一种新型射频高通滤波器的设计研究 聂江峰 （西北工业大学航海学院，陕西，西安，710072） 摘要：本文是基于 ADS 对射频高通滤波器进行设计和仿真，并且介绍了一种将 集总参数转换为分布参数的方法，即 Richards 变换和 Kuroda 规则，同时以这两 种理论为基础设计出一种射频高通滤波器。 关键词：仿真，ADS，射频, 高通滤波器 Design Analysis of a Novel RF High Pass Filter NIE jiang-feng，ZHANG Xiao-min，PENG wen-biao (College of Marine, Northwest Polytechnical University Xi’an 710072 China) Abstract： This paper is based on Ansoft Designer for RF high pass filter for design and simulation and introduce Richards switch and Kuroda formula which can convert lumped parameter into distribute parameter,then Design a kind of radio frequency high pass filter based on these theories. Keywords： simulation，Ansoft Designer System，radio frequency，high pass filter 引言 滤波器可以分为低通、高通、带通和带阻四种。对于频率较低的射频滤波器, 我们可以采用分立元件来实现。频率越高，波长越小，当工作频率超过500MHz 时，由于工作波长减小到与滤波器的物理尺寸相近，电阻、电容和电感这些元件 的电响应开始偏离它们的理想频率响应，从而造成多方面的损耗并使电路性能严 重恶化。因此设计出一种将集总参数元件变换为分布参数元件的射频滤波器就变 得非常重要[10][13] 。在频率比较高的电声系统中，普通的LC滤波器性能受高频 率的影响比较严重，射频滤波器会在某种程度上很好的解决这一问题。 分布参数滤波器种类很多，本文讨论的分布参数高通滤波器是利用微带传输 线的一些特点来实现的。文章将给出由集总元件高通滤波器转换成分布参数高通 滤波器的方法，同时采用ADS软件对微带高通滤波器进行仿真分析。最后得到仿 真分析结果和符合技术指标的微带高通滤波器版图。 1 标准低通滤波器转换成高通滤波器 频率变换 首先，我们要将归一化低通滤波器转换成归一化高通滤波器，这就必须进行 频率变换。频率变换是指如何将归一化频率Ω变换为实际截止频率ωc，实际是调 整标准电感和标准电容的值。 对于高通滤波器，需要将原型滤波器的抛物线型频率响应映射为频域上的双 曲线型频率响应。这种映射可以通过以下变换实现： Ω= -ωc /Ω (1.1) 

同理可以得到实际感抗和容抗为： L' =1/ωc C C' =1/ωc L (1.2) (1.3) 根据基本电路理论，将一阶低通滤波器中的电感换为电容，电容换为电感就可以 得到一阶高通滤波器。这一原理可以推广到高阶滤波器的情况。 2 滤波器的实现 射频滤波器的实现要用到以下几种思想： Richards 变换 Richards 变换，其思想是将一段短路或开路的传输线等效于分布的电感或 电容元件。 1、取终端为短路的传输线长度为λ0/8，得到电感元件的 Richards 变换为： 2、取终端为开路的传输线长度为λ0/8，得到电容元件的 Richards 变换为： (2.1) (2.2) 其中电长度θ=πΩ/4。（其中 XL 表示电感元件的特性阻抗，XC 表示电容元件 的特性导纳，Z0表示传输线的特性阻抗，Y0表示传输线的特性导纳）。 Richards 变换使我们可以利用特性阻抗 Z0 =L 的一段短路传输线代替集总 参数电感，也可以用特性阻抗 Z0 =1/C 的一段开路传输线替代集总参数电容。 这里需要说明的是，传输线的长度不一定必须是λ0/8。根据需要实现的功能 不同，选择不同的传输线长度。有些作者就选用λ0/4作为传输线的基本长度。不 过，选用λ0/8比较方便。本文就是用3λ0/8的传输线来实现的。 单位元件法 在把集总参数元件变换成传输线时，需要分解传输元件，即插入所谓单位 元件（UE）以使得到可以实现的电路结构。单位元件的电长度为θ=πΩ/4特性阻 抗为 ZUE。用 ABCD 参量矩阵表示单位元件得： 其中 S 就是 Richards 变换。 (2.3) 

Kuroda 规则 3 软件仿真分析 软件介绍：Ansoft Designer System 采用了最新的视窗技术，是第一个将高 频电路系统,版图和电磁场仿真工具无缝地集成到同一个环境的设计工具。 核心思想：用 3λ0/8 的短路线代替电感，用 3λ0/8 的开路线代替电容。因为 用 3λ0/8 的短路线代替电感后，根据 Richards 变换知此电感会呈容性，即其容抗 为 Z=1，用 3λ0/8 的开路线代替电容后，此电容会呈感性，即其感抗为 Z=0.5。. 由此知：当用 3λ0/8 的短路线替换图 3.1 中的电感，用 3λ0/8 的开路线的开路线替 换图 3.1 中的电容时，得到的图 3.3 的等效电路图就是图 3.2，即我们可以用长度 为 3λ0/8 的传输线代替电感电容来实现射频高通滤波器。 3.1 设计步骤 S1，提取归一化滤波器的参数 查表得到滤波器的参数为： g1=1.0000 g2=2.0000 g3=1.0000 则归一化低通滤波器的等效电路如图 3.1。通过 1.1 节的变换方法得到归一化感通滤波 器的等效电路如图 3.2。 图 3.1 图 3.2 S2， 进行 Richards 变换 变换后结果如图 3.3： 

2 Y 化为 Z  图 3.3  1 2 图 3.4 S3, 利用 Kuroda 规则变换 变换结果如图 3.4 S4, 阻抗变换 通过阻抗变换得到实际的特性阻抗 3.2 用 ADS 进行分析仿真 S1，计算物理尺寸 针对某一种设计参数得到每段微带线的特性阻抗再通过 ADS 计算出每一段微带 线的尺寸。 S2，拓扑实现 在软件中输入已经得到的每一段微带线的尺寸画出电磁设计拓扑图（见图 3.5）。 S3，仿真分析 由得到的拓扑结构以及给定的截止频率利用 ADS 可以仿真出高通特性（传输特 性如图 3.6）。 图 3.5 4 结论 图 3.6 为了使设计方法更具一般性，选择具有归一化频率单位的低通滤波器设计作 为标准原型，通过对频率的比例变换和平移能够实现高通滤波器。具体做法是用 3λ0/8的微带线去代替电感和电容，从而实现射频高通滤波器。 

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