微波带通滤波器设计

微波带通滤波器设计

XX

（陕西理工学院 电信工程系 通信工程专业XXXXXXXX 陕西 汉中 723000）

指导教师： XX

[摘 要] 本文论述了应用一个由美国AWR公司开发的Microwave Office微波仿真软件设计一个微波带通滤

波器的设计方法，研究了二端口网络的S参数分析方法。以及讲述了滤波器的两种基本类型：巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器的原理，并通过他们的区别选择了滤波器的设计方案。最后通过软件对该滤波器进行了最优化仿真设计，并通过仿真结果对滤波器S参数进行分析。

[关键词] AWR；微波仿真；带通滤波器；最优化；S参数；

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Microwave bandpass filter design

Li Wen

(Grade07,Class3,Major of Communication Engineering，Dept. of E.I.of Shaanxi University of Technology,

HanZhong 723003,China)

Tutor: Nie Xiang

[Abstract]: This paper discusses the application by the American AWR company developed the Microwave version of

Microwave simulation software to design a Microwave bandpass filter, the design method of the research of two-port network S parameters analysis method. And tells the story of the filter two basic types: bart wo filter and chebyshev the principle of filter, and through the difference between the choice of the filter design scheme. Finally, through the filter software to the optimization design simulation, and through the simulation results to filter S parameters are analyzed.

[Key words]: AWR; Microwave simulation; Bandpass filter; Optimization; S parameters;

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目录

引言 ............................................................................................................... 4 第一章 绪论 ............................................................................................ 5

1.1 课题背景 ................................................ 5 1.2 Microwave Office微波仿真软件的介绍 ..................... 5

第二章 滤波器的基本概念 ...................................................................... 7

2.1滤波器的基本形式 ........................................ 7 2.2二端口网络分析 .......................................... 7 2.3滤波器的功率 ............................................ 9 2.4插入损耗和回波损耗 ................................... 10

第三章 微波带通滤波器的设计 ............................................................ 11

3.1 中心频率的选择 ......................................... 11 3.2 设计方案的确立 ......................................... 11 3.3滤波器类型的选择 ....................................... 11

3.3.1巴特沃斯滤波器 .............................................. 11

3.3.2切比雪夫滤波器的原理 ........................................ 13 3.3.4巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器的比较 ......... 错误!未定义书签。

3.4切比雪夫低通滤波器向切比雪夫带通滤波器的转型 ............ 16

第四章 基于Microwave Office软件的微波带通滤波器的实现 .... 17

4.1微波带通滤波器的电路图成型 ............................. 17 4.2微波带通滤波器的优化 ................................... 17

4.2.1微波带通滤波器优化项的确立 .................................. 17

4.2.2确定微波带通滤波器的最有利优化元件 .......................... 18 4.2.3 微波滤波器带通的最终优化 ................................... 19

总结 ............................................................................................................. 22 致谢 ............................................................................................................. 23 参考文献..................................................................................................... 24

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引言

滤波器是最基本的信号处理器件。简单的来讲即滤波器为一种频率选择器件，可以让某一频率或某些频率顺利的传输，而其他的频率加以衰减。滤波器是无线电技术许多设计问题的核心，可利用它们来分开或组合不同频率，比如在变频器、倍频器以及多路复用器中。电磁波频谱是有限的，需要按应用加以分配。而滤波器即可用来限定大功率发射机在规定的频带内辐射，反过来又可以用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。

在微波滤波器理论的研究和发展过程中，许多专家和学者作出了大量的贡献。1915年，美国的Campell和德国的Wagner各自独立的发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现，至50年代无源滤波器日趋成熟。自50年代起，由于计算机、技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器的发展上了一个新台阶，随着通信频率的升高，微波滤波器的应用与研究逐渐兴起。1957年，S．B．Cohn在集总元件低通滤波器原型的基础上第一提出了方便实用的直接耦合腔体滤波器理论； 1969年，R．M．Livingston首次提出了微波滤波器的预失真技术；1980年和1982年R．J．Cameron在网络滤波函数方面做出很大贡献，他在原来切比雪夫函数的基础上提出广义切比雪夫函数，使切比雪夫函数大量的应用到交叉耦合多路滤波网络的综合当中；1985年，AE．Williams为交叉耦合滤波器的预失真作了更为详细的描述及分析；1999—2003年，R．J．Cameron提出并完善了用耦合矩阵来综合微波滤波器的方法；近年来J．S．Hong、M．J．Lancanster、Ming Yu等也在微波滤波器的设计作出非常重要的贡献。

