【信号处理】CPW 低通滤波器设计研究附Matlab代码

【信号处理】CPW 低通滤波器设计研究附Matlab代码

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/Matlab245/article/details/146722777

本文深入研究基于共面波导(CPW)的低通滤波器设计方法。CPW结构因其单面接地、易于集成、损耗低等优点，在微波射频领域得到广泛应用。本文首先概述了低通滤波器的基本原理和设计方法，然后详细讨论了CPW结构及其特性，并分析了不同CPW低通滤波器的设计方案，包括基于集总元件的CPW低通滤波器和基于缺陷地结构的CPW低通滤波器。最后，本文探讨了CPW低通滤波器在不同应用场景下的设计考量，并展望了CPW低通滤波器未来的发展方向。

1. 引言

在现代通信系统中，滤波器扮演着至关重要的角色。它们用于抑制不需要的信号频率成分，提取目标信号，提高系统性能。低通滤波器作为一种基本的滤波器类型，允许低于截止频率的信号通过，并抑制高于截止频率的信号。随着射频微波技术的发展，对滤波器的小型化、低损耗、易于集成等要求日益提高。

共面波导(Coplanar Waveguide, CPW) 结构凭借其独特的优势，在滤波器设计中展现出巨大的潜力。相较于传统的微带线，CPW具有以下优势：(1)单面接地结构使得器件封装和测试更加便捷；(2)易于实现阻抗匹配，降低信号反射；(3)损耗低，尤其在高频段；(4)更易于集成有源和无源器件。因此，基于CPW结构的低通滤波器在无线通信、雷达系统、传感器网络等领域得到广泛应用。

本文将围绕基于CPW结构的低通滤波器设计展开深入研究，旨在探讨不同设计方法，分析其优缺点，并展望其未来的发展趋势。

2. 低通滤波器基本原理与设计方法

低通滤波器是一种允许低于截止频率(fc) 的信号无衰减通过，并显著衰减高于 fc 的信号的滤波器。其理想特性曲线呈现一个陡峭的截止边沿，但实际电路中，由于元件的非理想性，这个截止边沿往往是逐渐过渡的。

常用的低通滤波器设计方法包括：

• 原型滤波器法:
  该方法首先设计一个理想的归一化低通滤波器原型，然后通过频率变换和阻抗变换将原型滤波器转换为实际的低通滤波器。常用的原型滤波器包括Butterworth滤波器、Chebyshev滤波器和Elliptic滤波器。每种滤波器都具有不同的特性，例如Butterworth滤波器具有平坦的通带响应，Chebyshev滤波器具有陡峭的截止边沿，Elliptic滤波器具有最陡峭的截止边沿，但通带和阻带都存在纹波。

• 影像参数法:
  该方法基于传输线理论，通过分析传输线的传输特性，设计匹配于特定阻抗的滤波器。该方法常用于设计微带线或带状线滤波器。

• 优化设计法:
  该方法利用电磁仿真软件或电路仿真软件，通过设定目标函数，优化滤波器参数，使其满足特定的性能指标。这种方法尤其适用于复杂的滤波器设计，例如需要满足特定的群延迟特性或抑制谐波。

选择哪种设计方法取决于具体应用需求。例如，对于对通带平坦度要求较高的应用，Butterworth滤波器可能更合适；对于对截止边沿陡峭度要求较高的应用，Elliptic滤波器可能更合适。

3. 共面波导(CPW)结构及其特性

CPW 结构是一种平面传输线，由位于同一平面的中心导体和两侧的接地面组成。中心导体和接地面之间通过狭缝隔离。CPW 结构的主要优点在于其单面接地特性，这使得器件的封装和测试更加方便。此外，CPW 结构还具有损耗低、易于阻抗匹配等优点。

从上述公式可以看出，CPW的特性阻抗和有效介电常数取决于中心导体宽度、狭缝宽度和基板介电常数。通过调整这些参数，可以实现所需的特性阻抗。

CPW的损耗主要包括导体损耗和介质损耗。导体损耗是由电流流过导体产生的电阻损耗，介质损耗是由电场在介质中产生的极化损耗。在高频段，导体损耗通常是主要的损耗来源。

4. 基于CPW的低通滤波器设计

基于CPW的低通滤波器设计可以采用多种方法，主要包括基于集总元件的CPW低通滤波器和基于缺陷地结构的CPW低通滤波器。

4.1 基于集总元件的CPW低通滤波器

基于集总元件的CPW低通滤波器是将集总电感和电容集成到CPW结构中，从而实现低通滤波功能。常见的结构包括L型、T型和π型滤波器。电感可以通过窄带线或螺旋电感实现，电容可以通过金属-绝缘体-金属(MIM)电容或指状电容实现。

集总元件的优点是体积小、设计灵活，但缺点是寄生效应较为严重，尤其在高频段。因此，在设计基于集总元件的CPW低通滤波器时，需要仔细考虑集总元件的寄生效应，并进行相应的补偿。

