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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,#,微波低通濾波器設(shè)計,微波低通濾波器的設(shè)計方法,微波低通濾波器的設(shè)計過程大致可分為,3,個步驟：,(1),根據(jù)濾波器的預(yù)先給定的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計出一個,LC,梯型網(wǎng)絡(luò)低通原型濾波器；,(2),通過低通變換得到,LC,低通濾波器。,(3),選擇合適的微波結(jié)構(gòu)用微波網(wǎng)絡(luò)元件來實現(xiàn),LC,低通濾波器中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容。,實現(xiàn)微波網(wǎng)絡(luò)元件的結(jié)構(gòu)有：波導(dǎo)，同軸線，帶狀線，微帶線等。相對應(yīng)的低通濾波器分別被稱作波導(dǎo)低通濾波器，同軸線低通濾波器，帶狀線低通濾波器和微帶線低通濾波器等。,微波低通濾波器的設(shè)計方法（續(xù)）,用微波

2、網(wǎng)絡(luò)元件實現(xiàn),LC,低通濾波器中串聯(lián)電感和并聯(lián)電容的方法有三種：,(1),用高、低阻抗傳輸線來實現(xiàn)，這對波導(dǎo)，同軸線、帶狀線和徽帶線低通濾波器都適用。,(2),用短路短截線和開路短截線來實現(xiàn)，這主要用于帶狀線和微帶線低通濾波器。,(3),用集總元件來實現(xiàn)，這主要適用于同軸線，帶狀線和微帶線低通濾波器。,低通濾波器的實現(xiàn)方法（一）,高、低阻抗傳輸線法：,一段傳輸線的兩種等效電路,高阻抗線等效電路,由于高阻抗傳輸線的阻抗,Z,0,Y,0,，所以，高阻抗線可以近似等效成一個串聯(lián)電感。,低阻抗線等效電路,由于低阻抗傳輸線的阻抗,Z,0,Y,0,，所以，低阻抗線可以近似等效成一個并聯(lián)電容。,設(shè)計原則,用

3、高、低阻抗線設(shè)計低通濾波器時，傳輸線的阻抗,Z,0,和線長 中必須要選定一個。設(shè)計出另一個。通常是先選定高、低阻抗線的阻抗，再設(shè)計出線長 。高低阻抗的確定受工藝條件限制。線長的選擇應(yīng)以小于,1/8,波長為宜。，,固定線長,設(shè)計傳輸線的高低阻抗,固定傳輸線的高低阻抗,設(shè)計線長,1,、,2,、,低通濾波器的實現(xiàn)方法（二）,開路、短路短截線法：,一段傳輸線的兩種等效電路,開路短截線,短路短截線,設(shè)計原則,用此法設(shè)計低通濾波器時，可先選定各短截線的特性阻抗。然后設(shè)計出各線段的寬度和長度。值得注意的是，線段的長度應(yīng)限制在,1/4,波導(dǎo)波長以內(nèi)。否則，濾波器的寄生通帶特性不好。,固定線長,設(shè)計傳輸線的高低

4、阻抗,固定傳輸線的高低阻抗,設(shè)計線長,1,、,2,、,低通濾波器的實現(xiàn)方法（三）,集總元件法：,在,LC,梯形網(wǎng)絡(luò)低通濾波器中，用一塊矩形金屬塊（或同軸導(dǎo)體）的平行板電容來實現(xiàn)并聯(lián)電容，用一段高阻抗線來實現(xiàn)串聯(lián)電感。由于他們都是按集總元件來考慮，所以被稱為集總元件法。這種方法特別適合制作微波低端的微帶濾波器。需要注意的是應(yīng)用這個方法時元件的幾何尺寸都要比通帶邊緣頻率小得多，否則，這種等效不能成立。,微帶結(jié)構(gòu)集中元件法,LPF,并聯(lián)電容的設(shè)計,微帶線的電容,C,n,可以按下列方法計算：,其中，是基片的介電常數(shù)；,h,是級片厚度；是電容極板的有效面積。,串聯(lián)電感的設(shè)計,微帶線的單位長度電感，可以按