微波滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统必不可少的组成部分，同时也是最为最要、技术含量最高的微波无源器件。随着现代电子科技的发展，可利用的频谱资源日益紧张，因此对滤波器频率选择特性的要求越来越高。为了提高通信容量和避免相邻信道间的干扰，要求滤波器必须有陡峭的带外抑制；为了提高信噪比，要求通带内要有低的插入损耗；而为了减小信号的失真，又要求通带内有平坦的幅频特性和群时延特性；更为重要的是，为了满足现代通信终端的小型化趋势，要求滤波器要有更小的体积与重量，有时滤波器大小甚至比性能更加重要。传统的滤波器设计方法是通过滤波函数得到滤波器的等效集总参数的网络结构——般为k式滤波器或m式滤波器，确定等效集总参数元件的元件值，再通过相应的微波结构来加以实现。这种方法的优点是理论根据简单。它的缺点是在分析过程中没有考虑外接负载的影响，故在具体的设计要求提出后，需要反复试探，才能得到设计结果；这对于缺乏经验的工作人员来说，是颇费时间的。

微波带通滤波器是现代电子系统中的关键部件之一。在实际应用电路中，微带滤波器容易与其它无源微波电路和有源微波电路器件集成，实现微波部件和系统的集成化。所以，这种滤波器在工程设计中被广泛应用。由于微带滤波器采用的是印制工艺制作电路，因此具有很好的重复生产性，能够保证滤波器有很好的一致性。同时，微波带通滤波器在现代的许多通信中应用广泛，很大限度上节省了频率的利用率。所以微波带通滤波器的设计工艺很有利于现在的通信发展。

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第一章 绪论

1.1 课题背景

在我国，随着数字通信技术的发展特别是第三代移动通信与卫星通信的快速发展，对高性能的微波滤波器的需求非常迫切。但微波滤波器常常被误认为是已经很成熟理论和技术，然而实际倩况确恰恰相反，国际上近年来微波滤波器的发展甚至可以用日新月异来形容而不为过。所以国内相应的研究开展却并不广泛，特别是在综合理论方面。原始设计能力差，具体实现过程中需要大量的调试，开发成本高、效率低，使得国内大多数企业不得不依赖进口。因此，为了在滤波器的研发技术上紧跟世界先进水平，缩短设计周期、提高设计精度、降低设计成本，开展有关滤波器综合理论和实现技术的研究是有必要且有重要意义的。

在设计模拟电路时，对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做加重或衰减处理是个十分重要的任务，因此，微波带通滤波器便成为现代电子系统中的一种关键部件，它的好坏直接决定系统的整体性能传统的滤波器设计计算方法比较复杂，而且工作量十分大，而由于现在软件技术的飞速发展，设计手段也变得越来越多，工作效率也越来越高。本设计就是利用AWR公司的软件Microwave Office来进行设计和优化。

微波滤波器是一个由集总元件（电感、电容、电阻）或者分布元件（波导段、微带、鳍线或其他传输媒介）组成的电路，或者是由二者共同按照一种特定结构（拓扑）排列而成，它通过在滤波器带通频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性。用以控制微波系统中某处的频率响应。它允许所需要频率信号以最小可能的衰减通过，同时衰减不需要频率信号。典型的频率响应包括低通、高通、带通和带阻特性。

滤波器响应类型包括巴特沃斯、切比雪夫。每种滤波器都有不同的响应曲线，巴特沃斯滤波器为了最大限度在保证通带内幅度变化小，但牺牲了从带通到阻带的陡峭过渡，被称为“通带最平坦滤波器”。而切比雪夫滤波器从通带到阻带的过渡是非常的陡峭，是一种具有高品质因数的滤波器，在截止频率处非常接近于理想的。但在幅度平坦度和通带插入损耗方面有一定的妥协，频率响应有等幅纹波。所以在设计滤波器的同时需要考虑其响应的类型，根据其不通的参数选用不同的响应曲线。

1.2 Microwave Office微波仿真软件的介绍

Microwave Office(微波办公室)软件由美国AMR公司开发,是进行射频、微波电路设计及仿真的专业软件。它可以进行微波电路的线性、非线性仿真及电磁仿真，对电路进行分析、优化，还可将原理图转换为布线图，最后生成印制线路板图。Microwave Office软件有很直观的用户界面，是进行微波电路的理论研究和工程应用的强有力工具，在通信、电子、航天等领域的各大研究所、公司有广泛的应用。

AWR公司是全球高频电子设计自动化（EDA）工具的领先供应商与行业领跑者，其EDA 产品广泛用于无线通信设备、半导体、高速计算机、网络系统、汽车移动设备系统及其他各种电子产品的设计与仿真。AWR 是总部位于美国加州的跨国企业，在全球各地均设有开发部门、销售部门、

