微波窄带带通滤波器的设计

ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－３８２４．２０１ １．０４．０２２

微波窄带带通滤波器的设计

杨丽，马健，陈辉

（西南民族大学电气信息工程学院，成都６１００４１）

摘要：分析了微带线窄带滤波器设计的基本理论，借助Ａｇｉｌｅｎｔ ＡＤＳ仿真软件完成了中心频率位于Ｌ波段的窄带

带通滤波器的设计。该滤波器选用切比雪夫的原型结构，并由耦合微带线构成，其通带为１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ，通带

内衰减小于１．５ ｄＢ，起伏小于０．５ ｄＢ，在１．７ ＧＨｚ和２．３ ＧＨｚ衰减大于２０ ｄＢ，端口反射系数小于一１５ ｄＢ。版图仿

真结果满足滤波器设计要求。

关键词ｉ微带线；ＡＤＳ；微带线耦合带通滤波器；窄带

Ｏ 引 言

当前，无线通信技术高速发展，在所有的通信

系统中，滤波器都扮演了非常重要的角色。因为无

论是射频接收机还是发射机都需要选择特定频率

特性推导出来的。常见的滤波器原型结构有巴特沃

兹、切比雪夫、椭圆函数等，本文选用的是切比雪夫

的滤波器原型结构。切比雪夫滤波器的设计思想

就是用切比雪夫多项式来描述滤波器的插入损耗

的函数特征。

的信号进行处理，滤除其他频率的干扰信号，这就需

要使用滤波电路来分离有用信号和干扰信号。因此，

高性能的滤波器对设计一个好的射频通信系统具有

ＩＬ＝１０１ｂ｛１＋ａ （Ｑ）｝ （１）

式（１）中：ＴＮ（Ｑ）＝ＣＯＳ｛Ⅳｌ ｃｏｓ－１（Ｑ）｝，其中Ｑ≤１

ＴＮ（Ｑ）：ｃｏｓｈ｛Ⅳｌ ｃｏｓｈ。（Ｑ）｝，其中Ｑ≥１。

那么，在一１≤Ｑ≤１内，即切比雪夫通带内波

纹的幅度就可以根据式（１）和（２）适当选择ａ来控

制。显然，７１Ⅳ（ｎ）：１时，通带内的最大衰减是

儿＝１０１ｂ｛１＋ａ （ ）｝ （２）

式（３）中： ＝（１０ 一１） １

重要意义。同时，微波固体器件的应用对滤波器的发

展也起了一定的推动作用¨ 。微带电路由于体积

小、重量轻、频带宽、易于与射频电路匹配等优点，近

年来在滤波电路中得到了广泛的应用。

本文基于微带线滤波器的基本理论，设计实现

了一种由耦合微带线构成的窄带滤波器。仿真结

果表明该滤波器能在１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ保持良好

尺为波纹指标，通带内的波纹越大则通带到

阻带的过渡就越陡峭。即波纹大小与陡峭是冲突

的，应当在满足带外衰减的基础上合理选择ａ的值，

使波纹尽可能小。当知道滤波器的带外截止衰减

的通带特性，同时也具有非常好的阻带特性，在１．７

ＧＨｚ和２．３ ＧＨｚ处衰减大于２０ ｄＢ。

１ 微波带通滤波器的设计

１．１滤波器低通原型

／ＡＳ时，我们可以计算出低通原型所需的元件数。

此时满足关系式

儿＝１０１ｂ｛１＋ａ ｝ （３）

此时，ｎ＝（１０ 一１）寺 （４）

集总参数元件低通原型滤波器是用现代网络

综合法设计微波滤波器的基础，各种低通、高通、带

通、带阻微波滤波器，其传输特性大都是根据原型

收稿日期：２０１０－０５－０４

将式（１）代入式（４），可得到

ＩＬ＝１０１ｂ｛１＋ｎ （Ｑ）｝≥ＬＡＳ，（１ ｎ ｌ≥１）

（５）

则

低通滤波器电路中的并联电容Ｃ可用电感

凡≥（ｃｏｓｈ ￣／１ 一１／０￣ 一１）（ｃ．ｏｓｈ一（ｎ））

（６）

和Ｃ 的串联电路替代，并且相应的参数为

，Ｊ，： 二 ．ｃ，：— 一ｃ （１１）

０

滤波器阶数为Ｎ＝［ｎ］＋１。根据式（６）可以发

现，滤波器的阶数跟截止频率的衰减度以及通带内

Ｃ ０）２一 １

１．３用耦合微带线实现滤波器

的波纹指数有关 ］。其中 ，：— ０）ｆ一０９一一）０ｏ１

２一 １＼∞ｎ ∞，

当频率达到或接近ＧＨｚ时，考虑到集总参数元

件的分布参数效应，滤波器通常由分布参数元件构

为截止边频０９的归一化频率。式（６），（７）中 为

中心频率，与上下通带边频０９。，Ｗ 关系为∞。＝

成，微带传输线就属于常见的分布参数元件，微带

线结构可用来模拟集总元件电感和电容，以实现所

± －

２ 。

１．２低通原型到带通滤波器的变换

低通滤波器和带通滤波器的插入损耗曲线如

图ｌ所示。

图１低通及带通插损曲线

从归一化的低通滤波电路映射到带通滤波器

需要利用频率映射关系如式（７）所示

，

：

２—０）１＼０）ｏ ，

ｆ 一一）０Ｏ１ （７）

式（７）中：∞ 为带通滤波器的上限截止频率；ｔＯ。为下

限截止频率； 。称为中心频率；当 ／ｗ 小于２时滤

