第8讲阻抗线电感.ppt

16、、半集总元件微波滤波器半集总元件微波滤波器1 1 在低频电路中，低通或高通滤波器是由集总参数在低频电路中，低通或高通滤波器是由集总参数电抗元件所组成因此构成微波低通和高通滤波器的电抗元件所组成因此构成微波低通和高通滤波器的最直接的方法，就是用最直接的方法，就是用微波结构来模拟集总参数电抗微波结构来模拟集总参数电抗元件元件，然后用它们来组成微波高、低通滤波器然后用它们来组成微波高、低通滤波器 这种用这种用分布参数传输线段分布参数传输线段来模拟集总元件的微波来模拟集总元件的微波结构，称为结构，称为“半集总元件半集总元件”或或“准集总元件准集总元件”，而用，而用它们组成的滤波器可称之为它们组成的滤波器可称之为“半集总元件微波滤波器半集总元件微波滤波器” 半集总元件微波滤波器适用于：半集总元件微波滤波器适用于：100MHz~10GHz频段2 216. 16. 半集总元件微波滤波器半集总元件微波滤波器1.半集总元件半集总元件2.糖葫芦式同轴线低通滤波器糖葫芦式同轴线低通滤波器3.设计实例设计实例3 3１、半集总元件１、半集总元件用用TEM传输线传输线实现各种集总元件。

实现各种集总元件 在微波波段，传输线应看作分布参数电路，在微波波段，传输线应看作分布参数电路，只有其长度远小于波长时，才可近似地看作集总只有其长度远小于波长时，才可近似地看作集总参数元件，通常选其参数元件，通常选其长度小于八分之一波长长度小于八分之一波长，称，称其为短截线其为短截线4 4TEM短截线的等效电路短截线的等效电路5 5 上图给出了上图给出了TEM短截线的准确短截线的准确T形和形和∏形等效电形等效电路及其计算公式路及其计算公式 当短截线很短或者不需要很精确时，常可以认为当短截线很短或者不需要很精确时，常可以认为只表示一个单独电抗元件只表示一个单独电抗元件串联电感串联电感并联电容并联电容并联电感并联电感串联电容串联电容并联的并联的LC串联谐振电路串联谐振电路并联的并联的LC并联谐振电路并联谐振电路6 6（（1）串联电感）串联电感 短截线为两端接有低阻抗的高阻抗线，等效短截线为两端接有低阻抗的高阻抗线，等效∏形形电路中并联电纳电路中并联电纳B很小，而与其并联的又是电纳甚大很小，而与其并联的又是电纳甚大的低阻抗线，故此并联电纳的低阻抗线，故此并联电纳B可以忽略，可以忽略，此时此时短截线短截线等效为一个串联感抗等效为一个串联感抗X。

高阻抗短截线等效为串联电感高阻抗短截线等效为串联电感7 7（（2）并联电容）并联电容 短截线为两端接有高阻抗的低阻抗线，等效短截线为两端接有高阻抗的低阻抗线，等效T形形电路中串联电抗电路中串联电抗X很小，而与其串联的又是电抗很大很小，而与其串联的又是电抗很大的高阻抗线，故此串联电抗的高阻抗线，故此串联电抗X可以忽略，可以忽略，此时此时短截线短截线等效为一个并联电容等效为一个并联电容低阻抗短截线等效为并联电容低阻抗短截线等效为并联电容8 8（（3）并联电感）并联电感 集总元件并联电感在集总元件并联电感在TEM传输线中可以用许多传输线中可以用许多方法来实现，下面给出两种最简便的方法，其并联方法来实现，下面给出两种最简便的方法，其并联电感值示于图中电感值示于图中9 9 带状线中用一段高阻抗线，一端接地，一端接带状线中用一段高阻抗线，一端接地，一端接于传输线上于传输线上1010 同轴线中用一粗导线接在同轴线的内外导体之同轴线中用一粗导线接在同轴线的内外导体之间1111（（4）串联电容）串联电容 集总元件串联电容在集总元件串联电容在TEM传输线中可以用许多传输线中可以用许多方法来实现，下面给出两种最简便的方法，其并联方法来实现，下面给出两种最简便的方法，其并联电容值示于图中。

