隨著目前高速信息時(shí)代的發(fā)展，對通信的要求越來越高。與此同時(shí)，信號頻譜變得越來越擁擠，各種頻段的通信系統(tǒng)的相繼出現(xiàn)，為了避免各個(gè)頻段間的相互串?dāng)_，高性能的濾波器出現(xiàn)就在一定程度上解決了這個(gè)問題。鑒于此，本文采用高低阻抗線的基本原理介紹一款截止頻率為3GHz的低通濾波器的快速設(shè)計(jì)方法，并采用微帶線結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)分別實(shí)現(xiàn)這款濾波器。

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1、低通濾波器原理

集總元件低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通和帶阻濾波器，其傳輸特性都可依據(jù)低通原型濾波器推導(dǎo)出來 。正因如此，才使微波濾波器的設(shè)計(jì)得以簡化，精度得以提高。低通原型濾波器的設(shè)計(jì)目的就是找到合適的L、C元件值，以滿足濾波器的衰減特性?；蛘呤褂靡粋€(gè)數(shù)學(xué)函數(shù)來逼近理想的低通衰減特性，然后依據(jù)這個(gè)函數(shù)來綜合給出各個(gè)元件值，即g1，g2到gn.，實(shí)際工程中，常用的逼近函數(shù)有最平坦低通原型濾波器（Butterworth）、切比雪夫低通原型濾波器（Chebyshev）、橢圓函數(shù)低通原型濾波器（Elliptic Function），如圖1所示：

本文基于切比雪夫低通濾波器響應(yīng)設(shè)計(jì)了一款截止頻率為3GHz的低通濾波器，并采用微帶結(jié)構(gòu)和同軸結(jié)構(gòu)來分別實(shí)現(xiàn)上述低通濾波器，如圖2和圖3所示：

3、高低阻抗線的等效電感與電容

由上面兩個(gè)式子可以看出，當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)小于傳輸線特性阻抗時(shí)，傳輸線端接一個(gè)負(fù)載阻抗 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 則近似可以看作一個(gè)電感和串聯(lián)。當(dāng)負(fù)載阻抗遠(yuǎn)大于傳輸線特性阻抗時(shí)，傳輸線端接一個(gè)負(fù)載阻抗則近似可以看作一個(gè)電容和并聯(lián)，從而實(shí)現(xiàn)低通濾波器中的L、C。

如果分別以和表示高低阻抗線的特性阻抗，則等效的串聯(lián)電感和并聯(lián)電容元件值和高低阻抗傳輸線長度關(guān)系可近似表示為如下表達(dá)式：

式中l(wèi)表示傳輸線的長度， ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 表示介質(zhì)中的波速，。因此，如果將高低阻抗線級聯(lián)起來，就類似于低通濾波器電路，如下圖4和圖5所示。

3、低通濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)

本文所要設(shè)計(jì)的低通濾波器技術(shù)指標(biāo)為:

