一种可应用于实验教学的微波低通滤波器的实现

王 蒙，王春玲

(泰山学院物理与电子工程学院，山东泰安 271021)

1 滤波器设计要求及方案

首先我们要了解微波滤波器设计的基本思路，是根据滤波器的指标要求(如截止频率、通带损耗、阻带边频、阻带衰减以及输入输出阻抗等)，选定低通原型滤波器(常用的包括巴特沃斯函数、切比雪夫函数和椭圆函数等)及谐振腔的数目;然后通过频率变换得到所需滤波器的理论模型;最后通过实际结构或电路来实现滤波器.

本论文提出的滤波器主要技术指标:截止频率fc=3.0GHz，带内等波纹衰减Lp=0.1dB，阻带边频fs=5.1GHz处的衰减为Ls≥25dB，输入、输出的同轴线特性阻抗为Z0=50Ω.利用高低阻抗线交替级联的微带线体系结构，并采用切比雪夫低通原型实际制作出一个微波低通滤波器.

2 滤波器设计过程

微波滤波器设计步骤如下:

(1)确定低通原型:由于要求通带衰减等于0.1dB，故选用0.1分贝波纹的切比雪夫低通原型.根据频率5.1GHz上的衰减为25dB和截止频率为3.0GHz，可查得滤波器的阶数N=5，归一化低通滤波器其它参数为:

(2)根据滤波器的截止频率和终端电阻，计算出滤波器的实际元件数值.

图1 滤波器低通原型

(3)元件的微波实现

这里选用高低阻抗短线相级联的方式实现串联电感和并联电容.原则上，高阻段的Z0h应尽量高，低阻段的Z0l应尽量低，这样集总参数的接近程度会更好一些，但工艺的局限性却加以限制，在这里我们选微带线的高特性阻抗Z0h为100Ω，低特性阻抗Z0l为10Ω.所选介质板的参数为εr=9，h=0.88mm.可确定高低阻抗段微带线的宽度W，由式可确定隔断高低阻抗微带线的长度l，从而完成设计.

计算微带线滤波器的实际尺寸

①高阻抗线，阻抗Z0h=100Ω，计算得W=0.1331mm、εre=5.5.

②低阻抗线，阻抗Z0l=10Ω，计算得W=8.5379mm、εre=7.7.

计算结果如下表所示:

表1 微带线结构下滤波器尺寸

3 设计论证及二次应用

本论文作为微波实验室平台典型的滤波器设计，图2为在MATLAB里仿真滤波器的波形.

由此得出结论:从设计到编程计算、从分析到测试全过程基本符合微波滤波器的特征，可以用在微波教学的实验平台.

图2 设计微波滤波器波形仿真

本论文设计的滤波器是在特定技术指标下采用的是切比雪夫型滤波器设计方法，在二次应用时，可以用HFSS软件进行仿真并在工艺允许条件下制作实物，用于微波平台的滤波和通信，如图3所示;或者可以根据此低通滤波器原型设计高通、带通及带阻滤波器供实验平台应用;也可继续在微波实验平台里设计巴特沃斯滤波器、贝塞尔滤波器和椭圆形滤波器并进行性能比较，选取不同情况下合适的滤波器.

图3 射频接收机通信模块

4 结论

微波低通滤波器的典型结构是高、低阻抗传输线交替级联组成的滤波器.它用高阻抗线来等效串联电感，用低阻抗线来等效并联电容，通过调整高低阻抗值及其长度可以制造出结构简单性能优良的低通滤波器.高阻抗与低阻抗之间的比值越大，滤波器的性能越接近理论特性;反之，相差越大.高低阻抗线可以用微带线也可以用同轴线来实现.

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