微波课程设计报告.docx
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微波课程设计报告
湖南工业大学
课程设计任务书
2009—2010学年第二学期
计算机与通信学院(系、部)通信工程专业班级
课程名称:
微波技术与天线
设计题目:
微波滤波器的设计
完成期限:
自2011年6月20日至2011年6月26日共1周
内
容
及
任
务
1.设计内容
1)设计低通和带通滤波器的参数
2)测试低通和带通滤波器的工作频率
3)测试电视图像、声音信号经过低通和带通滤波器的输出波形
2.设计任务
1)完成低通和带通滤波器各参数的设计
2)完成低通和带通滤波器工作频率的测试
3)完成电视图像、声音信号经过低通和带通滤波器的输出波形的测试
4)调试和分析
进
度
安
排
起止日期
工作内容
2010.6.26
任务分配和讨论。
2010.6.27
低通和带通滤波器各参数的设计
2010.6.28
低通和带通滤波器工作频率的测试
2010.6.29
电视图像、声音信号经过低通和带通滤波器的输出波形的测试
2010.6.30
调试和分析
2010.7.1--2010.7.2
课程设计说明书和任务书的填写
主
要
参
考
资
料
1.王新稳,微波技术与天线,电子工业出版社。
2.甘本拨吴万春,现代微波滤波器的结构与设计,科学出版社。
3.加博·C.特默斯,桑吉特·K.米特纳,王志洁译,人民邮电出版社。
指导教师(签字):
年月日
系(教研室)主任(签字):
年月日
微波技术与天线
课程设计说明书
微波滤波器设计及其测量
起止日期:
2011年06月20日至2011年06月26日
学生姓名
班级
学号
成绩
指导教师(签字)
计算机与通信学院
2011年06月26日
课题名称
微波滤波器设计及其测量
人数
组长
同组人员
课
题
的
主
要
内
容
和
要
求
1.设计目的
1)熟悉微波元器件。
2)学习及掌握滤波器的原理。
3)学会调试微波低通和带通滤波器,并测试它的主要指标。
4)掌握微波低通和带通滤波器的原理和方法。
2.设计内容
1)设计低通和带通滤波器的参数
2)测试低通和带通滤波器的工作频率
3)测试电视图像、声音信号经过低通和带通滤波器的输出波形
具体任务
时间安排与完成情况
6月20日,任务分配和讨论。
6月21日,完成带通滤波器各参数的设计
6月22日,完成带通滤波器工作频率的测试
6月23日,完成电视图像、声音信号经过带通滤波器的输出波形的测试
6月24日,调试和分析
6月25日-6月26日,完成课程设计说明书和任务书
(一)滤波器的种类
以信号被滤掉的频率范围来区分,可分为低通(Lowpass)、高通(Highpass)、带通(Bandpass)及带阻(Bandstop)四种。
若以滤波器的频率响应来分,则常见的有巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(TchebeshevType-I)、切比雪夫Ⅱ型(TchebeshevType-Ⅱ)及椭圆型(Elliptic)等,若按使用元件来分,则可分为有源型及无源型两类。
其中无源型又可分为L-C型(L-CLumped)及传输线型(Transmissionline)。
而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型(ParallelCoupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及发针型(Hairpin-line)等等不同结构。
本实验以较常用的巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(TchebeshevType-I)为例,说明其设计方法。
首先了解Butter-worth及TchebeshevType-I低通滤波器的响应图。
(a)Butterowrth
(b)TchebyshevType
其中
rp(dB)——通带纹波(passbandripple),
N——元件级数数(orderofelementforlowpassprototype)
ω——截通比(stopband-to-passbandratio),
ω=fc/fx(forlowpass)
=BWp/BWx(forbandpass)
其中
fc——-3dB截止频率(3dBcutofffrequency)
fx——截止频率(stopbandfrequency)
BWp——通带频宽(passbandbandwidth)
BWx——截止频宽(stopbandbandwidth)
Tn()为柴比雪夫多项式(Tchebysheypolynomals)