4.2 基于缺陷地结构的CPW低通滤波器

缺陷地结构(Defected Ground Structure, DGS) 是一种在接地面上刻蚀一定形状的结构，从而改变接地的电磁特性，实现特定的滤波功能。DGS可以看作是一种等效的LC谐振电路，通过调整DGS的形状和尺寸，可以改变其谐振频率，从而实现不同的滤波特性。

基于DGS的CPW低通滤波器具有结构简单、易于实现等优点。常见的DGS形状包括圆形、矩形、U型和H型。通过在CPW的接地面上周期性地刻蚀DGS，可以实现高阶低通滤波器。

4.3 其他CPW低通滤波器设计方法

除了上述两种方法外，还可以采用其他方法设计CPW低通滤波器，例如：

• 基于阶跃阻抗结构的CPW低通滤波器:
  该方法通过在CPW中引入阶跃阻抗，形成阻抗不连续点，从而实现滤波功能。

• 基于开口谐振环(SRR)结构的CPW低通滤波器:
  该方法将SRR集成到CPW结构中，利用SRR的谐振特性实现滤波功能。

• 基于人工智能算法的CPW低通滤波器设计:
  该方法利用机器学习算法，例如遗传算法或神经网络，优化滤波器参数，使其满足特定的性能指标。

5. CPW低通滤波器的应用与设计考量

CPW低通滤波器在各种射频微波应用中都发挥着重要作用，例如：

• 无线通信系统:
  用于抑制带外干扰，提高信号质量。

• 雷达系统:
  用于滤除噪声和杂波，提高目标检测能力。

• 传感器网络:
  用于抑制环境噪声，提高传感器精度。

在设计CPW低通滤波器时，需要考虑以下因素：

• 截止频率:
  截止频率是低通滤波器的重要指标，需要根据具体应用需求选择合适的截止频率。

• 阻带衰减:
  阻带衰减是指在截止频率以上的信号衰减程度，需要根据具体应用需求选择合适的阻带衰减。

• 通带回波损耗:
  通带回波损耗是指在通带内信号的反射程度，需要尽可能降低通带回波损耗，以提高信号传输效率。

• 插入损耗:
  插入损耗是指信号通过滤波器后的衰减程度，需要尽可能降低插入损耗，以提高系统性能。

• 群延迟:
  群延迟是指信号通过滤波器后的时间延迟，需要尽可能保持群延迟的线性，以避免信号失真。

• 尺寸:
  滤波器的尺寸是重要的设计指标，需要根据具体应用场景选择合适的尺寸。

• 成本:
  滤波器的成本也是重要的设计指标，需要在性能和成本之间做出权衡。

6. CPW低通滤波器的未来发展方向

随着射频微波技术的不断发展，CPW低通滤波器也面临着新的挑战和机遇。未来的发展方向可能包括：

• 小型化和集成化:
  随着电子设备的小型化趋势，对CPW低通滤波器的尺寸要求越来越高。未来的研究将集中于如何进一步缩小CPW低通滤波器的尺寸，并将其与其他器件集成在一起。

• 宽带化和多功能化:
  随着无线通信系统对带宽需求的增加，对CPW低通滤波器的带宽要求也越来越高。未来的研究将集中于如何提高CPW低通滤波器的带宽，并使其具有多种滤波功能。

• 可重构性和智能化:
  随着无线通信系统的复杂性增加，对CPW低通滤波器的可重构性和智能化要求也越来越高。未来的研究将集中于如何实现CPW低通滤波器的参数可调，并使其能够根据环境变化自动调整滤波特性。

• 新型材料和工艺:
  新型材料和工艺的出现为CPW低通滤波器的发展提供了新的机遇。例如，采用高介电常数材料可以缩小滤波器的尺寸，采用MEMS技术可以实现滤波器的可重构性。

7. 结论

本文对基于CPW结构的低通滤波器设计进行了深入研究，讨论了不同设计方法及其优缺点，并展望了其未来的发展趋势。基于CPW的低通滤波器凭借其独特的优势，在无线通信、雷达系统、传感器网络等领域具有广阔的应用前景。随着技术的不断进步，CPW低通滤波器将在未来的射频微波系统中发挥更加重要的作用。

参考文献

[1] 林浩佳.CPW微波滤波器的设计与研究[D].西安电子科技大学,2011.DOI:CNKI:CDMD:2.1011.076553.

[2] 钟晓征.高速集成电路片内互连的电磁建模和参数提取研究[D].电子科技大学[2025-03-30].DOI:CNKI:CDMD:1.2002.102467.

[3] 关闯,王平平,毕军建.复合左右手传输线结构漏波天线优化设计[J].电波科学学报, 2015(1):7.DOI:10.13443/j.cjors.2014030401.