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培训中心和经销渠道。公司最近收购了在模拟和射频（RF）领域专业从事仿真与分析工具软件设计与应用的APLAC公司。APLAC 技术以专业与创新闻名业界，全球超过30%的移动电话RF 集成电路(IC)采用APLAC 的射频设计技术。通过并购，AWR的技术实力再一次得到提升。AWR 公司的产品与技术能够非常有效地帮助设计者大幅提高设计效率，降低成本。AWR 公司不断优化与创新的、具有革命性、瞻性的产品架构和开放式软件平台，充分展现了公司在射频、微波和毫米波设计应用领域的专业技术与多年的经验积累，它将电子设计自动化的效率提高到一个前所未有的高度，从而也使其在市场上处于遥遥领先的位置。

Microwave Office设计套件提供业界最强大、最灵活的射频/微波设计环境。该套件可对所有微波/射频相关产品进行设计和开发，包括单片微波集成电路（MMIC）、低温共烧陶瓷（LTCC）、混合微波集成电路（MIC）、射频集成芯片（RFIC）、多层印制电路板（PCB）、混合信号或高速数字信号的SI 分析。该套件基于统一的设计平台，实现了精度和速度的最优化，并提供前所未有的开放性和交互性，不仅易于使用，还能在设计过程的各个阶段整合业界一流的工具。该套件提供全面的微波/射频设计和分析功能，拥有先进的仿真技术，强大的自动电路提取技术，整合多种仿真工具，具有方便的参扫优化调谐功能。Microwave Office 旨在帮助设计人员提高效率，缩短设计周期，并加速射频/微波产品上市。

Microwave Office适合于线性、非线性以及MMIC等微波电路的设计。软件包括了线性、谐波平衡、时域、EM、以及实际Layout等仿真，将先进的IC及PCB布板编辑工具与电路仿真、噪声仿真、电磁（EM）仿真、Design Rule Checking等工具相结合成为一个完整的整体。Microwave Office软件属于 Microwave Office 2003完全构建在微软Windows环境下，在执行仿真、版图设计以及电磁分析时的速度比一些同类工具要快很多。

Microwave Office引入了许多微波元器件模型，包括集总元件、分布参数元件，各种同轴、波导转接头，有源、无源等器件模型等等。所以，该软件涵盖内容十分广泛，几乎包括了微波设计的所有内容。Microwave Office是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路,用电路的方法来处理较为简便。

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第二章 滤波器的基本概念

2.1滤波器的基本形式

滤波器有低通、高通、带通和带阻四种基本形式，它们的衰减特性如图所示

图2.1.1普通滤波器的特性曲线

理想的低通滤波器在截止频率C以下信号将无衰减地通过，而高于截止频率的信号将被阻断，从通带至阻带的过渡是很陡峭的。高通滤波器使高于其截止频率H的所有信号通过，而阻断所有低于截止频率的信号。带通滤波器将频率在L到H之间的信号通过，而把该通带以外的信号阻断。带阻滤波器阻断频率在L到H之间的所有信号，而使该频带以外的信号通过。

理想滤波器在所需通带内的插入损耗降为零。而在通带以外的其他领域抑制度为无穷大。实际的滤波器与理想的滤波器有较大的差异，特别是没有一个滤波器可以在理想频带内工作。所有的滤波器都有寄生响应，也就是在通带内有抑制作用或者在应为高抑制度的区域却是低损耗。 2.2二端口网络分析

多的微波滤波器和滤波器元件都可以通过一个二端口网络来表示

a1 Ze1 二端口网络 a2 Ze2

b2

b1图2.2.1二端口网络的形式

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对于二端口网络散射参数矩阵，即[S]参数，其定义如下：

b1S11a1S12a2 （2.1）

b2S21a1S22a2 （2.2）

也可写成矩阵形式，即:

b1S11bS221S12a1a （2.3） S222或者简化成 式中，S如下：

bSa （2.4）

S11S21S12称为双端口网络的散射矩阵，简称为S矩阵，它的各参量的意义分别S22b1S11a1S22b2a2a20 表示端口“2”匹配时，端口“1”的反射系数

a10 表示端口“1”匹配时，端口“2”的反射系数

S12S21b1a2b2a1a10 表示端口“1”匹配时，端口“2”到端口“1”的反向传输系数

a20 表示端口“2”匹配时，端口“1”到端口“2”的正向传输系数

可见，S矩阵的各参数是建立在端口接匹配负载基础上的反射系数或传输系数。这样利用网络传输端口的参考面上接匹配负载即可测得散射矩阵的各个参量。在微波滤波器的综合设计中，主要使用的是散射参数S，因为端口反射系数概念清晰，容易测量，端口之间的传输系数就是衰减，便于使用。

