新型超寬帶SIRs低通濾波器的設(shè)計(jì)學(xué)位論文

1、裝訂線 本科生畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） 題目：新型超寬帶SIRs低通濾波器的設(shè)計(jì)系 部 電子信息工程學(xué)院 學(xué)科門類 工 學(xué) 專 業(yè) 電子信息工程 學(xué) 號(hào) 姓 名 俞金山 指導(dǎo)教師 張忠祥 胡英彪 年 月 日新型超寬帶SIRs低通濾波器的設(shè)計(jì)摘 要 現(xiàn)如今，由于無(wú)線通信技術(shù)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(xiàng)極其緊急的任務(wù)。目前，作為一個(gè)重要的器件，微波電路被應(yīng)用在無(wú)線電臺(tái)、微波通信、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、無(wú)線寬帶、航天器與地球之間的遙測(cè)、遙控及通信、無(wú)繩電話機(jī)等中，因此整個(gè)通信系統(tǒng)的性能指標(biāo)會(huì)受微波電路的性能影響。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，工程設(shè)計(jì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的趨勢(shì)將

2、是設(shè)計(jì)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(duì)微帶低通濾波器進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，其理論依據(jù)分別是階躍阻抗(SIR)、Richards變換、DGS結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure)。本文設(shè)計(jì)的SIR濾波器采用的普通板材，濾波器的尺寸精度要求相對(duì)較低，具有設(shè)計(jì)和加工簡(jiǎn)單方便的，同時(shí)濾波器各項(xiàng)性能參數(shù)好的特點(diǎn)，具有非常好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:微波濾波器 低通濾波器 階躍阻抗 小型化 Abstract At present, the development of wireless communication technology is very f

3、ast, 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

4、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 competit

5、ion. 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

6、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 small 目 錄一 緒論1.1 研究背景與意義1 1.2 應(yīng)用于無(wú)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(guān)理論與實(shí)際應(yīng)用2.1

7、 低通濾波器原理62.1.1 低通濾波器簡(jiǎn)介82.1.2 低通濾波器工作原理82.1.3 低通濾波器特點(diǎn)用途8 2.2 低通濾波器實(shí)例 三 階躍阻抗低通濾波器理論3.1 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求83.2 SIR諧振條件和諧振器電學(xué)長(zhǎng)度8 3.3 采用折疊線SIR的RF諧振單元 四 CST軟件仿真設(shè)計(jì) 4.1設(shè)計(jì)實(shí)例 4.2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果五 結(jié)論 12 參考文獻(xiàn) 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(shù)的高速發(fā)展，濾波器取得了不斷地進(jìn)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(chǎng)電信領(lǐng)域的徹底的技術(shù)革命，從而開

8、創(chuàng)了電信的新紀(jì)元。發(fā)展一種能在特定的頻帶內(nèi)提取和檢出信號(hào)的新技術(shù)是新的通信系統(tǒng)要求，然而濾波器技術(shù)的研究和發(fā)展卻由于這種技術(shù)的發(fā)展而被進(jìn)一步的加速了。在1915年，美國(guó)G.A.Canbell發(fā)明了一種后來(lái)以圖像參數(shù)法而知名的設(shè)計(jì)方法，與此同時(shí)，一個(gè)以“瓦格納濾波器”聞名于世的濾波器設(shè)計(jì)方法由德國(guó)科學(xué)家K.W.Wagner所開創(chuàng)。后來(lái)，包括兩個(gè)特定設(shè)計(jì)步驟的精確的濾波器設(shè)計(jì)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(yīng)來(lái)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(cuò)的，并且這種早期的設(shè)計(jì)方法就是現(xiàn)在也被很多濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)所采用。原先濾波器設(shè)計(jì)的

