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实验四射频微波滤波器的设计仿真与测试

一、实验目的

1.掌握低通原型滤波器的结构；

2.掌握最平坦和等波纹型低通滤波器原型频率响应特性；

3.了解频率变换法设计滤波器的原理及设计步骤；

4.了解利用微带线设计低通、带通滤波器的原理方法；

5.掌握用ADS进行微波滤波器优化仿真的方法与步骤。

二、滤波器原理

2.1滤波器的技术指标

滤波器的技术指标有：中心频率，通带最大衰减，阻带最小衰减，通带带宽，

插入损耗、群时延，带内纹波，回波损耗、驻波比。

2.2插入衰减法设计滤波器

插损法是一种系统的综合方法，可高度地控制整个通带和阻带内的幅度和相

位特性，可以计算出满足应用需求的最好响应。如要求插损小，可用二项式响应；

而切比雪夫响应能满足锐截止的需要；若可牺牲衰减率的话，则能用线性相位滤

波器设计法获得好的相位响应。插损法使滤波器性能提高的最为直接的方法便是

增加滤波器的阶数，滤波器的阶数等于元件的个数。

2.3集总元件低通滤波器原型

最平坦响应滤波器设计

切比雪夫滤波器设计:

2.4滤波器的设计步骤

（1）由衰减特性综合出低通原型；

（2）再进行频率变换，变换成所设计的滤波器类型；

（3）计算滤波器电路元件值(集总元件)；

（4）微波结构实现电路元件，并用微波微波仿真软件进行优化仿真。

三、集总参数滤波器

3.1设计一LC切比雪夫型低通滤波器，截止频率为75MHz，通带内衰减为3dB，

波纹为1dB，频率大于100MHz，衰减大于20dB，Z0=50Ω。

原理图：

仿真波形：

四、微波滤波器的实现

微波频率下的集总元件滤波器会出现两个问题：

第一，集总元件如电感或电容仅有有限值可供选择，且在微波频率下会存在

不可避免的寄生频率效应；

第二，滤波器中各元件间的距离不可忽略。

4.1设计最平坦响应低通滤波器，通带内波纹系数小于2，截至频率4GHz，8GHz

处插入损耗必须大于15dB，阻抗50。

原理图：

由于电路工作频率高，不宜采用集总元件，需转换为分布参数元件。转换分

为三步：

（1）根据Richards变换，电容、电感转换开路、短路短截线。

（2）根据Kuroda等效，串联短截线转换为并联短截线。

（3）选择微带线参数（厚度、介电常数及介质损耗等），由计算的特性阻抗确定

各部分微带线尺寸，进行电路仿真。

最终的电路：

最终的仿真结果：

4.2设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带3.0－3.1GHz，带内衰

减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反

射系数小于-20dB。

原理图：

版图仿真图：

4.3作业：对下面结构的微带支节低通滤波器的两种设计进行原理图和版图仿真，

并分析其特性。

4.3.1设计1

原理图：

仿真结果：

版图：

版图仿真结果：

4.3.2设计2

原理图：

仿真结果：

版图：

版图仿真结果：

比较两个设计的仿真图，可以看出，设计2比设计1有更好的低通滤波效果。

4.4设计一平行耦合线带通滤波器，其设计指标为：通带3.0－3.1GHz，带内衰

减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反

射系数小于-20dB

原理图：

版图：

五、滤波器的测量--AV36580A矢量网络分析仪

测滤波器在2.1-2.6GHz的回损和频率响应及3dB带宽，实验波形记录如下：

S11对数幅度：

支路1频率响应及相移：

2频率响应及相移：

数据记录如下：

2.12.152.22.2252.252.2752.32.35

回损(db)-0.56-0.53-1.46-15.6-15.8-13.2-5.52-0.83

频响(dB)-57-51.1-47.9-44.7-53.9-51.9-59-46.8

相移-71.8-108-164107.7-10.4-158