其中
,
图4-1(a)(b)即是三级巴特渥兹型B(3,ω)与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的截通比响应的比较图。
理论上,在通带内巴特渥兹型是无衰减的(Maximunflat),而切比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。
实际应用上,除非在通带内要求必须是平坦响应(flatresponse)外,大多允许通带内少量衰减,因而一般采用切比雪夫型以获得较大的截通效应或减少元件级数。
图4-1(a)巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图
图4-1(b)巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图
其中:
B(3,ω)——三级巴特渥兹型的衰减响应
T(0.25,3,ω)——纹波为0.25dB的三级切比雪夫型的衰减响应
T(0.5,5,ω)——纹波为0.5dB的五级切比雪夫型的衰减响应
T(1,7,ω)——指纹波为1dB的七级切比雪夫型的衰减响应
(二)低通滤波器设计方法:
(A)巴特渥兹型(ButterworthLowpassFilter)
步骤一:
确定参数。
电路阻抗(Impedance):
Z0(ohm)
截止频率(CutoffFrequency):
fc(Hz)
截通频率(StopbandFrequency):
fc(Hz)
通带衰减量
阻带衰减量
步骤二:
计算元件级数(Orderofelements,N):
N取最接近的整数
步骤三:
计算原型元件值(PrototypeElementValues,gK):
步骤四:
先选择串L并C型或并C串L型,再根据公式计算实际电感电容值:
(a)串L并C型
(b)并C串L型
(B)切比雪夫I型(TchebyshevType-ILowpassFilter)
步骤一:
确定参数。
电路阻抗(Impedance):
Zo(ohm)
截止频率(CutoffFrequency):
fc(Hz)
阻带频率(StopbandFrequency):
fx(Hz)
通带纹波量(MaximumRippleatpassband):
rp(dB)
阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):
Ax(dB)
步骤二:
计算元件级数(Orderofelements,N).
,其中
N取最接近的奇整数。
采用奇整数是为了避免切比雪夫低通原型在偶数级时,其输入与输出阻抗不相等。
步骤三:
计算原型元件值(PrototypeElementValues,gk):
其中
步骤四:
先选择串L并C型或并C串L型,再依据公式计算实际电感电容值。
(a)串L并C型
(b)并C串L型
(二)带通滤波器设计方法:
步骤一:
确定参数。
电路阻抗(Impedance):
Zo(ohm)
上通带频率(upperpassbandedgefrequency):
fPU(Hz)
下通带频率(lowerpassbandedgefrequency):
fPL(Hz)
上截止频率(upperstopbandedgefrequency):
fXU(Hz)
下截止频率(lowerstopbandedgefrequency):
fXL(Hz)
通带衰减量(MaximumAttenuationatpassband):
AP(dB)
阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):
AX(dB)
步骤二:
计算元件级数(Orderofelements,N)。
其中
(1)巴特渥兹型(Butter-worth)
,N取最接近的整数.
(2)切比雪夫I型(TchebeshevType)
,N取最接近的奇整数
步骤三:
计算低通原型元件值(PrototypeElementValues,gk)
其公式如前所示。
并选择串L并C型或并C串L型,计算出实际电容(Cp)、(Ls)值。
(a)串L并C型
(b)并C串L型
步骤四:
计算带通原型元件变换值。
由低通原型实际元件值依据下列变换对照表计算出带通原型实际元件值,并用带通原型变换电器取代低通原型电路元件,以完成带通电路结构。
图4-1(a)N=5串L并C型低通滤波器电路原型
图4-1(a)N=5并C串L型低通滤波器电路原型
图4-1(c)N=5串L并C型带通滤波器电路原型
为了描述滤波器的滤波特性,一般常用的是插入衰减随频率变化的曲线。
插入衰减的定义为