对于互易网络：S12S21 对于对称网络：S11S22

对于无耗网络：

SSI

其中，S是S的转置共轭矩阵，I为单位矩阵。

另外，工程上经常用的回波损耗和插入损耗与S参数的关系可以表达为

Lr20lga120lgS11 （2.5） b1第 8 页 共 24 页

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Li20lg2.3滤波器的功率

a1 20lgS21 （2.6）

b2滤波器输入端由信号源激励，输出端接至负载，在滤波器输入平面，功率可以分为三个部分。 ～ RGIG  滤波器 IL RL

图2.3.1滤波器网络的一半形式

信号发生器 滤波器 PmPA PBPL

图2.3.1 计算功率传输的等效电路

如上图方框里面是一个由电抗元件L和C组成的一个二端口网络。设来自新号发生器的入射频率为Pin，返回信号发生器的反射功率为PR,滤波器的吸收功率为PA，负载上的功率为PL.则有：

PinPRPA PLPA （2.7）

如果滤波器是无耗型的，则有PLPA;如果滤波器是无损耗型且没有反射，则有PLPin。当入射功率为信号发生器可以输出的最大功率时，则有：

2VGPin4R （2.8）

GPLILRL （2.9）

PA2ReIGVGIGRG （2.10）

2VG4RGPRReIGVGIGRG （2.11）

式中，Re表示复数实部，引入复数的概念是因为信号在通过滤波器时会对相依产生影响。

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2.4插入损耗和回波损耗

插入损耗用输入功率与传送到负载的功率之比来定义的，在一个特定的频率点的插入损耗IL用dB表示为：

IL10lgPLR （2.12）

回波损耗为输入功率与反射功率之比，表示为

2P2VSWR1RL10lgR10lg10lg （2.13）

PinVSWR1回拨损耗、电压驻波比（VSWR）和反射系数（）三个相关参数，通常用来表征滤波器的反射特性。由于回拨损耗是描述滤波器性能的一个敏感参数，因此滤波器采用这个参数

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第三章 微波带通滤波器的设计

3.1 中心频率的选择

对于微波而言，他的频率范围在300MHz到3000GHz之间，范围很广，然而在3G网络疯狂发展的今天，微波带通滤波器起着至关重要的作用。在国内，中国电信获得的3G频段是1920-1935MHz和2110-2125MHz； 中国移动获得的3G频段是1880-1900MHz和2010-2025MHz；中国联通获得的3G频段是1940-1955MHz和2130-2145 MHz。所以，本设计在这些频段中选一中心频率为1.9GHz，带宽为200 MHz的频率用来设计微波带通滤波器。 3.2 设计方案的确立

滤波器的设计主要有两种方法，在计算机时代以前的传统滤波器转换方法普遍采取低通原型法，这种方法的主要步骤如下：

一般插入损耗法在低通原型滤波器的设计中应用广泛。首先设计原型低通滤波器，其次，根据指定的中心频率或者频带边缘频率，将原型网络转化为所需要滤波器类型，最后用集总或者分布电路原件实现网络。

现在运用计算机，结合数学计算软件和微波仿真软件能很好地实现。另一种方法是软件方法。利用滤波器的微波结构拓扑做成的软件，根据设计指标选择拓扑、仿真参数进行优化调整，获得滤波器。

方案一：采用低通原型法。带通滤波器可以看成是一个低通滤波器和一个高通滤波器的组合，首先确定好低通滤波器的原型，然后通过低通滤波器转换成为带通滤波器。

方案二:采用Microwave Office微波仿真软件自带的Wizards功能通过设置一定的参数，得到滤波器的电路原型然后进行仿真。

本设计采用了这两种方法设计了带通滤波器，第一种方法就是完全采用数学计算，通过确定低通原型滤波器转型为带通滤波器，第二种方法相对简单的多，它完全是通过计算机自带的数学计算工具得到滤波器的电路原型，很方便。 3.3滤波器类型的选择

滤波函数即逼近函数是滤波器综合的理论出发点，并决定了滤波器最终的响应特性，对滤波函数的改进与优化是综合设计的主要研究方向之一。按照滤波器的传输函数类型，可以将滤波器分为巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器。 3.3.1巴特沃斯滤波器

巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最大限度平滑，没有起伏，而在阻频带则逐渐下降为零。 在振幅的对数对角频率的波得图上，从某一边界角频率开始，振幅随着角频率的增加而逐步减少，趋向负无穷大。Butterworth滤波器的振幅平方特性如下所示：

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图3.3.1低通原型的理想化 图3.3.2 最平坦型 其表达式为：

