微波窄帶帶通濾波器的設(shè)計

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－３８２４．２０１ １．０４．０２２

微波窄帶帶通濾波器的設(shè)計

楊麗，馬健，陳輝

（西南民族大學電氣信息工程學院，成都６１００４１）

摘要：分析了微帶線窄帶濾波器設(shè)計的基本理論，借助Ａｇｉｌｅｎｔ ＡＤＳ仿真軟件完成了中心頻率位于Ｌ波段的窄帶

帶通濾波器的設(shè)計。該濾波器選用切比雪夫的原型結(jié)構(gòu)，并由耦合微帶線構(gòu)成，其通帶為１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ，通帶

內(nèi)衰減小于１．５ ｄＢ，起伏小于０．５ ｄＢ，在１．７ ＧＨｚ和２．３ ＧＨｚ衰減大于２０ ｄＢ，端口反射系數(shù)小于一１５ ｄＢ。版圖仿

真結(jié)果滿足濾波器設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞ｉ微帶線；ＡＤＳ；微帶線耦合帶通濾波器；窄帶

Ｏ 引 言

當前，無線通信技術(shù)高速發(fā)展，在所有的通信

系統(tǒng)中，濾波器都扮演了非常重要的角色。因為無

論是射頻接收機還是發(fā)射機都需要選擇特定頻率

特性推導出來的。常見的濾波器原型結(jié)構(gòu)有巴特沃

茲、切比雪夫、橢圓函數(shù)等，本文選用的是切比雪夫

的濾波器原型結(jié)構(gòu)。切比雪夫濾波器的設(shè)計思想

就是用切比雪夫多項式來描述濾波器的插入損耗

的函數(shù)特征。

的信號進行處理，濾除其他頻率的干擾信號，這就需

要使用濾波電路來分離有用信號和干擾信號。因此，

高性能的濾波器對設(shè)計一個好的射頻通信系統(tǒng)具有

ＩＬ＝１０１ｂ｛１＋ａ （Ｑ）｝ （１）

式（１）中：ＴＮ（Ｑ）＝ＣＯＳ｛Ⅳｌ ｃｏｓ－１（Ｑ）｝，其中Ｑ≤１

ＴＮ（Ｑ）：ｃｏｓｈ｛Ⅳｌ ｃｏｓｈ。（Ｑ）｝，其中Ｑ≥１。

那么，在一１≤Ｑ≤１內(nèi)，即切比雪夫通帶內(nèi)波

紋的幅度就可以根據(jù)式（１）和（２）適當選擇ａ來控

制。顯然，７１Ⅳ（ｎ）：１時，通帶內(nèi)的最大衰減是

兒＝１０１ｂ｛１＋ａ （ ）｝ （２）

式（３）中： ＝（１０ 一１） １

重要意義。同時，微波固體器件的應(yīng)用對濾波器的發(fā)

展也起了一定的推動作用¨ 。微帶電路由于體積

小、重量輕、頻帶寬、易于與射頻電路匹配等優(yōu)點，近

年來在濾波電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

本文基于微帶線濾波器的基本理論，設(shè)計實現(xiàn)

了一種由耦合微帶線構(gòu)成的窄帶濾波器。仿真結(jié)

果表明該濾波器能在１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ保持良好

尺為波紋指標，通帶內(nèi)的波紋越大則通帶到

阻帶的過渡就越陡峭。即波紋大小與陡峭是沖突

的，應(yīng)當在滿足帶外衰減的基礎(chǔ)上合理選擇ａ的值，

使波紋盡可能小。當知道濾波器的帶外截止衰減

的通帶特性，同時也具有非常好的阻帶特性，在１．７

ＧＨｚ和２．３ ＧＨｚ處衰減大于２０ ｄＢ。

１ 微波帶通濾波器的設(shè)計

１．１濾波器低通原型

／ＡＳ時，我們可以計算出低通原型所需的元件數(shù)。

此時滿足關(guān)系式

兒＝１０１ｂ｛１＋ａ ｝ （３）

此時，ｎ＝（１０ 一１）寺 （４）

集總參數(shù)元件低通原型濾波器是用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)

