吳晨--畢業(yè)論文

1、安徽建筑大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）安徽建筑大學(xué)畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)(論 文)專 業(yè) 電子信息工程 班 級 一班 學(xué)生姓名 吳晨 學(xué) 號 10205010101 課 題 微波器件特性的研究 L型微波帶阻濾波器的設(shè)計(jì) 指導(dǎo)教師 吳東升 2014 年 6 月 8 日安徽建筑大學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）摘 要微波射頻電路已成為無線設(shè)備不可缺少的重要組成部分，隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展和軍事裝備的需求的日益增加，微波電路也越來越廣泛的應(yīng)用于通信、雷達(dá)、電子對抗技術(shù)等眾多領(lǐng)域。微波射頻電路通常分為微波無源電路、微波有源電路或者是兩者的結(jié)合。微波無源電路一般由各種傳輸線、各種無源器件、各種半導(dǎo)體控制器件等組成，如濾波器、限幅器、功

2、分器、耦合器和開關(guān)等。微波有源電路一般由傳輸線、無源器件、各種半導(dǎo)體有源器件組成，如低噪聲放大器、功頻率源、混頻器、倍頻器和檢波器等。本文介紹了微波濾波器的基本原理，分析了微帶帶阻濾波器的基本理論，給出了L型微帶濾波器的設(shè)計(jì)步驟和思路和過程。針對中心頻率,上邊頻：,下邊頻：,阻帶帶寬：W=200MHz,阻帶內(nèi)衰減：60dB的帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算出具體的電路結(jié)構(gòu)并應(yīng)用微波分析軟件分析驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。關(guān)鍵字：帶阻濾波器 無源器件 L型 微波電路IABSTRACTMicrowave and RF circuits has become an important part of wirele

3、ss devices are indispensable,with the rapid development of communication technology and the increasing demand of military equipment, microwave circuit is also more and more widely used in many fields of communication,radar,electronic countermeasure technology.Microwave and RF cir

4、cuits are usually divided into passive microwave circuits,microwave active circuits,or a combination of the two. Generally by all kinds oftransmission line, a variety of passive devices, various semiconductor controllercomponent of microwave passive circuits, such as filter,limiter,splitters,co

5、uplers and swith ect.Microwave active circuit consists of transmission line,passivedevices,various semiconductor active components,such as low-noise amplifiers,powerfrequency source,mixer,multiplier and detector.This paper introducesmthe basic principle of microwave filter,analyzes the basic theory

6、of microstrip band-stop filter,L type is given the design steps and thinking of the microstrip filter and process.In view of the center frequency :,frequency above: ,lower frequency:,stopband bandwidth:W=200MHz,attenuation in stopband:technical indexes of 60dB or band-stop filter,calculate the speci

7、fic circuit structure and application of microwave analysis software analysis proves the accuracy of the design.Key words: Band stop filter passive devices L microwave circuit目 錄第一章 緒論11.1引言11.2微波濾波器的發(fā)展11.3微波濾波器的分類及特點(diǎn)21.4課題主要內(nèi)容及研究方法3第二章 微波濾波器的基本原理42.1微波的概述42.1.1微波的定義42.1.2微波的特點(diǎn)52.2微波濾波器的概述62.2.1濾波器的

8、基本原理62.2.2濾波器的技術(shù)指標(biāo)72.3歸一化低通原型濾波器82.3.1巴特沃斯原型低通濾波器92.3.2切比雪夫原型低通濾波器92.3.3橢圓原型濾波器102.4頻率變換112.5微波濾波器的實(shí)現(xiàn)方法122.5.1Richards變換原理132.5.2單位元件142.5.3Kuroda規(guī)則14第三章 微帶線濾波器的設(shè)計(jì)163.1微帶線的基本原理163.1.1微帶線的有效介電常數(shù)163.1.2微帶線的特性阻抗173.1.3微帶線的傳輸特性173.1.4微帶線的損耗與衰減173.2微帶線帶阻濾波器的設(shè)計(jì)183.2.1性能要求183.2.2確定濾波器的類型183.2.3確定濾波器的結(jié)構(gòu)183.

9、2.4選擇設(shè)計(jì)的方法183.2.5選擇介質(zhì)基片和薄膜193.3設(shè)計(jì)微帶帶阻濾波器的計(jì)算19第四章 微帶濾波器的仿真與分析234.1ADS介紹234.2ADS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)過程244.2.1建立工程244.2.2繪制原理圖244.2.3原理圖的仿真與分析244.2.4生成版圖27第五章 結(jié)論29參考文獻(xiàn)30致謝31IVL型微波帶阻濾波器的設(shè)計(jì)電子與信息工程學(xué)院 電子信息工程專業(yè) 10級（1）班 吳晨指導(dǎo)老師：吳東升第一章 緒論1.1 引言設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，當(dāng)設(shè)計(jì)的頻率不高時(shí)，選用集總元器件濾波器，但當(dāng)頻率達(dá)到或接近GHz時(shí)，選用分布參數(shù)元器件構(gòu)成的濾波器。這是由兩個(gè)原因造成的，其一，頻率過高時(shí)電感

