微带抽头线滤波器的设计

ironstone

【摘要】本文旨在介绍微带抽头滤波器的曲线设计和运用Microwave Office软件对其设
计、优化。微带抽头线滤波器设计与常规微带滤波器相比其优点就是中等带宽而言在结
构上很容易实现，而常规微带滤波器已达到其结果的极限范围。但是曲线设计有一定的
误差，而用Microwave Office软件可以进行比较准确的设计。
【关键词】微带抽头线滤波器，耦合系数。
一、引言
微波带通滤波器是一种受到广泛研究的滤波器，其中最适合微波集成电路的就是半波长
平行耦合滤波器，它们均不要求微带电路到地的连接（在微波集成电路中，这种对地连
接是不方便的）。如今由于工艺上的进步，这种接地已不成问题，这使得微带抽头线耦
合滤波器的制作上很容易实现。和常规的滤波器相比具有体积小和成本低的优点。尤其
在端节耦合非常紧的情况下，而同样的滤波器用抽头线法则是可行的。在以前发表的有
关文章中都没有介绍进行抽头滤波器的准确的设计，而本文介绍的Microwave Office软
件就可以对其进行比较准确的设计。
二、微带抽头交指滤波器的设计
在微带抽头交指滤波器的设计中，以抽头为加载的第一和最后一节的单端加载Q（QS）和
相邻谐振器之间的偶合系数（K）是些必不可少的参量。一旦知道了单端加载Q值，那么
图1的分接点1/L就可以由下式算出：
(1)
式中： R信号源阻抗（一般都是50欧姆）
ZC为滤波器的内阻抗。
Qsi为单端加载Q值
L为耦合微带线的长度
l为抽头线到短路端的距离
耦合系数（k）是由线宽和谐振器间的距离来确定的，在耦合系数的测量实验中，各谐振
器带线宽度可以选得相等，而通过改变间隙以得到不同的耦合，从而得到S/H对K的关系
曲线见（附录二），这里不去追究实验原理、方法。
图一 交指抽头滤波器
下面给出一个在微带交指滤波器在DF21C高频前端上的典型实例。滤波器的技术指标：中
心频率为 f0 GHz，相对带宽为10%，带内衰减为2dB，在3BW3dB以外抑制为45dB以上。根
据滤波器的设计指标，选用八极点微带抽头线交指滤波器，并选用复合介质基片 =9.6
H=0.8mm。
图二 8极点微带抽头线交指滤波器
在设计这一滤波器时，第一步是确定它的3dB带宽。利用关系式BW3dB=BW/0.955就可以确
定3dB带宽是138.22MHz。为使最大功率传递到终端负载上，在文献[2]5-8-28中TABLEⅦ
提供了滤波器的归一化单端加载Q值和归一化耦合系数（K）值。其值为
q2,3,4,5,6,7=∞
q1=q2=1.25
k12=k78=0.727
k23=k67=0.545
k34=k56=0.56
k45=0.510
式中： qi为归一化单端加载Q值
ki,j为归一化耦合系数K值
滤波器的实际耦合系数（K）可以由下式算出：
K=Kn,m（BW3dB/f0）=0.1047Kn,,m
式中：Kn,m为实际耦合系数K值
BW3dB为3dB通带带宽
f0为中心频率
由滤波器的k值和S/H的关系曲线（附录二）可以得到S值，滤波器的内阻抗可计算微带线
的
最后是计算输入和输出抽头的位置，有公式
式中：Qs为单端加载Q值
q为归一化单端加载Q值
f0为中心频率
BW3dB为3dB通带带宽
就能确定l/L。由于曲线设计，有一点的误差，实际制作的滤波器在频率上有所偏移，但
基本符合设计指标，在镜像抑制上还是相当不错的。
三、MWOffice软件对抽头滤波器的仿真和优化
Microwave Office是AWR(Applied wave Research Inc)的一个专业微波设计，仿真的软
件。这个软件优于以前的EESOF软件，图形化的设计简单明了，并且能对EESOF中无法描
叙的微波结构进行描叙，像微带线之间的这种多级抽头耦合在EESOF中是不好描叙的，但
是在MWOffice中是很方便描叙的。
下面以上述微带抽头线滤波器的设计为例，滤波器的技术要求是八节，BW为10%，40dB以
上的抑制。在Microwave Office中进行设置、模拟和优化。首先对计算频率进行设置，
在打开一个New Project后双击Project Frequency，设置开始和终止频率以及STEP如图
三所示：
图三、工作频率的设置
然后就是建立微带抽头滤波器的模型，虽说元件中有许多耦合
微带线的模型结构，但是由于抽头的存在，我们不得不对滤波器进行
分解，首先新建一个模型（New Schematic），然后在元件（Elem）的
微带中选择你自己需要的元件，如图四所示：
图四、滤波器的模型
建立好模型以后还要对每个元件进行设置，其中有些有必要利用公式的可以建立方程，
例如那些可供优化的量和联接的值。如图五所示：
图五元件参数设置
模型建立完成后，我们需要建立图表和优化目标，在Add Graph后对图表的参数进行设置
，数据源的名称选择你的滤波器的模型名称，如图六所示
图六、图表参数的设置
优化目标无非就是对其提出种种限制，当然这些限制要是合适，对优化的结果有很大的
影响。因此我们在优化结果不满意时，除了检查模型等问题，还要看看优化目标是否需
要修改。
图七、设置优化目标
一切完成后，我们就可以分析、模拟仿真。我们给的初值结果不够满意，就要进行优化
设计，如下面所示：
图八。优化过程
优化完成后，就可以得到最佳曲线，也就是自己要求的条件，同时还要对可变量进行取
整，这就需要调谐（Tune），调谐的过程中图形随之变化，找到最佳曲线。如图九所示

