基于频率变化法的微波双频帯阻滤波器的仿真设计

题 目 基于频率变化法的微波双频帯阻滤波器的仿真设计 学生姓名 徐冰清 学号 1213014016 所在学院 物 理 与 电 信 工 程 学 院 专业班级 电子信息工程 1201 班 指导教师 贾建科 完成地点 物理与电信工程学院实验室 2016 年 6 月 5 日基于频率变换法的微波双频带阻滤波器的仿真设计作者：徐冰清（陕西理工学院 物理与电信工程学院 电子信息工程 1201 班，陕西 汉中，723000）指导教师：贾建科摘要微波滤波器是一种常见的微波无源器件，它的主要作用是对信号的隔离、选频、分频等等。微波滤波器目前非常广泛地应用于微波毫米波通信、遥感和雷达技术、卫星通信等系统中。近年来，微波技术在无线通信中的应用越来越广泛，使得越来越复杂的外界电磁干扰更加频繁地影响着微波通信系统。本文利用 ADS 软件设计了一个微波双频带阻滤波器，分析了基于频率变换法的微波带阻滤波器设计理论，理论计算微带线的特性阻抗，建立了滤波器模型，给出版图设计。该滤波器中心频率为 f1=2.4GHz，f2=5GHz，第一个阻带抑制大于 40dB，带宽为 0.669GHz，第二个阻带抑制大于 50dB，带宽为 1.103GHz。仿真结果表明达到设计指标要求。关键字 ADS 微波 双频 帯阻滤波器 A Simulation Design of Microwave Dual-band Stop Filter Based on Frequency Conversion MethodAuthor: Xu Bingqing(Grade12,Class01,Major physical electronics and telecommunications.Physics and TelecommunicationEngineering Dept. Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723000, Shaanxi)Tutor: Jia jiankeAbstract: Microwave filters is a common kind of microwave passive components, whose main role is to isloate, select and seperate signal. Nowadays, microwave filters is widely used in microwave and millimeter wave communications, remote sensing and radar technology, satellite communications systems. In recent years, the application of microwave technology in wireless communications is more and more widely used, making more complex external electromagnetic interference much more frequently affect microwave communication system. This paper designs a microwave dual-band stop filter by using ADS software, analyses the contrivable theory of a microwave dual-band rejection filter based on frequency conversion method, theoretically calculate the characteristic impedance of the microstrip line, establish a filter model and then finally publish the design plans. The center frequency of filter are as follows: f1 = 2.4GHz, f2 = 5GHz, the first stop-band rejection is greater than 40dB and its bandwidth is 0.669GHz, while the second one is much greater than 50dB and its bandwidth is 1.103GHz. The simulation results show that the indicators meet the design requirements. Keyword： ADS Microwave Dual Band Stop Filter陕西理工学院毕业设计目录1.