平行耦合微带线带通滤波器的直接设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于通信技术领域，具体设及平行禪合微带线带通滤波器的一种直接设计 方法。
【背景技术】
[0002] 滤波器是雷达、通信及测量系统中的关键器件之一，其功能在于允许某一部分频 率的信号顺利的通过，而让另外一部分频率的信号受到较大的抑制，其性能对于整个系统 性能具有重要的影响。滤波器的主要技术指标包括通带带宽、插入损耗、通带波动、回波损 耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群时延等。按照类型来划分，目前常用的滤波器类型包 括楠圆滤波器、己特沃斯滤波器、高斯滤波器、切比雪夫滤波器和逆切比雪夫滤波器等等。 对于模拟滤波器而言，分为集总参数模拟滤波器和分布参数模拟滤波器。在射频/微波较高 频率范围内，通常使用波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器及微带线滤波器等分布参 数滤波器。因为分布参数滤波器所具有的分布参数效应，其设计远比集总参数滤波器的设 计复杂得多。W平行禪合微带线带通滤波器的设计为例，现有设计方法是先导出低通原型 的滤波多项式，综合出集总参数低通原型网络（即定义为信号源内阻为1欧姆，通带边界角 频率为1弧度/秒的低通滤波器）；然后通过低通至带通频率变换，将集总参数低通原型网络 变换成相应的集总参数带通滤波器网络;再利用平行禪合微带线带通滤波器与集总参数带 通滤波器网络之间的等效关系，最终确定平行禪合微带线带通滤波器的结构参数值。现有 方法可W称之为现有间接设计方法。现有间接设计方法存在一些缺点：①现有间接设计方 法所计算得到的结构参数值的准确性不高;②现有间接设计方法缺乏灵活性，针对相同的 技术指标，只能得到一组结构参数值;③现有间接设计方法只能用于设计奇数阶平行禪合 微带线带通滤波器，没法用于设计偶数阶平行禪合微带线带通滤波器。
【发明内容】
[0003] 用于设计平行禪合微带线带通滤波器的现有间接设计方法存在一些缺点。本发明 的目的是为了克服现有间接设计方法不足，提供了一种用于设计平行禪合微带线带通滤波 器的直接设计方法。直接设计方法的思想是根据待设计的平行禪合微带线带通滤波器的技 术指标，包括通带带宽、插入损耗、通带波动、回波损耗、阻带抑制度、带内相位线性度及群 时延等，直接设计出相应的集总参数带通滤波器，然后利用集总参数带通滤波器与平行禪 合微带线带通滤波器之间的等效关系，来确定平行禪合微带线带通滤波器的结构参数。所 W，直接设计方法的关键是建立平行禪合微带线带通滤波器与集总参数带通滤波器之间的 等效关系。
[0004] 首先讨论平行禪合微带线带通滤波器的集总参数等效网络。典型微带线的结构如 图1所示，主要包括=层。第I层是金属上覆层，第II层是介质基片，第III层是金属下覆层。 平行禪合微带线带通滤波器是一种最经典的微带线滤波器结构，由一组连接在一起的平行 禪合线节构成。平行禪合微带线带通滤波器的一般结构如图2所示，在微带线的金属上覆层 上刻蚀如图2所示的金属图案，其中n(n大于等于3的正整数)个终端开路平行禪合线节连接 在一起，两端再通过馈线进行能量的输入输出，构成一个平行禪合微带线带通滤波器。其等 效电路如图3所示，其中第i个平行禪合线节的结构参数包括长度li、线宽Wi和缝隙宽度Si, i =1、2、…，ruZs和Zl分别是两端馈线的特性阻抗。由此可见，平行禪合线节是平行禪合微带 线带通滤波器的基本构成单元。任取其中一个平行禪合线节来研究，例如W第ia = l、2、… 或n)个平行禪合线节为例，如图4所示，其中0为电长度，Zie和ZiD分别是其偶模特性阻抗和 奇模特性阻抗。平行禪合线节的[ABCD]矩阵可W写成下面的形式：
[0006] 对应的分布参数等效电路如图5所示，由一个特性阻抗为ZiD和电长度为0的终端开 路线节、一个特性阻抗为化e-ZiD)/2和电长度为0的传输线节和一个特性阻抗为ZiD和电长 度为0的终端开路线节级联而成。