9、發(fā)展領(lǐng)域是集總元件LC諧振器，后來(lái)擴(kuò)展到了分布元件同軸諧振器和波導(dǎo)諧振器的新領(lǐng)域。在濾波器發(fā)展早期，濾波器的設(shè)計(jì)主要集中在以電感電容組合為主的無(wú)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(rèn)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(dá)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(shè)計(jì)方法的發(fā)展已經(jīng)有了非常久的歷史。在電信領(lǐng)域和一些其它電子設(shè)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(gè)設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，琢磨根據(jù)特定的用途去選用相應(yīng)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(yīng)去分類，濾波器可分

10、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(guān)低通濾波器的設(shè)計(jì)方法是很基礎(chǔ)，許多指導(dǎo)書講述了如何從LPF原型設(shè)計(jì)通過(guò)適當(dāng)?shù)念l率轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)HPF、BPF和BEF的技術(shù)。1.2 應(yīng)用于無(wú)線通信中的諧振器和濾波器的分類無(wú)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(dāng)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(diǎn)和缺點(diǎn)，因此我們要根據(jù)濾波器的實(shí)際應(yīng)用和目的來(lái)選擇不同類型的濾波器。采用體波和聲表面波諧振器或?yàn)V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?yàn)V波器可以滿足大功率的

11、要求。此外，因?yàn)轶w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(dǎo)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(diǎn)，如低損耗和可接受的溫度穩(wěn)定性和小尺寸等特點(diǎn)，然而，由于受到較高的成本和現(xiàn)在的加工技術(shù)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(diǎn)，但是要想在10GHz以上的范圍內(nèi)使用，就會(huì)因?yàn)樗奈锢沓叽绾芪⑿?，而使得制作精度很難達(dá)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(guò)光刻術(shù)易于加工、與其

12、它有源電路元件的易于兼容等特點(diǎn)，許多電路使用此類諧振器。它的另一大優(yōu)勢(shì)是通過(guò)采用不同的材料而在很大的頻率范圍內(nèi)得以應(yīng)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(diǎn)是易于與有源電路相集成，因?yàn)樗鼈兪峭ㄟ^(guò)光刻在介電襯底上的金屬化薄膜來(lái)制作的。對(duì)于傳輸線諧振器而言沒有必要保持均勻的特性阻抗，同時(shí)諧振電路性能能通過(guò)非均勻阻抗諧振器（階躍阻抗諧振器即SIR）來(lái)實(shí)現(xiàn)。雖然SIR的結(jié)構(gòu)已被大家所廣泛理解，但很少見到它應(yīng)用于濾波器和諧振器。雖然使用不足的原因很多，但一個(gè)最重要的原因是現(xiàn)時(shí)對(duì)SIR的技術(shù)重要性還沒有得到足夠重視。另一個(gè)原因是設(shè)計(jì)方便性，工程師們認(rèn)為完

13、成UIR的電性能估算比SIR更現(xiàn)實(shí)。現(xiàn)在，在射頻和微波領(lǐng)域針對(duì)每一種不同應(yīng)用對(duì)諧振器的不同要求選擇合適的諧振器成為必須。另外，設(shè)計(jì)過(guò)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(jì)算的時(shí)間明顯減少。根據(jù)這些，我們相信，將來(lái)實(shí)際應(yīng)用將從各種傳輸線諧振器中選出最為適用者，而擁有先進(jìn)結(jié)構(gòu)的SIR諧振器成為首選。SIR的典型特征大概有以下幾點(diǎn):a、結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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(jìn)傳輸線結(jié)構(gòu)和合成材料的非均勻阻抗諧振器擴(kuò)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(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)上有很大的自由度，通過(guò)采用不同類型的傳輸