LA(')10lg[1a('2n)]10lg(1ax2n) （3.1） '1式中x'/'1是归一化频率。这个响应在x0处，LA(0)0，其后随x增大而单调增大，在x1(''1)的通带内，曲线增长极其缓慢，比较平稳；在x1(''1)的阻带内，曲线增长甚快，比较陡峭，增长的速率由n来决定，n越大，增长越快。这个函数x，在x0处的一阶导数，二阶导数……直至2n1阶导数均为零，因此反映变化率极小，故叫最平坦响应。式中常数a是由带边x1处的通带最大衰减LAr来决定，称为幅度因子。

LAr为3分贝时，0~'1为3分贝带宽；在LAr为任意分贝数时，0~'1为任意分贝数带宽。通常设计最平坦低通滤波器时，都选取3分贝带宽，故a1，而衰减函数是：

2nLA10lg(1x2n) (3.2)

在x1时，衰减LA变得很大，叫做带外衰减或阻带衰减。设在某带外频率's(即xs)上，带外衰减为LAs，则有LAs10lg(1ax2n)由此求得电抗元件数目n为：

'10LAr/10110LAr1nlg()/2lgxslg()/2lg(s) (3.3)

aa'1若xs1，LAs可近似表示为：

LAs10lg(axs2n)10lga20nlg('s) (3.4) '1由此可见，在带外某频率上，若n越大，则阻带衰减越大；n越小，则阻带衰减越小。在设计低通原型时，带外某频率上的阻带衰减是个预定技术指标，由此可通过(3.3)式求得n。根据衰减函数式，应用双端口网络的综合法，综合时，取a1，sj('/'1)jx，则

LA10lg[1(s2)n] (3.5)

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||2由此求得

11(s2)n(s)1(s2)n2n (3.6)

||2令梯型网络的归一元件值gk为

2n则可求得各归一元件值来。上式叫做本来特公式，表3-1列出n1~8的归一元件值，用它可直接

查得元件值，

表3-1 最平坦低通原型的归一元件值表(LAr3dB,g01,'1,n1~8)

gk(sksnk1)2sin(2k1) (3.7)

n 1 2 3 4 5 6 7 8 g1 2.000 1.414 1.000 0.7654 0.6180 0.5176 0.4450 0.3902 g2 1.000 1.414 2.000 1.848 1.6180 1.414 1.247 1.111 g3 1.000 1.000 1.848 2.000 1.932 1.802 1.663 g4 g5 g6 g7 g8 g9 1.000 0.7654 1.6180 1.932 2.000 1.962 1.000 0.6180 1.414 1.802 1.962 1.000 0.5176 1.247 1.663 1.000 0.4450 1.111 1.000 0.3902 1.000

3.3.2切比雪夫滤波器的原理

切比雪夫滤波器的特点是在过渡带的衰减很快，急剧改变，但是频率响应的幅频特性不够平坦。切比雪夫滤波器和理想滤波器的频率响应曲线之间的误差很小，但是在通频带内存在幅度的波动。既切比雪夫滤波器有等纹波的通带和最大平坦的阻带，其传递函数的振幅平方特性为

图3.3.3切比雪夫型

切比雪夫低通原型的衰减频率响应，其数学表示式为

LA10lg[1aTn2(')]10lg[1aTn2(x)]1' (3.8)

式中Tn(x)是n阶第一类切比雪夫多项式。在x1(''1)处，Tn(1)1,LA(1)LAr是通带最大衰减，因此LAr10lg(1a)，即

a10Lar/101

切比雪夫多项式Tn(x)在x0~1之间是个余弦函数，故衰减在x0~1之间呈现出等波纹变化，最大值为LAr，最小值为零，故LAr是波纹的幅度，而是a波纹因数。a越小，波纹幅度越小。

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在x1区域内，切比雪夫多项式是个双曲线余弦函数，故衰减随x增大而单调增大。设在带外某一频率's(即xi)上，带外衰减为LAr，则有

LAr10lg[1aTn2(xs)]10lg[1ach2(nch1xs)] (3.9)

ch110LAr/101)/a由此可求得电抗元件数目n是 n (3.10) 1chxs当xs1时，Tn(xs)2n1(xs)n，故（3.8）式变为

LAs10lg[a2n1(xs)]10lg(ax)20(n1)lg210lga20nlgxs6(n1)2n2ns (3.11)

把（3.11）式与（1-5）式相比较可知，在相同的a，n和's情况下，切比雪夫型响应阻带衰减要比最平坦型衰减响应为大，也就是说切比雪夫响应的阻带衰减比最平坦响应要陡。在设计切比雪夫低通原型时，LAs和's也是预定的技术指标，由此通过（3.10）式即可计算出n来。

