微帶濾波器的設計優化

微波濾波器是用來分離不同頻率微波信號的一種器件。它的主要作用是抑制不需要的信號, 使其不能通過濾波器, 只讓需要的信號通過。在微波電路系統中，濾波器的性能對電路的性能指標有很大的影響，因此如何設計出一個具有高性能的濾波器，對設計微波電路系統具有很重要的意義。微帶電路具有體積小，重量輕、頻帶寬等諸多優點，近年來在微波電路系統應用廣泛，其中用微帶做濾波器是其主要應用之一，因此本節將重點研究如何設計并優化微帶濾波器。

　　1 微帶濾波器的原理

　　微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過低通濾波器的原型轉化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯短截線或是短路串聯短截線來代替集總元器件的電容或是電感來實現濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由于它設計簡單，因此在某些地方還是值得應用的。

　　2 濾波器的分類

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

　　按濾波器的頻率響應來劃分，常見的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及橢圓型等;按濾波器的構成元件來劃分，則可分為有源型及無源型兩類;按濾波器的制作方法和材料可分為波導濾波器、同軸線濾波器、帶狀線濾波器、微帶濾波器。

　　3 微帶濾波器的設計指標

　　微帶濾波器的設計指標主要包括：

　　1絕對衰減(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點頻率。

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

　　6微分時延(differential delay)：兩特定頻率點群時延之差以ns計。

　　7群時延(Group delay)：任何離散信號經過濾波器的時延(ns)。

　　8插入損耗(insertion loss)：當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB

　　9帶內波紋(passband ripple)：在通帶內幅度波動，以dB計。

　　10相移(phase shift)：當信號經過濾波器引起的相移。

　　11品質因數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(shape factor)：定義為。

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

　　工程應用中，一般要求我們重點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、通帶內相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標，決定了濾波器的性能和種類(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;群時延是指網絡的相移隨頻率的變化率，定義為 dU/df ，群時延為常數時，信號通過網絡才不會產生相位失真;寄生通帶是由于分布參數傳輸線的周期性頻率特性引起的，它是離設計通帶一定距離處又出現的通帶，設計時要避免阻帶內出現寄生通帶。

　　4 微帶濾波器的設計

　　本小節設計一個微帶低通濾波器，濾波器的指標如下：