微波滤波器和无源电路讲座(14-b)

电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（十四）微波低通滤波器设计电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（十四）椭圆函数低通滤波器设计椭圆函数低通滤波器设计设计要求技术指标通带最大反射系数:0.2（相当于通带等波纹为0.18dB）；通带变频频率：阻带变频频率：端接条件：50欧姆带状线；最小阻带衰减：38.1dB12cffGHz11.194sff椭圆函数低通原型滤波器椭圆函数低通原型滤波器的通带和阻带都具有都具有等波纹特性。由于它的参数须用椭圆函数计算，个被称作椭圆函数滤波器或考尔（Cauer）滤波器。确定滤波器级数椭圆函数滤波器的阻带最小衰减近似表示为：式中：是椭圆函数的模数。使用6级可以达到阻带最小衰减38.1dB要求。1010log10101log101.2LarAsLnqdB42462121515016444q1;sssc43.1dB陡峭度椭圆函数模数椭圆函数低通原型滤波器的基本结构椭圆函数低通原型滤波器有很多文章介绍。综合出的电路结构也不完全相同。元器件值有表可查。ADS的设计过程放入超级元件FilterDG。双端口滤波器Thiscomponentcanhaveanyreal,non-zeroimpedanceateitherthesourceorloadterminations.单端口滤波器Thiscomponenthasareal,non-zerosourceterminationandeitheranopenorshortattheloadtermination.设置设计参数双击超级元件，输入设计要求设计滤波器仿真结果设计结果AnsoftDesigner的设计过程ssc电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（十四）传统设计方法选择低通原型滤波器结构计算各元件实际值根据原型值计算各元件实际值。01122344561;1;0.8214;0.3892;1.084;1.188;0.7413;0.9077;1.117;1.136;ZLLCLLCLC0000ccccZLLZZCCZ0111111212131414151650;2;241.1;19.96;0.0217;59.4;37.1;0.0182;55.9;0.0227;ZffGHzLLCLLCLC原型值计算公式实际值选定各线段的阻抗并确定其宽度采用带状线。6.35;2.7;0.034;rBmmTmm传输线阻抗Z0波导波长λg线宽（W）构建元件Z3=30Ω91.224mm9.16193mmC2，C4，C6Z0=50Ω91.224mm4.37757mmInput/OutputZ2=90Ω91.224mm1.30805mmL2，L4Z1=118Ω91.224mm0.568985mmL1，L3，L5确定各线段长度将电路板版图相关部分与等效电路关联。并由关联关系得，其中，和是电感线未修正前的长度。111111212213131;;;lLZSinvlLZSinvlLZSinv12,ll3l235.162.46957.6642lmmlmmlmm确定各线段长度（续1）在Π形等效电路中，这三根电感线的并联容抗是：在这三段线接头处将有一个无用的总电容并联与接头处，此总容纳是这个电容是并联在电路中。并联以后的导纳应当等于L2-C2并联支路的导纳，即11111121213113110.0015049210.000720212210.002235242lCvZlCvZlCvZ11111230.00446035LCCCC212CLBCB包含CL的L2-C2支路导纳不包含CL的L2-C2支路导纳，即带状线需要提供的导纳。确定各线段长度（续2）如果令，由公式：得，分离后得最后计算出2221LC212CLBCB2212112211211CLCCCCL2221212212111BCCL212121CCCBCL21121212211212211CLCCCCCLC修正后的容纳修正后的感抗121222.30.0189CCLC确定各线段长度（续3）应用此修正电抗值，再由下式计算出L2对应线段修正以后的长度。为了求得C2对应线段的长度，必须把修正后的容纳减去线段Π型等效电路的并联容纳，先求出对应线段的原始长度，然后用其两端的边缘电容加以修正。边缘电容的影响可以从C2对应线段的两端减去一小段线，线长它的等效电容等于边缘电容，即12121ClLZSinv23.6576lmm12CC2l12C2Cl21213217.8486CCvlCCZmml11330.45frClWYv确定各线段长度（续4）其中，故得，由此得出C2线段所需的实际长度。其余各个分支线也可以用类似的方法确定。这里不再详细叙述。由此可见，设计过程十分繁杂。因此，我们通常会使用仿真软件优化功能设计。0.45fC330.451.1049frCWvlmmY2225.6388CClllmm23.6576lmm电子科技大学贾宝富博士现代微波滤波器和无源器件设计（十四）仿真软件优化设计方法电路图和拓扑结构选定各线段的阻抗并确定其宽度采用带状线。6.35;2.7;0.034;rBmmTmmZ0Z0Z1Z0Z1Z3Z2Z3Z2Z1传输线阻抗线宽（W）Z3=30Ω9.16mmZ0=50Ω4.38mmZ2=90Ω1.31mmZ1=118Ω0.57mm计算线长初值0111111212131414151650;2;241.1687;19.5457;0.0216519;59.3547;37.2367;0.0181144;55.8324;0.0227765;ZffGHzLLCLLCLC1111112122131311414215151tan;tan;tan;tan;tan;lLZvlLZvlLZvlLZvlLZv111131212313130tan;tan;2tan;CCClCYvlCYvlCYv123451234.88;3.11;6.77;5.70;6.42;8.37;7.23;6.18;ccclmmlmmlmmlmmlmmlmmlmmlmm建立电路模型电路模型仿真结果优化结果123451234.88;3.11;6.77;5.70;6.42;8.37;7.23;6.18;ccclmmlmmlmmlmmlmmlmmlmmlmm123451234.42;2.20;7.35;6.02;7.99;8.06;5.66;5.57;ccclmmlmmlmmlmmlmmlmmlmmlmm优化前优化后HFSS的仿真结果0.501.001.502.002.503.003.504.004.50Freq[GHz]-87.50-75.00-62.50-50.00-37.50-25.00-12.500.00Y1AnsoftLLCHFSSDesign1XYPlot1CurveInfodB(S(1,1))Setup1:Sweep1dB(S(2,1))Setup1:Sweep1用Designer设计设计基本结构和初始几何尺寸12345671236.08353;1.29788;8.15483;6.17913;7.25503;4.59541;4.49281;8.3695;7.23225;6.17808;ccclmmlmmlmmlmmlmmlmmlmmlmmlmmlmm传输线阻抗线宽（W）Z3=30Ω9.16mmZ0=50Ω4.38mmZ2=90Ω1.31mmZ1=118Ω0.57mmAWR优化用电路图优化结果优化后版图HFSS的仿真结果0.501.001.502.002.503.003.504.004.50Freq[GHz]-120.00-100.00-80.00-60.00-40.00-20.000.00Y1AnsoftLLCHFSSDesign1XYPlot1CurveInfodB(S(1,1))Setup1:Sweep1dB(S(2,1))Setup1:Sweep1小结设计椭圆函数低通滤波器，一般可以使用优化方法设计。利用集中元件原理图给出基本设计。然后把集中参数原理图转换成某种结构的传输线，例如：同轴线、带线、微带线等。这一过程并不像传统设计一样做修正。再在仿真软件中对这种实际结构传输线的电路原理图优化。最后用三维软件验证设计。多数情况下这一设计方法给出的结果是可以信赖的。