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微带低通滤波器的仿真设计
微带低通滤波器的仿真设计
陕西理工学院毕业设计
微带低通滤波器的仿真设计
王艳磊
(陕西理工学院电信工程系电子信息工程专业2007级5班陕西汉中723000)
指导教师:
贾建科
[摘要]在实际的应用中~射频信号的频率范围非常广~通常所用的有用信号只是在很小的频段内~因此需要
通过滤波器来实现。
滤波器是用来选择性地通过或抑制某一频段信号的装置。
在高频是滤波器通常由分布参数元件
构成~因为其成本低且有较高的可重复性~而绝大部分分布参数滤波器都是用微带线设计的~通过在电路板上构成
电路回路来实现滤波特性。
本文简要介绍了采用高低阻抗微带线实现分布参数低通滤波器的方法~并且着重通过一
个具体设计实例给出微带滤波器的整个设计过程和AWR仿真结果。
[关键词]微带低通滤波器AWR仿真
DesignandSimulationofMicrostripLow-passFilter
WangYanlei
(Grade07,Class5,Majorelectronicsandinformationengineering,Electronicsandinformation
engineeringDept.,ShaanxiUniversityofTechnology,Hanzhong723000,Shaanxi)
Tutor:
JiaJianKe
[Abstract]:
Inpracticalprojects,therangeoffrequencyisverywide.Usefulsignalisusuallyusedonlyinanarrowband,soitneedsfilters.Filterisadevicewhichisusedtoselectfrequencyrequired.Athighfrequency,thefilterisnormally
composedofdistributedparametercomponentsbecauseoflowcostandhighrepeatability.Mostdistributedparameterfiltersaredesignedbythemicrostriplineandachieveperformancebyconstitutinglooponthecircuitboard.Thisarticlebrieflydescribesthemethodofachievinglow-passfilterofdistributionparameterswithStepped-Impedance,L-CLadderTypeLow-passFiltersandmainlygivestheentiredesignprocessandtheAWRsimulationresultsbasedonaspecificexample.
[Keywords]:
MicrostripLow-passFilterAWRsimulation
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第一章引言..................................................1
1.1研究的意义..................................................1
1.2滤波器的发展史..............................................1
国内外的研究动态...........................................21.3
1.4本设计主要完成的任务.......................................4第二章微波滤波器及微带电路的基本理论.........................52.1微波网络...................................................52.1.1二端口网络...............................................52.2滤波器的传输函数...........................................62.2.1Butterworth响应............................................7
Chebyshev2.2.2响应.............................................7