5、下列方法計算：,其中，是自由空間的光速；,W,是導(dǎo)帶寬度。電感線的長度,L,為。,其它集總元件等效電路,對于橢圓函數(shù)低通濾波器還會用到其它集總元件等效電路。,并聯(lián)電感的微波實現(xiàn),帶狀線的并聯(lián)電感,其中：,V,是相速,并聯(lián)電感的微波實現(xiàn)（續(xù)）,同軸線的并聯(lián)電感,串聯(lián)電容的微波實現(xiàn),帶狀線的串聯(lián)電容,串聯(lián)電容的微波實現(xiàn),同軸線的串聯(lián)電容,并聯(lián)的,LC,串聯(lián)諧振電路的微波實現(xiàn),微帶線結(jié)構(gòu)的,并聯(lián)的,LC,串聯(lián)諧振電路,并聯(lián)的,LC,串聯(lián)諧振電路還可以用,1/4,波長開路短截線來實現(xiàn)。,并聯(lián)的,LC,并聯(lián)諧振電路的微波實現(xiàn),微帶線結(jié)構(gòu)的,并聯(lián)的,LC,并聯(lián)諧振電路,并聯(lián)的,LC,串聯(lián)諧振電路還可以用,

6、1/4,波長短路短截線來實現(xiàn)。,串聯(lián)的,LC,并聯(lián)諧振回路,/,LC,串聯(lián)諧振回路難于實現(xiàn)。,設(shè)計方法小結(jié),一般來說，上述三種方法都可以用于設(shè)計低通濾波器。但是由于等效方法的局限上述三種設(shè)計方法各有不同使用范圍。如果通帶邊緣頻率較低，用集總元件法。如果通帶邊緣頻率較高，阻帶不太寬用開路、短路短截線法。如果通帶邊緣頻率較高，阻帶較寬（,4,倍頻程以內(nèi)）用高、低阻抗線法。值得注意的是，不管是用那種方法都需要對不連續(xù)性進(jìn)行修正。,設(shè)計方法,通帶邊緣頻率,阻帶寬度,高、低阻抗線法,較高,較寬,開路短路法,高,窄,集總元件法,低,較窄,同軸低通濾波器設(shè)計,同軸線低通濾波器設(shè)計實例,同軸線低通濾波器是由若

7、干段高、低阻抗線交替級聯(lián)所構(gòu)成的。這種低通濾波器結(jié)構(gòu)簡單、性能良好。通常，這種濾波器的第一個寄生通帶出現(xiàn)在高低阻抗線近似等于半波長之時所對應(yīng)的頻率，因此，它在,4,倍截止頻率的阻帶內(nèi)都不存在寄生通帶響應(yīng)。這種濾波器的截止頻率大致可以設(shè)計在,100MHz,到,10GHz,的范圍之內(nèi)。,濾波器的設(shè)計步驟,1,、根據(jù)低通濾波器的技術(shù)指標(biāo)，設(shè)計出低通 原型。,2,、根據(jù)濾波器的截止頻率和終端阻抗，設(shè)計出濾波器的實際元件值（反歸一化）。,3,、選定濾波器中的高、低阻抗線的阻抗值，設(shè)計出高低阻抗線的徑向尺寸。,4,、計算各個不連續(xù)性階梯的邊緣電容。,5,、根據(jù)各實際元件值和邊緣電容，計算出各高、低阻抗線的

8、長度。,6,、修正兩端阻抗線的長度以補(bǔ)償它們與,50,歐姆輸入、輸出線的邊緣電容。,技術(shù)指標(biāo),截止頻率：,通帶最大插入損耗：,阻帶最大衰減：,輸入、輸出阻抗：,確定濾波器級數(shù),如選擇切比雪夫濾波器，根據(jù)公式，,可以確定濾波器的級數(shù)。,根據(jù),L,ar,=0.1,，,可以確定,n=5,L,a,=34.85dB,。,計算歸一化元件值,由于要求通帶波紋為,0.1dB,，用,Designer,可以查出歸一化,G,值。,計算實際元件值,假設(shè)濾波器的第一個元件為電感，根據(jù)頻率變換公式：,選定高低阻抗線的特性阻抗,選定高低阻抗線的原則是：高低阻抗線的長度必須小于,1/8,波長。因此，高阻抗應(yīng)盡量高，低阻抗應(yīng)盡