已知衰减函数（3.8）式中的a和n后，应用现代网络综合法，即可直接综合出图1-3的梯型电路及其归一元件值。综合时，令sj'/'1jx，则（3.8）式变为

LA10lg[1aTn2(a/j)]10lg[1aTn2(js)] (3.12)

由此可得

||2211aTn2(js)aTn2(js) (3.13) ||21aTn(js)要求得反射系数(s)，关键问题是求1aTn2(js)0的左半平面的根，因为

aTn2(js)acos2[narccos(js)]1

令arccos(js)1j2，或jscoscos(1j2)，于是上式之解是

aT(js)acosnacos(1j2)acosn1chn2jasinn1shn2j由此得出

2n

cosn1chn20 (3.14) sinnshn1/a12由于chn20，故由（3.14）得知cosn10，即

1(2k1)2n(k1,2,3,...,n) (3.15)

再由（3.14）知，sinn11，故有shn21/a,chn211 a第 14 页 共 24 页

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为了计算出ch2和sh2，我们作e则有

n2chn2shn2111 aae2(1111/n)aa111/n )aae2(1由此输入阻抗即可综合出网络结构及其归一化元件值来。综合结果得出，

g12a1/gk4ak1ak/(bk1gk1)(k2,3,...n) (3.16) g1(n为奇数)2n1th(/4)(n为偶数)式中

LArln(cth)17.37sh(/2n) (3.17) 2k1asin()(k1,2,...,n)k2nb2sin2(k)(k1,2,...,n)kn这些公式计算起来太麻烦，通常都对不同的n和LAr值列出元件值表，以便设计时直接查得。表3-2列出n1~8和LAr0.01dB,0.1dB,0.5dB的归一元件值表。

表3-2 切比雪夫低通原型的归一元件值表（g01,'11,n1~8,LAr0.1dB）

n 1 2 3 4 5 6 7 8 g1 0.3052 0.8430 1.0315 1.1088 1.1468 1.1681 1.1811 1.1897 g2 1.0000 0.6220 1.1471 1.3061 1.3712 1.4039 1.4228 1.4346 g3 1.3553 1.0315 1.7703 1.9750 2.0562 2.0966 2.1199 g4 g5 g6 g7 g8 g9 1.0000 0.8180 1.3712 1.5170 1.5733 1.6010 1.3554 1.1468 1.9029 2.0966 2.1699 1.0000 0.8618 1.4228 1.5640 1.3554 1.1811 1.9444 1.0000 0.8778 1.3554 3.3.4巴特沃斯滤波器与切比雪夫滤波器的比较

滤波器响应类型包括巴特沃斯、切比雪夫。每种滤波器都有不同的响应曲线，巴特沃斯滤波器

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为了最大限度在保证通带内幅度变化小，牺牲了从带通到阻带的陡峭过渡，被称为“通带最平坦滤波器”。而切比雪夫滤波器从通带到阻带的过渡是非常的陡峭，是一种具有高品质因数的滤波器，在截止频率处非常接近于理想的。但在幅度平坦度和通带插入损耗方面有一定的妥协，频率响应有等幅纹波。具体选择那一种只能根据要求来，如果要求阶数低而陡降，且对于通带（阻带）频响要求不高，允许有波动，就选切比雪夫，这是一种低成本截止特性好的选择

在巴特沃兹滤波器中，幅度响应在通带和阻带内都是单调的。因此，若滤波器的技术要求是用最大通带和阻带的逼近误差来给出的话，那么，在靠近通带低频端和阻带截止频率以上的部分都会超出技术指标。切比雪夫型滤波器具有的性质：其频率响应的幅度既可以在通带中是等波纹的，而在阻带中是单调的，也可以在通带中是单调的，而在阻带中是等波纹的。

总之，对于巴特沃斯滤波器的优点是结构简单容易综合，有最小的插入损耗，群时延特性好；缺点是带外衰减下降慢，可实现通带窄，一般只能应用于窄带场合。随着卫星和移动通信中对滤波器要求越来越高，其带外衰减下降慢的缺点越发明显，使得其应用价值在不断下降。而对于切比雪夫滤波器其优点是具有最佳逼近特性，带内等波纹特性使其可实现通带带宽，应用范围广；不足只处主要在通带边沿不够陡峭，且群时延特性一般。所以综上我结合现在通信的快速发展，选择做切比雪夫带通滤波器。

3.4切比雪夫低通滤波器向切比雪夫带通滤波器的转型

本设计选用中心频率为f01.9GHz，其纹波为0.5dB,带宽为BW200MHz。由低通滤波器原型变换为带通滤波器，变换公式为：

fff00 (3.18) cBWf0ff0f1f2 (3.19)