Elliptical2.2.3Function响应......................................82.3微波滤波器的参数............................................92.4微带线的基本理论............................................9第三章归一化原型滤波器设计.................................123.1归一化低通原型滤波器.......................................123.2切比雪夫低通原型...........................................13第四章微带低通滤波器的设计与仿真............................154.1理论计算各元件的真实值....................................154.2理论计算微带低通滤波器的实际尺寸..........................154.3AWR软件的介绍.............................................164.4仿真与实验结果.............................................16小结........................................................21致谢........................................................22[参考文献](REFERENCES).....................................23
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附录(A)英文文献.............................................24
附录(B)英文文献的中文翻译...................................30
陕西理工学院毕业设计第一章引言
1.1研究的意义
无线通信业务的迅猛发展,在给人们的沟通和生活带来方便的同时,无线通信系统也对无线电频谱资源的需求不断增加,使得目前适宜于无线通信的频谱资源变得越来越紧张。
因此,分配的各个通信系统的频段越来越细,越来越拥挤。
而通信系统的复杂化,通信方式和工作模式的多样化,又要求严格控制各频率之间的干扰、阻塞和互调的问题。
这些都是信息社会人类所要面临的挑战。
在通信和测量系统的前端,滤波器是必不可少的无源器件。
滤波器是一种频率选择器件,也是一个二端口网络,它能使某些特定频率的信号顺利传输,而对其它频率的信号加以衰减。
在收发系统中,为了对发射机产生的带外信号进行抑制,一般在发射机的输出端和天线之间加上输出滤波器。
滤波器除了要满足基本的性能之外,还要求有更小的尺寸、更低的成本、更短的设计周期等。
因此,在现代射频与微波通信系统中,滤波器扮演着举足轻重的角色,其性能优劣直接影响着整个通信系统
[11]的质量。
研制低成本、小型化、高性能的滤波器是当前研究的热点之一。
在微波与射频频段,滤波器按其结构分有波导腔体滤波器、同轴线腔体滤波器、带状线滤波器、微带线滤波器、声表面波滤波器、介质滤波器等。
无线通信的工作频段从数十MHz覆盖到数十GHz的范围,不同频段内适用的滤波器也不同。
近些年来,随着集成电路的快速发展,电子设备日益小型化,电子电路的结构也发生了很大的改变。
在低频部分,以往常用的LC型滤波器已经逐步被有源滤波器和介质滤波器所替代,其体积小,通带插入损耗低,温度特性好,适合窄带应用;在高频部分,主要以波导腔体滤波器、同轴线滤波器、介质滤波器和微带滤波器应用为主,波导及同轴线滤波器的功率容量大、插入损耗小,但体积较大,而且同轴线的加工误差也不可忽略,介质滤波器具有低损耗、高温度稳定性和结构紧凑的特点,但是其应用受到加工成本和工艺水平的限制。
微带滤波器一般都是平面结构,其工作频率可以由介质的介电常数来调节,具有尺寸小,成本小,易于通过光刻加工,易于和有源器件集成的优点,使得微带滤波器有了长远的发展,成为当前研究的热
[11]点。
1.2滤波器的发展史
从电信发展的早期,滤波器在电路中就扮演着重要的角色,并随着通信技术的发展而取得不断的进展。
1910年,一种新颖的多路通信系统即载波电话系统的出现,使得电信领域引发了一场彻底的技术革命,开创了电信的新纪元。
新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号
[13]的新技术,而这种技术的发展更进一步加速了滤波器技术的研究和发展。
K.W.Wagner1915年,德国科学家开创了一种现以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法,与此同时在美国G.A.Canbell发明了另一种后来以图像参数法而知名的设计方法。