9、量低。但實際制作時，高阻抗線不能選的太高，太高了同軸線內(nèi)導(dǎo)體太細(xì)，不易制作。同時，低阻抗線也不能選的太低。太低了同軸線內(nèi)導(dǎo)體太粗，可能出現(xiàn)高次模。所以在選擇高低阻抗時，必須預(yù)先進(jìn)行粗略計算?？锤鞑糠殖叽缡欠窈线m。,選擇高阻抗為,150,歐姆；低阻抗,10,歐姆。并在低阻抗線處采用聚苯乙烯墊圈，以增強(qiáng)其電容。聚苯乙烯的介電常數(shù) 。,設(shè)計各段同軸線,外導(dǎo)體直徑：,50,歐姆線：,150,歐姆線：,10,歐姆線：,計算邊緣電容,計算同軸線內(nèi)導(dǎo)體階梯的邊緣電容可以用下面的公式計算。,其中，,50-150,歐姆階梯電容：,150-10,歐姆階梯電容：,計算各線段的長度,先把圖中每一節(jié)高低阻抗線的等效電路

10、和階梯電容都表示在等效電路圖（,b,）中。再把小串聯(lián)電感分別合并到大串聯(lián)電感上。小并聯(lián)電容分別合并到大并聯(lián)電容上如圖（,c,）所示。將圖（,c,）與低通濾波電路比較，可以看出圖（,c,）中除兩端的匹配段外，中間部分就應(yīng)當(dāng)是,LC,梯形網(wǎng)絡(luò)低通濾波器。比較之后得到同軸線等效電路與集總元件電路之間的關(guān)系：,計算各線段的長度（續(xù),1,）,同軸線等效電路與集總元件電路之間的關(guān)系,其中，,計算各線段的長度（續(xù),2,）,整理后得，,由此解出，,兩端不連續(xù)性的補(bǔ)償,低通濾波器兩端高阻抗線與,50,歐姆線之間的不連續(xù)電容,C,f0,以及高阻抗線的小并聯(lián)電容 的影響，可以用兩端高阻抗線增長,來補(bǔ)償，此,段相當(dāng)于

11、一個小串聯(lián)電感 ，它和并聯(lián)電容,構(gòu)成半節(jié),LC,低通濾波器，只要兩者的數(shù)值很小，則其截止頻率就很高，使得它對主濾波器的影響甚小。這兩端,LC,低通濾波器的特性阻抗應(yīng)是,5 0,歐才能與輸入傳輸線相匹配，即,由此解出，,同軸濾波器仿真結(jié)果,微帶低通濾波器設(shè)計,微帶線低通濾波器設(shè)計,通常，濾波器特性要求不高的條件下，常用用開路、短路短截線法設(shè)計低通濾波器。,濾波器技術(shù)指標(biāo)：,截止頻率：,通帶最大插入損耗：,阻帶最大衰減：,輸入、輸出阻抗：,確定濾波器級數(shù),如選擇切比雪夫濾波器，根據(jù)公式，,可以確定濾波器的級數(shù)。,根據(jù),L,ar,=0.1,，,可以確定,n=5,L,a,=34.85dB,。,計算歸一

12、化元件值,由于要求通帶波紋為,0.1dB,，用,Designer,可以查出歸一化,G,值。,計算各元件的感抗和容納,設(shè)此低通原型為電感輸入，則這些元件中奇數(shù)是電感元件，偶數(shù)是電容元件。終端阻抗為,50,歐姆。故得到,選定介質(zhì)基片：,介質(zhì)基片選用氧化鋁陶瓷基片，厚度,0.8mm,計算電感線長度,在用微帶線實現(xiàn)串聯(lián)電感時，首先必須選定該微帶線的特性阻抗，此阻抗一般是高阻抗以選,100,歐姆左右為宜。阻抗選的太低，則微帶線太長。阻抗選的太高，則微帶線太細(xì)。這些都是不恰當(dāng)?shù)摹，F(xiàn)在我們選其為,90.96,歐姆。高阻抗線的寬度是,此段微帶線的微帶波長是,計算電感線長度（續(xù)）,根據(jù)公式：,計算出各段電感線的長度：,設(shè)計電容線,設(shè)計各電容線時，可以先選定它的阻抗去計算長度，也可以先選定它的長度去計算阻抗。前者比較簡單，較為常用；后者比較麻煩，只在特殊需要情況下才用?，F(xiàn)在我們選定電容線的特性阻抗為,33,8 7,歐，則此段微帶線的寬度是,其微帶波長是,設(shè)計電容線（續(xù)）,根據(jù)公式：,計算出各段電感線的長度：,修正不連續(xù)性的影響,為了修正電容線開路端邊緣電容的影響，通常把它縮短,0.33h=0.264mm,為了修正十字接頭對電感線的影響我們把靠近接頭的電感線增長,0.2W,2,=0.2X1.6=0.32mm,。這樣一來，,最后設(shè)計結(jié)果,三維仿真結(jié)果,