BWf2f1 (3.20)

式中，f0、f及BW分别为中心频率0、频率变量和带宽；f1和f2为频带边界频率。 2 对于低通原型中的串联电感和并联电容，运用频率变换后得到

LkgkZ02BW，Ck （串联调谐串联原件） (3.21) 22BWgkZ00

Lk2BWZ0gk， （并联调谐并联原件） (3.22) Ck22BWZ0gk01 LkCk第 16 页 共 24 页

2式中 0 陕西理工学院毕业设计

第四章 基于Microwave Office软件的微波带通滤波器的实现

4.1微波带通滤波器的电路图成型

在利用Microwave Office微波仿真软件进行微波带通滤波器电路图的成型时有两周方法。第一种就是通过计算确定好滤波器的阶数、组合方式及各个元件的参数时，通过建立新一个原理图窗口，在ELEMENTS里面选中自己所需要的器件进行连接即可。这其中需要注意的是当自己有部分元件在元件库中找不到的时候需要连网找到自己需要的器件。在连接好所有的元件图之后，再根据所每个元件的参数大小给每个元件设置好参数。第二种方法比较简单，只需要通过该软件的一个自带的Wizards功能就可以得到所需要的滤波器电路原型。在这其中需要设置好滤波器的类型、上下频带、纹波、阶数、及带内传输系数的大小以及滤波器的组合方式即可。得到的初步图形如下图：

图4.1.1 带通滤波器电路图

4.2微波带通滤波器的优化 4.2.1微波带通滤波器优化项的确立

切比雪夫滤波器的最大的特点就是在截止频率变化急剧增加，也就是在截止频率S21急剧的陡峭，保证滤波器在该频率点起到滤波的作用。所以我们应该设置在通带内让反射系数尽量的小，而传输系数尽量的大。一般地，通带内我们要保证带内反射系数S11尽量小于20dB。因为如果

20lgS1120则可以得到S110.1，这对于滤波器相对来说还是较大的。同时在阻带的中要让传

输系数尽量的小，而反射系数尽量的大以达到阻止频率的效果。优化项如下图所示：

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图4.2.1滤波器仿真添加优化项

图4.2.2 滤波器的优化项目

4.2.2确定微波带通滤波器的最有利优化元件

因为滤波器的电路图中有多个元件，每个元件的参数改变都会使仿真的结果产生变化，但是确立的优化元件越多，实现优化的结构就会越慢，这样很消耗时间，更不能达到最终的效果，所以要确定两个最能影响滤波器的两个元件的参数值最为最终的变量参数，这样可以更快的达到优化。

通过F9可以直接出来一个对话框，该对话框可以通过调节各个元件的参数值，观察它们对滤波器仿真结果的影响，这样来确定两个最能改变滤波器仿真结果的参数。以供下一步的优化设置。该对话框如下图所示：

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图4.2.3元件参数调节对话框

4.2.3 微波滤波器带通的最终优化

在选定好变量参数之后即可进行滤波器的最终优化，首先打开优化对话框设置好优化参数如下

图所：

图4.2.4 滤波器的优化对话框

在Variables中设置好优化参数，将变量参数后面加上勾，其他的元件参量保持不变。在该设计中最终确定的优化参量为L2和C2。如下图所示：

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4.2.5滤波器变量参数的设定

在参数设定好了之后，滤波器的电路图中既可以看到变量元件的参数变成蓝色，而其他的保持不变。如下图所示：

图4.2.6 滤波器原理图元件参数的变化

在设定好了优化项目和优化参数之后，就可以开始最终的优化，可以将优化次数改变到自己能接受的值，比如5000次。同时设置好在Cost值最小的时候保存，然后点击Sart开始优化。在优化的过程当中，变量参数会一直改变，而仿真结果也会一直在改变，而Cost的值也会一直的变化，它的值表征着滤波器的优化进度，它的值越大则表示滤波器越不满足滤波器的要求，反之它的值越小则表示滤波器的结果越接近滤波器的优化要求。在优化结束的时候，仿真图都会停留在Cost值最小的时候。最终的优化结果如下图所示：

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图4.2.7 滤波器的最终优化结果

4.3小结

这次滤波器优化设计之后，由以下一些总结：

1. 微波滤波器的设计不能脱离理论知识的指导，首先必须从理论出发，选择合适的电路，合

适的滤波器类型，适当的电容电感值，然后结合实际使得微波滤波器的设计周期短，设计精度高，陈本低等等。微波滤波器在国内的研究发展相对较晚，仍然有许多工作要做。 2. 在优化过程中要合理的设定优化目标，不能盲目的将所有的元器件一起优化，这样会使得