随后,1940年出现可包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法。
第一步是确定符合特性要求的传递函数,第二步是由先前的传递函数所估定的频率响应合成电路。
该方法的效率和结果是相当不错的,现在
[13]所采用的很多滤波器设计技术就是基于此早期的设计方法。
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不久,滤波器设计由原先的集总元件LC谐振器扩展到一个新的领域,即分布元件同轴谐振器和波导谐振器。
同时,滤波器材料领域取得了很大的进步,极大的推动了滤波器的发展。
1939年,P.A.Richtmeyer报道了介电谐振器,它利用了电磁波谐振,由小尺寸和高Q值两个显著的特点,然而由于当时的材料温度稳定性的不高,使该滤波器不足以实际应用。
70年代,各种具有优异的温度稳定性和高Q值的陶瓷材料的发展增加了介电滤波器实际应用的可行性。
随着陶瓷材料的发展,滤波器的应用得到迅速发展。
在先现有的射频和微波通信器材中介电滤波器己成为最重要、最常见的元件之一,此外,80年代出现的高临界温度超导材料,被认为极有可能被用于设计出低损耗和极
[13]小尺寸的新颖微波滤波器,许多研发人员已致力于他们的实际应用。
1.3国内外的研究动态
作为滤波器的基本元件,谐振器的发展一直是业界研究热点。
传统的平行耦合线带通滤波器由一系列半波长谐振器级联而成,这种谐振器体积大,寄生通带位于二倍中心频率处,影响阻带高端的带外抑制指标。
为了减小滤波器的尺寸,Cristal在1972年提出一种将半波长开路谐振器折叠成发夹线形的谐振器,此后,各种新颖结构的小型平面滤波器相继出现。
顺次级联的耦合谐振器滤波器仅能实现切比雪夫或巴特沃斯型响应,为提高滤波器的带外抑制指标,在多阶滤波器中通过非相邻谐振器的交叉耦合可在阻带产生若干有限频率传输零点。
级联三个谐振器可以在阻带产生非对称的传输零点;级联四个谐振器可以在阻带产生对称的传输零点,很好地改善了频率响应的带外抑制。
[11]
在平面微波滤波器小型化研究进程中,主要出现了折叠结构谐振器,慢波结构谐振器,缺陷地结构谐振器以及双模和多模谐振器等。
其中,双模谐振器在微波滤波器设计中应用广泛。
谐振器中具有相同频率、不同场分布的模式称为简并模。
当在谐振器中对称面上加入微扰后,就会改变谐振器中原有的场分布,使得两个简并模发生耦合,两个耦合模式就相当于两个耦合谐振器。
这样,每个谐振器可视为一个双频调谐电路,物理上的单个谐振器在电学上可以看作是两个调谐电路,双模滤波器所需谐振器数量比单模时减少一半,从而减小电路体积,达到小型化的目的。
同理,多模滤波器的结构则更加紧凑。
1951年,林为干首次提出了单腔多模的微波滤波器理论,奠定了多模滤波器应用基础。
近年来,学界对双模滤波器的研究主要集中在闭环微扰结构、片式微扰结构和开环中
[11]心短截线加载结构上。
对于闭环结构的双模谐振器,其简并模式的分裂都是通过在谐振器的对称顶点上进行微扰所得到,两个简并的模式都是原始存在的,通过微扰才将它们分离开的,而且闭环环形谐振器的周长近似等于一个波长。
1972年,Wolff最早将双模谐振器的概念引入平面电路中,通过在环形谐振器中非对称馈电或增加一个缺角微扰元来分离两个简并正交模式,并利用该双模谐振器设计了一个具有
J.,S.Hong对称带外传输零点的滤波器。
1995年.报道一种新型双模方环形谐振器,实现了窄带双模滤波器。
2004年,Adnan提出了一种新型双模谐振器,谐振器通过正交的输入输出馈电,贴片或缺角分布于方环形谐振器的四个顶角,其中一个作为微扰元,其余三个作为参考元,改变微扰元和参考元的相对大小,可在保持滤波器带宽的前提下实现位于复平面实轴或虚轴的有限频率传输零点。
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陕西理工学院毕业设计在耦合拓扑图中,源和负载除了同时直接与两个简并模式耦合外,源和负载之间还存在间接的寄生耦合。
按照的观点,该滤波器带外两个零点的出现是由于输入输出端口间的寄生耦合SmainAmari
产生的,谐振器中除了两个简并的基模外,还存在其它的高次模式或表面波,从而为寄生耦合提供了耦合路径,但寄生耦合要比结构中的其他耦合要弱的多,Mao在2006年提出了一种六边Rui,Jie
环形双模谐振器。
通过在六边环的顶角处加入或挖掉部分贴片,从而将两个简并模式(奇模和偶模)分离开来。
偶模的电场分布为对称轴对称分布,奇模的电场分布为对称轴反对称分布。
但是与前述的双模环形滤波器不同,六边环形双模谐振器的两个简并模式之间的极化不是相互垂直的。
文中通过组合两个带有微扰的六边环谐振器,实现了四阶带通滤波器。