[0007] 对于特性阻抗为（Zie-ZiD)/2和电长度为0的传输线节而言，它的[ABCD]矩阵可W 写成下面的形式
[0009]进一步改写成
[oou]运说明特性阻抗为(Zie-ZiD)/2和电长度为0的传输线节可W用如图6所示的混合 参数等效网络来描述。该混合参数等效网络由一个特性阻抗为(Zie-ZiD)/2和和电长度为0 的终端开路线节、一个阻抗倒置器(其值为Kl = (Zle-Zl。)/(2sin0))和一个特性阻抗为(Zle-Zl。)/2和电长度为0的终端开路线节级联而成。
[0012]如果在如图5所示的平行禪合线节的分布参数等效网络中，将其中间的传输线节 用它的混合参数等效网络来替代，并将相邻的终端开路线节合并，就得到如图7所示平行禪 合线节的混合参数等效网络。图7所示平行禪合线节的混合参数等效网络由一个特性阻抗 为(Zie+Zie)/2的终端开路线节、一个阻抗倒置器(其值为Ki=(Zie-Zie)/(2sin0))和一个特 性阻抗为化e+Zie)/2的终端开路线节级联而成。对于特性阻抗为化e+Zie)/2的终端开路线 节而言，它的输入阻抗Zin为： (4)
[0014]假设它的谐振角频率用COO康示，则该终端开路线节在谐振角频率CO O拥的电长 度为V2。于是，输入阻抗Zin可W在谐振角频率为《01进行泰勒级数展开，并只保留前两项 得到
(5) 。运说明，该终端开路线 节可W由一个集总参数谐振器构成，其中以为一个电感元件，Xi为一个与频率无关的电抗， 其谐振频率CO Oi由Zin = O来确定。将特性阻抗为化e+ZiD)/2的终端开路线节用集总参数谐振 器等效之后，就得到了平行禪合线节的集总参数等效网络，如图8所示。在谐振角频率为CO Oi 附近，阻抗倒置器近似为
，于是，图4所示的平行禪合线节的结构参 数与图8所示的集总参数等效网络的集总元件之间建立了对应关系。
[0017] 将图3所示的平行禪合微带线带通滤波器的每一个平行禪合线节都用图8示的集 总参数等效网络进行等效，就得到平行禪合微带线带通滤波器的集总参数等效网络，如图9 所示。接下来，由待设计的平行禪合微带线带通滤波器的技术指标，使用集总参数带通滤波 器设计方法来设计出集总参数带通滤波器，使其拓扑结构和性质与平行禪合微带线带通滤 波器的集总参数等效电路的拓扑结构和性质相一致，就能够确定平行禪合微带线带通滤波 器的结构参数值。
[0018] W广义切比雪夫类型滤波器的设计为例。当需要设计一个广义切比雪夫集总参数 带通滤波器时，其技术指标为:通带位于[Wd, ?u]，其中COd是通带下边界角频率，Wu是通 带上边界角频率。通带内的回波损耗设为化。如果在零频率处放置Np(Np为大于等于零的正 整数)个传输零点，在有限正频率处放置Nm(Nm为大于等于零的正整数)个传输零点，在无穷 远正频率处放置化(化为大于等于零的正整数)个传输零点，则传输零点的总数N为
[0019] N=Np+Nm+化 （6)该传输零点的总数N也定义为广义切比雪夫集总参数带通滤波 器的阶数。运些传输零点用Sk= j Wk(其中k=l、2、…、N)来表示，j是复数单位，Wk是传输零 点所在的角频率，Sk是传输零点所在的复数频率。将运些传输零点代入下面的变换关系之 中
(7)
[0021] 其中，《。是一个用于归一化的特征频率，一般而言可W任意选择，方便计算。例 如，针对位于G化频率范围的滤波器，可W选择《c = 23iX109rad/s"s为复数频率，则归一化 复数频率为J = S/邱。两=巧,/巧为归一化通带上边界角频率，瑪=巧,/巧为归一化通带 下边界角频率。Z是一个临时复数变量。传输零点Sk= j COk(其中k = l、2、…、N)经过上述变换 之后，得到在Z平面内的点Zk(其中k=l、2、…、N)。
[0022] 由下面的公式来计算滤波多项式
巧） 巧
(峭
[0026] 其中