14、線或介電材料而使其有很大的頻率應(yīng)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(duì)設(shè)計(jì)精度要求很高，很難在實(shí)際中應(yīng)用。本文研究新型寬帶階躍阻抗諧振器的特性、結(jié)構(gòu)，同時(shí)研究如何用新型寬帶階躍阻抗諧振器設(shè)計(jì)低通濾波器，設(shè)計(jì)的SIR濾波器采用的普通板材，濾波器的尺寸精度要求相對(duì)較低，具有設(shè)計(jì)和加工簡(jiǎn)單方便的，同時(shí)濾波器各項(xiàng)性能參數(shù)好的特點(diǎn)，具有非常好的應(yīng)用前景。 二 低通濾波器相關(guān)理論與實(shí)際應(yīng)用2.1 低通濾波器原理2.1.1 低通濾波器簡(jiǎn)介 低通濾波器的功能是可以允許低于截至頻率的信號(hào)通過(guò),但是高于截至頻率的信號(hào)不能通過(guò)的電子濾波器,這樣的濾波器的好處是能過(guò)濾掉一部分高信號(hào),從而得到所需要的低頻

15、率信號(hào). 不同的濾波器對(duì)每個(gè)頻率的信號(hào)的減弱程度是不同，當(dāng)使用在音頻應(yīng)用時(shí),它有時(shí)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(shè)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(gè)工具都通過(guò)剔除短期波動(dòng)、保留長(zhǎng)期發(fā)展趨勢(shì)提供了信號(hào)的平滑形式. 低通濾波器在信號(hào)處理中的作用等同于其它領(lǐng)域如金融領(lǐng)域中移動(dòng)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?yàn)V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

16、能引起電子裝置、設(shè)備或系統(tǒng)性能下降甚至失效，或者對(duì)生命或無(wú)生命物質(zhì)產(chǎn)生損害的電磁現(xiàn)象。幾乎每一種電子設(shè)備都會(huì)產(chǎn)生不同程度的電磁干擾信號(hào)，它是一種不希望存在的電磁信號(hào)。由于有害的電磁干擾和正常信號(hào)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(guò)有選擇性地分離有害的高頻來(lái)發(fā)揮的。因?yàn)榈屯ㄆ骷苁菇涣骶€路頻率通過(guò)，并且它還是一個(gè)高頻截止器件，所以一般情況下，電磁干擾濾波器的感應(yīng)部分大都被設(shè)計(jì)成為一個(gè)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(dá)敏感電路，所以使用電容來(lái)分路或分流有害的高頻噪聲。這樣一來(lái)，電磁干擾濾波器就使得所有要進(jìn)入或離開受保護(hù)電子器件的有害噪聲信號(hào)降低或

17、衰減了。 2.2.3 低通濾波器特點(diǎn)用途 特點(diǎn)：低損耗高抑制；分割點(diǎn)準(zhǔn)確；雙銅管保護(hù)；頻蔽好防水功能強(qiáng)。 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(hào)和多余的頻段、頻率的干擾。簡(jiǎn)單地說(shuō)：低通濾波器就是讓某一頻率以下的信號(hào)分量通過(guò)，而對(duì)該頻率以上的信號(hào)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(shí)例一個(gè)固體屏障就是一個(gè)聲波的低通濾波器。當(dāng)另外一個(gè)房間中播放音樂時(shí)，很容易聽到音樂的低音，但是高音部分大部分被過(guò)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(gè)車中的人聽來(lái)卻是低音節(jié)拍，因?yàn)檫@時(shí)封閉的汽車（和空氣間

18、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(lái)驅(qū)動(dòng)重低音喇叭（subwoofer）和其它類型的擴(kuò)音器，并且阻塞它們不能有效傳播的高音節(jié)拍。無(wú)線電發(fā)射機(jī)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(hào)。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(shí)際濾波器一個(gè)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(hào)并且低于截止頻率的信號(hào)可以不受影響地通過(guò)。實(shí)際上的轉(zhuǎn)換區(qū)域也不再存在。一個(gè)理想的低通濾波器可以用數(shù)學(xué)的方法（理論上）在頻域中用信號(hào)乘以矩形

