新型超寬帶SIRs低通濾波器的設計學位論文.doc

合肥師范學院2013屆本科論文（設計）裝訂線 本科生畢業(yè)論文（設計） 題目：新型超寬帶SIRs低通濾波器的設計13新型超寬帶SIRs低通濾波器的設計摘 要 現(xiàn)如今，由于無線通信技術發(fā)展的速度如此之快，所以研制小型化、高性能、低成本的微波電路已經(jīng)成為了面臨的一項極其緊急的任務。目前，作為一個重要的器件，微波電路被應用在無線電臺、微波通信、移動通信、衛(wèi)星通信、無線寬帶、航天器與地球之間的遙測、遙控及通信、無繩電話機等中，因此整個通信系統(tǒng)的性能指標會受微波電路的性能影響。隨著科學技術的進步，工程設計和市場競爭的趨勢將是設計重量輕、小體積、高性能、低成本的射頻、微波濾波器以及其它器件。 本論文主要對微帶低通濾波器進行設計和研究，其理論依據(jù)分別是階躍阻抗(SIR)、Richards變換、DGS結構(Defected Ground Structure)。本文設計的SIR濾波器采用的普通板材，濾波器的尺寸精度要求相對較低，具有設計和加工簡單方便的，同時濾波器各項性能參數(shù)好的特點，具有非常好的應用前景。關鍵詞:微波濾波器 低通濾波器 階躍阻抗 小型化I Abstract At present, the development of wireless communication technology is very fast, to develop small ，high performance and low-cost microwave circuits has become a pressing task. In the systems of microwave communications and satellite communications and radar navigation microwave filters is one of the important devices, whether its performance is good or bad will often has a direct impact on the performance of the communication system. With the fast development of science, new materials and new technology is designing small size, light weight, high performance and low-pass RF/microwave filters and other devices will be the trend of engineering design and market competition. In this paper is aimed to design a low-pass filer, its theoretical is the fractal theory, Richards transformation and DGS (Defected Ground Structure).SIR filter designed in this paper USES the ordinary plate, the size of the filter accuracy requirement is relatively low, with simple design and processing, at the same time filters all the performance parameters of good characteristics, has the very good application prospect.Key words: microwave filter low pass filter stepped impedance smallII 目 錄一 緒論1.1 研究背景與意義1 1.2 應用于無線通信中的諧振器和濾波器的分類1 1.3 傳輸線諧振器和階躍阻抗諧振器（SIR）2 1.4 本文的工作2 二 低通濾波器相關理論與實際應用2.1 低通濾波器原理62.1.1 低通濾波器簡介82.1.2 低通濾波器工作原理82.1.3 低通濾波器特點用途8 2.2 低通濾波器實例 三 階躍阻抗低通濾波器理論3.1 結構和設計要求83.2 SIR諧振條件和諧振器電學長度8 3.3 采用折疊線SIR的RF諧振單元 四 CST軟件仿真設計 4.1設計實例 4.2 仿真與試驗結果五 結論 12 參考文獻III 一 緒 論1.1 研究背景與意義 電信發(fā)展期間，在電路中濾波器一直都是比較重要的角色。