标准的环形结构谐振器由于其结构的特殊性,导致平面电路的利用率很低。
因此,为了满足滤波器小型化的要求,有必要对环形谐振
J.,S.Hong器的小型化进行一些研究。
1995年,提出了一种折叠结构的环形谐振器该结构是将方形环的每一条边向环内折叠一部分,提高了平面空间的利用率,通过在对称顶角处加一小贴片微扰,实现两个简并模式的分裂。
同时,输入输出采用正交的馈电结构,通过寄生耦合产生带外零点。
2007年,也提出了一种结构更为紧凑的环形双模滤波器。
输入输出采用平行的馈电结构,通过寄Adnan
生耦合产生带外零点。
通过改变微扰尺寸的大小,实现两个简并模式的分裂;通过改变输入输出馈
[11]线的相对位置,实现对带外传输零点的控制,而能够进一步改善滤波器的带外选择性。
短截线加载结构是一种开环结构,它是通过在二分之一波长线的中心加载一个或两个开路短截线,来产生两个或三个模式。
在2000年首次采用中心短截线加载结构设计了中心频率为J.,R.Lee
2GHz的双模滤波器,同时通过两个谐振器的级联,设计出了具有一对带外传输零点的四极点滤波器。
X.,Y.Zhang等人提出了一种T形的中心短截线加载结构双模谐振器,它是由两段特性导纳不同的微带线构成的。
对于这种对称结构的谐振器,同样适用于奇偶模分析。
对于奇模,谐振器的中心对称面可以等效为电壁,对电流而言中心视为短路;对于偶模,谐振器的中心对称面可以等效为磁壁,对电流而言中心视为开路。
对于这种结构规则的谐振器,文中也给出了奇偶模的数学表达式。
奇模的谐振频率只与四分之一波长线的长度有关,而偶模的谐振频率则与四分之一波长线和开路短截线线的长度都有关。
因此当改变开路加载短截线的长度时,偶模的谐振频率会随之变化,而奇模的谐振频率保持不变。
基于这一特点,将两个同样的谐振器级联一起,实现了双通带的频率响应J.,S.Hong等人也提出了一种中心短截线加载开环谐振器,并给出了奇偶模的电场分布。
对于奇模而言,电场主要分布在开环上;对于偶模而言,在开环上和加载短截线上都有电场分布。
这种谐振器自身携带一个传输零点,并且传输零点总是位于靠近偶模的一侧,因此当改变中心加载短截线的大小的时候,可以实现将传输零点从通带的一侧搬移到另一侧,可以实现具有灵活带外选择性的滤波器。
通过级联两个相同的谐振器,作者实现四阶的带通滤波器,并且在通带的两侧各获得一个
X.C.Zhang传输零点。
2008年,提出了一种圆形结构的中心短截线加载滤波器。
文中分析了奇偶模的模式分裂特性,给出了耦合拓扑以及耦合矩阵,该结构引入了源-负载的耦合。
因此,在滤波器的频率响应中,除了谐振器自身携带的传输零点外,由于源-负载的耦合,在通带的两侧也会产生其他
L.Zhu传输零点。
耦合越强,传输零点越靠近通带,因此可以有效地改善滤波器的带外选择性。
等提出了一种双中心短截线加载的三模滤波器其谐振器是由一段二分之一波长线谐振器和两段中心加
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陕西理工学院毕业设计载的不同特性导纳的开路短截线构成的,而这两段开路短截线的总长度也大约二分之一波长。
通过适当调节两段开路短截线的长度,使之分别大于和小于四分之一波长,从而在通带响应中实现了三极点的响应。
同时这种结构也在通带两侧各引入了一个传输零点。
文章中给出了谐振结构的等效电路图,将两段加载短截线等效为两个串联的LC谐振网络,从路的角度详细分析了三个极点的产生。
[11]
1.4本设计主要完成的任务
本设计研究的是微带低通滤波器的设计,通常,我们设计的低通滤波器截止频率相对较低,比较容易用分立元件实现,而工作频率超过500MHz的滤波器是难于采用分立元件实现的。
这是由于工作波长与滤波器元件的物理尺寸相近,从而造成多方面的损耗并使电路性能严重恶化。
由于本系统的截止频率为5GHz,而且在10GHz处阻带衰减大于30dB,所以不适合用分立元件实现这组滤波器,故而采用微带滤波器。
首先,选择合适的滤波器逼近函数,再确定微带低通滤波器的低通原型,然后再计算微带线的实际尺寸,设计出微带低通滤波器的原理图,最后要用射频仿真软件AWR对设计结果进行仿真验证。
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陕西理工学院毕业设计第二章微波滤波器及微带电路的基本理论
本章主要是介绍微波滤波器的基本理论以及与平面滤波器设计相关的一些知识。
主要包括微波网络、滤波器传输函数、滤波器的相关参数、微带线的基本理论。
2.1微波网络
微波网络理论是分析微波元件工作特性的一个重要的工具之一。
对于复杂结构的微波元件和微波电路,根据电磁场理论和相应的数值计算方法来求解,就显得比较困难。
若不关心微波元件内部的场分布,仅通过测量微波元件的外部参数来得到微波元件的传输特性,这样就使得微波问题的求解大大简化了,因此微波网络得到广泛的应用.
