lián)組成的濾波器.它用高阻抗線來等效串聯(lián)電感，用低阻抗線來等效并聯(lián)電容，通過調(diào)整高低阻抗值及其長度可以制造出結(jié)構(gòu)簡單性能優(yōu)良的低通濾波器.高阻抗與低阻抗之間的比值越大，濾波器的性能越接近理論特性;反之，相差越大.高低阻抗線可以用微帶線也可以用同軸線來實現(xiàn).

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