10、和電容應(yīng)選的元器件值過小，由于寄生參數(shù)的影響，如此小的電感和電容已經(jīng)不能再使用集總參數(shù)元器件；其二，此時(shí)工作波長與濾波器元器件的物理尺寸相近，濾波器元器件之間的距離不可忽視，需要考慮分布參數(shù)效應(yīng)。由于分布元器件中的微帶線濾波器具有體積小、重量輕、易于集成等特點(diǎn)，故廣泛應(yīng)用于各種射頻通信電路中。濾波器是二端口網(wǎng)絡(luò)，具有選頻的特性。濾波器目前在無線技術(shù)方面得到廣泛的應(yīng)用。濾波器體積的減小，使得單位面積中的結(jié)構(gòu)更加緊湊，內(nèi)部耦合情況更加復(fù)雜。用傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法是很復(fù)雜的，且經(jīng)常達(dá)不到指標(biāo)要求。現(xiàn)在，隨著射頻電路輔助設(shè)計(jì)電路的不斷發(fā)展，利用仿真軟件進(jìn)行微帶線濾波器的設(shè)計(jì)，可以避免復(fù)雜的理論計(jì)算和推導(dǎo)。A

11、DS(Advanced Design System)是由美國Agilent公司推出的微波電路和通信系統(tǒng)的仿真軟件，是當(dāng)今業(yè)界最流行的微波射頻電路、通信系統(tǒng)、RFIC設(shè)計(jì)軟件。ADS 功能強(qiáng)大，仿真手段豐富，可實(shí)現(xiàn)包括時(shí)域與頻域、數(shù)字與模擬、噪聲等多種仿真功能，并可對設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行頻率分析和優(yōu)化，直到仿真結(jié)果滿意為止，保證實(shí)際電路與仿真電路的一致性。1.2 微波濾波器的發(fā)展微波濾波器是一類無耗的二端口網(wǎng)絡(luò)，廣泛應(yīng)用于微波通信、雷達(dá)、電子對抗及微波測量儀器中，在系統(tǒng)中用來控制信號的頻率響應(yīng)，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。在微波濾波器研究和發(fā)展的歷史長河中，

12、凝聚了眾多國內(nèi)外專家和學(xué)者的心血和汗水。1937年，由W.P .Mason和R.A.Sykes發(fā)表的文章中首次提出了微波濾波器的研究，對于微波濾波器有比較清晰的介紹，對后來學(xué)者的研究有著重大的影響。20世紀(jì)60年代，G.L.Matthaei在其專著中對微波濾波器的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法作出了較全面、系統(tǒng)的介紹，但主要針對最平坦型和切比雪夫型，未涉及橢圓函數(shù)型和廣義切比雪夫型。20世紀(jì)70年代初，A.E.Williams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低階濾波器。Levy建立了集總和分布原型的元件公式間的聯(lián)系，給出了推導(dǎo)原型元件的簡單而準(zhǔn)確的公式；Rhode建立起了線性相位濾波器理論。這一

13、系列貢獻(xiàn)，都可以說是微波濾波器發(fā)展史上的重大突破。20世紀(jì)70年代初期，我國的老一輩微波專家甘本拔、吳萬春、李嗣范、林為干等，在國外研究成果的基礎(chǔ)上,濾波器的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了補(bǔ)充和完善，為我國微波濾波器的研究奠定了良好的基礎(chǔ)。近年來，隨著軍事、科研、通信的發(fā)展，市場對微波濾波器在性能方面的需求不斷地提升。而在微波濾波器的研究方面又有了新的突破。一些學(xué)者相繼提出了濾波器的綜合方法，并將這些方法應(yīng)用于濾波器的工程設(shè)計(jì)，取得了良好的效果?，F(xiàn)階段隨著低溫可燒結(jié)陶瓷（LTCC）、光子晶體（PBG）、高溫超導(dǎo)（HTS）等材料的出現(xiàn)，以及微波單片機(jī)電路、MEMS工藝的提高，微波濾波器開始朝著高性能、小型

14、化、集成化方向發(fā)展。1.3 微波濾波器的分類及特點(diǎn)微波濾波器根據(jù)頻率特性、帶寬、調(diào)諧等分類，從結(jié)構(gòu)形式看，濾波器主要有以下幾種：（1） 集總元件濾波器：集總元件濾波器是由集總元件電感和電容構(gòu)成的，得到廣泛的應(yīng)用，但是當(dāng)工作頻率高于1GHz時(shí)，L、C器件受自身?xiàng)l件的限制，無法正常工作，故這種濾波器只能在低頻時(shí)工作。（2） 微帶線濾波器：微帶線濾波器使用微帶線作為基本元件，其性能由微帶線的特點(diǎn)決定的。由于它的工作頻率為幾百M(fèi)Hz到幾十GHz，所以它適用于所有微波系統(tǒng)中。微帶線濾波器主要包括平行耦合微帶線濾波器、發(fā)夾型濾波器、交指微帶濾波器、交叉耦合微帶線濾波器。（3） 波導(dǎo)濾波器：波導(dǎo)帶通濾波器是

15、一種選頻電路。由于波導(dǎo)濾波器Q值高，插損小，溫度穩(wěn)定性能好，特別適合于高頻窄帶應(yīng)用。（4） 低溫共燒陶瓷（LTCC）濾波器：低溫共燒陶瓷濾波器是一門新興的集成封裝技術(shù)，具有多層厚膜成型技術(shù)和共燒技術(shù)兩者的優(yōu)點(diǎn)。這種新型的濾波器具有高集成度、高品質(zhì)因素和高穩(wěn)定性的特點(diǎn)。（5） 聲表面波（SAW）濾波器：聲表面波濾波器以體積小及優(yōu)良的性價(jià)比，廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代通信系統(tǒng)設(shè)備及便攜式電話輕簿短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠等方面的要求。但是，美中不足的是插入損耗較大（12dB）,難于集成，且在高頻下難以處理大功率信號，一般只用于2GHz以下的通信系統(tǒng)。 （6） 腔體濾波器：由于腔體濾波器的Q值高、插

