无线通信系统中的带通滤波器研究毕业论文(编辑修改稿)

无线通信系统中的带通滤波器研究毕业论文(编辑修改稿)内容摘要：

转器获得 LC 等效电路的一般技术和通过采用反馈电路的运算放大器以实现需要的传递函数响应的技术。 除了在前面提到的技术之外，还有更直接地实现滤波器传递函数的数字技术。 最近，几乎所有的数字通信系统都采用数字滤波器作为基带滤波器。 另外 :，硬件水平的提高和高速运算算法的改进不断地扩展着应用频率的上限。 如上所述，滤波器机器设计方法的发展己有相当长的历史，滤波器已经成为电信领域、同时也是其他许多电子设备中不可或缺的器件。 167。 无线通信中的滤波器及分类 微波滤波器作为滤波器的一种，在 移动通信中有着广泛的应用。 在射频有源电路中输入输出各级之间普遍存在，各滤波器都有不同的功能和特性要求。 接受端带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接收器前端饱和。 除去如镜频一类的干扰信号。 减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。 所以接收端带通滤波器的最佳性能包括高衰减以除去干扰，同时减少将直接影响接收端灵敏度的带通插损。 发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰，这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。 另一个重要的功能是衰减掉发射 信号中接受频段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏度之下。 因此，发射端带通滤波器必须保持一个宽的阻带以抑制杂散信号，同时能维持低的通带插损和在输出端处理大电平信。 随着单片微波集成电路 (MMIC)的出现预示着射频有源电路如放大器、调制器、频率转换器的微型化越来越成为可能。 但对射频滤波器和谐振器等含有谐振器的电路尺寸缩小的优化方面还存在许多有待解决的问题。 因此，滤波器尺寸缩小和性能的提高将继续是两大重要课题。 并且很有可能将要在电路理论、材料、精巧工艺技术、精确的设计方法等方面开创一个新的前沿。 分配给无线通 信的主要频带范围非常宽，从几十兆赫兹到几十吉赫兹，因此有相当多种类的滤波器能在这些频带中使用。 图 给出了几种典型例子可使用的频率范围。 图 中没有包括有源 RC 滤波器、开关电容滤波器 (SCF)和数字滤波器等在内的有源电路滤波器，因为这些微波滤波器到现在还没有实用可行性，尚处于研发阶段。 另外，图 1. 1 也没有列入主要用于测量设备而在无线通信设备中极少使用的静磁式滤波器。 图 典型的滤波器应用频率范围 现在，在射频和微波电路中最常用的式带状线谐振器、滤波器。 由于带状线滤波器具有 小的 尺寸、通过光刻技术易于加工、与其他有源电路元件易于兼容等优点，许多电路使用此类滤波器。 它的另一类优势是能通过采用不同的衬底材料而在很大的频率范围内得以应用。 带状线的最大问题是 :和其他类型滤波器相比它的插损明显大，使它很难应用于窄带滤波器中。 即使是这样，带状线滤波器仍被给予厚望。 为了优化滤波器的性能和减少体积，阶跃阻抗谐振器 (SIR)技术和基于低温共烧陶瓷 (LTCC)技术的多层滤波器设计技术近来得到了备受关注。 SIR 作为一个比较早就出现的概念由于种种原因到最近才得到了重视，在后面章节将会详细介绍相关 的设计方法和特征。 LTCC 技术即低温共烧多层陶瓷基板制造技术。 它首先将玻璃一陶瓷生瓷带冲成一定尺寸，然后冲通孔、印刷电路、叠加最后挠成，从而形成单块陶瓷多层电路基板。 LTCC 技术具有以下特点 : (50 层 )。 LTCC 技术为微带滤波器的设计提供了多层的结构和多维设计空间。 这一技术在滤波器小型化方面还大有潜力，因此也成为目前三维集成电 路研究的热点课题。 