- Frequency Range(工作頻率): DC-3GHz

- Return Loss(回波損耗): >15dB

- Rejection(帶外抑制): >45dB@3.6GHz

- Impedance(阻抗): 50 ohms

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4、階梯阻抗低通濾波器設(shè)計(jì)步驟

1）依據(jù)指標(biāo)計(jì)算出濾波器階數(shù)和元件值

2）依據(jù)低通原型濾波器的元件值確定高低阻抗的特性阻抗值，并計(jì)算實(shí)際結(jié)構(gòu)的初始尺寸

3）依據(jù)計(jì)算的初值在ADS中創(chuàng)建低通濾波器仿真電路

4）導(dǎo)入版圖仿真或者采用HFSS驗(yàn)證電路正確性

5、微帶低通濾波器設(shè)計(jì)過程

5.1 依據(jù)指標(biāo)計(jì)算得到濾波器階數(shù)與元件值。

依據(jù)濾波器技術(shù)指標(biāo)，采用切比雪夫低通原型濾波器響應(yīng)，利用如下公式來計(jì)算濾波器的階數(shù)n：

確定階數(shù)n=15后，就可以通過查表或者采用公式計(jì)算的方法來得出低通原型濾波器電路的元件值，計(jì)算得到的元件值如下表1所示：

5.2 依據(jù)低通原型濾波器的元件值確定高低阻抗的特性阻抗值，并計(jì)算實(shí)際結(jié)構(gòu)的初始尺寸。

在微波傳輸中，利用不同特性阻抗的傳輸線作為半集總參數(shù)來實(shí)現(xiàn)電感與電容，原則上，高阻抗特性應(yīng)該盡量高，低阻抗特性應(yīng)該盡量低。這樣就會更加的接近集總參數(shù)的特性，但同時(shí)也需要兼顧實(shí)際加工的可行性。因此，對特性阻抗的取值首先可以按如下公式，并同時(shí)考慮實(shí)際加工情況，最終在選擇Rogers4350B作為設(shè)計(jì)版材后確定的各個(gè)參數(shù)如下表2所示：

5.3 依據(jù)計(jì)算的初值在ADS中創(chuàng)建低通濾波器仿真電路。

在ADS中建立由高低阻抗線級聯(lián)的微帶電路模型，選擇Tlines-Microstrip中的MLIN來創(chuàng)建電路，該模型中兩個(gè)參數(shù)需要定義，分別是線寬與線長度，線寬通過前面步驟已經(jīng)計(jì)算獲得，線長度可以按1/8波長作為初始值，然后通過ADS中的優(yōu)化功能快速計(jì)算準(zhǔn)確的物理尺寸。當(dāng)然也可以用公式來計(jì)算長度的初值，但是相對比較麻煩，同時(shí)也需要考慮邊緣電容的影響。

在ADS中如圖7連接好各個(gè)元件，并輸入原始1/8波長初始值進(jìn)行仿真。然后進(jìn)一步將原理圖的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，最終原理圖優(yōu)化好后的數(shù)據(jù)生成版圖進(jìn)行版圖仿真驗(yàn)證。

6、同軸低通濾波器設(shè)計(jì)過程

階數(shù)計(jì)算與特性阻抗計(jì)算的步驟和前面微帶的計(jì)算基本一致，這里直接從選定高低阻抗值與尺寸出發(fā)。綜合考慮實(shí)際加工情況與體積大小，選定的同軸線各個(gè)尺寸如下表

規(guī)劃好同軸尺寸后，在ADS中使用理想的TLINP來模擬每一節(jié)的同軸線，阻抗分別設(shè)置為120Ω和15Ω，初始長度可以使用Designer計(jì)算出來，創(chuàng)建好的模型如圖10所示：

此時(shí)運(yùn)行仿真可以查看得到，Designer中綜合的初始尺寸已經(jīng)能滿足當(dāng)前所設(shè)計(jì)濾波器的指標(biāo)，因此當(dāng)前電路模型不需要進(jìn)行任何的優(yōu)化處理。

將此時(shí)的仿真結(jié)果直接導(dǎo)入HFSS中仿真可以看到，HFSS場仿真結(jié)果與理論模型的結(jié)果相差甚遠(yuǎn)。主要表現(xiàn)為截止頻率過底和回波損耗太差，造成這個(gè)原因主要是理想模型中沒有考慮同軸內(nèi)徑發(fā)生階躍變化及傳輸線的不連續(xù)性，階梯處等效一并聯(lián)電容或稱為邊緣電容。為了解決這個(gè)問題，可以在HFSS中建立如圖13所示模型，獲取模型的S2P文件，這個(gè)文件就可以準(zhǔn)備的表述高低阻抗不連續(xù)處的各種影響。

將這個(gè)S2P文件導(dǎo)入ADS中對模型進(jìn)行再次仿真可以查看得到，ADS中理想模型的數(shù)據(jù)和HFSS數(shù)據(jù)基本一致。

此時(shí)可以看出，由于電路模型加入了不連續(xù)性表述，理論模型與HFSS場仿真模型能夠完全對應(yīng)，因此，只需要在ADS電路中將模型的數(shù)據(jù)優(yōu)化到當(dāng)前濾波器的指標(biāo)就能完全設(shè)計(jì)出同軸低通。經(jīng)過多次工程實(shí)踐，證明此方法的準(zhǔn)確性。