綜合法設(shè)計微波濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶

通、帶阻微波濾波器，其傳輸特性大都是根據(jù)原型

收稿日期：２０１０－０５－０４

將式（１）代入式（４），可得到

ＩＬ＝１０１ｂ｛１＋ｎ （Ｑ）｝≥ＬＡＳ，（１ ｎ ｌ≥１）

（５）

則

低通濾波器電路中的并聯(lián)電容Ｃ可用電感

凡≥（ｃｏｓｈ ￣／１ 一１／０￣ 一１）（ｃ．ｏｓｈ一（ｎ））

（６）

和Ｃ 的串聯(lián)電路替代，并且相應(yīng)的參數(shù)為

，Ｊ，： 二 ．ｃ，：— 一ｃ （１１）

０

濾波器階數(shù)為Ｎ＝［ｎ］＋１。根據(jù)式（６）可以發(fā)

現(xiàn)，濾波器的階數(shù)跟截止頻率的衰減度以及通帶內(nèi)

Ｃ ０）２一 １

１．３用耦合微帶線實現(xiàn)濾波器

的波紋指數(shù)有關(guān) ］。其中 ，：— ０）ｆ一０９一一）０ｏ１

２一 １＼∞ｎ ∞，

當頻率達到或接近ＧＨｚ時，考慮到集總參數(shù)元

件的分布參數(shù)效應(yīng)，濾波器通常由分布參數(shù)元件構(gòu)

為截止邊頻０９的歸一化頻率。式（６），（７）中 為

中心頻率，與上下通帶邊頻０９。，Ｗ 關(guān)系為∞。＝

成，微帶傳輸線就屬于常見的分布參數(shù)元件，微帶

線結(jié)構(gòu)可用來模擬集總元件電感和電容，以實現(xiàn)所

± －

２ 。

１．２低通原型到帶通濾波器的變換

低通濾波器和帶通濾波器的插入損耗曲線如

圖ｌ所示。

圖１低通及帶通插損曲線

從歸一化的低通濾波電路映射到帶通濾波器

需要利用頻率映射關(guān)系如式（７）所示

，

：

２—０）１＼０）ｏ ，

ｆ 一一）０Ｏ１ （７）

式（７）中：∞ 為帶通濾波器的上限截止頻率；ｔＯ。為下

限截止頻率； 。稱為中心頻率；當 ／ｗ 小于２時濾

波器稱為窄帶濾波器，反之稱為寬帶濾波器 Ｊ。

根據(jù)帶通濾波器的頻率變換關(guān)系式（８），可以

得到阻抗問的變換關(guān)系

Ｚ ｊ）０＇Ｌ＝ｊ ，一 ｌ∞（ ｎ 一 ｊ）０Ｌ 嘉 ｌ 乙

（８）

：

ｊ０）＇Ｃ：ｊ （ 一 ）Ｃ：ｊ）０Ｃ ＋

０９，一 １ ｎ （ｃＪ

１

ｉ）０Ｌ

（９）

低通濾波器電路中的串聯(lián)電感Ｌ可用電感，Ｊ

和ｃ 的串聯(lián)電路替代，并且相應(yīng)的參數(shù)為

，Ｊ，： Ｌ，Ｃ，： Ｌ （１０）

（－０２——０）１（ＤＯ

一

８６一ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ／２０１ １．８

需的微波電路 Ｊ。我們利用平行耦合微帶線構(gòu)成

的倒置轉(zhuǎn)換器電路Ｉ，來實現(xiàn)電路中諧振電路的并聯(lián)

