一種可應(yīng)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(shè)計要求及方案

首先我們要了解微波濾波器設(shè)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(shù)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(shè)計過程

微波濾波器設(shè)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(yīng)盡量高，低阻段的Z0l應(yīng)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(shè)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(shè)計論證及二次應(yīng)用

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

由此得出結(jié)論:從設(shè)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(shè)計微波濾波器波形仿真

本論文設(shè)計的濾波器是在特定技術(shù)指標下采用的是切比雪夫型濾波器設(shè)計方法，在二次應(yīng)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(shè)計高通、帶通及帶阻濾波器供實驗平臺應(yīng)用;也可繼續(xù)在微波實驗平臺里設(shè)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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