电容值示于图中1212 在同轴线中心导体断开一间隙，间隙内填充介在同轴线中心导体断开一间隙，间隙内填充介质或不用介质，以得到一个串联间隙电容这样得质或不用介质，以得到一个串联间隙电容这样得到的串联电容较小到的串联电容较小1313 如果需要的串联电容较大，可在同轴线中用一如果需要的串联电容较大，可在同轴线中用一段低阻抗开路线串联于内导体中来实现；或在带状段低阻抗开路线串联于内导体中来实现；或在带状线中将两中心导带相重叠，中间垫以介质薄片来实线中将两中心导带相重叠，中间垫以介质薄片来实现1414说明：同轴线内外径之比越大阻抗越大，图中内导说明：同轴线内外径之比越大阻抗越大，图中内导体中串入一段低阻抗同轴线体中串入一段低阻抗同轴线——外导体和原内导体外导体和原内导体相接，内径接近外径；并且内外导体两侧开路相接，内径接近外径；并且内外导体两侧开路同轴线中用一段低阻抗开路线串联于内导体中来实现同轴线中用一段低阻抗开路线串联于内导体中来实现1515（（5）并联的）并联的LC串联谐振电路的微波实现串联谐振电路的微波实现 并联的集总元件串联谐振电路可用带状线来实现，如下并联的集总元件串联谐振电路可用带状线来实现，如下图。

但在实际使用中，还要考虑两短截线间阶梯交界处的不图但在实际使用中，还要考虑两短截线间阶梯交界处的不连续性，和开路端的边缘电容，这要求的长度上加以修连续性，和开路端的边缘电容，这要求的长度上加以修正传输线不连续性分析传输线不连续性分析——微波技术基础微波技术基础1616（（6）并联的）并联的LC并联谐振电路的微波实现并联谐振电路的微波实现 类似的，有类似的，有1717 此外，串联的集总元件串联谐振或并联谐振电路，此外，串联的集总元件串联谐振或并联谐振电路，在在TEM传输线中是难以直接实现的但它们可用同传输线中是难以直接实现的但它们可用同轴线四分之一波长短路或开路短截线在有限频率范轴线四分之一波长短路或开路短截线在有限频率范围内来实现围内来实现1818串联串联并联并联电感电感电容电容并联谐振并联谐振串联谐振串联谐振高阻抗线高阻抗线并联接地高阻抗线并联接地高阻抗线低阻抗线低阻抗线内导体间隙内导体间隙19192、糖葫芦式同轴线低通滤波器、糖葫芦式同轴线低通滤波器 用半集总元件实现低通滤波器，其中高阻抗线来用半集总元件实现低通滤波器，其中高阻抗线来模拟串联电感，低阻抗线来模拟并联电容，把若干模拟串联电感，低阻抗线来模拟并联电容，把若干高低阻抗线交替级联起来，就构成了低通滤波器，高低阻抗线交替级联起来，就构成了低通滤波器，其状颇似糖葫芦，它和梯形其状颇似糖葫芦，它和梯形LC低通原型滤波器等效。

低通原型滤波器等效2020 其第一个寄生通带出现在高阻抗线近似等于半波其第一个寄生通带出现在高阻抗线近似等于半波长之时，因而这种滤波器可以设计到长之时，因而这种滤波器可以设计到5倍截至频率的倍截至频率的频率上都没有寄生响应而其截至频率可设计在频率上都没有寄生响应而其截至频率可设计在100MHz到到10GHz的频段内的频段内2121糖葫芦式同轴线低通滤波器糖葫芦式同轴线低通滤波器糖葫芦式同轴线低通滤波器糖葫芦式同轴线低通滤波器2222设计步骤：设计步骤：（（1）根据滤波器的通带和阻带衰减指标，确定阶数；）根据滤波器的通带和阻带衰减指标，确定阶数；得到归一化低通原型的元件数目和归一化元件值；得到归一化低通原型的元件数目和归一化元件值；（（2）根据滤波器的截至频率和终端电阻，计算滤波）根据滤波器的截至频率和终端电阻，计算滤波器的实际元件值（反归一）；器的实际元件值（反归一）；滤波器原理电路设计滤波器原理电路设计LC梯形电路梯形电路2323（（3）选定滤波器中的高、低阻抗值，设计出各高低）选定滤波器中的高、低阻抗值，设计出各高低阻抗线的径向尺寸阻抗线的径向尺寸4）计算各不连续性阶梯的边缘电容（查表或公式））计算各不连续性阶梯的边缘电容（查表或公式）。

