实验四微带短截线低通滤波器的设计.doc

实验四 微带短截线低通滤波器的设计
4.1 微带短截线低通滤波器设计基础
4.1.1分布参数滤波元件的实现
1. Richards变换
集总元件构成的滤波器通常工作频率较低，在微波频段，我们常常采用微带结构实现较好的滤波性能。在设计得到滤波器原型之后，为了实现电路设计从集总参数到分布参数的变换，Richards提出了一种变换方法，这种变换可以将集总元件变换成传输线段。如图4.1所示，电感L可等效为长为λ/8，特性阻抗为L的短路线；电容C可等效为长为λ/8，特性阻抗为1/C的开路线。

图4.1 Richards变换

2. Kuroda规则
采用Richards变换后，串联元件将变换为串联微带短截线，并联元件将变换为并联短截线。由于串联微带短截线是不可实现的，所以需要将其转变为其它可实现的形式。为了方便各种传输线结构之间的相互变换，Kuroda提出了四个规则，如图4.2所示。其中，；U.E.是单位元件，即电长度为λ/8、特性阻抗为的传输线。选用合适的Kuroda规则，可以将串联短截线变换为容易实现的并联短截线。

图4.2 Kuroda规则
4.1.2 微带短截线低通滤波器设计步骤
微带短截线低通滤波器的实现可分为四个步骤：
1. 根据设计要求进行低通滤波器原型设计；
2. 采用Richard变换将低通滤波器原型中的电感和电容转换为等效的λ/8串联和并联传输线；
3. 应用Kuroda规则将串联短截线转换为并联短截线；
4. 阻抗和频率定标。
4.1.3 微带短截线低通滤波器设计实例
设计一个3阶、0.5dB等波纹低通滤波器，其截止频率为4GHz，阻抗是50欧姆。
第一步 根据设计要求，查表得到低通滤波器原型。

第二步 应用Richard变换将电感和电容转换为等效的串联和并联短截线。

第三步 应用Kuroda规则将串联短截线转换为并联短截线。

第四步 阻抗和频率定标。

4.2 微带短截线低通滤波器实践
4.2.1 实验目的
1. 了解滤波器的原理和设计方法；
2. 学习使用Microwave office软件进行微波电路的设计、仿真、优化；
3. 掌握微带短截线低通滤波器的设计及调试方法。
4.2.2 实验内容
1. 了解微带短截线低通滤波器的工作原理和设计方法；
2. 根据指标要求，使用Microwave office软件设计一个微带短截线低通滤波器，并对其参数进行仿真、优化。
4.2.3 设计指标
在介电常数为4.5，厚度为1mm的FR4基片上（T取0.036mm，Loss tangent取0.02），设计一个3阶、最大平坦型微带短截线低通滤波器，其截止频率为f（见表4-3），阻抗是50欧姆。
在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。S21是传输系数，反映传输损耗和带外抑制； S11、S22分别是输入、输出端口的反射系数。此外，要仿真滤波器的群时延特性。
4.2.4 设计步骤
1. 根据设计要求进行低通滤波器原型设计；
2. 采用Richard变换将低通滤波器原型中的电感和电容转换为等效的λ/8串联和并联短截线；
3. 应用Kuroda恒等关系将串联短截线转换为并联短截线；
4. 阻抗和频率定标；
5. 采用TXLINE.EXE等软件，计算各段微带线的尺寸（尺寸精度到0.01mm）；
6. 采用Microwave Office软件，按照给定的指标和结构设计滤波器，并对其参数进行仿真、优化。

思考题1
设计一个3阶、最大平坦型LC低通滤波器，其截止频率为f（见表4-3），阻抗是50欧姆。将所设计的两种形式滤波器进行比较。
思考题2
设计一个5阶、波纹0.5dB的微带短截线低通滤波器，其截止频率为f（见表4-3），阻抗是50欧姆。采用下图所示的低通滤波器原型。

附录
表4-1 最大平坦低通滤波器原型的元件值（g0=1，wc=1，N=1~10）

表4-2 等波纹低通滤波器原型的元件值（g0=1，wc=1，N=1~10）

表4-3 每位同学的设计频率f

学号
中心频率（GHz）
学号
中心频率（GHz）
学号
中心频率（GHz）
学号
中心频率（GHz）
1
3
12
3
23
3
34
3
2
2.7
13
2.7
24
2.7
35
2.7
3
2.4
14
2.4
25
2.4
36
2.4
4
2.1
15
2.1
26
2.1
37
2.1
5
1.8
16
1.8
27
1.8
38
1.8
6
1.5
17
1.5
28
1.5
39
1.5
7
2.4
18
2.4
29
2.4
40
2.4
8
2.8
19
2.8
30
2.8
41
2.8
9
2.2
20
2.2
31
2.2
44
2.2
10
1.7
21
1.7
32
1.7
45
1.7
11
3
22
2.7
33
2.4