耦合，圖２為低通濾波器原型電路圖，變換后的低通

電路如圖３所示，為只含并聯(lián)電容的低通原型。

匝強 ＋

圖２低通濾波器原型電路圖

圖３ Ｊ變換后的低通電路

根據(jù)輸人阻抗（導納）等效法得出

√

。

＝

√

由低通原型濾波器得到變形低通原型濾波器

后，再利用帶通濾波器與低通原型的頻率變換關(guān)系

（７）式，將變形低通電路中的并聯(lián)電容Ｃ（或串聯(lián)電

感，Ｊ）變換成帶通濾波器的并聯(lián)諧振電路（或串聯(lián)諧

振電路）如圖４所示，便構(gòu)成了微波帶通濾波器的

等效電路。

Ｇ。

四薊蜘＿莖團Ｇ

圖４變換后的帶通濾波器電路

顯然，用半波長來代替諧振電路，再通過微帶

間的耦合，即轉(zhuǎn)換器，來實現(xiàn)微帶帶通濾波器。耦

合微帶線的奇偶模特性阻抗由下列公式計算

ｚ０ｏ １ ＝ｚ。Ｌ １一Ｚ。Ｊ ＋ ＋（ｚ０．， ＋－） Ｊ（１３）

ｚ０ ｌ…１＝ｚｏＬ１＋ＺｏＪ ＋ ＋（Ｚ０Ｊ ＋１） Ｊ（１４）

１．４設(shè)計實例

帶通濾波器中心頻率２ ＧＨｚ，通帶頻率范圍

１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ，通帶內(nèi)衰減小于１．５ ｄＢ，起伏

小于０．５ ｄＢ，在１．７ ＧＨｚ和２．３ＧＨｚ衰減大于２０

ｄＢ，端口反射系數(shù)小于一ｌ５ ｄＢ。

由于設(shè)計的通帶為１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ，由公式

。： ＢＷ：

（ＤＯ

。 ＿Ｕｆ 一 １

，：—

（【Ｊ２一 ｌ＼ ｏ ，

將０３，＝２．３ Ｇ歸一化。可計算得出∞ ＝２，ＢＷ＝

０．１０，Ｑ ＝２．８。根據(jù)（６）式可確定濾波器的階數(shù)為

４階。４階切比雪夫濾波電路的歸一化參數(shù)為ｇ。＝

１．０００ ０，ｇ１＝３．４３８ ９，ｇ２＝０．７４８ ３，ｇ３＝４．３４７ １，

ｇ ＝０．５９２ ０，ｇ ＝５．８０９ ５。根據(jù)奇偶模特性阻抗的

計算式可得構(gòu)成該帶通濾波器所需的耦合微帶線

的奇偶模特性阻抗如表１所示。

表１ 耦合微帶線奇偶模特－陛阻抗

借用ＡＤＳ中的微帶線計算器ＬｉｎｅＣａｌｃ，根據(jù)耦

合微帶線奇偶模特性阻抗可計算出微帶線的幾何 ＧＨｚ處衰減大于２０ ｄＢ，在通帶內(nèi)衰減小于１．５ ｄＢ，

尺寸 。

表２耦合微帶線幾何尺寸 Ｉｌｌｍ

耦合區(qū) １ ２ ３ ４ ５

２．１２５ ２２０ ２．０００ ４３０ ２．１３Ｏ ５００ ２．０００ ４３０ ２．１２５ ２２０

０．２９９ ８０３ ０．２３ｌ ２７２ ０．２９９ ４２９ ０．２３１ ２７２ ０．２９９ ８０３

Ｌ ９．１７９ ４７０ ９．２２６ ６４０ ９．１８８ ０４０ ９．２２６ ６４０ ９．１７９ ４７０

ＡＤＳ仿真原理如圖５所示，原理圖仿真結(jié)果如

圖６所示。

圖５ ＡＤＳ仿真原理圖

圖６原理圖仿真結(jié)果

生成的版圖如圖７所示。

圖７ ＡＤＳ生成的濾波器版圖

版圖仿真結(jié)果圖８所示。

ｌ ｌ藤” Ⅻ Ｉ

， ｉ

，

羔Ｉ ！！ ！ ！ Ｉ

圖８版圖仿真結(jié)果

以上數(shù)據(jù)顯示，在阻帶１．６９９ ＧＨｚ和２．３０２

通帶內(nèi)端口反射系數(shù)大部分小于一１５ ｄＢ。因此，版

圖仿真基本達到了預期的設(shè)計目標。

２ 結(jié) 論

本文從邊緣耦合的平行耦合線濾波器 的基

本原理出發(fā)，完整地闡述了一種采用ＡＤＳ仿真設(shè)計

微帶帶通濾波器的方法，并通過仿真設(shè)計了一個微

帶帶通濾波器，從仿真結(jié)果來看，這種方法是可行

的。利用ＡＤＳ軟件來設(shè)計微帶帶通濾波器，設(shè)計的

工作量大大減少，提高了精度和效率，降低了成本，

給設(shè)計者帶來了方便，但要設(shè)計出高性能的微帶帶

通濾波器還需考慮更多的因素。

參考文獻：

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［２３］ Ｒ１—１０５４４４．Ｔｈｅ ｔａｂｌｅ ｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｕｎ ＵＬ ＨＡＲＱ

ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ＦＤＤ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０－０９－０１）［２０１１－０１—

［１２］ Ｒ１－０９４５ １６．Ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ Ｒ—ＰＨＩＣＨ ｆｏｒ ｂａｃｋｈａｕｌ［ＥＢ／