式中Pi为滤波器所接信号源的最大输出功率,PL为滤波器的负载吸收功率。
微波滤波器的主要技术指标有:
工作频带的中心频率、带宽、通带内允许的最大衰减、阻带内允许的最小衰减、阻带向通带过渡时的陡度和通带内群时延的变化等。
利用四分之一波长传输线并联电抗元件的滤波器
滤波器的结构是:
在一特性阻抗为Z0的传输线上,每隔/4的距离就并接一个电抗性元件(它的实际结构可以是短路支线、膜片或螺钉),设其阻抗分别为Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6,RL是滤波器所接的负载。
电容加载型同轴谐振腔
电容加载型同轴谐振腔如右图所示。
谐振条件:
满足谐振条件的C值由右式确定
如果将缝隙电场近似看作均匀分布,
则式中C可按平板电容公式计算
五、测量方框图
待测滤波器
用于调节带宽
用于调节中心频率
微波三同轴腔滤波器
输出口
输入口
微波系统实验箱(接收设备)
六、硬件测量
1.对于低通滤波器的S11及S21测量以了解LC型低通滤波器电路的特性;对于带通滤波器的S11及S21测量以了解LC型带通滤波器电路的特性。
2.测量同轴腔滤波器的以下参数
上通带频率fPU(Hz)
下通带频率fPL(Hz)
上截止频率fXU(Hz)
下截止频率fXL(Hz)
通带衰减量AP(dB)
阻带衰减量AX(dB)
3.测量步骤:
将示波器打到X-Y挡,扫频仪扫瞄输出接示波器的X输入作为水平频率线。
将扫频仪射频输出接三同轴腔终端电容加载带通滤波器,中心频率为1500MHz,滤波器输出接微波同轴检波器,然后接到示波器Y轴挡。
将扫频仪扫瞄带宽打到200MHz,带通滤波器带宽为20MHz,用扫频仪Maker频标观查测量上截止频率,下截止频率fXL(Hz),下通带频率fPL(Hz)
阻带衰减量AX(dB)等。
可用起子同时调节三同轴腔终端电容加载带通滤波器的中心频率和通频带。
通带衰减量AP(dB)的测量,去掉待测三同轴腔终端电容加载带通滤波器,直接将扫频仪输出接微波同轴检波器,到示波器观查前后两种情况下的电平差别,再调节扫频仪输出使两种情况示波器指示相同,记下两次的电平差,可测出带内查损。
其它指标测量方法同前。
实验记录表8-1、8-2、8-3、8-4均为以下此表;
5、硬件测量的结果建议如下为合格:
RF2KM6-1AMOD-6A(DC-50MHZ)S11≤-20dB
S21≥-1.5DB@≤50MHZ
MOD-6B(PASSBAND)S11≤10dB@210MHZ
(PASSBAND)RecordFplS21=-3.0dB
RecordFphS21=-3.0dB
(STOPBAND)RecordFxlAttn.=-18dB
FxhAttn.=-18dB
七、软件仿真:
(利用RFSim99软件)
1.这里以实例分析为例,先通过理论公式计算出各个元件值。
2.然后进入微波软件RFSim99软件,在原理图上设计好相应的电路,设置好端口,完成频率设置、尺寸规范、器件的加载、仿真图型等等的设置。
3.最后进行仿真,结果应接近实际测量所得到的仿真图形。
4.如果不符合要求,再调试,直到达到要求为止。
5.电路图如前面图图4-1(a)(N=5并C串L型低通滤波器电路原型)
设计总结:
设计了一种耦合带通滤波器,分析了该带通滤波器的工作原理,并给出了耦合环结构的结构参数与耦合系数的对应曲线,便于工程设计。
通过对耦合结构的改变,使滤波器尺寸减小为毫米量级,能够较好地应用于微波波段。
利用该结构设计的微波滤波器具有小型化和高Q值的特点,能更好地适应工程需要。
心得体会
通过本次课程设计,我收获胜多!
刚开始接到课题时,由于是组长,我在早几天前就开始参考我们的教材和实验指导书,把课程设计中一些相关的原理基本上弄懂了。
等到实验室以后,我就给组员分配好了任务。
刚开始的时候,我们都很迷茫,知道要做什么,但却不知道该从何动手,不过后来经过深入的研究和了解,最终我们还是完成了滤波器的设计。
由于实验箱上只有带通滤波器,所以在条件有限的情况下,我们只测试了带通滤波的各种性能,不过与带通滤波器类似的其他滤波器的设计应该也是相似的。
通过本次课程设计的学习,我加深了对微波技术与天线理论知识的理解,提高了手动能力和团队合作能力。
在滤波器的设计中,我了解了滤波器的工作原理,也更加深刻理解了图像声音系统的工作原理。
在课程设计过程中虽然也遇到了不少问题,但在同学和老师的帮助下,最终还是成功的完成了。
通过本次设计我认识到团队合作精神的重要性。
总的来说,这次设计让我受益匪浅。
在以后的学习工作中,我认为自己还需加强动手能力和理解能力,来弥补自己的欠缺。
我会继续努力!
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