16、損低（一般在1dB內(nèi)）、阻帶抑制高、調(diào)諧方便、尺寸小和體積較輕等特點(diǎn)，得到較為廣泛的應(yīng)用。但是在10GHz以上使用是，由于物理尺寸過小，制作精度要求很高，比較難以達(dá)到。 （7） 微機(jī)械結(jié)構(gòu)（MEMS）濾波器：在新型LC濾波器的基礎(chǔ)上通過添加微孔開關(guān)構(gòu)成的可調(diào)濾波器就是微機(jī)械結(jié)構(gòu)濾波器。其主要應(yīng)用于測量設(shè)備及通信設(shè)備，如衛(wèi)星通信、移動(dòng)通信等。1.4 課題主要內(nèi)容及研究方法本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是綜合運(yùn)用電子專業(yè)學(xué)生所學(xué)的電路、信號與系統(tǒng)、電磁場與電磁波技術(shù)以及微波技術(shù)等專業(yè)基礎(chǔ)理論知識和專業(yè)知識，根據(jù)技術(shù)要求選擇合適的微波電路形式，綜合出微波濾波器的具體結(jié)構(gòu)形式；借助于微波專業(yè)軟件（ADS）進(jìn)行微波

17、電磁場分析，根據(jù)分析結(jié)果修正設(shè)計(jì)參數(shù)；設(shè)計(jì)出符合要求的微波濾波器。通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，提高學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際、獨(dú)立解決問題、系統(tǒng)思考的能力，從而基本掌握科研或新品研發(fā)的工作流程，積累一定的項(xiàng)目規(guī)劃及設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)。此外，通過畢業(yè)設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)治學(xué)的態(tài)度，堅(jiān)韌不拔的作風(fēng)，良好的團(tuán)隊(duì)精神，為今后從事科研、生產(chǎn)工作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。所設(shè)計(jì)L型微波帶阻濾波器的技術(shù)指標(biāo)為：中心頻率,上邊頻：,下邊頻：,阻帶帶寬：W=200MHz,阻帶內(nèi)衰減：60dB。研究方法：以切比雪夫低通原型設(shè)計(jì)法為基礎(chǔ),利用頻率對應(yīng)關(guān)系，將帶阻濾波器的插入衰減特性轉(zhuǎn)換成低通原型濾波器的插入衰減頻率特性，按要求確定濾波器的階數(shù)，求得低通原型濾

18、波器的g參數(shù)值，可得出耦合微帶線間的距離，求得微帶線的尺寸，再利用ADS軟件進(jìn)行模擬和優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)了帶阻濾波器的設(shè)計(jì)。 第二章 微波濾波器的基本原理2.1 微波的概述2.1.1 微波的定義微波是頻率非常高的電磁波，通常是指頻率為300MHz到3000GHz范圍內(nèi)的無線電波，其相應(yīng)的波長范圍，根據(jù)頻率f，波長和電磁波在空中的傳播速度c(c=2.998×m/s3.0×m/s)之間的關(guān)系式f=c,應(yīng)是1m到0.1mm。微波的低頻端接近于普通無線電波的超短波，微波的高頻端接近于紅外線的遠(yuǎn)紅外。在微波的實(shí)際應(yīng)用中,常將它分成分米波、厘米波、毫米波和亞毫米（絲米）波四個(gè)波段。如表2-

19、1。表2-1 無線電頻段和波段命名段號頻段名稱頻率范圍（含高不含低）波段名稱波長范圍（含短不含長）1極低頻330赫茲（Hz）極長波10010兆米2超低頻30300赫茲（Hz）超長波101米3特低頻3003000赫茲（Hz）特長波10010萬米4甚低頻（VLF）330千赫（kHz）甚長波101萬米5低頻（LF）30300千赫（kHz）長波101千米6中頻（MF）3003000千赫（kHz）中波101百米7高頻（HF）330兆赫（MHz）短波10010米8甚高頻（VHF）30300兆赫（MHz）米波101米9特高頻（UHF）3003000兆赫（MHz）分米波101分米10超高頻（SHF）330吉赫

20、（GHz）厘米波101厘米11極高頻（EHF）30300吉赫（GHz）毫米波101毫米12至高頻3003000吉赫（GHz）絲米波10絲米在通信和雷達(dá)工程中，常使用拉丁字母來代表微波各波段的名稱，列于2-2。表2-2 微波常用波段代號及頻率范圍波段名稱頻率范圍(GHz)波段名稱頻率范圍(GHz)UHF0.31.12K1826.5L1.121.7Ka26.540LS1.72.5Q3350S2.53.95U4060C3.955.85M5075XC5.858.2E6090X8.212.4F90140Ku12.418R220325微波在電磁波波譜中位置如圖2-1所示圖 2-1電磁波波譜（波長單位為：n

21、m）2.1.2 微波的特點(diǎn)微波只是整個(gè)電磁波譜中的一個(gè)頻段，但它既具有不同于普通無線電波的特點(diǎn)，也具有不同于光波的特點(diǎn)。在微波波段，其波長與電路尺寸可相比擬，甚至更小，空間電磁場分布不能忽略。電磁場以波動(dòng)形式出現(xiàn)，在傳播過程中，呈現(xiàn)相位滯后效應(yīng)。同時(shí)，隨著波的傳播，電磁能量分布在整個(gè)微波電路中，不再像低頻電路那樣電場能量全部集中在電容中，而磁場能量集中于電感中。因此，對于微波電路的研究，傳輸線的長度可與信號波長相比擬時(shí)，傳輸線本身就是一種分布參數(shù)電路，必須研究電磁場的波動(dòng)過程。另外，傳輸線傳輸微波時(shí)，由于高頻電流有集膚效應(yīng)，產(chǎn)生導(dǎo)體損耗和輻射損耗嚴(yán)重，必須采用微波傳輸線。從學(xué)科領(lǐng)域上講，微波技