图九、调谐取整
整个仿真、优化过程基本如上，由于微带耦合抽头滤波器的设计有其局限性，一直是以
查表的形式设计，准确的设计抽头线滤波器并不容易，运用这个软件设计的滤波器还是
相当方便、可靠的。
四、设计分析和实验结果
在这种滤波器的设计中，一个很大的优点是滤波器中的所有的谐振器都可以做成等线宽
的，而只把间距比S/H作为唯一变量。在氧化铝陶瓷基片上带线的宽度是根据滤波器阻抗
为58欧姆来确定的，在Duroid基片上滤波器的阻抗则取为70欧姆，同时运用Microwave
Office优化设计滤波器，在软件的帮助下能起到事半功倍的效果，实际制作滤波器是在
一块30×30mm2的复合介质基片上，经过简单调试，实际得到的比优化的结果还要好，以
下是测试结果，由测试结果可以看到，其带外抑制特别好，可以达到55dB以上。而且基
本满足设计指标，完全满足实际工程需要。
图十、测试结果
五、结论
微带抽头线滤波器设计与常规微带滤波器相比就中等带宽而言抽头线滤波器在结构上仍
然很容易实现，而常规微带滤波器则一达到结构极限范围。而在软件的帮助下，使得其
设计更加方便，容易，还有一定的精确性，去除了查表的麻烦和不准确性。

[此贴子已经被kingrain于2007-3-26 20:18:19编辑过]

