李盼盼
摘要：近几年随着商用无线通信的迅猛发展，射频/微波电路越来越得到重视和发展。而微波滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端，低通滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏。因此，发展高性能，研究小型化的微波滤波器是当前非常受关注的课题。 本文首先介绍了微波滤波器在微波通信中的作用和当前的研究情况。然后借助HFSS软件对设计的微带低通滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较理想的微带线阶梯阻抗低通滤波器。测试结果与仿真结果基本相同。该滤波器3dB的截止频率为2.454GHz，带内衰减小于3dB，4GHz以上衰减大于20dB。电路尺寸大小为98.2mm*13.2mm*0.762mm。
关键词：微带线；阶梯阻抗；低通；HFSS
Abstract：In recent years，along with the high development of wireless communication in business，Microwave RF circuit has been attracted more and more attention and also got many achievements. At the same time，as one of the important microwave components，the microwave filters also developed rapidly in recent years. Especially，the microwave LPF directly influences the Performances of the rec
eivers. So，develop high Performance，study miniaturized microwave filter is a hot topic in nowadays.
At first，this paper introduces the function in the microwave communication and the current state of studying of microwave filters. Then stimulated and optimized the designed microstrip LPF with the help of software HFSS. A good performance microstrip stepped-impedance lowpass filter was completed finally. Simulation and measurment indicate that the simulated and measured results are in good agreemeet. A filter with 3dB cutoff frequency at 2.454GHz, in the belt weakens is smaller than 3 dB and 4GHz weakens is bigger than 20dB. The proposed filter exhibits a small size 98.2mm*13.2mm*0.762mm.
Key Words：microstrip; stepped-impedance; lowpass; HFSS
1.引言
滴胶卡制作
当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，而滤波器在无线通信技术中扮演着举足轻重的地位，其性能也随着通信技术的快速发展而不断的进步。微波滤波器已经成为通信电路和其他电子设备中一个必不可少的器件，滤波器的质量将直接影响着通信系统的好坏。因此，国内外对滤波器的研究工作越来越重视[1]。
SIR是指由两个以上具有不同特征阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器[2-3]。阶梯阻抗谐振器(stepped impedeance resonator)SIR结构的特点就在于通过改变其阻抗比，可以减小尺寸[4]。因此，相对于其他滤波器结构，SIR 滤波器具有更加紧凑的电路结构。尺寸小，而且结构简，设计灵活度大[5]。
在射频和微波电路中最常选用的是带状线和微带线谐振器。由于它们具有小的尺寸、通过光刻技术易于加工、与其他有源电路元件的易于兼容等优点，许多电路使用此类谐振它们的另一大优势是能通过采用不同的衬底材料而在很大的频率范围内得以应用[6-7]。均匀阻抗谐振器(UIR)目前广泛应用于滤波器的设计中，但是它存在很多缺点，需要进一步改进。阶跃阻抗谐振器(SIR)是基于UIR的基础之上，许多SIR的理论和设计理念都是源于UIR，是UIR的扩展，可以实现许多UIR所不能实现的目的[8-9]。现在，由于阶梯阻抗谐振器的几何形状多变并且可以自由，灵活地组合，这使得设计滤波器时，在结构和性能方面多了许多设计的自由度[10-11]。
2. 微带滤波器
2.1 滤波器的基本知识
滤波器的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，而只让需要的信号通过，因此滤波器是一种具有频率选择作用的二端口网络。
最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图2-1给出了这四种滤波器的理想特性曲线。按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅰ型及椭圆型等，其中最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型[12]。按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两；按滤波器的制作方法和材料可分为波导器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器[13]。当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。