隨著通信技術的高速發(fā)展，濾波器取得了不斷地進展。1910年，載波電話系統(tǒng)出現(xiàn)了，它是一種新穎的多路通信系統(tǒng)，它的出現(xiàn)引起了一場電信領域的徹底的技術革命，從而開創(chuàng)了電信的新紀元。發(fā)展一種能在特定的頻帶內(nèi)提取和檢出信號的新技術是新的通信系統(tǒng)要求，然而濾波器技術的研究和發(fā)展卻由于這種技術的發(fā)展而被進一步的加速了。在1915年，美國G.A.Canbell發(fā)明了一種后來以圖像參數(shù)法而知名的設計方法，與此同時，一個以“瓦格納濾波器”聞名于世的濾波器設計方法由德國科學家K.W.Wagner所開創(chuàng)。后來，包括兩個特定設計步驟的精確的濾波器設計方法又出現(xiàn)了。確定符合特性要求的傳遞函數(shù)是他的第一步，由先前的傳遞函數(shù)所估定的頻率響應來合成電路是它的第二步。這種方法的產(chǎn)生的作用和效率是非常不錯的，并且這種早期的設計方法就是現(xiàn)在也被很多濾波器設計技術所采用。原先濾波器設計的發(fā)展領域是集總元件LC諧振器，后來擴展到了分布元件同軸諧振器和波導諧振器的新領域。在濾波器發(fā)展早期，濾波器的設計主要集中在以電感電容組合為主的無源電路上。為后一種線性諧振器系統(tǒng)，許多早期的研究人員認為基于非集總/分布元件電路物理原理的諧振器系統(tǒng)也能達到濾波性能。從上面可以看出，濾波器的發(fā)展以及濾波器設計方法的發(fā)展已經(jīng)有了非常久的歷史。在電信領域和一些其它電子設備中，濾波器已經(jīng)成為了一種不能缺少的的器件。由于濾波器的種類是非常多的，因此作為一個設計者來說，琢磨根據(jù)特定的用途去選用相應的合適的濾波器是比較重要的。我們知道根據(jù)不同的方面，濾波器有多種分類方法。但根據(jù)濾波器的頻率響應去分類，濾波器可分為以下四種基本的類型：低通濾波器（LPF)，高通濾波器（HPF)，帶通濾波器（BPF)和帶阻濾波器（BEF)。在這些濾波器中，有關低通濾波器的設計方法是很基礎，許多指導書講述了如何從LPF原型設計通過適當?shù)念l率轉換實現(xiàn)HPF、BPF和BEF的技術。1.2 應用于無線通信中的諧振器和濾波器的分類無線通信的主要頻帶范圍是非常寬的，從幾十赫茲到幾十吉赫茲，因此有相當多種類的諧振器能在這些頻帶中使用。我們知道每一種諧振器都有自己的優(yōu)點和缺點，因此我們要根據(jù)濾波器的實際應用和目的來選擇不同類型的濾波器。采用體波和聲表面波諧振器或濾波器可以滿足微型化和低損的要求，而采用螺旋管諧振器或濾波器可以滿足大功率的要21求。此外，因為體波和聲表面波諧振器具有非常好的溫度特性，所以它適用于窄帶濾波器。各種諧振器包括同軸的諧振器、介電的諧振器、波導的諧振器以及帶狀線諧振器在射頻到微波頻段范圍內(nèi)均可使用。介電諧振器有許多很好的特點，如低損耗和可接受的溫度穩(wěn)定性和小尺寸等特點，然而，由于受到較高的成本和現(xiàn)在的加工技術的限制，從而使得它的使用范圍在50GHz以下。雖然同軸諧振器具有包括電磁屏蔽、低損耗特性和小尺寸等非常好的特點，但是要想在10GHz以上的范圍內(nèi)使用，就會因為它的物理尺寸很微小，而使得制作精度很難達到。目前，在射頻和微波電路中最常用的是帶狀線諧振器。由于帶狀線諧振器具有小的尺寸、通過光刻術易于加工、與其它有源電路元件的易于兼容等特點，許多電路使用此類諧振器。它的另一大優(yōu)勢是通過采用不同的材料而在很大的頻率范圍內(nèi)得以應用。1.3 傳輸線諧振器和階躍阻抗諧振器（SIR） 微帶線、帶狀線和共平面線諧振器的最大特點是易于與有源電路相集成，因為它們是通過光刻在介電襯底上的金屬化薄膜來制作的。對于傳輸線諧振器而言沒有必要保持均勻的特性阻抗，同時諧振電路性能能通過非均勻阻抗諧振器（階躍阻抗諧振器即SIR）來實現(xiàn)。雖然SIR的結構已被大家所廣泛理解，但很少見到它應用于濾波器和諧振器。