一种微带滤波器设计方法技术

本发明专利技术提供一种微带滤波器的设计方法。其特征在于以下主要步骤：第一步，建立微带滤波器的集总参数等效网络，导出微带滤波器的电气参数与集总参数等效网络的元件之间的等效关系式。第二步，根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器设计方法确定集总参数等效网络的各个元件值；第三步，根据等效关系式，由集总参数等效网络的各个元件值计算得到微带滤波器的各个电气参数，进而确定相应的结构参数值；第四步，使用计算得到的微带滤波器的结构参数值建模，进行电磁仿真优化，使传输线滤波器的性能最终满足技术指标的要求。本发明专利技术提供的设计方法能够得揭示微带滤波器的物理机制，缩短其研制周期。

A design method of microstrip filter

The invention provides a design method of a microstrip filter. The main steps are as follows: in the first step, the lumped parameter equivalent network of the microstrip filter is established, and the equivalent relation between the electrical parameters of the microstrip filter and the element of the lumped parameter equivalent network is derived. The second step, according to the technical index of microstrip filter, filter design method using set parameters of the various components of the lumped parameter equivalent value of the network; the third step, according to the equivalent relation, the electrical parameters calculated by each microstrip filter element with lumped parameters equivalent value of the network, and then determine the structure parameters of the corresponding value; the fourth step, using the structure parameters of microstrip filter calculated value of electromagnetic modeling, simulation and optimization, the performance of transmission line filter finally meets the technical requirements. The design method provided by the invention can reveal the physical mechanism of the microstrip filter and shorten the development cycle of the microstrip filter.

