微波滤波器课程设计

目 录

一、设计目的 .............................................. 二、预习内容 .............................................. 三、设计所用设备 .......................................... 四、设计理论分析 .......................................... 五、测量方框图 ............................................ 六、硬件测量 .............................................. 七、附加知识 .............................................. 八、实例分析 .............................................. 九、总结与心得 ............................................

一、设计目的

1.了解基本低通及带通滤波器之设计方法。 2.利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。

3.学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真，并分析结果。

二、预习内容

1． 熟悉滤波器的相关原理等理论知识。 2． 熟悉滤波器设计的相关理论知识。

三、设计所用设备

项次 1 2 3 4 5 6 设备名称 扫频仪 示波器及同轴微波检波器 同轴腔带通滤波器 50Ω BNC 连接线 1MΩ BNC 连接线 微波软件RFSim99软件 数量 1套 1组 1组 2条 2条 1套 备注 亦可用网络分析仪 微波软件 四、 设计理论分析

1、滤波器的种类

以信号被滤掉的频率范围来区分，可分为低通（Lowpass）、高通（Highpass）、带通（Bandpass）及带阻（Bandstop）四种。若以滤波器的频率响应来分，则常见的有巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)、切比雪夫Ⅱ型(T chebeshev Type-Ⅱ)及椭圆型(Elliptic)等，若按使用元件来分，则可分为有源型及无源型两类。其中无源型又可分为L-C型(L-C Lumped)及传输线型(Transmission line)。而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及发针型(Hairpin-line)等等不同结构。

本实验以较常用的巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)为例，说明其设计方法。

首先了解Butter-worth及Tchebeshev Type-I低通滤波器的响应图。 (1)Butterowrth

BLP(N,?)?11??2Nif??0,B(N,?)?10?log?|BLP(N,?)|?

(2)Tchebyshev Type

TLP(rp,N,?)? 其中

11??2Tn2(?),T(rp,N,?)?10?log?|TLP(rp,N,?)|??1 rp(dB)——通带纹波(passband ripple), ??10 N——元件级数数（order of element for lowpass prototype） ω——截通比（stopband-to-passband ratio）， ω= fc / fx (for lowpass)

= B Wp / BWx (for bandpass)

其中

fc——-3 dB截止频率（3 dB cutoff frequency） fx——截止频率（stopband frequency） BWp——通带频宽（passband bandwidth） BWx——截止频宽（stopband bandwidth） Tn(?)为柴比雪夫多项式(Tchebyshey polynom als)

?cosN?cos?1(???)if0?????1 Tn(?)?? ?1coshN?cosh(???)if????1?2rp/10????其中

??cosh??12?1???cosh?1???，??????N?10rp/10?1

图1(a)(b) 即是三级巴特渥兹型B（3，ω）与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的

截通比响应的比较图。理论上，在通带内巴特渥兹型是无衰减的（Maximun flat），而切比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。实际应用上，除非在通带内要求必须是平坦响应（flat response）外，大多允许通带内少量衰减，因而一般采用切比雪夫型以获得较大的截通效应或减少元件级数。

000.250.50.7511.251.51.7522.252.52.7530.10.1B(3??)T(0.25?3??)T(0.5?5??)T(1?7??)3 ?11

巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图 001020B(3??)T(0.25?3??)T(0.5?5??)T(1?7??)30405060708090100100110101? 巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图 其中：

B（3，ω）——三级巴特渥兹型的衰减响应

T（0.25，3，ω）——纹波为0.25dB 的三级切比雪夫型的衰减响应 T（0.5，5，ω）——纹波为0.5dB 的五级切比雪夫型的衰减响应 T（1，7，ω）——指纹波为1dB 的七级切比雪夫型的衰减响应 2、低通滤波器设计方法：

（1）巴特渥兹型（Butterworth Lowpass Filter） 步骤一：确定参数。

电路阻抗（Impedance）：Z0（ohm） 截止频率(Cutoff Frequency)：fc(Hz) 截通频率(Stopband Frequency)：fc(Hz) 通带衰减量 阻带衰减量

步骤二：计算元件级数(Order of elements,N)：

?10Ax/10?1?0.5?log?Ap/10?10?1??N? ， N取最接近的整数。 ?fx?log???fc? 步骤三：计算原型元件值（Prototype Element Values，gK）：

(2K?1)?gK?2?sin,2NK?1,2,....,N

步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再根据公式计算实际电感电容值：

（a）串L并C型

Loddgodd?Zo?2?fC,gevenCeven?2?fc?Zo

（b）并C串L型