波器称为窄带滤波器，反之称为宽带滤波器 Ｊ。

根据带通滤波器的频率变换关系式（８），可以

得到阻抗问的变换关系

Ｚ ｊ）０＇Ｌ＝ｊ ，一 ｌ∞（ ｎ 一 ｊ）０Ｌ 嘉 ｌ 乙

（８）

：

ｊ０）＇Ｃ：ｊ （ 一 ）Ｃ：ｊ）０Ｃ ＋

０９，一 １ ｎ （ｃＪ

１

ｉ）０Ｌ

（９）

低通滤波器电路中的串联电感Ｌ可用电感，Ｊ

和ｃ 的串联电路替代，并且相应的参数为

，Ｊ，： Ｌ，Ｃ，： Ｌ （１０）

（－０２——０）１（ＤＯ

一

８６一ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ／２０１ １．８

需的微波电路 Ｊ。我们利用平行耦合微带线构成

的倒置转换器电路Ｉ，来实现电路中谐振电路的并联

耦合，图２为低通滤波器原型电路图，变换后的低通

电路如图３所示，为只含并联电容的低通原型。

匝强 ＋

图２低通滤波器原型电路图

图３ Ｊ变换后的低通电路

根据输人阻抗（导纳）等效法得出

√

。

＝

√

由低通原型滤波器得到变形低通原型滤波器

后，再利用带通滤波器与低通原型的频率变换关系

（７）式，将变形低通电路中的并联电容Ｃ（或串联电

感，Ｊ）变换成带通滤波器的并联谐振电路（或串联谐

振电路）如图４所示，便构成了微波带通滤波器的

等效电路。

Ｇ。

四蓟蜘＿茎团Ｇ

图４变换后的带通滤波器电路

显然，用半波长来代替谐振电路，再通过微带

间的耦合，即转换器，来实现微带带通滤波器。耦

合微带线的奇偶模特性阻抗由下列公式计算

ｚ０ｏ １ ＝ｚ。Ｌ １一Ｚ。Ｊ ＋ ＋（ｚ０．， ＋－） Ｊ（１３）

ｚ０ ｌ…１＝ｚｏＬ１＋ＺｏＪ ＋ ＋（Ｚ０Ｊ ＋１） Ｊ（１４）

１．４设计实例

带通滤波器中心频率２ ＧＨｚ，通带频率范围

１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ，通带内衰减小于１．５ ｄＢ，起伏

小于０．５ ｄＢ，在１．７ ＧＨｚ和２．３ＧＨｚ衰减大于２０

ｄＢ，端口反射系数小于一ｌ５ ｄＢ。

由于设计的通带为１．９ ＧＨｚ～２．１ ＧＨｚ，由公式

。： ＢＷ：

（ＤＯ

。 ＿Ｕｆ 一 １

，：—

（【Ｊ２一 ｌ＼ ｏ ，

将０３，＝２．３ Ｇ归一化。可计算得出∞ ＝２，ＢＷ＝

０．１０，Ｑ ＝２．８。根据（６）式可确定滤波器的阶数为

４阶。４阶切比雪夫滤波电路的归一化参数为ｇ。＝

１．０００ ０，ｇ１＝３．４３８ ９，ｇ２＝０．７４８ ３，ｇ３＝４．３４７ １，

ｇ ＝０．５９２ ０，ｇ ＝５．８０９ ５。根据奇偶模特性阻抗的

计算式可得构成该带通滤波器所需的耦合微带线

的奇偶模特性阻抗如表１所示。

表１ 耦合微带线奇偶模特－陛阻抗

借用ＡＤＳ中的微带线计算器ＬｉｎｅＣａｌｃ，根据耦

合微带线奇偶模特性阻抗可计算出微带线的几何 ＧＨｚ处衰减大于２０ ｄＢ，在通带内衰减小于１．５ ｄＢ，

尺寸 。

表２耦合微带线几何尺寸 Ｉｌｌｍ

耦合区 １ ２ ３ ４ ５

２．１２５ ２２０ ２．０００ ４３０ ２．１３Ｏ ５００ ２．０００ ４３０ ２．１２５ ２２０

０．２９９ ８０３ ０．２３ｌ ２７２ ０．２９９ ４２９ ０．２３１ ２７２ ０．２９９ ８０３

Ｌ ９．１７９ ４７０ ９．２２６ ６４０ ９．１８８ ０４０ ９．２２６ ６４０ ９．１７９ ４７０

ＡＤＳ仿真原理如图５所示，原理图仿真结果如

图６所示。

图５ ＡＤＳ仿真原理图

图６原理图仿真结果

生成的版图如图７所示。

图７ ＡＤＳ生成的滤波器版图

版图仿真结果图８所示。

ｌ ｌ藤” Ⅻ Ｉ

， ｉ

，

羔Ｉ ！！ ！ ！ Ｉ

图８版图仿真结果

以上数据显示，在阻带１．６９９ ＧＨｚ和２．３０２

通带内端口反射系数大部分小于一１５ ｄＢ。因此，版

图仿真基本达到了预期的设计目标。

２ 结 论

本文从边缘耦合的平行耦合线滤波器 的基

本原理出发，完整地阐述了一种采用ＡＤＳ仿真设计

微带带通滤波器的方法，并通过仿真设计了一个微

带带通滤波器，从仿真结果来看，这种方法是可行

的。利用ＡＤＳ软件来设计微带带通滤波器，设计的

工作量大大减少，提高了精度和效率，降低了成本，

给设计者带来了方便，但要设计出高性能的微带带

通滤波器还需考虑更多的因素。

参考文献：

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［１１］ Ｒ１—０９４１００．ＤＬ ｂａｃｋｈａｕｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｙｐｅ Ｉ ｒｅｌａｙ［ＥＢ／

