实验四 微波射频带通滤波器设计

实验四 射频滤波器设计、 仿真、制作与测试

一、滤波器原理1.1 滤波器的概念Pin PL

~O f

滤滤滤

ZL O f0 f

如图所示的双端口网络, 设从一个端口输入一具有均匀功率谱的 信号,信号通过网络后,在另一端口的负载上吸收的功率谱不再是均匀的, 也就是说,网络具有频率选择性,这便是一个滤波器。 通常采用工作衰减来描述滤波器的衰减特性：

Pin LA = 10 lg dB PL

Pin和PL分别为输出端接匹配 负载时的滤波器输入功率和 负载吸收功率。

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低通

带通

带阻2012-4-26 MW & Opti. Commu. Lab, XJTU

高通3

三种滤波器函数

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1.2 滤波器的技术指标 (1)工作频率：滤波器的工作频率范围 工作频率： 工作频率 (2) 插入损耗：由于滤波器的介入,在系统内引入的损耗 插入损耗： (3) 带内纹波：插入损耗的波动范围 带内纹波： (4) 带外抑制 带外抑制:规定滤波器在什么频率上会阻断信号,是滤 波器特性的矩形度的一种描述方式。也可用带外滚降来描 述,就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝。 (5)承受功率：在大功率发射机末端使用的滤波器要按大 承受功率： 承受功率 功率设计,元件体积要大,否则,会击穿打火,发射功率急剧下 降。

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1.3 滤波器的设计的经典方法 低通原型综合法步骤： (1)由衰减特性综合出低通原型 (2)再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类 型 (3)计算滤波器电路元件值 (4)微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真 软件进行优化仿真。

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1.4 滤波器的低通原型滤波器低通原型为电感电容网络, 其中元件数和元件值只与通带 结束频率、 衰减和阻带起始频率、 衰减有关。设计中都采用表格而 不用繁杂的计算公式。

巴特沃士、 切比雪夫的低通原型电路结构

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1. 巴特沃士：已知带边衰减为3dB处的归一化频率 c=1、截止衰减LAs 和归一化截止频率 s,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。

lg(10 LAS 1) n≥ 2 lg s0 .1

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2. 切比雪夫，已知带内衰减与波纹指标LAr、归一化频率 c=1、截止衰 减LAs和归一化截止频率 s,则元件数n由下式给出,元件值由下表给出。

cosh 1 n≥

(10

1 / 10 LAr /10 1 1 cosh s L As / 10

)(

)

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1.5 滤波器的四种频率变换 由低通原型滤波器经过频率变换,就可得到低通、 高通、带通、 带阻四种实用滤波器。定义阻抗因子

为

Z0 g , γ = 0 g0 , Y0

g 0为电阻 g 0为电导

低通变换： 低通变换：

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高通变换： 高通变换：

带通变换： 带通变换：

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带阻变换： 带阻变换：

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二、集总参数滤波器例：设计一个L-C切比雪夫型低通滤波器,截止频率为75 MHz,衰减为3 dB,波纹为 1dB, 频率大于100 MHz,衰减大 于20 dB,Z0=50 。(1) 确定指标: 特性阻抗Z0=50 , 截止频率fc=75MHz, 阻带边频 ) fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。 (2) 计算元件级数n: )

cosh 1 n≥

(10

1 / 10 LAr /10 1 1 cosh s L As / 10

)(

)

n取最接近的整数,则n=5

(3)查表求原型元件值gi, )

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(4)计算实际元件值 )

低通变换： 低通变换：

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(5)画出电路结构，进行电路仿真 )

Term Term1 Num=1 Z=50 Ohm

C C1 C=94.0 pF

L L1 L=120.0 nH R=

C L C2 L2 C=132.0 pF L=120.0 nH R=

C C3 C=94.0 pF

Term Term2 Num=2 Z=50 Ohm

S-PARAMETERSS_Param SP1 Start=0 MHz Stop=200.0 MHz Step=1.0 MHz

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0

m1 freq=23.00MHz dB(S(2,1))=-0.998 m1 m3

m3 freq=75.00MHz dB(S(2,1))=-3.214

-20

m2 freq=100.0MHz m2 dB(S(2,1))=-24.990

dB(S(2,1)) dB(S(1,1))

-40

-60

-80 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

freq, MHz

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切比雪夫型带通滤波器,中心频率为 例2:设计一个 ：设计一个L-C切比雪夫型带通滤波器 中心频率为 MHz, 3dB带宽为 切比雪夫型带通滤波器 中心频率为75 带宽为 10MHz, 波纹为 波纹为1dB, 工作频带外 ±15MHz的衰减大于 工作频带外75± 的衰减大于30dB, Z0=50 。 的衰减大于 。 (1) 确定指标: 特性阻抗Z0=50 , 截止频率fc=75MHz, 阻带边频 ) fs=100MHz,通带最大衰减LAr=3dB,阻带最小衰减LAs=20dB。

特性阻抗： 上通带边频： 下通带边频： 上阻带边频： 下阻带边频： 通带内最大衰减： 阻带最小衰减 ：(2)计算相关参数 )f0 =

Z0=50  f1=75+5=80 MHz f2=75-5=70 MHz f=75+15=90 MHz f=75-15=60MHz LAr=3dB LAs=30dB

f1 f 2 = 74.83, FBW = f 2 f1 = 10 MHz

f 02 1 f 02 1 s1 = f f XL FBW = 3.333, s 2 = f XU f FBW = 2.778 XL XL s = MIN (ω X 1 , ω X 2 ) = 2.7782012-4-26 MW & Opti. Commu. Lab, XJTU 18

(3) 计算元件节数n )

cosh 1 n≥

(10

1 / 10 LAr /10 1 1 cosh s L As / 10

)(

)

n取整数3

(4) 查表得原型元件值gi )

(5) 带通变换 )

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