微波双频带通滤波器的仿真设计(2)

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1引言

科技的快速发展将人类带到了一个信息化的时代，通信领域的信息传递经历了从电话线、光纤等导线作为通信传输信息的有线传输到依靠电磁波在空间内传播信息的无线传输，从固定电话到手机电脑，从低频段到高频段的巨大变化。信息和通信已经成为当今社会人们主要的交流通道，无线通信不但有着巨大的发展空间同时对社会的发展及人类的进步存在着巨大的影响。无线通信领域主要应用的是射频信息传输系统，而很多种无线通信领域都会应用此类系统结构来传输信息。其功能模块主要由射频滤波器、射频放大器、射频振荡器及混频器等构成。

随着通信技术的迅猛发展和通信业竞争的加剧，在射频微波系统中，尤其是在无线通信系统中，对滤波器性能指标提出了越来越高的要求。以前的滤波器只能实现单一频段的信息传输，不但造价昂贵且结构单一，不能实现多用途信息传输。能用一个器件实现两个器件的工作，这当然能节省不少资源和经费，双频带滤波器就是应这种需求而出现的。

为了充分利用现有的频谱和基础资源，在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段的途径之一，就是研究和开发高性能的双频段微波滤波器。滤波器作为现代通信设备不可缺少的关键器件之一，能有效滤除各种无用信号及信号噪声，降低各通信频道间的信号干扰，保障通信设备的正常工作，实现高质量通信，进而达到频谱资源的有效利用。虽然滤波器的基本概念很经典，但滤波器的结构、功能日新月异，随着材料、工艺和要求的发展，滤波器永远是微波领域内一种十分活跃的元件。因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。

最早的双频带滤波器的设计思路是通过直接级联两个单频带的带滤波器来实现的。但这种设计存在缺陷，直接级联带来的后果就是高插入损耗和巨大的体积，为了减少插入损耗和减少体积，这需要设计一个具有双频带特性的电路。虽然在国外对双频滤波器的研究挺多的，但在国内就目前来说还是很少的。在网上虽然能找到一些关于双频滤波器的研究资料，但是很难找到微波双频带通滤波器的研究资料，所以对于双频带通滤波器的设计研究还是有重要的意义和存在价值的。

本文详细介绍了一种双频带通滤波器的设计方法。考虑到滤波器的实用性，本次设计采用常用的两个频率，一个是1.227GHz一个是1.575GHz,之所以选择这两个中心频率，是因为这是GPS通信的两个中心频率，而且无线通信在生活中的比重越来越大，所以对于双频滤波器的研究是很有意义的。该方法首先运用分立元件通过两次频率变换由一个低通原型滤波器变换成为双频带通滤波器，然后通过电路转换，引入导纳倒置变换器，将电路简化成为只有导纳倒置变换器和串联LC谐振器的双频带通滤波器。最后通过微带线转化变成微波双频带通滤波器。

本文采用ADS软件,通过ADS进行仿真和优化，验证所设计的微波双频带通滤波器的准确性。 ADS(Advanced Design system)高级系统设计是一种支持模块到系统的由美国安捷伦公司开发的一种微波仿真软件，由于其仿真功能强大且丰富多样，是当今通信系统中设计射频和微波电路中非常优秀的仿真软件。它能够实现包括时域频域、数字模拟、线性和非线性等很多方面的计算及仿真，并能够优化设计结果，设计的版图转化成品的性能分析等。我们采用ADS软件设计的原因是ADS软件可以使复杂电路变得简单化，提高设计效率，缩短设计时间。

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ADS软件一个功能十分强大的射频自动化设计软件工具，该软件便于与其他软件连接，便于与测试设备连接，便于与厂商元器件模型之间的沟通，并提供丰富的仿真功能，实业界首选的视频自动化软件设计平台。因此深受广大电子工程设计师们的喜爱。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真 (SPICE-like Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真 (EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)、数字信号处理仿真设计（DSP）；ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。

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2 微波滤波器基本原理

2.1 滤波器简介

微波滤波器就是一个二端口网络，滤波器在通带内提供信号传输，在阻带内提供信号衰减特性，用来控制微波系统中某处的频率响应。当一个端口输入一个具有均匀功率的频域信号，信号通过网络，在其另一个端口的匹配负载上得到的功率谱不再是均匀的，也就是说，在通过网络的时候有一定的选择性，这个二端口网络就是一个滤波器。