雖然使用不足的原因很多，但一個最重要的原因是現(xiàn)時對SIR的技術重要性還沒有得到足夠重視。另一個原因是設計方便性，工程師們認為完成UIR的電性能估算比SIR更現(xiàn)實?，F(xiàn)在，在射頻和微波領域針對每一種不同應用對諧振器的不同要求選擇合適的諧振器成為必須。另外，設計過程中的CAD工具的使用已經(jīng)普及，使得數(shù)據(jù)分析和優(yōu)化計算的時間明顯減少。根據(jù)這些，我們相信，將來實際應用將從各種傳輸線諧振器中選出最為適用者，而擁有先進結構的SIR諧振器成為首選。SIR的典型特征大概有以下幾點:a、結構和設計上有很大自由度；b、是包括UIR的傳輸電諧振器一般概念的推演；c、是采用先進傳輸線結構和合成材料的非均勻阻抗諧振器擴展概念的發(fā)展。1.4 本文的工作 階躍阻抗諧振器（SIR）具有很多典型的特征：結構和設計上有很大的自由度，通過采用不同類型的傳輸線或介電材料而使其有很大的頻率應用范圍等等。但由于介電常數(shù)和板材厚度以及濾波器尺寸對設計精度要求很高，很難在實際中應用。本文研究新型寬帶階躍阻抗諧振器的特性、結構，同時研究如何用新型寬帶階躍阻抗諧振器設計低通濾波器，設計的SIR濾波器采用的普通板材，濾波器的尺寸精度要求相對較低，具有設計和加工簡單方便的，同時濾波器各項性能參數(shù)好的特點，具有非常好的應用前景。 42二 低通濾波器相關理論與實際應用2.1 低通濾波器原理2.1.1 低通濾波器簡介 低通濾波器的功能是可以允許低于截至頻率的信號通過,但是高于截至頻率的信號不能通過的電子濾波器,這樣的濾波器的好處是能過濾掉一部分高信號,從而得到所需要的低頻率信號. 不同的濾波器對每個頻率的信號的減弱程度是不同，當使用在音頻應用時,它有時被稱為高頻剪切濾波器, 或高音消除濾波器. 低通濾波器概念有許多不同的形式,其中包括電子線路(如音頻設備中使用的hiss 濾波器、平滑數(shù)據(jù)的數(shù)字算法、音障(acoustic barriers)、圖像模糊處理等等,這兩個工具都通過剔除短期波動、保留長期發(fā)展趨勢提供了信號的平滑形式. 低通濾波器在信號處理中的作用等同于其它領域如金融領域中移動平均數(shù)(moving average)所起的作用; 低通濾波器有很多種,其中,最通用的就是巴特沃斯濾波器和切比雪夫濾波器.2.2.2 低通濾波器工作原理我們知道電磁干擾就是任何可能引起電子裝置、設備或系統(tǒng)性能下降甚至失效，或者對生命或無生命物質(zhì)產(chǎn)生損害的電磁現(xiàn)象。幾乎每一種電子設備都會產(chǎn)生不同程度的電磁干擾信號，它是一種不希望存在的電磁信號。由于有害的電磁干擾和正常信號相比，它的頻率要高很多，所以電磁干擾濾波器的作用就是通過有選擇性地分離有害的高頻來發(fā)揮的。因為低通器件能使交流線路頻率通過，并且它還是一個高頻截止器件，所以一般情況下，電磁干擾濾波器的感應部分大都被設計成為一個低通器件。電磁干擾濾波器的其他部分為了使這些有害的高頻噪聲不能到達敏感電路，所以使用電容來分路或分流有害的高頻噪聲。這樣一來，電磁干擾濾波器就使得所有要進入或離開受保護電子器件的有害噪聲信號降低或衰減了。 2.2.3 低通濾波器特點用途 特點：低損耗高抑制；分割點準確；雙銅管保護；頻蔽好防水功能強。 用途：產(chǎn)品用途廣泛，使用于很多通訊系統(tǒng)，如 CATV EOC 等系統(tǒng)。并能有效的除掉通頻帶以外的信號和多余的頻段、頻率的干擾。簡單地說：低通濾波器就是讓某一頻率以下的信號分量通過，而對該頻率以上的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。 2.2 低通濾波器實例一個固體屏障就是一個聲波的低通濾波器。當另外一個房間中播放音樂時，很容易聽到音樂的低音，但是高音部分大部分被過濾掉了。類似的情況是，一輛小汽車中非常大的音樂聲在另外一個車中的人聽來卻是低音節(jié)拍，因為這時封閉的汽車（和空氣間隔）起到了低通濾波器的作用，減弱了所有的高音。電子低通濾波器用來驅動重低音喇叭（subwoofer）和其它類型的擴音器，并且阻塞它們不能有效傳播的高音節(jié)拍。無線電發(fā)射機使用低通濾波器阻塞可能引起與其它通信發(fā)生干擾的諧波發(fā)射。DSL分離器使用低通和高通濾波器分離共享使用雙絞線的DSL和POTS信號。