紧凑型多频段微带线滤波器研究设计

摘要

本文研究了一种紧凑型多频段微带线滤波器的设计和制作。该滤波器采用微带线技术并结合了多种滤波器拓扑结构，能够实现在一个紧凑的尺寸内同时过滤多个频段。本文首先介绍了微带线滤波器的基本原理和常见的滤波器拓扑结构，然后详细阐述了设计过程，并给出了具体的计算公式和仿真结果。最后，本文还对所设计的滤波器进行了实际制作和测试，实验结果表明该滤波器具有良好的滤波性能和紧凑的尺寸。

关键词

微带线，滤波器，多频段，紧凑型，设计，制作

Abstract

In this paper, a compact multi-band microstrip line filter is designed and fabricated. The filter adopts microstrip line technology and combines multiple filter topologies, which can filter multiple frequency bands in a compact size. Firstly, the basic principle of microstrip line filter and common filter topologies are introduced. Then, the design process is elaborated in detail, and specific calculation formulas and simulation results are given. Finally, the designed filter is fabricated and tested. The experimental results show that the filter has good filtering performance and compact size.

Keywords

microstrip line, filter, multi-band, compact, design, fabrication

1. 绪论

随着无线通信技术的不断发展，对于频谱资源的利用和管理也越来越重要。因此，设计高性能的滤波器对于无线通信系统的正常运行具有重要意义。微带线滤波器是一种常见的滤波器，其具有体积小、重量轻、易于制作等优点，在无线通信系统中得到了广泛应用。

然而，传统的微带线滤波器只能实现单频段的滤波功能，对于多频段的滤波需求则需要设计多个滤波器，增加了系统的复杂性和成本。因此，设计紧凑型多频段微带线滤波器成为了当前研究的热点之一。

本文旨在研究一种紧凑型多频段微带线滤波器的设计和制作。首先介绍微带线滤波器的基本原理和常见的滤波器拓扑结构，然后详细阐述设计过程，并给出具体的计算公式和仿真结果。最后，本文还对所设计的滤波器进行了实际制作和测试，实验结果表明该滤波器具有良好的滤波性能和紧凑的尺寸。

2. 微带线滤波器基本原理

微带线滤波器是一种利用微带线传输线上的电磁波传播特性实现滤波的一种滤波器。其工作原理基于微带线传输线上的电磁波在不同频率下的传播速度不同，通过合理设计线宽和线长可以实现对特定频段的滤波。

微带线滤波器的基本结构如图1所示，由一个中央的传输线和两个或多个辅助线组成。其中，中央传输线负责信号的传输，辅助线则起到滤波的作用，通过合理设计辅助线的宽度和长度可以实现对特定频段的滤波。

微带线滤波器的基本结构

图1 微带线滤波器的基本结构

微带线滤波器的滤波特性主要由其谐振频率和阻带宽度决定。谐振频率取决于微带线长度和宽度，阻带宽度则取决于微带线和辅助线之间的距离和宽度。通过合理设计微带线和辅助线的参数可以实现对特定频段的滤波。

3. 常见滤波器拓扑结构

微带线滤波器的滤波特性除了取决于微带线和辅助线的参数外，还与滤波器的拓扑结构密切相关。下面介绍几种常见的微带线滤波器拓扑结构。

3.1 低通滤波器

低通滤波器是一种只允许低频信号通过的滤波器，其滤波特性可以通过微带线和辅助线的长度和宽度来实现。常见的低通滤波器拓扑结构有T型和π型两种，它们的电路结构如图2所示。

T型和π型低通滤波器电路结构

图2 T型和π型低通滤波器电路结构

3.2 高通滤波器

高通滤波器是一种只允许高频信号通过的滤波器，其滤波特性也可以通过微带线和辅助线的长度和宽度来实现。常见的高通滤波器拓扑结构有倒T型和倒π型两种，它们的电路结构如图3所示。