ironstone

【摘要】本文旨在介绍微带抽头滤波器的曲线设计和运用Microwave Office软件对其设
计、优化。微带抽头线滤波器设计与常规微带滤波器相比其优点就是中等带宽而言在结
构上很容易实现，而常规微带滤波器已达到其结果的极限范围。但是曲线设计有一定的
误差，而用Microwave Office软件可以进行比较准确的设计。
【关键词】微带抽头线滤波器，耦合系数。
一、引言
微波带通滤波器是一种受到广泛研究的滤波器，其中最适合微波集成电路的就是半波长
平行耦合滤波器，它们均不要求微带电路到地的连接（在微波集成电路中，这种对地连
接是不方便的）。如今由于工艺上的进步，这种接地已不成问题，这使得微带抽头线耦
合滤波器的制作上很容易实现。和常规的滤波器相比具有体积小和成本低的优点。尤其
在端节耦合非常紧的情况下，而同样的滤波器用抽头线法则是可行的。在以前发表的有
关文章中都没有介绍进行抽头滤波器的准确的设计，而本文介绍的Microwave Office软
件就可以对其进行比较准确的设计。
二、微带抽头交指滤波器的设计
在微带抽头交指滤波器的设计中，以抽头为加载的第一和最后一节的单端加载Q（QS）和
相邻谐振器之间的偶合系数（K）是些必不可少的参量。一旦知道了单端加载Q值，那么
图1的分接点1/L就可以由下式算出：
(1)
式中： R信号源阻抗（一般都是50欧姆）
ZC为滤波器的内阻抗。
Qsi为单端加载Q值
L为耦合微带线的长度
l为抽头线到短路端的距离
耦合系数（k）是由线宽和谐振器间的距离来确定的，在耦合系数的测量实验中，各谐振
器带线宽度可以选得相等，而通过改变间隙以得到不同的耦合，从而得到S/H对K的关系
曲线见（附录二），这里不去追究实验原理、方法。
图一 交指抽头滤波器
下面给出一个在微带交指滤波器在DF21C高频前端上的典型实例。滤波器的技术指标：中
心频率为 f0 GHz，相对带宽为10%，带内衰减为2dB，在3BW3dB以外抑制为45dB以上。根
据滤波器的设计指标，选用八极点微带抽头线交指滤波器，并选用复合介质基片 =9.6
H=0.8mm。
图二 8极点微带抽头线交指滤波器
在设计这一滤波器时，第一步是确定它的3dB带宽。利用关系式BW3dB=BW/0.955就可以确
定3dB带宽是138.22MHz。为使最大功率传递到终端负载上，在文献[2]5-8-28中TABLEⅦ
提供了滤波器的归一化单端加载Q值和归一化耦合系数（K）值。其值为
q2,3,4,5,6,7=∞
q1=q2=1.25
k12=k78=0.727
k23=k67=0.545
k34=k56=0.56
k45=0.510
式中： qi为归一化单端加载Q值
ki,j为归一化耦合系数K值
滤波器的实际耦合系数（K）可以由下式算出：
K=Kn,m（BW3dB/f0）=0.1047Kn,,m
式中：Kn,m为实际耦合系数K值
BW3dB为3dB通带带宽
f0为中心频率
由滤波器的k值和S/H的关系曲线（附录二）可以得到S值，滤波器的内阻抗可计算微带线
的
最后是计算输入和输出抽头的位置，有公式
式中：Qs为单端加载Q值
q为归一化单端加载Q值
f0为中心频率
BW3dB为3dB通带带宽
就能确定l/L。由于曲线设计，有一点的误差，实际制作的滤波器在频率上有所偏移，但
基本符合设计指标，在镜像抑制上还是相当不错的。
三、MWOffice软件对抽头滤波器的仿真和优化
Microwave Office是AWR(Applied wave Research Inc)的一个专业微波设计，仿真的软
件。这个软件优于以前的EESOF软件，图形化的设计简单明了，并且能对EESOF中无法描
叙的微波结构进行描叙，像微带线之间的这种多级抽头耦合在EESOF中是不好描叙的，但
是在MWOffice中是很方便描叙的。
下面以上述微带抽头线滤波器的设计为例，滤波器的技术要求是八节，BW为10%，40dB以
上的抑制。在Microwave Office中进行设置、模拟和优化。首先对计算频率进行设置，
在打开一个New Project后双击Project Frequency，设置开始和终止频率以及STEP如图
三所示：
图三、工作频率的设置
然后就是建立微带抽头滤波器的模型，虽说元件中有许多耦合
微带线的模型结构，但是由于抽头的存在，我们不得不对滤波器进行
分解，首先新建一个模型（New Schematic），然后在元件（Elem）的
微带中选择你自己需要的元件，如图四所示：
图四、滤波器的模型
建立好模型以后还要对每个元件进行设置，其中有些有必要利用公式的可以建立方程，
例如那些可供优化的量和联接的值。如图五所示：
图五元件参数设置
模型建立完成后，我们需要建立图表和优化目标，在Add Graph后对图表的参数进行设置
，数据源的名称选择你的滤波器的模型名称，如图六所示
图六、图表参数的设置
优化目标无非就是对其提出种种限制，当然这些限制要是合适，对优化的结果有很大的
影响。因此我们在优化结果不满意时，除了检查模型等问题，还要看看优化目标是否需
要修改。
图七、设置优化目标
一切完成后，我们就可以分析、模拟仿真。我们给的初值结果不够满意，就要进行优化
设计，如下面所示：
图八。优化过程
优化完成后，就可以得到最佳曲线，也就是自己要求的条件，同时还要对可变量进行取
整，这就需要调谐（Tune），调谐的过程中图形随之变化，找到最佳曲线。如图九所示

图九、调谐取整
整个仿真、优化过程基本如上，由于微带耦合抽头滤波器的设计有其局限性，一直是以
查表的形式设计，准确的设计抽头线滤波器并不容易，运用这个软件设计的滤波器还是
相当方便、可靠的。
四、设计分析和实验结果
在这种滤波器的设计中，一个很大的优点是滤波器中的所有的谐振器都可以做成等线宽
的，而只把间距比S/H作为唯一变量。在氧化铝陶瓷基片上带线的宽度是根据滤波器阻抗
为58欧姆来确定的，在Duroid基片上滤波器的阻抗则取为70欧姆，同时运用Microwave
Office优化设计滤波器，在软件的帮助下能起到事半功倍的效果，实际制作滤波器是在
一块30×30mm2的复合介质基片上，经过简单调试，实际得到的比优化的结果还要好，以
下是测试结果，由测试结果可以看到，其带外抑制特别好，可以达到55dB以上。而且基
本满足设计指标，完全满足实际工程需要。
图十、测试结果
五、结论
微带抽头线滤波器设计与常规微带滤波器相比就中等带宽而言抽头线滤波器在结构上仍
然很容易实现，而常规微带滤波器则一达到结构极限范围。而在软件的帮助下，使得其
设计更加方便，容易，还有一定的精确性，去除了查表的麻烦和不准确性。

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clay5

看不到图啊