低通濾波器也在如Roland公司這樣的模擬合成器合成的電子音樂聲音處理中發(fā)揮著重要的作用。理想與實際濾波器一個理想的低通濾波器能夠完全剔除高于截止頻率的所有頻率信號并且低于截止頻率的信號可以不受影響地通過。實際上的轉換區(qū)域也不再存在。一個理想的低通濾波器可以用數(shù)學的方法（理論上）在頻域中用信號乘以矩形函數(shù)得到，作為具有同樣效果的方法，也可以在時域與sinc函數(shù)作卷積得到。然而，這樣一個濾波器對于實際真正的信號來說是不可實現(xiàn)的，這是因為sinc函數(shù)是一個延伸到無窮遠處的函數(shù)（extends to infinity），所以這樣的濾波器為了執(zhí)行卷積就需要預測未來并且需要有過去所有的數(shù)據(jù)。對于預先錄制好的數(shù)字信號（在信號的后邊補零，并使得由此產(chǎn)生的濾波后的誤差小于量化誤差）或者無限循環(huán)周期信號來說這是可實現(xiàn)的。實時應用中的實際濾波器通過將信號延時一小段時間讓它們能夠“看到”未來的一小部分來近似地實現(xiàn)理想濾波器，這已為相移所證明。近似精度越高所需要的延時越長。采樣定理（Nyquist-Shannon sampling theorem）描述了如何使用一個完善的低通濾波器和奈奎斯特-香農(nóng)插值公式從數(shù)字信號采樣重建連續(xù)信號。實際的數(shù)模轉換器都是使用近似濾波器。 有許許多多不同頻率響應的不同類型濾波器電路。濾波器的頻率響應通常用波特圖表示。例如，一階濾波器在頻率增加一倍（增加octave）時將信號強度減弱一半（大約-6dB）。一階濾波器幅度波特圖在截止頻率之下是一條水平線，在截止頻率之上則是一條斜線。在兩者邊界處還有一個knee curve在兩條直線區(qū)域之間平緩轉換7。二階濾波器能夠削減高頻信號，這種類型的濾波器的波特圖和一階濾波器很相似。一個二階的巴特沃斯濾波器，它是一個沒有尖峰的臨界衰減RLC電路。當二階的巴特沃斯濾波器的頻率增加一倍的時候，它就將信號強度衰減到原來的四分之一。別的一些二階濾波器一開始的的滾降速度可能會和它們的Q因數(shù)有關，但是它們最后的速度都會一樣，都是每倍頻 -12dB。 對于任何的巴特沃斯濾波器，如果向右延長水平線并且向左上延伸斜線（函數(shù)的漸近線，它們將相交在“截止頻率”。一階濾波器在截止頻率的頻率響應是水平線下-3dB。不同類型的濾波器巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器等都有不同形狀的“knee curves”。許多二階濾波器設計成有“峰值”或者諧振以得到截止頻率處的頻率響應處在水平線之上。低和高的含義例如截止頻率依賴于濾波器的特性。（術語“低通濾波器”僅僅是指濾波器響應的形狀10。一個高通濾波器能夠設計成比任何低通濾波器截止頻率更低的截止頻率。不同的頻率響應是區(qū)分它們的依據(jù)。）電子濾波器能夠設計成任何所期望的頻率范圍可以到微波頻率（超過 1000 MHz）。9 三 階躍阻抗低通濾波器理論3.1 結構和設計要求 3.1.1 SIR諧振條件和諧振器電學長度 圖1 單元SIR的結構 圖1包含有開路面、短路面、阻抗階躍面的SIR的基本單元。輸入端的阻抗和導納分別定義為Zi和Yi。忽略SIR的邊緣電容，Zi的表達式如下： （3-1） 設，SIR諧振器的諧振條件為： （3-2）可以推得： （3-3）其中是表征兩段傳輸線阻抗和的比值。由于SIR諧振條件決定于、和阻抗比，因而SIR同時要設計長度和阻抗比，因此SIR比UIR多一個設計自由度。SIR兩端總電學長度: (3-4)四分之一波長SIR相對于UIR，歸一化諧振器長度定于為： (3-5)下圖是以作為變量的電學長度與歸一化長度之間的關系。 圖2 為變量與歸一化長度之間的關系 圖3折疊線SIR的RF諧振單元3.1.2 采用折疊線SIR的RF諧振單元如圖 3 所示，折疊線SIR作為短路線其帶寬比短路線寬，同時相對于輻射短路線卻保持了緊湊小巧的特點。假定從上圖傳輸線開路端看的輸入阻抗為，則 (3-6)式中 (3-7) 當，時，這等效為SIR的諧振條件，在短接線的輸入端接一理想的端電阻則從的另一端輸入阻抗，取歸一化和，則電壓組比的電長度滿足式中,，,相當帶寬,式中。 折疊線SIR 時，相當帶寬計算結果。帶寬隨和的減小而增加，比一般均勻阻抗傳輸線相應帶寬要