22、術(shù)應(yīng)屬于電磁場工程，人們之所以對微波特別感興趣，專門對其進(jìn)行研究，是因?yàn)槲⒉úǘ蜗噍^于別的波段，具有以下特點(diǎn)：（1） 微波的波長很短。具有似光性，且波長越短，波束的定向性和分辨能力越高，天線的尺寸可以。因此，利用微波的波長短這一特點(diǎn)，可以設(shè)計(jì)體積小、方向性和增益都很高的天線應(yīng)用于雷達(dá)、導(dǎo)航和通訊等系統(tǒng)。（2） 微波的頻率很高。即微波的震蕩周期很短，一般為10-9s10-15s。（3） 微波能穿透 電離層，因而衛(wèi)星通訊必須利用微波。（4） 微波的量子特性。微波相應(yīng)的量子能量范圍為10-410-9電子伏，當(dāng)微波照射到物體（介質(zhì)）上時(shí)，能深入到物質(zhì)內(nèi)部，可研究分子和原子核的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。2.2 微波濾波

23、器的概述2.2.1 濾波器的基本原理濾波器的基礎(chǔ)是諧振電路，只要構(gòu)成諧振電路組合就可實(shí)現(xiàn)濾波器。根據(jù)其頻率響應(yīng)特性可分為低通、帶通、帶阻、高通四種基本類型，其衰減特性如圖2-2所示。實(shí)現(xiàn)濾波器就是實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的諧振系統(tǒng)。其中，電感、電容形成的濾波器，稱為集總參數(shù)濾波器；各種射頻/微波傳輸線形成的諧振器，稱為分布參數(shù)濾波器。 圖2-2 四種基本濾波器2.2.2 濾波器的技術(shù)指標(biāo)濾波器的指標(biāo)形象地描述了濾波器的頻率響應(yīng)特性。（1） RF插入損耗：由于濾波器的介入，在系統(tǒng)內(nèi)引入的損耗。濾波器通帶內(nèi)的最大損耗包括構(gòu)成濾波器的所有組件的電阻性損耗（如電感、電容、導(dǎo)體、介質(zhì)的不理想）和濾波器的回波損耗（兩端電

24、壓駐波比不為1）.插入損耗定量地描述了功率響應(yīng)幅度與0dB基準(zhǔn)的差值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：IL=10log=-10log(1-|in|2) （2.1）其中PL是濾波器向負(fù)載輸出的功率，Pin是濾波器從信號源得到的輸入功率，|in|是從信號源向?yàn)V波器看去的反射系數(shù)。（2） 帶內(nèi)波紋：插入損耗的波動(dòng)范圍。帶內(nèi)波紋越小越好。采用dB或奈貝（Neper）為單位表示響應(yīng)幅度的最大值與最小值之差。（3） 帶寬：通帶內(nèi)對應(yīng)于3dB衰減量的上邊頻和下邊頻的頻率差，即：BW=fU-fL （2.2）（4） 矩形系數(shù)：矩形系數(shù)是60dB帶寬與3dB帶寬的比值，它描述了濾波器在截止頻率附近響應(yīng)曲線變化的陡峭程度：SF=

25、（2.3）（5） 阻帶抑制：在理想情況下，我們希望濾波器在阻帶頻段內(nèi)具有無窮大的衰減量。規(guī)定濾波器在什么頻率上會阻斷信號，是濾波器特性的矩形度的一種描述方式。通常以60dB作為阻帶抑制的設(shè)計(jì)值。（6） 中心頻率f0：即工作頻帶的中心，一般?。篺0=， （2.4）fU、fL為分別是指濾波器帶內(nèi)3dB衰減量的上、下邊頻。（7） 品質(zhì)因數(shù)Q：諧振頻率下，平均儲能與一個(gè)周期內(nèi)平均耗能相比：Q= （2.5）Q描述了濾波器的頻率選擇性，Q越高，帶寬越窄，諧振曲線越尖銳，頻率選擇能力越強(qiáng)。2.3 歸一化低通原型濾波器低通原型濾波器主要由L、C器件串并聯(lián)構(gòu)成的簡單電路，如下圖2-3所示。根據(jù)頻率變換理論，低通

26、原型濾波器可以與其他類型的濾波器進(jìn)行等價(jià)變換。取參數(shù)（=）作為相對于角頻率的歸一化頻率，對于低通、高通濾波器，是截止頻率，對于帶通和帶阻濾波器，是中心頻率。 圖2-3 低通原型電路圖2.3.1 巴特沃斯原型低通濾波器如果濾波器在通帶內(nèi)的插入損耗隨頻率的變化是最平坦的，這種濾波器是巴特沃斯濾波器，也稱為最平坦濾波器，圖2-4給出了巴特沃斯濾波器的響應(yīng)。圖2-4 巴特沃斯原型低通濾波器的頻率響應(yīng)巴特沃斯原型低通濾波器的響應(yīng)特性如下所示：（1） 是低通濾波器的通帶。（2） 是低通濾波器的阻帶。（3） 是通帶和阻帶的分界點(diǎn)，在分界點(diǎn)處插入損耗需要給出指標(biāo)值。（4） 在通帶內(nèi)巴特沃斯濾波器沒有任何波紋，

