微带低通滤波器仿真设计

杨国明

贵州航天计量测试技术研究所

摘要：微带低通滤波器作为微波器件中的关键器件，在微波通信中起着重要的作用。本文基于微带线的基本理论，设计了一款具有高截止频率、小尺寸的切比雪夫型阶跃阻抗微带低通滤波器，并通过软件仿真，验证了该低通滤波器的可实用性。

关键词：微带线，低通滤波器，阶跃阻抗，扇形

引言：

随着无线通信的飞速发展，对微波器件的要求也越来越高，小型化、高频率是微波器件的重要发展方向。而微波滤波器作为微波器件中的关键器件，已经被广泛用于各种通信领域中，如微波中继通信、毫米波通信、微波导航等多种通信领域，因此也一直备受关注。滤波器一般为二端口网络，具有划分信道和筛选信号的功能，它的性能好坏将直接影响着整个电路系统。为适应无线通信的发展要求，滤波器也在朝着小型化和高频率方向发展。而微带线滤波器具有频率高和体积小等优势，因此被广泛使用。

本文基于微带线的基本理论，采用带外抑制较高的切比雪夫滤波器模型，设计了一款截止频率为=12GHz、二次谐波=24GHz处带外抑制大于-50dB的高频率、小体积的阶跃阻抗微带低通滤波器。

一、微带线的基本理论

微带线由于工工艺简单，且容易与其他微波器件集成，是一种应用最广泛的平面型传输线。其几何结构如图1所示[1]，由宽度为、厚度为的金属导体印制在厚度为、介电常数为的接地介质基片上组成。微带线的电特性参数主要为特性阻抗、工作频率和电长度等，在介质基片参数确定的条件下，这些电参数与金属导体的宽度和厚度严格相关。

图1 微带线结构图

基于微带线的微带滤波器，其主要参数有带宽、通带插损、带外抑制和带内驻波等。其中带宽为信号所占据的频带宽度，通带衰减为滤波器的引入对电路中信号带来的衰减，带外抑制为通带外某频点的衰减，带内驻波为输入端口与输出端口与外加阻抗匹配的程度。本文主要关注其中的带宽、通带衰减和带外抑制几个参数。

二、微带低通滤波器设计与分析

1、设计指标

1）具有高带外抑制,在二次谐波=24GHz处的衰减大于-40dB；

2）截止频率=12GHz；

3）通带衰减小于等于0.5dB；

4）阻抗为50Ω。

2、滤波器设计

根据设计指标及实际加工情况，本文选用介电常数=3.66、厚度=0.254mm介质基板，金属导体带厚度=0.035mm。为保证带外抑制，选用11阶串联电感的切比雪夫型滤波器作为原型电路进行研究设计。查表得该低通原型值：=1.203，=1.452，=2.151，=1.633，=2.238，=1.656，=2.238，=1.633，=2.151，=1.452，=1.203。

采用阻抗和频率标定公式，设计阶跃阻抗滤波器，即用高阻抗线和低阻抗线段分别代替串联电感和并联电容，计算各滤波器节的微带线长和宽尺寸参数。传统的滤波器采用的是直形短支节，这种结构简单且便于设计。但在这种结构中，直形短支节与主传输线的连接处较宽，所产生的不连续性影响较大，并且对应的特性曲线的过渡带比较平缓[2]。相对于直形短支节，扇形短支节与主传输线的连接处较窄，可以减小不连续性影响，并且其对应的特定曲线的过渡带较为陡峭[3]，弥补了直形短支节的不足。因此，本文采用扇形短支节代替直形短支节来进行设计，并且考虑在主传输线上使用弧形线段代替直形线段，将主线“折叠”，以减小滤波器尺寸。按计算的尺寸参数设计微带滤波器电路原理图，优化后导入版图进行仿真，得到如图2所示的版图图形与仿真结果。

图2 滤波器结构及仿真结果

3、结果分析

该滤波器的图形结构尺寸较小，为2.1mm18mm，两端为特性阻抗为50Ω的匹配微带线。从仿真结果可以看出，该滤波器具有较为陡峭的过渡带，其截止频率=12GHz，在二次谐波=24GHz处的衰减为-50.6dB，通带衰减小于0.5dB，满足指标要求。

三、总结

本文基于微带线的基本理论，采用扇形短支节代替直形短支节来设计低阻抗线段，并且在主传输线上采用弧形线段代替直形线段设计高阻抗线段，最终设计了一款截止频率为=12GHz、二次谐波=24GHz处的带外衰减为-50.6dB的高截止频率、小体积的阶跃阻抗微带低通滤波器。

参考文献：

[1]张肇仪等，微波工程（第三版）[M].北京:电子工业出版社，2015.

[2]清华大学《微带电路》编写组.微带电路[M].北京:人民邮电出版社，1976.

[3]Atwater H A.The Design of the Radial Line Stub A Useful Microstrip Circuit Element[J].Microwave Journal,1985:149-156.