［２２］Ｒ１—１０５１４７．Ｕｎ ＨＡＲＱ ｆｏｒ ｕｐｌｉｎｋ ＦＤＤ［ＥＢ／ＯＬ］．

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［２３］ Ｒ１—１０５４４４．Ｔｈｅ ｔａｂｌｅ ｏｎ ｎｕｍｂｅｒ ｏｆ ｕｎ ＵＬ ＨＡＲＱ

ｐｒｏｃｅｓｓ ｉｎ ＦＤＤ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０－０９－０１）［２０１１－０１—

［１２］ Ｒ１－０９４５ １６．Ｎｅｃｅｓｓｉｔｙ ｏｆ Ｒ—ＰＨＩＣＨ ｆｏｒ ｂａｃｋｈａｕｌ［ＥＢ／

ＯＬ］．（２００９－０３－０１）［２０１１－０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ． ０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２０１０．

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［２４］ Ｒ１—１０５６１９．Ｄｅｔａｉｌｓ ｏｆ ｒｅｌａｙ ＨＡＲＱ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０—

［１３］ Ｒ１－０９４８８７．Ｂａｃｋｈａｕｌ ｌｉｎｋ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｓｕｐｐｏ￣ｏｆ ｒｅｌａｙｉｎｇ

０３－０１）［２０１１－０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：

３ＧＰＰ，２０１０．

ｏｐｅｒａｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９－０３－０１）［２０１１—０１—０５］．ｈｔ—

ｔｐ：∥ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２００９．

［２５］ Ｒ１—１ ０５６３５．Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｅｍａｉｌ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ＨＡＲＱ

ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ ｆｏｒ ｕｎ ｕｐｌｉｎｋ［ＥＢ／ＯＬ］．（２０１０－０９－０１）［２０１１— ［１４］ Ｒ１－０９５０８８．Ｓｕｍｍａｒｙ ｏｆ ｅｍａｉｌ ｄｉｓｃｕｓｓｉｏｎ ｏｎ ｔｙｐｅ Ｉ ｒｅｌａｙ

ｂａｃｋｈａｕｌ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓｓｕｅｓ［ＥＢ／ＯＬ］．（２００９—０３－０１）［２０１１—

０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：３ＧＰＰ，２０１０．

作者简介：

戴翠琴（１９７６一），女，甘肃泾川人，硕士，讲师，主要研

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［１５］ Ｒ１—１０１６６８．ＷＦ ｏｎ Ｒ—ＰＨＩＣＨ ｆｏｒ ｕｎ ＵＬ ＨＡＲＱ Ｎｏｋｉａ

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３ｇｐｐ．ｏｒｅ／：３ＧＰＰ，２０１０．

究方向为宽带无线网络关键技术；李兆玉（１９７１一），女，广

西梧州人，讲师，主要研究方向为移动通信技术。

［１６］ Ｒ１—１０１２８３．ｗＦ ｏｎ ｕｎ ＨＡＲＱ ｔｉｍｅｌｉｎｅ［ＥＢ／ＯＬ］．

（２０１０－０９－０１）［２０１１－０１－０５］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．３ｇｐｐ．ｏｒｇ／：

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基金项目：国家科技重大专项课题（２００８ＢＡＨ３０Ｂ１０）；重庆

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杨丽（１９８０一），女，成都人，博士研究生，讲师，主要研

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