目前，微波滤波器的小型化已经成为一个热门的研究领域，在小型化的基础上提高性能是滤波器研究的主要内容。 每年在各相关的微波杂志上可以看到许多有关如何减少滤波器体积和优化其性能的文章。 可以说在滤波器小型化和性能优化这一领域还有很多问题有待进一步的探索和解决。 167。 1. 3 本文研究内容和结构 带通滤波器 (BPF)是滤波器中使用最多、最重要也是最难设计的一种滤波器。 作为一种体积小、重量轻和可靠性高的微波集成电路 (MIC)电路单元，微带带通滤波器在电子系统尤其是通信领域被广泛使用。 随着微波技术 的发展，微带滤波器的种类日益增多。 它们性能各异，设计方法也有所不同，本文的主要研究内容就是几种类型的微波带通滤波器的设计方法，并结合实际需要提出了几种新颖的结构。 本论文的主要研究内容在于 : 1 首先，基于模板变换的思想，借助新型 EDA 软件的辅助功能提出了一种设计藕合型带状线带通滤波器的设计方法。 根据文中提出的经验公式，在充分利用现有实际电路制备的模板库中选择合适的模板，再进行适当的变换来实现最终设计。 由理论分析和实验结果来看，该方法较传统设计方法不仅更加快捷，而且提高了设计初始值的精确度。 2 应用 SIR 的原理讨论了一种锥形线带通滤波器的设计方法，并提出了一种在锥形线上增加spur line 的设计来提供 2 个零点，在基本不增加尺寸的情况下实现谐波抑制的功能，同时讨论了 :spur line 放置位置的影响。 加载 spur line 后杂散响应明显得到了抑制，满足设计要求，证实了设计方法的正确性。 3 提出了一种能提供指定频率零点的 2 阶 BPF 结构，能得到近似椭圆函数的响应，并给出了一种借助多种 EDA 软件来提高设计速度的设计方法。 通过采用 SIR 技术和 LTCC 工艺使电路尺寸较微带平面电路得到了很大减小。 最后给出了 一个用于无线局域网的 BPF 设 计实例，并结合 LTCC 实际生产需要提出了一种利用 SIR 谐振器带来的高阻带零点位置来判断基板介电常数细微变化的分析方法。 本文共五章，结构如下 : 第一章 绪论。 概述微波滤波器的发展和设计研究方法，介绍本论文的研究内容。 第二章 微带 BPF 设计中的模板法。 模板变换的思想在祸合微带 BPF 设计中的应用。 借助先进 EDA 软件，实现一种快速设计方法。 第三章 SIR 滤波器的研究。 首先讨论了 SIR 谐振结构的基本原理，随后应用 SIR 的原理讨论了一种锥形线带通滤波器的设计方法。 第四章 多层陶瓷带通 滤波器。 首先简要介绍了 LTCC 技术的工艺和现状，然后给出了一种具有谐波抑制功能的一二阶 BPF 结构。 之后提出了一种能提供指定频率零点的 2 阶BPF 结构。 第五章 结束语。 给出本论文有关结论以及对当前技术展望。 第二章 微带 BPF 设计中的模板法 167。 引言 半波长平行藕合微带线 BPF 结构紧凑，是微波集成电路中广为应用的 BPF 形式。 传统的设计方法，是基于对各祸合线节采用对称藕合的形式，并将每一藕合线节等效为一个导纳倒置器和在两端连接有电长度为 g，特性导纳为 Y 的传输线段的组合 .然后根据 BPF 技术指标，通过频率变换与低通原型滤波器联系起来，由低通原型滤波器元件值求得各祸合线节的奇、偶模特性阻抗，从而设计出各祸合线节的尺寸，再考虑开路端电容效应、拐角和尺寸跳变等各种不均匀性得到最终电路尺寸。 而往往得到实际电路还要考虑更多的无法在设计过程中量化的因素而必须进行整体调试。 它的变形 :发夹型和 SIR 型 BPF 的设计方法也大体类同。 参考以上种种设计方法和实际电路调试的经验，借助先进的 EDA 仿真软件，作者发现模板法的使用为微带祸合型 BPF 设计提供了一种非常便捷实用的途径。 本章在模板法的思路上提出一个半波长平行祸合微带线 BPF 及其几种变形的快速设计公式。 