2.2 滤波器的主要技术指标
理想的滤波器应具有如下特性：在通带范围内它可使微波信号完全被传输，而在阻带范围内它将使微波信号完全不能被传输。但实际滤波器的衰减特性不可能是理想的，在滤波器的通带内的衰减不可能每一处均为零，在截止频率处的衰减也不可能从零突变到无穷大。那是因为滤波器是有电抗元件所构成且这些电抗元件都是频率的连续函数，是不会在某一频率上发生突变的。实际滤波器的衰减特性通常用近似曲线逼近，滤波器元件数目越多，其衰减特性就越逼近理想特性。衡量滤波器性能的主要技术指标[17-19]有：
（1）截止频率ωC（对低、高通滤波器而言）或中心频率ω0和通带边频ωC1、ωC2（对带通、带阻滤波器而言）。
（2）通带内允许的最大衰减L P：已知网络的衰减通常包括反射衰减和吸收衰减两部分。由于滤波器由纯电抗元件组成，所以在滤波器中，衰减就是指反射衰减。
（3）阻带内最小衰减L S及其相应阻带边频ωS：这两个数值能表示出衰减特性曲线的陡峭程度。当ωS一定时，L S越大，表示衰减曲线越陡；L S固定时，ωS离ωC越近，则衰减曲线越陡。
（4）寄生通带：即阻带内出现的不希望有的通带，由于微波滤波器是由分布参数元件组成的，这些元件的参数随着频率而改变，且不仅数值变化，性质也会发生变化，即由感性电抗变成容性电抗，或相反。因此，在原来阻带范围内有可能出现通带，通常把这种阻带内出现的通带称为寄生通带。在设计中应使寄生通带避开需要抑制的频率。
（5）插入损耗（Insertion Loss，简称IL）；在理想的情况下，插入射频电路中的滤波器，不应该在其通带内引入任何功率损耗。然而，在现实中，就像我们无法消除误差一样，我们是没有办法消除滤波器固有的、某种程度的功率损耗的。构成滤波器的电感、电容等元件、介质的不理想引起电阻性损耗和滤波器的回波损耗一起构成了滤波器通带内的最大损耗。插入损耗一方面限定了滤波器的工作频率，另一方面也限定了两端口处的阻抗值。插入损耗描述的是功率响应幅度与0dB基准之间的差值。
（6）波纹系数：表示的是通带内信号响应的平坦程度，其值是响应幅度的最大值与最小值之差；通带内的纹波是越小越好，这样，通过滤波器的不同频率信号的功率信号的起伏就不会太大。
（7）带外抑制：规定滤波器在什么频率上会阻断信号，是滤波器特性的矩形度的一种描述形式。也可用带外滚降来描述，就是规定滤波器通带外每多少频率下降多少分贝，滤波器的寄生通带损耗越大越好，也就是谐振电路的二次、三次等次谐振峰越低越好。
3. 阶梯阻抗微带低通滤波器设计
3.1 设计指标
（1）截止频率fc=2.5GHz；
（2）4GHz时衰减大于20dB；
（3）端接条件：两端均为50Ω的微带线，用低阻抗线20Ω代替电容，用高阻抗线120Ω代替电感；
（4）采用最大平坦低通原型滤波器来设计；
（5）基板：Taconic TLX(tm)，εr=2.55，H=0.762mm。
根据设计指标，采用最大平坦低通原型滤波器来设计。由相应的最平坦滤波器原型的衰减与归一化频率的关系曲线确定其阶数为6，根据基本计算公式可得出，6阶最大平坦滤波器低通原型元器件值为：
g 1=0.5176；g
2
=1.4142；g
3
=1.9318；g
4
=1.9318；g
5
=1.4142；g
6
=0.5176；g
7
=1(两端）低频声波吹灰器
由以上计算分析可得阶梯阻抗该低通原型电路如图3-1所示，其中（a）为原型元器件值构成的低通滤波器，（b）为微带线阶梯阻抗低通滤波器。
(a)
(b)
图3-1 阶梯阻抗低通滤波器的示意图
（4）在各节相移和各节特性阻抗阻抗确定的条件下，用ADS工具Linecalc得到初始尺寸，初始尺寸如表3-1
表3-1 微带线的尺寸
节等效元器件特性阻抗相移微带线宽度微带线长度
1系统阻抗50Ω900 2.12mm20.59mm
2并联电容20Ω 11.807.2mm 2.59mm
3串联电感120Ω 33.800.36mm8.11mm
3.2 圆极化微带天线的仿真优化设计
基于以上理论获得的初值 ，在Ansoft 公司的HFSS 软件中进行仿真与优化，画出仿真模型，如图3-2。仿真得最初结果如图3-3所示。
图3-2 阶梯阻抗微带线模型
图3-3 初值S 参数S 11和S 21结果
据图3-3知，S 21=22.8dB(4GHz 时）符合设计，但是截止频率为2.3GHz ，不符合设计指标，需进一步优化仿真。 经过多次优化得出滤波器的各参数值如表3-2，优化后的仿真波形如图3-4所示。
表3-2 微带线的尺寸
图3-4 优化后S 参数S 11和S 21结果
据图3-4知，dBS 21=21.93dB(4GHz 时），截止频率为2.45GHz ，已经满足设计要求。
3.3 加工测试分析
滤波器选用介电常数为2.55的Taconic TLX 材料，其物理尺寸是：98.2mm*13.2mm*0.762mm 。加工实物如下图3-5所示。
防撞钢梁
图3-5 滤波器实物图
图3-6 测试实物图
据图3-7知，S21=22.56dB(4GHz时），截止频率为2.454GHz，测试结果与仿真结果基本一致。
4. 小结
本论文通过对阶梯阻抗变换结构基本理论以及滤波器设计技术的学习和了解，设计出了阶梯阻抗变换结构的低通滤波器。在Linecalc工具的帮助下对该滤波器进行初值计算并使用HFSS软件对设计的微带低通滤波器进行仿真和优化，得到比较理想的微带线阶梯阻抗低通滤波器，最终完成实物加工与测试，测试结果与仿真结果基本一致。
在设计过程中遇到了一些问题，最主要就是关于对滤波器初始值的计算，这需要对滤波器设计理论具有较深刻的理解。其次就是仿真软件HFSS的使用，如何去建立模型、如何去得到结果等。这需要通过去查阅一些实例去了解学习HFSS从而熟悉掌握HFSS的使用。
隐框窗
设计的滤波器通带内都是存在一定的反射损耗，如何在不增加整个电路面积，不改变阻带性能及不添加任何集中元件的情况下需要进一步研究，该研究将用于低损耗，高性能的滤波器中。
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凝胶珠
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