濾波器概述

1.濾波器分類

微波濾波器有很多種類型，按照傳輸線模式來分，可以分為介質濾波器、同軸濾波器、共面波導濾波器、微帶線濾波器等；按照傳遞函數可分為巴特沃茲、切比雪夫、貝塞爾、橢圓和高斯等；按照元件類型可分為無源、有源、集總參數、分布參數、晶體濾波器等。

除了上述幾種分類方法之外，濾波器最常見的分類方法是按照頻響分類，有低通、高通、帶通和帶阻四種基本的類型。如下圖所示，每一種類型都可以由其對應的低通原型通過頻率變換得到。

圖1 按照頻率響應分類的濾波器

1. 濾波器仿真

１.設計指標與原理

本文設計了一款五階發夾型微帶帶通濾波器，并對其參數進行優化。濾波器工作在X波段的中心頻率為 10GHz；通帶絕對帶寬大于 1GHz；帶內最大衰減0.5dB，起伏小于1dB，S11<-20dB，端口采用50歐姆匹配。

與其他微波濾波器形式相比，發夾濾波器更為常見，它是在半波長諧振器的基礎上引申變形得到，其結構更加緊湊，小型化是其特點之一。變形的方法也比較簡單，即將半波長諧振器的臂折疊，構成一個U字形，這樣會出現兩個臂，且臂與臂之間的間距與彎折程度有關，但是兩臂之長加上間距的總長度依然約等于二分之一波長。這樣彎折后，原本在一個方向上 的二分之一諧振器長度就可以縮短接近一半，所以濾波器的整體面積得到了減小。而且這種 結構不需要過孔接地，便于加工。

圖２　平行耦合線

發夾型帶通濾波器是在平行耦合濾波器的基礎上彎折得到，因此平行耦合帶通濾波器的研究方法對普通發夾濾波器同樣適用。發夾型濾波器的饋電方式主要有兩種：(1)平行耦合饋電方式；(2)抽頭式饋電方式。平行耦合饋電方式使用較少，一般日常設計中使用抽頭饋電，優點是抽頭可以很好的控制尺寸，并且抽頭饋電在實測時也優于平行耦合饋電。

微波濾波器的性能一般由以下參數確定：發夾諧振器的臂長L ，微帶線寬度W及諧振器 中間的間距S和抽頭離諧振器的距離t 。其中諧振器臂長為四分之一波導波長。波導波長由介質版的介電常數決定。

圖３　抽頭式饋電發夾諧振器單元及其等效網絡原理圖

圖４　所設計的濾波器給構圖

初始尺寸如下(單位mm)

表1 濾波器初始尺寸

２.建模優化

選擇厚度為0.4mm，介電常數為3.55，損耗0.002的板材，在HFSS軟件中建立如下：

圖 ５ 濾波器在HFSS中的模型

圖６ 優化前濾波器的S參數情況

上圖給出了優化前的S參數，圖中給出了S11,S21,S12,S22由于結構的對稱性，可以看出S22與S11是重合的，同樣Ｓ12與S21也是重合的，但是觀察S11，在通帶內希望95-10.5GHz的S11要小于-20dB，顯然沒有滿足，下面將進行關鍵參數的掃描優化，確定優化方向，最終得到符合要求的性能指標。

圖７不同T情況下的S11

圖８　不同T下的S21

圖?。埂〔煌琒1情況下的S11

圖１０　不同S1情況下的S21

圖１１不同S2情況下的S11

圖１２　不同S2情況下的S21

上面６圖給出了變量參數T，S1和S2不同值情況下的S11和S21圖，可以看出，抽頭不同的位置T對反射系數影響較為劇烈，但是對傳輸情況就不太明顯，同樣耦合縫隙S1與S2對反射系數影響較為劇烈，但是對S21的影響就較為有限。經過過上面的掃描，可以發現多個參數都會影響濾波器的性能，下面就用HFSS的優化功能，設置目標函數，進行自動優化。

圖13 優化目標設置

圖14 優化過程收斂情況

圖15 最終優化結果的S參數

上圖給出了優化目標函數的設置，設置在9.5GHz到10.5GHz范圍內S11小-25dB，經過漫長的運算，最終結果達到了在9.4GHz-10.42GHz范圍內S11小于-20dB，S21大于-0.5dB，并且在頻帶內S21的波動小于1dB。

最終尺寸如下(單位mm)：

表２ 濾波器最終尺寸

三．總結

本次實驗設計了工作在X波段的濾波器，實現了S11在9.4-10.42GHz范圍內小于-20dB，絕對帶寬大于1GHz，S21在通帶內幅度平坦，幅度小于1dB，損耗小于0.5dB，帶外抑制大于20dB，并且給出了設計理論以及優化過程。

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