在充分利用现有实际电路制备的模板库的基础上，根据设计指标和介质板的参数可以方便的由相应模板变换得到设计方案，并将实际调测的工作量大幅减小。 作为基础，先介绍了当前半波长平行藕合微带线 BPF 及其几种变形的设计方法，其次阐述了模板法的理论并通过仿真实验数据提出了一个快速设计公式，最后根据提出的设计方法给出了一个设计实例。 167。 2. 1 现有几种半波长微带 BPF 的设计方法 平行藕合型设计原理 图 为 平行祸合线微带 BPF 的电路结构示意图。 它有 n 个谐振器 (对应于滤波器的阶数 n)，每个谐振器长为半波长 (对应中心频率 )，由 n+ l 个平行藕合线节组成，长为四分之一波长 ( 对应 中心频 率 )。 图 22 为 一节 平行藕 合线 及他的 等效 电路 ，其中20 0 0 0 0 02。 *e o e oZ Z Z Z Z Z  。 图 平行祸合线节及其等效电路 设计可分为以下几个步骤进行 : 第一步 :由给定的通带和阻带衰减特性，用带通到低通的频率变换式 (1)，选出合适的归一化低通原型，计算出滤波器的阶数，得到归一化低通原型的元件值 (这一部分的计算可以查 表得之 )。 39。 39。 010()W   （ 21） 第二步 :用网络等效方法，计算各级奇、偶模阻抗 : 设滤波器的节数为 n，归一化低通原型的元件值为 go,g1,g2*.....gn+1，则有以下设计公式 : 0139。 0 0 1 1,139。 01 1,139。 0 1 121*22( 1, 2 , .. ., 1)nnjjnnnnJ WY g gJ WY ggJ WY g gjn    （ 22） 这样，我们可以得第 J 个藕合线节的奇模阻抗 (Z0o) j 和偶模阻抗 (Z0e)j 分别为 : 20 1 , 0 1 , 001( ) [1 / ( / ) ]o j j j j jZ J Y J YY    （ 23） 20 1 , 0 1 , 001( ) [1 / ( / ) ]e j j j j jZ J Y J YY    （ 24） 第三步 :由各级奇、偶模阻抗，综合出微带线结构尺寸 :理论公式和表格可以参阅文献『 1』，这里就不再介绍。 2. 1. 2 发夹型设计原理 图 21. b 为发夹型微带 BPF 的电路结构示意图，它以图 23(a)所示开路式对称祸合微带单元级联而成，该祸合单元可以等效成一个导纳倒置转换器和接在两边的两段电长度为 c 、特性导纳为 0Y 的传输线的组合，如图 23(b)所示。 (a)微带藕合单元 (b)采用 J 倒置器的等效电路 图 23 微带藕合单‘元及其等效电路 等效电路的 A 矩阵为 : 00202202002220si n si nc os c os00si n c os si n c osc os( ) si n c os ( si n )sin( c osccccc c c ccc c cccjjjYYA JjJj Y jYJJjSY J Y JYjJJ                              00( ) si n c osccYJYJ (25) 通过等效上述等效电路和原电路的 A 矩阵可以得到 2oe、 Zo0如下 : 2000 2002000 2001 ( / ) c sc ( / )11 ( / ) c o t1 ( / ) c sc ( / )11 ( / ) c o tceccocJ Y J YZY J YJ Y J YZY J Y     (26) 由式 (2 一 6)可以看出，只要指定被设计的滤波器的倒置器参数 J，就可以确定任意藕合长度的滤波器藕合单元的电学参数。 藕合谐振器 BPF 的导纳倒置器的导纳 J 为 : 1010111111AjjjjjjBnjjnnYbJggbbJggYbJgg  (27) 式中 :YA、 YB 分别为源导纳和负载导纳。 jg 为低 通原型滤波器元件值。  为滤波器相对带宽。 jb 为电纳斜率参数 (slope param。