27、在阻帶內(nèi)巴特沃斯濾波器的衰減隨著頻率的升高單調(diào)急劇上升。巴特沃斯原型低通濾波器的帶內(nèi)的插入衰減為：LA（）=10lg（1+k2） （2.6）其中n 為元件數(shù)目。 巴特沃斯濾波器具有單調(diào)下降的幅頻特性，其過渡帶變化較平穩(wěn)。2.3.2 切比雪夫原型低通濾波器如果濾波器在通帶內(nèi)有等波紋的響應(yīng)，這種濾波器是切比雪夫?yàn)V波器，也稱為等波紋濾波器，圖2-5給出了切比雪夫?yàn)V波器的響應(yīng)。圖2-5 切比雪夫原型低通濾波器的頻率響應(yīng)切比雪夫低通原型濾波器的響應(yīng)特性如下所示：（1） 是低通濾波器的通帶，在通帶內(nèi)響應(yīng)是等幅度的波紋，波紋高度用dB表示。（2） 是低通濾波器的阻帶，阻帶內(nèi)的衰減隨著頻率的升高單調(diào)急劇上升。

28、（3） 是通帶和阻帶的分界點(diǎn)，在分界點(diǎn)處插入損耗需要給出指標(biāo)值。切比雪夫低通原型濾波器的插入衰減為：LA（）=10lg（1+k2Tn2()） （2.7）Tn()=，或| （2.8a）Tn()=，或| （2.8b）式中Tn()為切比雪夫多項(xiàng)式。由上式可知，切比雪夫原型低通濾波器雖然在通帶內(nèi)有起伏，但是它的起伏是控制在LA以內(nèi)的,且其過濾帶要比巴特沃斯原型低通濾波器陡峭的多。因此，切比雪夫原型低通濾波器在實(shí)際設(shè)計(jì)中應(yīng)用的較多。2.3.3 橢圓原型濾波器橢圓濾波器是利用橢圓函數(shù)使的濾波器在整個(gè)頻率響應(yīng)里的通帶和阻帶都具有等波紋型特性。圖2-6給出了橢圓原型濾波器的響應(yīng)。圖2-6橢圓原型濾波器的頻率響

29、應(yīng)橢圓原型濾波器的響應(yīng)特性如下所示：（1） 是低通濾波器的通帶，在通帶內(nèi)響應(yīng)是等幅值的波紋。（2） 是低通濾波器的阻帶，在通帶內(nèi)響應(yīng)是等幅值的波紋。（3） 是通帶和阻帶的分界點(diǎn)，在分界點(diǎn)處插入損耗需要給出指標(biāo)值。橢圓原型濾波器的插入衰減為：LA（）=10lg（1+k2Fn2()）， （2.9）式中Fn()為橢圓函數(shù)。因?yàn)闄E圓原型濾波器不僅在通帶內(nèi)等波紋的變化，在阻帶內(nèi)也等波紋的變化，從而導(dǎo)致其從通帶到阻帶的變化非常陡峭。2.4 頻率變換前面已經(jīng)學(xué)習(xí)了歸一化原型低通濾波器的特性。如果將它們的衰減特性的頻率變量經(jīng)過適當(dāng)?shù)淖儞Q，那么，就有可能得到以新的頻率為變量的衰減特性，用它們來表示高通、帶通、帶

30、阻等類型的濾波器。這樣的方法叫做“頻率變換”，相應(yīng)的公式叫做“變換式”。經(jīng)過頻率變換后，通過查表可以求得濾波器的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和g參數(shù)。由于只對橫坐標(biāo)的自變量進(jìn)行變換，對縱坐標(biāo)的衰減值并無影響。故頻率變換是不改變電路中所有電阻元件的特性，它只作用在電路中所有的電抗元件上，故變換時(shí)，幅度波紋特性仍保持不變。下面著重說明低通濾波器到帶阻濾波器的頻率變換。圖2-7為低通和帶阻濾波器的頻率響應(yīng)特性。圖2-7 低通原型濾波器及其對應(yīng)的帶阻濾波器的響應(yīng)設(shè)低通原型濾波器的頻率變量為，帶阻濾波器的頻率變量為。由于=0的點(diǎn)，變換成=0和=的點(diǎn)，而=的點(diǎn)，變換成=0的點(diǎn)。故由低通到帶阻的變換公式為： （2.10）式中，

31、為低通原型的截止頻率，為帶阻濾波器的相對帶寬，為阻帶中心頻率， 為上邊帶頻率，為下邊帶頻率。2.5 微波濾波器的實(shí)現(xiàn)方法工作頻率超過500MHz的濾波器是難于采用分立元件實(shí)現(xiàn)的，這是由于工作波長與濾波器的物理尺寸相近，從而造成了多方面的損耗并使電路性能嚴(yán)重惡化。所以，實(shí)際濾波器的實(shí)現(xiàn)，必須要將集總元件變換分布參數(shù)元件。我們將來利用一些有用的工具Richards變換，單位元件概念和Kuroda規(guī)則，實(shí)現(xiàn)電路設(shè)計(jì)從集總參數(shù)到分布參數(shù)的變換。2.5.1 Richards變換原理Richards變換可以將一段開路或短路傳輸線等效于分布的電感或電容元件。把集總LC網(wǎng)絡(luò)用短路或者開路的傳輸線來表示,從而引

32、入變換式:= （2.11）將平面映射到平面,它的周期是以=重復(fù)出現(xiàn)。現(xiàn)在用替換頻率變量,可以得到: （2.12） （2.13）上面兩個(gè)式子分別代表電感的電抗能表示式與電容的電納能表示式。通過式子可以發(fā)現(xiàn),微波電路中的電容、電感可以用長度為的開路或短路截線來代替。其中代替電容的開路截線的阻抗為1/C,代替電感的短路截線的阻抗為L。假設(shè)低通原型濾波器的特性阻抗=1,它的截止頻率在單位頻率處,濾波器經(jīng)過理査德變換之后,要保持截止頻率不變,則： （2.14）其中代表短路截線的長度,它的長度為,是指截止頻率是時(shí)傳輸線的波長。當(dāng)傳輸線的長度增大到時(shí)，頻率時(shí)，傳輸線會出現(xiàn)極點(diǎn)的衰減,這時(shí)候?yàn)V波器的響應(yīng)與原型