5）根据滤波器的实际元件数值和边缘电容，计算）根据滤波器的实际元件数值和边缘电容，计算出高、低阻抗线的长度出高、低阻抗线的长度6）修正两端阻抗线的长度，以补偿它们与）修正两端阻抗线的长度，以补偿它们与50欧姆欧姆传输线间的边缘电容传输线间的边缘电容半集中元件实现半集中元件实现242425253、设计实例、设计实例设计指标：《现代微波滤波器的结构与设计》设计指标：《现代微波滤波器的结构与设计》（（1）截至频率：）截至频率：1.971GHz（（2）通带衰减：）通带衰减：<0.1dB（（3）阻带拽间：）阻带拽间：fs>2.168GHz, As>35dB（（4）端接条件：）端接条件：50欧姆标准同轴电缆欧姆标准同轴电缆2626（（1）确定低通原型）确定低通原型阻带衰减阻带衰减35dB，根据公式或查表得，阶数，根据公式或查表得，阶数 计算计算15阶的归一化元件值也可查表得到阶的归一化元件值也可查表得到9阶的元件数值，然后把中间两个元件值每个重复阶的元件数值，然后把中间两个元件值每个重复3次，得到次，得到15阶元件值阶元件值2727（（2）确定实际元件值（反归一））确定实际元件值（反归一）2828（（3）选定高低阻抗）选定高低阻抗 线段的等效集总元件数值与线段的线段的等效集总元件数值与线段的长度长度和和特性阻特性阻抗抗都有关系，因而可以固定其一，调整另一个来得到都有关系，因而可以固定其一，调整另一个来得到所需的集总元件数值。

所需的集总元件数值 以下是固定特性阻抗，调节长度以下是固定特性阻抗，调节长度 选取高低阻抗的原则是看尺寸是否合理，是否便选取高低阻抗的原则是看尺寸是否合理，是否便于制造 这里选高阻抗这里选高阻抗150欧姆，低阻抗欧姆，低阻抗10欧姆；这样欧姆；这样选定后，高阻抗线的长度约为选定后，高阻抗线的长度约为1.971GHz的的1/8波长2929 高低阻抗确定后，可以确定各线段的径向尺寸高低阻抗确定后，可以确定各线段的径向尺寸在此例中，先把在此例中，先把50欧姆标准细同轴线变换成欧姆标准细同轴线变换成50欧姆欧姆粗同轴线，选定粗同轴线外径粗同轴线，选定粗同轴线外径0.897英寸 计算得到，计算得到，50欧姆欧姆 —— 内径内径0.389英寸英寸150欧姆欧姆 —— 0.073英寸英寸10欧姆欧姆 —— 0.688英寸（垫有英寸（垫有2.54的介质）的介质）3030（（4）边缘电容计算）边缘电容计算查表得到，查表得到，3131（（5）各线段长度计算）各线段长度计算高阻抗高阻抗-串联电感串联电感低阻抗低阻抗-并联电容并联电容3232 把各低阻抗线的串联等效电感，都分别与高阻把各低阻抗线的串联等效电感，都分别与高阻抗线的串联等效电感合并，以实现相应的集总元件抗线的串联等效电感合并，以实现相应的集总元件的串联电感。

的串联电感3333 同理，把各高阻抗线的并联等效电容和边缘电同理，把各高阻抗线的并联等效电容和边缘电容都分别与各低阻抗线的并联等效电容合并，以实容都分别与各低阻抗线的并联等效电容合并，以实现集总元件并联电容现集总元件并联电容3434 求解上面的求解上面的15个联立方程，即可得到各段的长个联立方程，即可得到各段的长度 为简化计算，可以在等效电感中考虑高阻抗线主为简化计算，可以在等效电感中考虑高阻抗线主要因素，得到初始长度要因素，得到初始长度l1,l3,l5,---；将其代人电容；将其代人电容等效公式中，得到等效公式中，得到l2,l4,l6,---；再把它们代人电感；再把它们代人电感公式，修正公式，修正l1,l3,l5,---；；----通过如此通过如此“交叉迭代交叉迭代”，可以很快的得到收敛的结果可以很快的得到收敛的结果35353636（（6）两端不连续性的补偿）两端不连续性的补偿 两端不连续性电容及其高阻抗线的一部分并联两端不连续性电容及其高阻抗线的一部分并联电容的影响，可以把第一个电容的影响，可以把第一个150欧姆线的长度增加欧姆线的长度增加来补偿。

增加的长度用来模拟来补偿增加的长度用来模拟50欧姆线的串联电感欧姆线的串联电感和并联电容，和并联电容，373738383939HFSS模型模型4040微带板三维视图微带板三维视图4141另外的近似形式另外的近似形式4242另外的近似形式另外的近似形式4343。