电磁场与无线技术毕业设计论文-电可调带通滤波器设计(编辑修改稿)

电磁场与无线技术毕业设计论文-电可调带通滤波器设计(编辑修改稿)内容摘要：

为巴特沃兹、切比雪夫、椭圆、高斯、贝塞尔等类型，其中前三种较为常用，图 分别给出了理想、巴特沃兹、切比雪夫和椭圆函数四种响应的低通滤波器的频率响应。 “ 巴 特沃兹响应 ” 也称为 “ 最平坦响应 ” ，这是 因 为滤波器在通带内的幅度衰减曲线非常的平滑，但是通带到阻带的过渡带很难做得陡峭。 切比雪夫滤波器的设计是使用切比雪夫多项式来逼近滤波器的幅度衰减，其特点是在通带内有等波纹系数的幅度衰减曲线，因此 ，“ 切比雪夫响应 ” 也叫 “ 等波纹响应 ”。 由于切比雪夫滤波器的设计相对于巴特沃兹滤波器需要更多的部件，因而具有比较陡峭的通带到阻带的过渡带，即比较好的选择性。 “ 椭圆函数滤波器 ”的参数须用椭圆函数来进行计算，又叫 “ 考尔滤波器 ” ，它的幅度衰减函数在通带和阻带内都具有切比雪夫波纹，能实现最陡 峭的过渡带，因而它的带外抑制能力最强。 图 低通原型滤波器的衰减频率特性 按 所用谐振器的类型 分类 微波滤波器一般使用分布参数来实现，而微波谐振器的种类繁多，按照所用谐振器的类型来分，可分为介质滤波器、波导滤波器、同轴线滤波器、微带线滤波器、带状线滤波器等结构的滤波器。 其中每一种谐振器都有自己的优势和不足，因此根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器是很有必要的。 南京邮电大学 20xx届本科生毕业设计（ 论文） 5 （ 1） 介质滤波器 介质滤波器采用高介电常数低损耗正切的介质作为谐振器，具有低损耗、可接受的温度稳定性和尺寸小等特点。 然而， 受高成本和现在的加工技术的限制，它的使用范围被限制在50GHz 以下。 如图 所示，中间的圆柱形突起即为介质谐振器，可以利用微带线对介质谐振器馈电。 图 介质滤波器示意图 （ 2） 波导滤波器 波导滤波器采用波导谐振腔设计制作，具有低损耗、功率容量大和可以实际应用到100GHz等特点。 但是，其最大的缺点是，尺寸明显比其他类型的谐振器大。 图 一种经典的通过十字孔耦合的三阶波导腔体滤波器。 图 波导滤波器示意图 （ 3） 同轴滤波器 同轴滤波器采用同轴谐振腔设计制作，具有电磁屏蔽、低损耗和尺寸小等特 点。 但是，要在 10GHz以上使用，则由于其微小的物理尺寸，制作精度难以达到。 其示意图如图 示。 图 同轴滤波器示意图 （ 4）微带滤波器 微带线谐振器和带状线谐振器具有尺寸小、通过光刻技术易于加工、与其它有源电路元件易于集成等优点，许多电路更倾向于此类谐振器。 它们的另外一大优势是，通过采用不同介电常数的衬底材料使其能在很大的频率范围内得到应用。 然而，和其它谐振器相比，其差损明显比较大，使其很难在窄带滤波器中得到应用。 目前已经有新型的材料可以在某些应用场合解决这个问题，如采用 HTS（高温超导体） 及 LTCC（低温退火共烧结技术）等先进技术制成的微带滤波器 ]34[。 因为本文中的滤波器设计主要基于微带结构，所以在这里着重介绍一些微带结构的滤波南京邮电大学 20xx届本科生毕业设计（ 论文） 6 器。 微带线是采用光刻工艺制作在薄的介质基片上的一种微波集成传输线，其由金属底板和介质基片以 及另一面的金属条带构成，加工方便，如图。 微带线中导行的是准 TEM波，可以非常方便地与其它微波元器件集成，一直是研究的热点。 基于微带结构的滤波器形式多种多样，有专门的著作介绍 ]34[。 由于采用光刻工艺加工，微带滤波器多采用两维 （ 2D）平面结构的半开放谐振器，相比波导和同轴等封闭三维（ 3D）腔体结构，在设计上少了一维自由度，且品质因数相对较低，从而其插入损耗相对较大。 最常见微带滤波器的有平行耦合线型、梳状线型、交指线型和发夹线型等。 其中平行耦合线滤波器作为出现比较早的一种滤波器，由于其简单易行的设计一直受到广泛的关注，在实际中被大量使用。 这种滤波器可以通过公式根据设计要求直接计算得到滤波器具体的尺寸。 平行线滤波器是由若干个 平行耦合节依次级联而成的，其中单节四分之波长平行耦合微带线是构成这种滤波器的基本单元，对它们的设计构成了整个滤波器设计的基础。 