33、濾波器的響應(yīng)相同。但在頻率大于或者小于時(shí),短路截線的阻抗將與最初的集總元件不再匹配,這個(gè)時(shí)候?yàn)V波器的響應(yīng)與原型濾波器的響應(yīng)有很大的區(qū)別。原型濾波器的響應(yīng)是以頻率的周期重復(fù)出現(xiàn)。原理上說，集總元件濾波器設(shè)計(jì)中的電容和電感用短路和開路截線來代替，如圖2-8所示。當(dāng)短路截線的長度時(shí),這種線叫做公比線。圖2-8 理查德變換 (a)電感變?yōu)槎搪范探鼐€；(b)電容變?yōu)殚_路短截線2.5.2 單位元件在把集總參數(shù)元件變成傳輸線段時(shí)，需要分解傳輸線元件，即插入所謂單位元件（UE）以便得到可以實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。單位元件的的電長度特性阻抗為。單位元件可視為兩端口網(wǎng)絡(luò)，表達(dá)式如下：=（2.15）2.5.3 Kuroda

34、規(guī)則科洛達(dá)恒等關(guān)系是指用增加冗余傳輸線段的方法來實(shí)現(xiàn)開路截線和短路截線的相互轉(zhuǎn)換,如圖2-9所示。通過科洛達(dá)恒等關(guān)系可以很容易的實(shí)現(xiàn)濾波器。圖2-9 四個(gè)Kuroda恒等關(guān)系（）第三章 微帶線濾波器的設(shè)計(jì)3.1 微帶線的基本原理微帶線是目前射頻電路中使用最廣泛的傳輸線。微帶線是平面型結(jié)構(gòu)，可以用蝕刻電路技術(shù)在PCB上制作，而且它很容易與其他無源和有源的濾波器件集成，而且可以在一塊介質(zhì)基片上制作完整的電路，實(shí)現(xiàn)射頻部件和系統(tǒng)的集成化、固態(tài)化和小型化。微帶線的幾何結(jié)構(gòu)如圖3-1所示。 圖3-1 微帶線結(jié)構(gòu)示意圖其中，t為金屬導(dǎo)體厚度，w為金屬導(dǎo)體寬度，h為介質(zhì)厚度， 為基片的相對介電常數(shù)。3.1.

35、1 微帶線的有效介電常數(shù)微帶線導(dǎo)體帶的上方為空氣，下方為介質(zhì)，可以定義為一種全部填充等效介質(zhì)的微帶線，等效介質(zhì)的相對介電常數(shù)為，這種等效的微帶線和實(shí)際微帶線具有相同的相速度和特性阻抗，其等效關(guān)系由有效相對介電常數(shù)決定，在范圍內(nèi)。微帶線有效相對介電常數(shù)的近似計(jì)算公式為，（3.1a）, （3.1b）3.1.2 微帶線的特性阻抗利用微帶線有效相對介電常數(shù),可以得到微帶線特性阻抗的近似計(jì)算公式 （3.2） （3.3）在給定微帶線的特性阻抗和相對介電常數(shù)后，也可以求出的值。值的計(jì)算公式為= ， （3.4）= ， （3.5）式中 , 3.1.3 微帶線的傳輸特性微帶線傳輸準(zhǔn)TEM模，但微帶線的傳輸特性近似

36、按照TEM模計(jì)算。微帶線的相速度和波長按下面公式計(jì)算 （3.6）3.1.4 微帶線的損耗與衰減微帶線存在損耗.微帶線除了導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗外,還有輻射損耗,微帶線的損耗可以用衰減常數(shù)來表示。如果忽略輻射損耗，則微帶線的衰減損耗為，其中由微帶線介質(zhì)損耗引起，由微帶線導(dǎo)體損耗引起的。微帶線的介質(zhì)損耗是由介質(zhì)損耗是由介質(zhì)的漏電導(dǎo)致的。對于低損耗介質(zhì)，微帶線的介質(zhì)損耗為 =（dB/cm）， （3.7）式中。對于高損耗介質(zhì)，微帶線的介質(zhì)損耗為：（dB/cm） （3.8）微帶線的導(dǎo)體損耗為：， （3.9）其中 ，式中為導(dǎo)體的導(dǎo)電率。3.2 微帶線帶阻濾波器的設(shè)計(jì)3.2.1 性能要求所設(shè)計(jì)的濾波器的技術(shù)指標(biāo)

37、為:中心頻率：,上邊頻：,下邊頻：,阻帶帶寬：W=200MHz,阻帶內(nèi)衰減：60dB。3.2.2 確定濾波器的類型微波濾波器的類型有微帶濾波器、帶狀線濾波器、介質(zhì)濾波器、波導(dǎo)濾波器和表面濾波器等等。因?yàn)槲ЫY(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、便于制作，所以，我們選用微帶線濾波器。3.2.3 確定濾波器的結(jié)構(gòu)濾波器的結(jié)構(gòu)有：梳狀結(jié)構(gòu)、平行耦合結(jié)構(gòu)、發(fā)夾結(jié)構(gòu)、開路支節(jié)結(jié)構(gòu)等。我設(shè)計(jì)的是L型微帶線帶阻濾波器。3.2.4 選擇設(shè)計(jì)的方法前面介紹已經(jīng)了解到，濾波器的設(shè)計(jì)方法有巴特沃斯法、切比雪夫法或者橢圓濾波器等等。因?yàn)樵O(shè)計(jì)是帶阻濾波器，按照切比雪夫原型設(shè)計(jì)出的帶阻濾波器雖然在通帶內(nèi)衰減的變化有起伏波紋，但不超過