ＯＬ］．（２００９－０３－０１）［２０１１－０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ． ０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２０１０．

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［２４］ Ｒ１—１０５６１９．Ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ ｒｅｌａｙ ＨＡＲＱ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０—

［１３］ Ｒ１－０９４８８７．Ｂａｃｋｈａｕｌ ｌｉｎｋ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｓｕｐｐｏ￣ｏｆ ｒｅｌａｙｉｎｇ

０３－０１）［２０１１－０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：

３ＧＰＰ，２０１０．

ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９－０３－０１）［２０１１—０１—０５］．ｈｔ—

ｔｐ：∥ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２００９．

［２５］ Ｒ１—１ ０５６３５．Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｅｍａｉｌ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ＨＡＲＱ

ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｕｎ ｕｐｌｉｎｋ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０－０９－０１）［２０１１— ［１４］ Ｒ１－０９５０８８．Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｅｍａｉｌ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｙｐｅ Ｉ ｒｅｌａｙ

ｂａｃｋｈａｕｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓｓｕｅｓ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９—０３－０１）［２０１１—

０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２０１０．

作者簡介：

戴翠琴（１９７６一），女，甘肅涇川人，碩士，講師，主要研

０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２００９．

［１５］ Ｒ１—１０１６６８．ＷＦ ｏｎ Ｒ—ＰＨＩＣＨ ｆｏｒ ｕｎ ＵＬ ＨＡＲＱ Ｎｏｋｉａ

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３ｇｐｐ．ｏｒｅ／：３ＧＰＰ，２０１０．

究方向為寬帶無線網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)；李兆玉（１９７１一），女，廣

西梧州人，講師，主要研究方向為移動通信技術(shù)。

［１６］ Ｒ１—１０１２８３．ｗＦ ｏｎ ｕｎ ＨＡＲＱ ｔｉｍｅｌｉｎｅ［ＥＢ／ＯＬ］．

（２０１０－０９－０１）［２０１１－０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：

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基金項目：國家科技重大專項課題（２００８ＢＡＨ３０Ｂ１０）；重慶

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（上接第８７頁）

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作者簡介：

［５］ 劉長軍，黃卡瑪．射頻通信電路設(shè)計［Ｍ］．北京：科學

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楊麗（１９８０一），女，成都人，博士研究生，講師，主要研

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９１—