微波濾波器是用來(lái)分離不同頻率微波信號(hào)的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號(hào)， 使其不能通過(guò)濾波器， 只讓需要的信號(hào)通過(guò)。在微波電路系統(tǒng)中，濾波器的性能對(duì)電路的性能指標(biāo)有很大的影響，因此如何設(shè)計(jì)出一個(gè)具有高性能的濾波器，對(duì)設(shè)計(jì)微波電路系統(tǒng)具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)在微波電路系統(tǒng)應(yīng)用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應(yīng)用之一，因此本節(jié)將重點(diǎn)研究如何設(shè)計(jì)并優(yōu)化微帶濾波器。

1 微帶濾波器的原理

微帶濾波器當(dāng)中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類(lèi)型的濾波器可以通過(guò)低通濾波器的原型轉(zhuǎn)化過(guò)來(lái)。最大平坦濾波器和切比雪夫?yàn)V波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡(jiǎn)單的濾波器就是用開(kāi)路并聯(lián)短截線(xiàn)或是短路串聯(lián)短截線(xiàn)來(lái)代替集總元器件的電容或是電感來(lái)實(shí)現(xiàn)濾波的功能。這類(lèi)濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿(mǎn)足所有的應(yīng)用場(chǎng)合，但是由于它設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，因此在某些地方還是值得應(yīng)用的。

2 濾波器的分類(lèi)

最普通的濾波器的分類(lèi)方法通常可分為低通、高通、帶通及帶阻四種類(lèi)型。圖12.1給出了這四種濾波器的特性曲線(xiàn)。

按濾波器的頻率響應(yīng)來(lái)劃分，常見(jiàn)的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等；按濾波器的構(gòu)成元件來(lái)劃分，則可分為有源型及無(wú)源型兩類(lèi)；按濾波器的制作方法和材料可分為波導(dǎo)濾波器、同軸線(xiàn)濾波器、帶狀線(xiàn)濾波器、微帶濾波器。

3 微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

微帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)主要包括：

1絕對(duì)衰減（Absolute attenuation）：阻帶中最大衰減（dB）。

2帶寬（Bandwidth）：通帶的3dB帶寬（flow—fhigh）。

3中心頻率：fc或f0。

4截止頻率。下降沿3dB點(diǎn)頻率。

5每倍頻程衰減（dB/Octave）：離開(kāi)截止頻率一個(gè)倍頻程衰減（dB）。

6微分時(shí)延（differential delay）：兩特定頻率點(diǎn)群時(shí)延之差以ns計(jì)。

7群時(shí)延（Group delay）：任何離散信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器的時(shí)延（ns）。

8插入損耗（insertion loss）：當(dāng)濾波器與設(shè)計(jì)要求的負(fù)載連接，通帶中心衰減，dB

9帶內(nèi)波紋（passband ripple）：在通帶內(nèi)幅度波動(dòng)，以dB計(jì)。

10相移（phase shift）：當(dāng)信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波器引起的相移。

11品質(zhì)因數(shù)Q（quality factor）：中心頻率與3dB帶寬之比。

12反射損耗（Return loss）

13形狀系數(shù)（shape factor）：定義為 。

14止帶（stop band或reject band）：對(duì)于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點(diǎn)（如60dB點(diǎn)）的帶寬。

工程應(yīng)用中，一般要求我們重點(diǎn)考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內(nèi)相移與群時(shí)延、寄生通帶。前兩項(xiàng)是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，決定了濾波器的性能和種類(lèi)（高通、低通、帶通、帶阻等）；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小；群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)才不會(huì)產(chǎn)生相位失真；寄生通帶是由于分布參數(shù)傳輸線(xiàn)的周期性頻率特性引起的 ，它是離設(shè)計(jì)通帶一定距離處又出現(xiàn)的通帶，設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。

4 微帶濾波器的設(shè)計(jì)

本小節(jié)設(shè)計(jì)一個(gè)微帶低通濾波器，濾波器的指標(biāo)如下：

通帶截止頻率：3GHz。

通帶增益：大于-5dB，主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

阻帶增益：在4.5GHz以上小于-48dB，也主要由濾波器的S21參數(shù)確定。

通帶反射系數(shù)：小于-22dB，由濾波器的S11參數(shù)確定。

在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，我們主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)。S21（S12）是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現(xiàn)在S21（S12）隨頻率變化的曲線(xiàn)上。S11（S22）參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，如果反射系數(shù)過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致反射損耗增大，影響系統(tǒng)的前后級(jí)匹配，使系統(tǒng)性能下降。

了解了濾波器的設(shè)計(jì)原理以及設(shè)計(jì)指標(biāo)后，下面開(kāi)始設(shè)計(jì)微帶低通濾波器。

4.1建立工程