滤波器的频率选择特性可以通过滤波器的衰减特性函数来表示： LA?10lg[2]

pindB （2.1） pL按照衰减特性的不同滤波器可以分为四大类，分别为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器，四种滤波器的衰减特性如图2.1所示。

(a) (b)

(c) (d)

图2.1 滤波器的理想衰减特性（a）低通（b）高通（c）带通（d）带阻

图2.1显示的是理想滤波器的衰减特性，通带内的衰减为零，阻带内的衰减则为无穷大。这种特性对于在现实生活中用有限个元件的阻抗网络来说是不可能实现的。在滤波器通带和阻带的交界处，衰减特性不可能从零处瞬时突变到无穷大。实际上的滤波器的特性只能是接近于理想滤波器的衰减特性。最常用的有三种，其对应的滤波器分别是巴特沃士式、切比雪夫式和椭圆函数式。 2.2 滤波器的基本类型 2.2.1 巴特沃士滤波器

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巴特沃式低通原型滤波器频率响应的函数表达式为

Lp(?)?10lg(1???) （2.2）

Lpc22n在公式（2.2）中 ??1010?1是波纹常数，???是低通原型滤波器的归一化角频率， ?c式中n表示低通原型滤波器的级数。其对应的频率与衰减响应曲线如图2.2所示。

图2.2 巴特沃士低通滤波器原型的衰减特性

图2.2中Lp为滤波器通带内的最大衰减，?c为滤波器通带截止频率，LS为滤波器阻带最小衰减，?s为滤波器阻带边频。巴特沃士滤波器的衰减特性规律为衰减变量L随着频率变量的增大而单调增大，同时滤波器通带内显示非常平坦，变化也比较平缓，位于通带与阻带中间的过渡带太宽，阻带的抑制不是太好。 2.2.2 切比雪夫滤波器

切比雪夫低通原型滤波器的频率响应的函数表达式为

Lp(?)?10lg{1??cos[ncos](?)}， ?≤1 （2.3-a） Lp(?)?10lg{1??cosh[ncosh(?)]}，?>1 （2.3-b） 式中?、?与巴特沃士滤波器的表示相同，切比雪夫低通原型的衰减特性曲线如图2.3所示。

图2.3 切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性

22?122?1[4]

相较于同等阶数而言，比较图2.2与图2.3，可以得出切比雪夫式的滤波器由通带到阻带的过渡

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段的衰减曲线比拥有最平坦式的巴特沃士式滤波器要陡峭得多，所以可以更好的抑制阻带，但这也是有代价的，它通带内显示不够平坦，出现了波纹。因为切比雪夫式的滤波器的边带特性比较好，虽然在通带内有些许波动，但是在一般情况中，因为是等波纹的特性，且可以设置在允许的误差范围之内，滤波器的电路结构也相对容易实现，所以可以选择切比雪夫式的滤波器作为低通原型滤波器。

2.2.3 椭圆函数滤波器

椭圆函数滤波器的低通原型频率响应函数表达式为

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当n≥3为奇数时 （2.4-a） Lp(?)?10lg{1??2[Mn/2i?1]2}

2(n?1)/2?(?2sn/22i??2)?(?i?1/?i2??2)?(?? 10lg{ L p ) 1 ? ? [ N ( n ?1 ) ] } 当n≥3为奇数时 （2.4-b） /2i?222(???)?i2s2

?(?i?1/?i2??2)公式中01表示为临界频率，M和N是由滤波器的特性所决定的待定常数。其所对应的衰减特性曲线如图2.4所示。

图2.4 椭圆函数低通原型滤波器的衰减特性

从上图可以看到，椭圆函数式滤波器在通带内与阻带内都拥有等波纹的特性。比较图2.2、图2.3和图2.4，可以看出椭圆函数式的滤波器在过渡带内边带特性是最陡峭的，因此具有最良好的频率选择特性，但是网络传输的零点不再位于无穷远处，所以不能用梯形网络来实现。而在实际应用当中，由于椭圆函数实现起来较为复杂，通常很少用来作为低通原型。 2.3 频率变换

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