电子测量技术 第３６卷第９期 ２０１３年９月 ＥＬＥＣＴＲ０ＮＩＣ ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＴＥＣＨＮｏＬ０ＧＹ Ｃ波段高阻带抑制的微带带通滤波器设计 侯旭洁 陈 星 邓世雄 （北京航空航天大学电子信息工程学院 北京 １００１９１） 摘要：在二三次谐波处是否具有比较高的衰减是衡量低通和带通滤波器性能的重要指标之一。为了实现带通滤波 器在二三次谐波处能有比较高的衰减，利用将发夹形带通滤波器与椭圆微带线低通滤波器串联的形式来实现此目标， 其中串联椭圆微带线低通滤波器是为了更好的衰减二三次谐波。给出了利用ＡＤＳ和Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ的具体设计过 程。最后测试结果表明：该滤波器通带内插入损耗小于４ ｄＢ，二三次谐波处具有５０ ｄＢ衰减，整个阻带内衰减大于 ５０ ｄＢ，满足了实际应用需求。 关键词：二三次谐波；带通滤波器；衰减 中图分类号：ＴＮ９１４ 文献标识码：Ａ 国家标准学科分类代码：５１０．１０２５ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ｈｉｇｈ ｓｔｏｐｂａｎｄ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ａｔ ｔｈｅ Ｃ ｂａｎｄ Ｈｏｕ Ｘｕｊｉｅ Ｃｈｅｎ Ｘｉｎｇ Ｄｅｎｇ Ｓｈｉｘｉｏｎｇ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｂｅｉｈａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １００１９１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｗｈｅｔｈｅｒ ｉｔ ｈａｓ ｅｎｏｕｇｈ ｓｔｏｐｂａｎｄ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｉｓ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｓｔ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｆａｃｔｏｒｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｆｉｌｔｅｒ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ａ ｈｉｇｈ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｂｙ ｓｉｍｕｌａｔｉｎｇ ａｎｄ ｏｐｔｉｍｉｚｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｈａｉｒｐｉｎ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ａｎｄ ｅｌｌｉｐｔｉｃ ｍｉｅｒｏｓｔｒｉｐ ｌｏｗｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ，ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｅｌｌｉｐｔｉｃ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｌｏｗｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｃａｎ ｒｅｓｔｒａｉｎ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｂｅｔｔｅｒ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｇｉｖｅｓ ｔｈｅ ｄｅｔａｉｌｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｐｒｏｃｅｓｓ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＡＤＳ ａｎｄ Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ．Ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｄ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｉｓ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ４ ｄＢ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｐａｓｓｂａｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ５０ ｄＢ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ．Ｗｈａｔ ｉＳ ｍｏｒｅ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｉＳ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ ｈａｓ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ５０ ｄＢ ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ ｔｈｒｏｕｇｈｏｕｔ ｔｈｅ ｓｔｏｐｂａｎｄ，ｗｈｉｃｈ ｍｅｅｔｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｃｏｎｄａｒｙ ａｎｄ ｔｅｒｔｉａｒｙ ｈａｒｍｏｎｉｃ；ｂａｎｄｐａｓｓ ｆｉｌｔｅｒ；ａｔｔｅｎｕａｔｉｏｎ １ 引 言 波器的二三次谐波，采用了将发夹形带通滤波器与低通 滤波器串联的形式来实现所要设计的带通滤波器。利 用ＡＤＳ和Ａｎｓｏｆｔ Ｄｅｓｉｇｎｅｒ按要求仿真设计，最终实现了 在通带４．２～４．５ Ｇ内插入损耗小于４ ｄＢ，回波损耗大 于１５ ｄＢ，二三次谐波处抑制大于５０ ｄＢ的高性能带通 滤波器。 滤波器在现代电子系统中具有重要的地位，其性能的 优劣对整个系统性能的影响非常大。根据工艺实现形式的 不同，可将滤波器分为以下几类：声表面滤波器、集总滤波 器和微带滤波器等。在微波频段，由于工作波长与滤波器 原件的物理尺寸差距不是很大，因此会产生多方面的损耗 进而使电路的性能严重恶化，以至于在微波频段很难用集 ２微带滤波器的设计原理 ２．１微带低通滤波器 总元件来实现滤波器的设计 ］。 由于微带带通滤波器制作方便、设计简单、体积小 并且便于集成，因此微带带通滤波器在微波电路中得到 本次设计先利用滤波器向导生成集总参数的低通滤波 器，再通过用高阻抗的微带线等效电感如图１所示，用扇形 短截线来等效电容，从而实现了集总参数到分布参数的 变换。 广泛的应用 ］。在各式各样的微带带通滤波器中，发夹 形带通滤波器由于有紧凑的结构并且带外抑制高等优 点而得到广泛的应用。为了更好的抑制发夹形带通滤 收稿日期：２０１３—０６ ・ １８ ・ 侯旭洁等：Ｃ波段高阻带抑制的微带带通滤波器设计 第９期 Ｔｅｒｍ２ Ｔｅｒｍ４ 图１电感等效微带线 利用ＡＤＳ搭建如下的电路，在第２个电路中用微带线 来代替第１个电路中的电感。在ＡＤＳ中进行仿真优化，使 得２个电路的传输特性无限接近，当固定微带线的宽度，就 可以得到等效电感的长度。 利用ＡＤＳ中扇形短截线生成向导可以根据旁路电容 快速得到等效扇形短截线的尺寸，如图２所示。在该向导 中，需要知道该扇形短截线的工作频率，等效电容以及扇形 的角度 设计中扇形的ｗ固定为０．１５ ｍｍ，如图３所示。 ＤＡ ＭＲＳｔｕｂｌ ３ ＤＡ ＭＲＳｔｕｂＩ Ｆ＝ Ｃｉｎ＝ Ｗ＝０．１５ｍｉｌｌ Ａｎｇｌｅ 图２扇形短截线生成向导 图３扇形短截线结构 ２．２微带带通滤波器 滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通 带内的频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号失配而进 行发射衰减，从而实现信号频谱过滤功能。 平行耦合线带通滤波器“ 属于分布参数滤波器，它是 由微带线或耦合微带线构成，由于具有重量轻、结构紧凑、 价格低、可靠性高、性能稳定等优点，因此广泛应用于微波 集成电路中，同时它也是一种被广为应用的带通滤波器。 由于平行线耦合带通滤波器是由２条相互平行且靠近的微 带线构成，属于１／２波长谐振滤波器，又因为相邻枝节之问 的耦合部分超过了１／４波长，因此平行耦合带通滤波器的 耦合作用比较强，使得其具有良好的宽带特性。 平行耦合线带通滤波器的设计式（１）所示： Ｊ ｏ ｜ ＦＢＷ ｙ０ ２ ｇ。ｇ ｙ０ 一 ２ 志。 。 ，…一 。 ｊ ．ｙ０ 一，＼／２ｇ ｜ ＦＢＷ ｇ （１） 在带通滤波器的设计中经常采用比较高阶的带通滤波 器，这样做的目的是为了得到良好的传输特性，但与此同 时，电路的物理尺寸会随着滤波器阶数的增加而变大，导致 给设备的装配带来不必要的麻烦。相比平行耦合线滤波 器，ＳＩＲ滤波器 和发夹形带通滤波器ｃ６ 也得到了很好的 应用，设计主要采用发夹形带通滤波器，如图４所示。 图４发夹形带通滤波器 ２．３二三次谐波的抑制 无论是低通滤波器还是带通滤波器，都存在二三次谐 波的问题，即就是在通频带的２倍频率和３倍频率处出现 不希望的通频带 ］。这是因为微波滤波器采用分布参数元 件，当频率超过某一数值时，元件的电抗、电纳将相互转化， 电感变成电容，电容变成电感，导致阻带中出现新的通带。 二三次谐波问题如图５所示。 