优化的时间很漫长，应该从所有的优化参数中选定最能表征滤波器仿真的元件来优化，这样会使得优化简洁。

3. 在采用低通原型法设计微波带通滤波器的时候，一定要注意各个公式的运用，对于不同的

级联方式，需要选择不通的运算公式。

4. 在优化中一定要注意滤波器的散射参量的变化，比如在带内插入损耗不得大于-20dB，因为

在运用公式计算之后得到S11的值会很大，这样在实际当中是不满足的。

5. 微波带通滤波器的传统设计方法大多是通过计算查表和曲线拟合来完成的，工作量大，而

且设计的精度不高。而本文采用的Microwave Office软件很简单方便，不用查表和计算。直接就可以对微波带通滤波器进行设计、仿真和优化，大大的提高了设计的精度和设计的效率。经过最终的设计优化结果表明采用Microwave Office微波仿真软件设计微波带通滤波器的可行性、有效性和高效性。

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总结

时光飞逝，为期两个多月的毕业设计就要结束了，在这漫长而又短暂之中，通过自己不断地学习，不断地努力与拼搏、不断地对新知识的追求与索取、不断地自我发现、感到自己的知识结构水平提出高了许多，对知识的掌握程度也加深了许多，对知识之间的相互联系也有了更深的了解；通过不断地提高自己的认识水平与能力、不断地学习新方法、新思想、新的思维方式、不断地改变自己的人生观和方法论、感到自己不但成长且成熟了许多；通过不断地把课本知识应用于实际，不断地把查阅到的资料与文献中有用的东西应用于实现，不断地把所学的理论与方法应用于设计之中，从而提高了自己理论联系实际的能力。

通过这两个多月的毕业设计，把所学过的各种知识进行了一次全面而系统的综合，并融会贯通，把所学到的各种理论与思想进行可一次合理的应用，把所查阅到的各种文献及与设计相关的资料进行了合理的提取与分析，并应用到实际。这不但增强了自己的知识结构，同时对所学过的各种理论知识与专业知识进行了一次全面的终结。由于不断的上机操作与实践，不但加强了自己动手能力，同时对一些计算机软件的应用有了一定的掌握与理解，并加强了网上学习和查阅资料的能力。在做毕设的过程中耶让我认识到硬件与软件的差别，只要软件代码写好了在仿真软件上就可以实现所要求的功能，而硬件却不同，由于连线不对或选择的器件不对可能就不能实现要求的功能，当然做硬件的时候需要我们耐心仔细的检查硬件电路，逐一地去排查问题。

毕业设计是对大学所学课程的一个高度的综合，无论是基础知识还是专业知识都被设计统一起来，使零散的知识系统化，形成了一种能力，这也是毕业设计所要达到的目的。这也为我们走入社会打下一个良好的基础，为走入社会对知识与理论的应用做了一个好的铺垫。人生的路是漫长而曲折的，在这漫长而曲折的道路上需要自己的不断努力与拼搏。作为即将离校的学生，走出校门就站在另一个人生起点上，还有很长的路要走，这必须有足够的勇气与自信去迎接挑战，克服困难，创造奇迹。特别对未来要充满期盼，充满希望，要微笑着走人生的每一步。“路漫漫其修远兮，我将上下而求索”。

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致谢

本文是在导师聂翔教授的精心指导下完成的。聂老师渊博的学识、严谨的治学态度、丰富的实践经验、对学科发展方向的敏锐眼光给予了我极大的启迪和引导。导师在我的专业课学习、研究课题选题、研究方法、论文写作等方面都进行了有益的指导，学习上对我严格要求，并创造了自由、和谐的学术气氛，提供了优越的工作环境，使本文得以顺利完成。同时感谢聂老师对我生活上无微不至的关心和照顾。聂老师的敬业精神和忘我工作使我受到极大的教育。在此，我向聂老师表示最诚挚的谢意和最崇高的敬意。特别感谢龙光利教授和贾建科老师，感谢他从本科开始就教授我专业课的学习，并在我有疑问的时候，给予耐心和透彻的指导。他们给了我很多无私的帮助，在学习中给了我很大的启发，特别感谢聂老师百忙之中抽出时间审阅了论文初稿，给我提出了很多宝贵的建议，帮助我更好的完成了论文。感谢XXX、XXX等同学在学习和工作上给我的帮助。感谢XX、XXX等同学在生活上的互相照顾，他们让我的生活更加的丰富多彩。

感谢所有参考文献的作者们，他们的辛勤工作和成果给了本文工作以极大的帮助和启发。 深深感谢我的敬爱的父母，他们是我工作和学习的最大支持。

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参考文献

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