2.1.1二端口网络
微波网络理论研究微波网络各个端口的物理量之间的关系,主要有两类物理量:
一类是非归一化电压V和非归一化电流I;另一类是内向波a和外向波b,内向波是指进入微波网络的波,外向波是指是离开微波网络的波。
大多数滤波器元件可以用一个二端口网络来表示,如图2-1所示。
在微波频段,对电流电压的直接测量已非常困难,引入内向波和外向波的概念后,可以把电流电压与波
[11]变量的关系定义为式(2-1):
-1二端口网络结构图图2
V,Z(a,b)其中(n,1,2)0nnnn
1I,(a,b)其中(n,1,2)nnnZ0n(2-1)
对于线性二端口网络,外向波与内向波之间的关系可以用矩阵形式的一次线性方程组表示为式(2-2):
bSSa,,,,,,111121(2-2),,,,,,,bSSa221222,,,,,,
其中矩阵[S]称为散射矩阵,其各个元素叫做散射参量,定义为式(2-3):
bb11SS,,11a,012a,021aa21(2-3)
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bb22SS,,21a,022a,021aa12
这里(n=1,2)表示在端口n接匹配负载。
散射参量和也称作反射系数,和a,0SSSSn11221221也称作传输系数,这些参量在微波频段是可以直接测量出来的。
散射参量通常为复数的形式,用幅
j,mn度和相位来表示Se,(m,n,1,2),而幅度又通常用dB(decibels)的形式表示,mn
.20lgSdB,(m,n,1,2)mn
2.2滤波器的传输函数
微带低通滤波器的综合设计一般包括以下几个环节:
首先根据设计指标确定滤波器的工作特性(即滤波器的逼近特性);然后选择满足滤波器衰减特性的的逼近函数;再确定微带低通滤波器的低通原型;然后再计算微带线的实际尺寸,设计出微带低通滤波器的原理图;最后要用射频仿真软件AWR对设计结果进行仿真验证。
集中参数低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础,各种低通、高通、带通和带阻微波滤波器的传输特性基本上都可以根据低通原型频率变换而来。
微波滤波器可以看作一个二端口网络,一般
[11]用特征衰减来描述滤波器的工作特性,即式(2-4):
1,L(),10lg(dB)(2-4)A2,|S(j)|21
122,S(j,)S(j),其中是传输系数,其定义为:
其中是波纹系数,2121221,,T(,)n
图2-2理想低通原型滤波器的衰减特性
为滤波器滤波器的插入损耗和回波损耗分别定义为式(2-5):
F(,)n
1pinL(,),10log,10lgdBA2p(,)SL21(2-5)
1pinL(,),10log,10lgdBR2p(,)SR11
式中,为信号源输入滤波器的功率,为负载吸收的功率,为滤波器的反射功率。
理想PPPinLR
的低通滤波器的衰减特性如图2-2所示,即在,,0到的频率范围内,功率衰减为零,称为,,,c
通带;在,,,的范围内功率衰减为无穷大,称为阻带,,称为截止频率。
实际工程中,这种理cc
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陕西理工学院毕业设计想的滤波特性,用有限个元件的电抗网络是无法实现的,因为有限元件数的电抗网络的衰减特性一定是连续函数,不可能在某一频率上突跳。
只能用一些函数去尽量逼近理想的衰减特性,然后在根据这个函数综合出具体的电路来,给予微波结构实现。
对于我们设计的微带低通滤波器所用的是常
Chebyshev用的三种逼近函数是巴特沃斯函数()、切比雪夫多项式()和椭圆函数Butterworth
Elliptical().Function
2.2.1响应Butterworth
频率响应函数在和处具有最平坦的幅值,也常被称作最平坦响应。
Butterworth,,0,,,
其传输函数幅度表达式为式(2-6):
图2-3Butterworth低通原型滤波器的衰减特性
12,(),Sj212n1,,(2-6)
n为滤波器的阶数,相当于电抗原件的数目。
从函数中我们可以得到,在,,0和的时候,,,,
2S,0.5传输函数幅值的平方的任意阶导数都等于0。
当选取半功率点,即其对应的截止频率为21
,1。
同
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