【技术实现步骤摘要】
一种微带滤波器设计方法
本专利技术属于通信
，具体涉及一种微带滤波器的设计方法。
技术介绍
滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统性能具有重要的影响。滤波器的技术指标包括通带带宽、插入损耗、通带波动、回波损耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群时延等。按照频率响应的类型来划分，可以分为椭圆滤波器、巴特沃斯滤波器、高斯滤波器、广义切比雪夫滤波器和逆广义切比雪夫滤波器等。对于模拟滤波器而言，分为集总参数模拟滤波器和分布参数模拟滤波器。在射频/微波/光频等较高频段内，主要使用微带线、带状线、槽线、鳍线、共面波导、同轴线、波导等多种传输线结构。这些传输线具有分布参数效应，其电气特性与结构尺寸紧密相关。在这些频段内，通常使用波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器及微带线滤波器等传输线滤波器。
技术实现思路
到目前为止，人们已经研究出多种多样的传输线滤波器结构。然而，传输线滤波器具有分布参数效应，其设计远比集总参数滤波器的设计复杂得多。每一个传输线滤波器都可能具有不同的物理机制，需要具体进行分析。只有深入了解了传输线滤波器的物理机制，才有可能更好得使用它们来实现所需要的频率响应。本专利技术叙述了一种微带滤波器的设计方法。微带线的结构如图1所示，主要包括三层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。本专利技术所研究的微带滤波器结构如图2所示。在金属上覆层(I)中刻蚀如下金属图案：输入馈线(1)、第一平行耦合线节(2)、传输线节(3)、第二平行耦合线节(4)和输出馈线(5)。其特征在于：输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)的左端，第一平行耦合线节(2)的右端连接到传输线节(3)的左端，传输线节(3)的右端连接到第二平行耦合线节(4)的左端，第二平行耦合线节(4)的右端连接到输出馈线(5)的左端。滤波器结构关于中心平面对称的。设输入馈线(1)和输出馈线(5)的特征阻抗同为RS。第一平行耦合线节(2)和第二平行耦合线节(4)的偶模阻抗同为Z1e，奇模阻抗同为Z1o，电长度同为θ1。传输线节(3)的特征阻抗为Z2，电长度为θ2。在实际使用中，需要根据用户给出的技术指标来设计这个滤波器。换句话说，就是如何快速准确得确定滤波器的各个结构参数。借助于传输线理论可以描述这个滤波器的物理机制，例如可以导出其相应的散射矩阵、导纳矩阵、阻抗矩阵或者级联矩阵。然而这些矩阵中通常都包含有三角函数等一些特殊函数，使滤波器具有分布参数效应，从而让设计变得非常困难。本专利技术针对此滤波器提出了一种新型设计方法。本专利技术所述设计方法的第一步，建立微带滤波器的集总参数等效网络，导出微带滤波器的电气参数与集总参数等效网络的元件之间的等效关系式。图2中所示的微带滤波器可以看作是几个基本传输线结构的连接而成。只要导出这些基本传输线结构的集总参数等效网络，就能够根据它们在微带滤波器中的连接关系，进而建立微带滤波器的集总参数等效网络。最终，图2所示的微带滤波器的集总参数等效网络如图3所示。其中，L为电感，jX为电抗，K12和K23为阻抗倒置器，RS为源和负载阻抗，VS为激励源。微带滤波器的电气参数与其集总参数等效网络的元件之间的等效关系式为：K23＝Z2/sinθ2(3)另外，ω0＝-X/L为谐振频率。设计方法的第二步，根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器设计方法确定集总参数等效网络的各个元件值；设计方法的第三步，根据第一步中导出的等效关系式，由集总参数等效网络的各个元件值计算得到微带滤波器的各个电气参数，进而确定相应的结构参数值；设计方法的第四步，使用计算得到的微带滤波器的结构参数值建模，进行电磁仿真优化，使传输线滤波器的性能最终满足技术指标的要求。本专利技术所述的设计方法的有益效果是：它能揭示该微带滤波器的物理机制，从而可以更好得控制其性能；它能通过计算快速得到一组结构参数值，可以缩短研制周期。附图说明图1：微带线结构示意图；图2：微带带通滤波器示意图；图3：微带带通滤波器的集总参数等效网络示意图；图4：理想的四阶带通频率响应图；图5：使用计算结构参数值进行仿真得到的频率响应图；图6：改进微带带通滤波器结构示意图；图7:改进微带带通滤波器的优化仿真结果和实际测试结果图。具体实施方式下面结合附图和具体实施例对本专利技术做进一步的说明，但本专利技术的实施方式不限于此。图3所示的集总参数等效网络揭示了图2中的微带滤波器的物理机制。由图3可见，该传输线滤波器具有四个谐振频率，因此可以实现一个四阶的带通频率响应。作为例证，不失一般性，用此微带滤波器来实现一个四阶带通频率响应，技术指标为：中心频率在2.0GHz，通带位于[1.5,2.5]GHz，回波损耗小于-20dB，四个传输零点位于无穷远处。理想的四阶带通频率响应如图4所示。根据此技术指标，可以由集总参数滤波器的设计方法来确定图3所示集总参数等效网络中各个元件值。例如，采用广义切比雪夫类型集总参数滤波器的设计方法来确定这些元件值，如下：L＝1.4852·10-8H,X＝-186.6360Ω，K12＝42.4858Ω,K23＝32.6491Ω和RS＝50Ω再利用前面导出的微带滤波器的电气参数与其集总参数等效网络的元件之间的等效关系式(1)-(3)，可以得到微带滤波器的电气参数为：Z1e＝161.3018Ω，Z1o＝76.3302Ω，θ1＝π/2，Z2＝16.3245Ω和θ2＝π/6.作为例证，不失一般性，选用Rogers的4350基片，其介电常数为3.66，基片厚度为0.508mm。则可以计算得到微带滤波器的结构参数值为w1＝0.15mm,s1＝0.17mm,l1＝23.30mm,w2＝5.00mm和l2＝6.93mm.基于前面计算得到的结构参数值建模，并进行电磁仿真，仿真结果如图5所示。可见，仿真结果大体上接近于如图4所示的理想四阶带通频率响应。由于微带滤波器的集总参数等效网络只考虑了最主要的物理机制，并没有包括所有的不连续性效应。图4所示的频率响应还不能满足技术指标要求。为了进一步改善图2所示微带滤波器的回波损耗，在第一平行耦合线节(2)的右端和第二平行耦合线节(4)的左端分别截掉部分传输线节，如图6所示。基于前面计算得到的结构参数值建模，借助于电磁仿真对微带滤波器的性能进行优化，细微调整这些结构参数值，最终确定微带滤波器的结构参数为：w1＝0.20mm,s1＝0.13mm,l1＝26.70mm,w2＝3.80mm,l2＝5.43mm和l3＝2.76mm优化后的微带滤波器的性能能够满足技术指标，如图7所示。根据这些优化之后的结构参数值，对此微带滤波器进行了加工测试，测试结果如图7所示。可见，测试结果与仿真结果相当吻合，满足了技术指标要求。以上所列举的实施例充分说明了本专利技术所述的设计方法能够深入得揭示微带滤波器的物理机制，缩短其研制周期。本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本专利技术的原理，应被理解为本专利技术的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本专利技术公开的这些技术启示做出各种不脱离本专利技术实质的其它各种具体变形和组合，这些变本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微带滤波器的设计方法，其特征在于其实施步骤如下：步骤一，建立微带滤波器的集总参数等效网络，导出微带滤波器的电气参数与集总参数等效网络的元件之间的等效关系式。步骤二，根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器设计方法确定集总参数等效网络的各个元件值；步骤三，根据步骤一导出的等效关系式，由集总参数等效网络的各个元件值计算得到微带滤波器的各个电气参数，进而确定相应的结构参数值；步骤四，使用计算得到的微带滤波器的结构参数值建模，进行电磁仿真优化，使传输线滤波器的性能最终满足技术指标的要求。

【技术特征摘要】
1.一种微带滤波器的设计方法，其特征在于其实施步骤如下：步骤一，建立微带滤波器的集总参数等效网络，导出微带滤波器的电气参数与集总参数等效网络的元件之间的等效关系式。步骤二，根据微带滤波器的技术指标，利用集总参数滤波器设计方法确定集总参数等效网络的各个元件值；步骤三，根据步骤一导出的等效关系式，由集总参数等效网络的各个元件值计算得到微带滤波器的各个电气参数，进而确定相应的结构参数值；步骤四，使用计算得到的微带滤波器的结构参数值建模，进行电磁仿真优化，使传输线滤波器的性能最终满足技术指标的要求。2.依据权利要求1所述的设计方法，集总参数等效网络由电感和电抗构成。3.一种微带滤波器的特征在于：输入馈线(1)的右端连接到第一平行耦合线节(2)的左端，第一平行耦合线节(2)的右端连接到传输线节(3)的左端，传输线节(3)的右端连接到第二平行耦合线节(4)的左端，第二平行耦合线节(4)的右端连接到输出馈线(...

【专利技术属性】
技术研发人员：肖飞，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51