38、預(yù)先給定值；而在此條件下，可得到相當(dāng)陡峭的帶外衰減特性。因此我們選用的是切比雪夫原型濾波器來設(shè)計(jì)L型帶阻濾波器。其設(shè)計(jì)圖如圖3-2所示圖3-2 L型帶阻濾波器的設(shè)計(jì)圖3.2.5 選擇介質(zhì)基片和薄膜本設(shè)計(jì)選用RT/D 6010為介質(zhì)基片，其相對介電常數(shù)=10.8，厚度 h=1.27mm；微帶薄膜選用銅作導(dǎo)體，它的厚度為T=0.005mm。3.3 設(shè)計(jì)微帶帶阻濾波器的計(jì)算（1） 階數(shù)計(jì)算已知設(shè)計(jì)的濾波器的相關(guān)參數(shù)為：阻帶衰減：60dB首先根據(jù)帶阻濾波器和原型低通濾波器之間的頻率對應(yīng)關(guān)系，求出帶阻濾波器中心頻率所對應(yīng)的低通原型濾波器的頻率，由低通原型濾波器的衰減特性曲線，查出濾波器所需的階數(shù)n。根據(jù)

39、低通原型濾波器和帶阻濾波器的變換關(guān)系得： （3.10）其中，代入，可得：圖3-3給出了通帶內(nèi)最大衰減值為0.1dB時(shí)切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性，其中是通帶內(nèi)衰減最大值。圖3-3 0.1dB的切比雪夫低通濾波器的的阻帶衰減由圖3-3可知，滿足濾波器性能要求的階數(shù)為n=5。（2）根據(jù)階數(shù)及衰減波紋值，查表得出下列低通原型參量表3-1給出了n=1到6的切比雪夫低通濾波器對應(yīng)于=0.1時(shí)的元件數(shù)值。表3-1 切比雪夫0.1dB波紋的元件值（其中g(shù)0=1，=1，n=1到10）ng1g2g3g4g5g6g710.30521.00020.84300.62201.355431.03151.14741.0

40、3151.00041.10881.30611.77030.81801.355451.14681.37121.97501.37121.14681.00061.16811.40932.05621.51701.90290.86181.3554由上表可得，當(dāng)n=5時(shí)，g0= g6=1，g1= g5=1.1468，g2= g4=1.3712，g3=1.9750、（3）計(jì)算微帶線參數(shù)值 （3.11） （3.12） i=1n; （3.13） （3.14） （3.15） i=1n; （3.16）其中Z0、Y0分別表示終端阻抗和終端導(dǎo)納，ZU、YU分別表示特性阻抗和特性導(dǎo)納，L、C表示電感電容，為低通原型參量，

41、為串并聯(lián)諧振器的電抗斜率參數(shù)，為串并聯(lián)諧振器的電納斜率參數(shù)。（4）計(jì)算各傳輸線段的尺寸因?yàn)槲覀冊O(shè)計(jì)的是5階濾波器，故，取，F(xiàn)BW=0.588，Z0=50，g0= g6=1。則： =由于采用RT/D 6010作為微帶線的介質(zhì)，其=10.8，h=1.27mm，因?yàn)橐阎猌0=50，所以其主微帶線的寬度W=1.1mm，為了簡單考慮和達(dá)到較好的效果，將L諧振腔上的寬度也設(shè)置為W=1.1mm，而諧振器上的長度是一樣的，分別為，但是耦合間距s是不同的，由圖3-4可得，。圖 3-4 提取的歸一化電抗斜率參數(shù)與耦合間距的關(guān)系第四章 微帶濾波器的仿真與分析微帶線濾波器是采用微帶線作為基本元件的。在前面,我們介紹了

42、微帶線的基本原理,以及L型帶阻濾波器的設(shè)計(jì)過程。在這一章里我們通過根據(jù)理論分析,結(jié)合ADS電磁仿真軟件設(shè)計(jì)L型帶阻濾波器,并給出最終的優(yōu)化結(jié)果。4.1 ADS介紹ADS（Advanced Design System）是安捷倫科技有限公司所設(shè)計(jì)研發(fā)的一款電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化仿真軟件。ADS軟件的功能十分強(qiáng)大,在微波射頻領(lǐng)域有著高效和準(zhǔn)確的仿真能力,它還能夠?qū)崿F(xiàn)時(shí)域、頻域、模擬、數(shù)字、線性、非線性等多個(gè)方面的仿真,并能分析優(yōu)化仿真結(jié)果。ADS有著豐富的元件庫,還能夠?qū)υM(jìn)行測量并對器件間的連接進(jìn)行檢測,這些功能對設(shè)計(jì)電路提供了很大程度的方便性、速度與精確性。因此ADS深受廣大電子工程設(shè)計(jì)師的喜愛,是當(dāng)