19、函數(shù)得到，作為具有同樣效果的方法，也可以在時(shí)域與sinc函數(shù)作卷積得到。然而，這樣一個(gè)濾波器對(duì)于實(shí)際真正的信號(hào)來(lái)說(shuō)是不可實(shí)現(xiàn)的，這是因?yàn)閟inc函數(shù)是一個(gè)延伸到無(wú)窮遠(yuǎn)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(yù)測(cè)未來(lái)并且需要有過(guò)去所有的數(shù)據(jù)。對(duì)于預(yù)先錄制好的數(shù)字信號(hào)（在信號(hào)的后邊補(bǔ)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(wú)限循環(huán)周期信號(hào)來(lái)說(shuō)這是可實(shí)現(xiàn)的。實(shí)時(shí)應(yīng)用中的實(shí)際濾波器通過(guò)將信號(hào)延時(shí)一小段時(shí)間讓它們能夠“看到”未來(lái)的一小部分來(lái)近似地實(shí)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(shí)越長(zhǎng)。采樣定理（Nyquist-Shannon

20、 sampling theorem）描述了如何使用一個(gè)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(hào)采樣重建連續(xù)信號(hào)。實(shí)際的數(shù)模轉(zhuǎn)換器都是使用近似濾波器。 有許許多多不同頻率響應(yīng)的不同類型濾波器電路。濾波器的頻率響應(yīng)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(shí)將信號(hào)強(qiáng)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(gè)knee curve在兩條直線區(qū)域之間平緩轉(zhuǎn)換7。二階濾波器能夠削減高頻信號(hào)，這種類型的濾波器的波特圖和一階濾波器很相似。一個(gè)二階的巴特沃斯濾波器，它是一個(gè)沒有尖峰的臨界衰減RL

21、C電路。當(dāng)二階的巴特沃斯濾波器的頻率增加一倍的時(shí)候，它就將信號(hào)強(qiáng)度衰減到原來(lái)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(huì)和它們的Q因數(shù)有關(guān)，但是它們最后的速度都會(huì)一樣，都是每倍頻 -12dB。 對(duì)于任何的巴特沃斯濾波器，如果向右延長(zhǎng)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(yīng)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?yàn)V波器等都有不同形狀的“knee curves”。許多二階濾波器設(shè)計(jì)成有“峰值”或者諧振以得到截止頻率處的頻率響應(yīng)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(shù)語(yǔ)“低通濾波器”僅僅是指

22、濾波器響應(yīng)的形狀10。一個(gè)高通濾波器能夠設(shè)計(jì)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(yīng)是區(qū)分它們的依據(jù)。）電子濾波器能夠設(shè)計(jì)成任何所期望的頻率范圍可以到微波頻率（超過(guò) 1000 MHz）。 三 階躍阻抗低通濾波器理論3.1 結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要求 3.1.1 SIR諧振條件和諧振器電學(xué)長(zhǎng)度 圖1 單元SIR的結(jié)構(gòu) 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(dǎo)納分別定義為Zi和Yi。忽略SIR的邊緣電容，Zi的表達(dá)式如下： （3-1） 設(shè)，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

23、抗比，因而SIR同時(shí)要設(shè)計(jì)長(zhǎng)度和阻抗比，因此SIR比UIR多一個(gè)設(shè)計(jì)自由度。SIR兩端總電學(xué)長(zhǎng)度: (3-4)四分之一波長(zhǎng)SIR相對(duì)于UIR，歸一化諧振器長(zhǎng)度定于為： (3-5)下圖是以作為變量的電學(xué)長(zhǎng)度與歸一化長(zhǎng)度之間的關(guān)系。 圖2 為變量與歸一化長(zhǎng)度之間的關(guān)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(shí)相對(duì)于輻射短路線卻保持了緊湊小巧的特點(diǎn)。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(dāng)，時(shí)，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(zhǎng)度滿足式中,，,相當(dāng)帶寬,式中。 折疊線SIR 時(shí)，相當(dāng)帶寬計(jì)算結(jié)果。帶寬隨和的減小而增加，比一般均勻阻抗傳