图５带通滤波器高次谐波 设计中，要求对阻带范围内有５Ｏ ｄＢ的衰减量，因此能 否很好的抑制滤波器的带外二三次谐波对滤波器设计的成 败至关重要。在一般的设计中可以采用缺陷地 ］、半波长 谐振器０伽方法来抑制二三次谐波，以上２种方法适合于 带宽中心频率较低的带通滤波器，设计的带通滤波器通频 带为４．２～４．５ Ｇ，因此使用以上２种方法显然不能达到设 计的标准。通过以上分析，设计采用串联低通滤波器的方 ・ １９ ・ 第３６卷 法来实现对二三次谐波的抑制。 电子测 量技术 ３微带带通滤波器的设计 ３．Ｉ低通滤波器模型的生成 利用ＡＤＳ２０１１滤波器向导生成一个截止频率为５ Ｇ 的７阶集总参数串联椭圆形低通滤波器，如图６所示。运 用２．Ｉ节中的等效方法，分别用高阻抗微带线等效电感，用 扇形短截线等效电容。在等效过程中，将微带线的宽度设 置为０．１５ ｍｍ，从而求得各个微带线长度；将扇形短截线中 固定为０．１５ ｍｍ，扇形所对的圆心角设置为６Ｏ。，从而求 出各个扇形短截线的长度Ｌ。 图７ ＡＤＳ中最后优化结果 着带宽的增加而变窄，利用ＡＤＳ软件可以将耦合间隙优化 到很小，虽然此时在理论上仿真时可以达到预期的设计标 准，但此时将对板子的加工制作是很大的挑战，同时耦合间 隙过小也会使得仿真结果与实际制作的板子性能差距比较 大，而且也增加了实际测试的误差，因此设计优化时设置耦 合间隙的优化尺寸下限为０．１８ ｍｍ。 图６微带线低通滤波器 在ＡＤＳ中对该电路进行优化，如图７所示。 ３．２带通滤波器模型的生成 设计的高性能带通滤波器是将发夹形带通滤波器与低通 滤波器串联，利用低通滤波器来更好的抑制发夹形带通滤波 器的二三次谐波。在ＡＤＳ中进行仿真优化，直到通带和阻带 内的性能符合设计要求，如图８所示。仿真时，可以将低通滤 利用ＡＤＳ２０１ｉ滤波器向导生成通带为４．２～４．５ Ｇ的 波器固定不进行优化，只优化发夹形带通滤波器部分。 发夹形带通滤波器。需要注意的是，滤波器耦合间隙会随 图８ ＡＤＳ仿真原理 ・ ２０ ・ 第３６卷 电 子测 量技术 ［１０］ 陈付昌，褚庆听．基于组合多通带谐振器的三频滤波 器设计［Ｊ］．华南理工大学学报，２００９，３７（１）：１１—１４． ［１１］ 陈丽．中频数据采集前端电路的设计［Ｊ］．国外电子测 量技术，２００９，２８（７）：４５—４８． 主要研究方向为射频通信电路。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｕｘｕｊｉｅ１９８９＠１６３．ｃｏｒｎ 陈星，１９５７年出生，北京航空航天大学副教授，硕士生 导师，主要研究方向为数字通信与计算机测控。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｏｕｓｈ￣ｉａｎ＠ｖｉｐ．ｓｉｎａ．ｃｏｒｎ ［１２］黄玉兰．基于ＡＤＳ的微带低通滤波器的实现［Ｊ］．西 安邮电学院学报，２００９，１４（５）：９－１２． 邓世雄，１９８８年出生，北京航空航天大学硕士研究生， 作者简介 侯旭洁，１９８９年出生，北京航空航天大学硕士研究生， 主要研究方向为射频通信电路。 Ｅ－ｍａｉｌ：ｓｈｉｘｉｏｄｅ＠１２６．ｃｏｍ （上接第８页） ［６］ 段松杰，张晓光，张闯志．基于广义回归神经网络 的传感器非线性误差校正［Ｊ］．传感器与微系统， ２ｏｏ８，２７（１２）：１４—１ ６． Ｅ１２］崔文德，李铁鹏，牛建永，等．热敏电阻低温测量方法 研究［Ｊ］．宇航计测技术，２０１０，３０（４）：２５—３１． ［１３１朱凯，王正林．精通ＭＡＴＬＡＢ神经网络［Ｍ］．北京： 电子工业出版社，２０１０． ［７１ 赵立燕．刘军，许亮．基于神经网络校正的ＮＴＣ热敏 电阻传感器系统［Ｊ］．仪表技术与传感器２００８（５）： ７４—７６． ［１４］罗亮生，包雪松，王国英．数值分析（全美经典学习指 导系列）［Ｍ］．北京：科学出版社，２００２． ［８］ 张强，杨永平．基于神经网络的ＮＴＣ热敏电阻校正 方程的试验研究［Ｊ］．陕西理工学院学报：自然科学 版，２０１２，２８（２）：６－９． 作者简介 韩春玉，１９８５年出生，助理工程师，工学硕士。就职于 煤炭科学研究总院沈阳研究院大连分院，助理工程师。 王玉影（通讯作者），１９７９年出生，工程师，工学硕士。 主要研究方向为煤矿安全。近年来，主持参与了“井工矿 ［９］ 龙礼，张合．三轴地磁传感器误差的自适应校正方 法［Ｊ］．仪器仪表学，２Ｏ１３，３４（１）：１ ６Ｉ－１６５． ［１Ｏ］ 王悦，叶海明，颜骥．Ｌａｂｗ ｎｄｏｗｓ／ｃＶＩ下基于ＢＰ神 经网络的温度补偿虚拟湿度测量系统设计［Ｊ］．国外 电子测量技术，２００７，２６（１１）：３６—３８． 人员定位系统”、“视频监控系统”、“露天矿ＧＰＳ卡车调度 系统”等多个项目的实施。 Ｅ－ｍａｉｌ：１２３１５２５８＠ｑｑ．ｃｏｒｎ ［１１］郑慧娜，陈春燕，季炜淞，等．基于ＳＴＣ１２Ｃ５４１ＯＡＤ的 智能充气系统设计［Ｊ］．电子测量技术，２０１１，３４（２）： ６２—６５． ・ ２２ ・