43、今各研究單位使用最多的微波/射頻電路仿真軟件。圖4.1所示為ADS啟動(dòng)界面。圖4-1 ADS界面ADS有著十分強(qiáng)大的仿真功能,它可以進(jìn)行微波系統(tǒng)的電路仿真設(shè)計(jì)、DSP的仿真設(shè)計(jì)、通信系統(tǒng)的仿真、電磁矩覺仿真。ADS軟件所采用的電磁矩量仿真（Momentum）。它可以對微帶線、帶狀線、共面波導(dǎo)等的電磁特性進(jìn)行分析仿真。矩量法可以對積分、微分方程進(jìn)行數(shù)值求解,它是一種數(shù)值計(jì)算方法,與有限元法、時(shí)域差分法一樣。要得到射頻電路電磁分布的解,矩量法要把電路對應(yīng)的泛函數(shù)方程轉(zhuǎn)換成矩陣方程,并且對激勵(lì)和加載進(jìn)行分割,分割的越細(xì),矩量法所仿真的結(jié)果就越精確。這種電磁矩量法可以對設(shè)計(jì)好的微波電路圖進(jìn)行電磁仿真分

44、析,仿真電路板上的各種寄生和耦合效應(yīng),從而進(jìn)一步的對原理圖的結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化。4.2 ADS軟件進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)過程4.2.1 建立工程新建工程，選擇【File】【New Project】，系統(tǒng)出現(xiàn)新建工程對話框，在Name欄中輸入工程名，并在Project Technology File中選擇ADS Standard:Length unitmillimet，默認(rèn)單位為：mm，如圖4-2所示圖4-2 建立工程圖4.2.2 繪制原理圖建立完工程后，我們開始繪制原理圖。原理圖繪制如圖4-3所示圖4-3 L型帶阻濾波器的原理圖4.2.3 原理圖的仿真與分析由于原理圖中微帶線的寬度W、線長L、線間距S都是變量

45、,所以需要在原理圖上添加一個(gè)變量控件。在ADS上變量控件是VAR控件,我們單擊VAR圖標(biāo)將控件放置在原理圖上,然后雙擊控件,在彈出的變量設(shè)置窗口分別把每條微帶線的W參數(shù)、L參數(shù)、S參數(shù)添加上去。如圖4-4所示圖4-4 變量設(shè)置窗口添加S參數(shù)掃描控件S-Param,設(shè)置掃描的頻率范圍和步長。在對優(yōu)化控件Goal的設(shè)置時(shí)要適當(dāng)?shù)脑龃髢?yōu)化參數(shù)的數(shù)值,回波損耗調(diào)整到20dB,對阻帶抑制度可以調(diào)整到60dB,這樣可以使優(yōu)化結(jié)果較容易的與設(shè)計(jì)目標(biāo)匹配。具體設(shè)置方案如圖4-5所示。圖4-5 優(yōu)化控件設(shè)置用ADS軟件繪制完它的原理圖后，并把計(jì)算的值和所選的濾波器的材料參數(shù)輸入到原理圖中進(jìn)行仿真和優(yōu)化后，其結(jié)果

46、如圖4-6所示 圖 4-6(a)微波濾波器優(yōu)化前的仿真波形圖 4-6(b)微波濾波器優(yōu)化后的仿真波形此次仿真我們采用的是S參數(shù)仿真。S參數(shù)稱為散射參數(shù)，相較于Z和Y參數(shù)，它更適合適合與分布參數(shù)的仿真。S參數(shù)是建立在入射波、反射波關(guān)系基礎(chǔ)上的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，適于微波電路分析，以器件端口的反射信號，以及從該端口傳向另一端口的信號來描述電路網(wǎng)絡(luò)。二端口網(wǎng)絡(luò)有4個(gè)S參數(shù)，表示能量從口注入，在口測得的能量，各參數(shù)物理含義和特殊網(wǎng)絡(luò)的特性如下所述：端口2匹配時(shí)，端口1的反射系數(shù)：端口1匹配時(shí)，端口2的反射系數(shù)：端口1匹配時(shí)，端口2到端口1的反向傳輸系數(shù)：端口2匹配時(shí)，端口1到端口2的正向傳輸系數(shù)對于互易網(wǎng)絡(luò)=；

47、對于對稱網(wǎng)絡(luò)=；對于無耗網(wǎng)絡(luò)。通?？梢詫胃鶄鬏斁€或一個(gè)過孔等效成一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)。端口1接輸入信號，端口2接輸出信號，那么表示回波損耗，即有多少能量被反射回源端（端口1），該值越小越好，一般建議，即-20 dB；表示插入損耗，即有多少能量被傳輸?shù)侥康亩丝冢ǘ丝?），該值越大表示傳輸?shù)男试礁?，理想值?，即0 dB。一般建議，即-3 dB4.2.4 生成版圖生成版圖前我們要把傳輸線的特性阻抗(Term)和接地禁用,用按鈕把兩個(gè)Term和接地打上紅叉，然后就可以生成版圖了，點(diǎn)擊【Layout】【Generate/Updata Layout】生成版圖，在進(jìn)行版圖仿真前我們要重新對基板材料參數(shù)進(jìn)行設(shè)置,可以用【Momentum】 【Substrate】 【Update From Schematic】功能直接將原理圖的基板參數(shù)更新到版圖里。要重新修改基板材料參數(shù)就需要用【Momentum】【Substrate】【Create/Modify】功能。要進(jìn)行版圖仿真,還要在濾波器上添加兩個(gè)Port端口,在工具欄菜單上找到Port選項(xiàng),點(diǎn)擊該按鈕,在彈出的設(shè)置窗口里,把兩個(gè)port端口分別添加到濾波器的兩邊。版圖如圖4-7、4-8所示，版圖仿真波形如圖4-9所示圖4-7生成的版圖圖4-8仿真后的版圖圖4-9版圖仿真波形第五章 結(jié)論本畢業(yè)設(shè)計(jì)主要內(nèi)容是綜合運(yùn)用電子專業(yè)學(xué)生所學(xué)的電路、信號