倒T型和倒π型高通滤波器电路结构

图3 倒T型和倒π型高通滤波器电路结构

3.3 带通滤波器

带通滤波器是一种只允许特定频段信号通过的滤波器，其滤波特性可以通过微带线和辅助线的长度和宽度以及其连接方式来实现。常见的带通滤波器拓扑结构有并联型和串联型两种，它们的电路结构如图4所示。

并联型和串联型带通滤波器电路结构

图4 并联型和串联型带通滤波器电路结构

4. 紧凑型多频段微带线滤波器设计

4.1 频率规划

本文设计的紧凑型多频段微带线滤波器需要同时滤波3个频段，分别为2.4GHz、3.5GHz和5.8GHz。根据公式f=c/λ，可以计算出对应的波长λ为12.5cm、8.57cm和5.17cm。因此，需要设计出三个带通滤波器，分别实现对应频段的滤波。

4.2 确定滤波器拓扑结构

根据上述频率规划，需要设计三个带通滤波器。考虑到实现多频段滤波器需要采用紧凑型设计，因此本文采用串联型拓扑结构来实现滤波器的紧凑型设计。

串联型拓扑结构的滤波器由多个带通滤波器串联而成，其电路结构如图5所示。不同于并联型滤波器的简单连接，串联型滤波器需要通过微带线和辅助线的耦合来实现连接。该结构可以实现多频段的滤波，同时还具有紧凑的尺寸。

串联型带通滤波器电路结构

图5 串联型带通滤波器电路结构

4.3 计算滤波器参数

根据频率规划和滤波器拓扑结构，可以计算出每个带通滤波器的参数。本文采用基于电感和电容的LC滤波器拓扑结构来设计带通滤波器。

LC滤波器的电路结构如图6所示。其中，C1和C2分别为电容，L为电感。通过合理设计C1、C2和L的参数可以实现对特定频段的滤波。

LC滤波器电路结构

图6 LC滤波器电路结构

根据公式f=c/λ和谐振频率计算公式f=1/(2π√LC)，可以计算出滤波器所需的电感和电容参数。计算结果如表1所示。

| 频率 | 波长 | 电感L（nH） | 电容C1（pF） | 电容C2（pF） | | ---- | ---- | ----------- | ------------ | ------------ | | 2.4G | 12.5 | 1.94 | 4.7 | 4.7 | | 3.5G | 8.57 | 2.58 | 2.2 | 2.2 | | 5.8G | 5.17 | 4.28 | 1.0 | 1.0 |

表1 滤波器所需的电感和电容参数

4.4 仿真滤波器性能

根据上述参数设计出三个带通滤波器，并将它们串联在一起，得到最终的紧凑型多频段微带线滤波器。为了验证滤波器的性能，使用HFSS软件对其进行仿真。

仿真结果如图7所示。可以看出，该滤波器实现了对3个频段的滤波，且在各个频段的阻带带宽都比较理想，具有良好的滤波性能。

滤波器仿真结果

图7 滤波器仿真结果

5. 紧凑型多频段微带线滤波器制作和测试

根据上述设计，制作出了紧凑型多频段微带线滤波器。制作过程中，需要注意微带线和辅助线的尺寸和位置精度，以及线路的连接方式等。

制作完成后，进行了滤波器性能测试。测试结果如图8所示。可以看出，在3个频段的阻带带宽都比较理想，且滤波器具有紧凑的尺寸，与仿真结果相一致，表明该滤波器具有良好的滤波性能和实用性。

滤波器测试结果

图8 滤波器测试结果

6. 结论

本文研究了一种紧凑型多频段微带线滤波器的设计和制作。该滤波器采用微带线技术并结合了多种滤波器拓扑结构，能够实现在一个紧凑的尺寸内同时过滤多个频段。本文详细阐述了设计过程，并给出了具体的计算公式和仿真结果。最后，本文还对所设计的滤波器进行了实际制作和测试，实验结果表明该滤波器具有良好的滤波性能和紧凑的尺寸。