图 中 列出了上面提到的几种滤波器。 具体的设计方法请参阅文献 ]34[。 图 微带结构示意图 图 几种常见的微带滤波器 近年来，由于各种数值方法的快速发展 （ MoM， FDTD等）， 商业全波分析软件的成熟，以及计算机硬件水平的不断提升，使得以前难以被精确分析的一些混合结构可以直接快速仿真加 以设计，于是出现了很多微带 共面波导、微带 槽线等混合结构的滤波器，在一定程度上南京邮电大学 20xx届本科生毕业设计（ 论文） 7 突破了传统微带滤波器 2D设计的局限性。 特别的，由于 LTCC（ 低 温退火共烧结陶瓷）技术的出现，使得多层微带滤波器的加工更为简便易行，为设计提供了非常大的自由度，已有许多全新结构和新特性的微带滤波器被设计出来。 微波滤波器的主要性能参数列出如下： （ 1） 通带带宽与中心频率。 微波滤波器设计中所指的带宽一般为 3dB 带宽，即插入损耗达到最小衰减的 3dB时对应的上下限截止频率 1f 和 2f 之间的频带宽度， 1f 与 2f 的中心被称之为中心频率 0f ，相对带宽定义为绝对带宽与中心频率 0f 的比值，表达式如下 012 || f ffFBW  （ ） （ 2） 插入损耗。 在电路中由于插入元器件所导致的信号损耗，可以用网络插入前的负载功率 LP 与插入后的负载功率 inP 的比值来表 示，即端口匹配时传输系数的倒数，在某一特定频率下的插入损耗 IL（用分贝表示）定义为 )(||)(|| 1lg10lg10 21221 dBSdBSPPIL inL  （ ） 与 3dB带宽相对应，在滤波器设计中，一般认为通带插损不超过 3dB。 对阻带衰减的标准各不相同，一般认为至少大于 15dB。 实际常用 || 21S 参数表示。 （ 3）回波损耗。 输入功率 inP 与反射功率 rP 的比值，即端口接匹配负载时的反射系数的倒数，若以 dB为度量单位，定义为 )(||1011 dBSPPl ogRL rin  （ ） 回波损耗表征了通带内的驻波特性 ，与外部电路的匹配状况，一般认为至少要大于 10dB。 同样，为了方便起见，也常用 || 11S 参数来表示。 （ 4） 矩形系数。 描述滤波器对频带外信号的衰减程度，过渡带越陡峭，选择性越好。 理想滤波器的幅频特性应该是一个矩形。 为了描述滤波器接近矩形的程度，定义一个指标为矩形系数，其定义式为 dBBWBWK 3  （ ） 即滤波器的传输系数下降到中心频率最大传输系数的 倍时的带宽 与其 3dB 带宽之比。 理想的滤波器，矩形系数等于 1，此时通频带外的信号全部衰减，具有最佳滤波性能。 （ 5）品质因数 Q。 谐振器的频率选择性可以用品质因数 0Q 来描述，定义为在谐振频率点时，平均储能与每周期损耗能量的比值，它的表达式如下式   |20 每周期的能 量损耗滤波器总储 能Q （ ） 南京邮电大学 20xx届本科生毕业设计（ 论文） 8 品质因数还可分为加载品质因数 LQ 和外部品质因数 eQ 三种情况，它们之间有如下关系 eL Q 111 0 （ ） 0Q 是与谐振器及其耦合结构紧密相关的参数，当谐振器（结构、材料）被最终确定下来之后，0Q 同时也被确定下来，这是其固有的物理参量，而采用不同的耦合结构时，会对谐振器造成不同程度的微扰，导致 0Q 不同程度的降低。 0Q 是滤波器性能的最为关键的参数。 eQ 表示外部电路与滤波器总的能量耦合程度，一般而言，窄带滤波器要求较高的 eQ ，宽带的则反之。 （ 6）波纹系数。 用于描述频率响应曲线在滤波器通带内的变化程度的 量，定义为通带内频率响应曲线上幅度的最大值与最小值之差。 （ 7）端口特性阻抗。 连接到滤波器的输入输出终端传输线的特性阻抗，在实际工程中多数情况下取 50或 75欧姆。 （ 8）群时延。 滤波器做为一个时延网络，当信号通过时相位要发生变化。 插入相移  是频率的函数，插入相移频率特性曲线的斜率就称为群时延，定义为   D （ ） 当通带内的相移是线性时，群时延为一固定值；否则信号就会产生畸变。 （ 9）寄生通带。 由于微波滤波器采用的是分布参数元件，频率响应具有周期性，随着工作频率的升高，这些元件的感性和容性将发生转化，故在理想的阻带中会出现不期望的通带，这就是寄生通带。 在设计时，应尽量消除寄生通带，或使之远离需要抑制的频段。 （ 10）传输零点。 传输零点又叫衰减极点或者陷波点，是指从通带到阻带过渡段中一个明显的下陷点，传输零点的出现意味着滤波器的带外衰减快，抑制能力 好。 图 典型微波带通滤波器的响应 图 中画出了一个典型的两阶微波带通滤波器响应，可以对照理解滤波器的各个指标的意义。 南京邮电大学 20xx届本科生毕业设计（ 论文） 9 理想的滤波器应该是这样一种二端口网络：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内使信号完全被抑制。 然而在实际工程中，我们只能设计一个尽可能接近理想滤波特性的滤波器。 实际的滤波器总有一定的插入损耗的（有用信号没有完全传输） ，另 外阻带的抑制也总是有限的（有部分干扰信号通过 ）。 目前滤波器的设计有两种不同的方法 ]30[。 一种称为镜像参数法。 它是以滤波网络的内在特性作为根据的，这种方法的特点是：根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出变换器损耗的特性。 然后再将这些具体电路拼凑起来，使总的衰减特性满足所需要的技术要求。 用这种方法设计出来的滤波器一般为 K式滤波器和 m式滤波器等。 这种方法的优点是理论根据简单，它的缺点是在分析过程中没有考虑外接负载的影响。 另一种方法从插入损耗入手，是近年来应用很多的设计方法。 它的基本步骤大致如下所述。 首先根据给定指标利用网络综合理论确定归一化低通 原型滤波器的集总参数值，然后经过阻抗变换实现与信号源和负载的匹配，再经过频率变换实现要求的通带形式，这样就得到了由集总参数元件实现的电路结构。 对于微波滤波器的设计，最后还需要把集总参数元件用分布参数的微波结构来实现，这个过程是由 Richards 变换来实现的。 整个设计流程如图 所示，图 给出一个集总参数低通滤波器用分布参数 来 实现的例子，由 LC 网络变为 高 低阻抗变换微带线的形式。 其中，串联电感 L可用高阻抗微带短线来实现，并联电容 C可用低阻抗微带短线来实现。 图 插入损耗法的设计流程图 图 集总参数滤波器转化为分布参数的微带线低通滤波器 南京邮电大学 20xx届本科生毕业设计（ 论文） 10 插入损耗设计法的优点是设计准确，且设计时 已 经考虑到了外接负载的影响。 它的缺点是需要用到比较复杂的网络理论。 但是，这个缺点是可以弥补的，因为只要一旦把满足各种要求的低通原型滤波器设计出来以后，后来的设计手续就变成了简单的查表、读图和应用浅显数学方法换算数据。 在上述设计步骤中，最关键也最难的一步是用分布参数的形式 来 实现集总元件参数的滤波器，特别是在串并联谐振回路结构复杂的情况下。 所以用 开 路、短路短截线级联 来 实现的微波滤波器极为少用。 但是依据这种基本理论衍 生而出的其它多种设计过程和结构形式却得以在实际中广泛使用。 另外在设计带通滤波器时，有 —种快速设计的实验方法。 其通过大量的虚拟实验预先拟合出一系列图表，然后利用图表逐步实现优化过的目标耦合系数矩阵，最终达到设计要求指标。 限于篇幅及与本文的相关程度，这里不详细加以介绍，具体请参阅文献 ]34[。 最后，上面所提到的设计方法都是在中心频率附近近似得出的，因此只适用与相对带宽不太大的滤波器，这同时也是微波滤波器具有特殊的寄生通带的原因。 要实 现宽带或宽阻带的滤波器，一般通过特殊的结构或设计方法。 本文中设计使用的软件有 ADS 和 Zeland IE3D，测量仪器为 Agilent HP8720 矢量网络分析仪。 下面分别对其进行简单的介绍。 ADS 仿真软件 ADS是领先的电子设计自动化软件，适用于射频、微波和信号完整性应用。 ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域 电路仿真 （ SPICElike Simulation） 、频域电路仿真 （ Harmonic Balance、 Linear Analysis） 、三维电磁仿真 （ EM Simulation） 、通信系统仿真 （ Communication System Simulation） 、 数字信号处理 仿真设计（ DSP）； ADS支持射频和 系统设计 工程师开发所有类型的 RF设 计。