引言 .12.滤波器的基本理论 .22.1 微波滤波器的基本原理 .22.2 滤波器的设计方法 .22.2.1 滤波器的设计指标 .22.2.2 切比雪夫低通原型滤波器 .32.2.3 频率变换 .52.3 二端口网络的常用参量 .52.4 谐振器 .62.5 倒置变换器 .73. 双频帯阻滤波器的设计与实现 .103.1 设计思路 .103.2 微波双频帯阻滤波器的实现 .104.微波双频帯阻滤波器的计算仿真设计 .154.1ADS 软件介绍 .154.2 微波双频帯阻滤波器的参数计算与仿真 .154.2.1 双频帯阻滤波器中两个阻带频率的相对带宽 .154.2.2 双频帯阻滤波器中心频率适用的相对带宽的范围 .154.2.3 双频帯阻滤波器的参数计算与设计指标 .164.3 测试结果分析 .195.结束语 .21陕西理工学院毕业设计致谢 .22参考文献 .23附录 A 外文文献 .24附录 B 中文翻译 .30陕西理工学院毕业设计第 0 页 共 34 页1.引言在无线通信和测试系统的时候微波带阻滤波器被大多数实验采用,在它应用的频段内产生抑制是微波带阻滤波器的首要功能,其作用是去除掉夹杂在所需要信号中的无用信号。因为 21 世纪科技迅猛发展通讯力量也越来越强,所以对于研究带阻滤波器的深度就越来越深,这就是占地面积小、所产生的矩形系数稳定的带阻滤波器就是首要研究的膜表。本论文主要研究了微波双频带阻滤波器的基本设计原理、结构以及其实现。在国外，Mahtthaei 对微波滤波器有着很深的研究，主要研究的是切比雪夫类型的滤波器的理论研究和所对应的公式。并且他提到了带阻滤波器，在带阻滤波器方面 Matthaei 是引用短截线谐振器当做其谐振单元，而且谐振器与传输线在同一水平线，它们两个之间隔着 个波长。这是带41阻滤波器中最基本的类型，在矩阵系数方面有瑕疵。B.M.SdiiffinanJ 设计了每个频段的公式基于带阻滤波器。并且在同样的时间，Crista 率先发表了窄带带阻滤波器的计算方法与设计思路，这让微波带阻滤波器有了初期的模板。接下来，Atia，和 Williams6J 率先发表了交叉耦合报告。在90 世纪的时候，Jian-Ren.Qian 与 Wei.cheng.Zhuang 提出了一种带阻滤波器，这种滤波器不是挨着的谐振腔间有耦合，也就是常说的交叉耦合。这种滤波器使用价值高，不足的是这种滤波器的结构难以理解，不便于调谐。在之后的时间内，关于带阻滤波器主要集中设计比之前要简洁、优化的设计单元。比如 J.N.Sahalos 提到了将介质谐振柱当做带阻滤波器的带阻单元使用，A.A.KirriLenko 发表了一类带阻膜片。这类带阻膜片在带宽更宽的条件下更加便于使用。以上介绍了带阻滤波器发展的历史，如今，带阻滤波器的发展已经很成熟，并且不断地有新型结构的带阻滤波器被提出，大部分是对谐振单元进行创新，也有一部分对传输线进行创新。对于谐振单元，有很多学者采用微带线来实现，其种类繁多，也有很多学者采用其它不同的结构、材料等等来实现谐振单元。在科技飞速发展的今天，因为通信技术的迅速发展导致通信行业的剧烈竞争，在射频微波电路系统中，特别是在无线通信系统中的，随着科技的发展，对滤波器的技术指标有了越来越高的标准。如何能将低付出和高回报应用到无线频率电路设计中，成为人们广泛关注的问题。节省器件以及资源和经费，正是双频帯阻滤波器出现的契机，双频帯阻滤波器就是因为这种需求而设计的。陕西理工学院毕业设计第 1 页 共 34 页2.滤波器的基本理论2.1 微波滤波器的基本原理根据微波滤波器的理想特性，对于所设定的通带范围内的所有频率能够完全地传输，在阻带范围内的衰减为无穷大。显然这种理想特性是无法达到的，所以对于滤波器的设计应该做到：在可能允许的范围内滤波器的特性应该尽可能接近理想特性，在通带内使符合所有的频率都尽可能通过，而在阻带内尽可能抑制信号和噪音。微波滤波器可以按照不同的标准来分类：传统的滤波器根据其频率响应可以分为巴特沃斯、切比雪夫和椭圆函数等形式；按对频带信号的作用可分为低通、高通、带通和帯阻 4 种；按照结构类型可分为同轴线、波导、微带等形式；按工作方式可分为反射式和吸收式等等。实际应用中，按照微波仿真的要求，就能得出电路所需要的功能，在平常的工作中一般将衰减IL 加入，通过衰减 IL 来体现滤波器的功能。根据你所加入的衰减 IL 的工作频率来区分，可以将理想滤波器的工作特性分为 4 类型：低通、高通、带通和帯阻。2.2 滤波器的设计方法2.2.1 滤波器设计指标技术指标是判断一个滤波器性能好坏的标准，本设计适当设计技术指标参数，帮助本文更好的实现性能 2。滤波器的主要技术指标有以下几项：1) 中心频率 ，工作频带的中心。0f2) 带宽 ，或相对带宽 。fW/3) 通带衰减，即通带内最大衰减。4) 阻带衰减，即阻带内最大衰减。低频滤波器的组成元件就是一些具有低频特性的理想电容和电感。对于低频滤波器的设计特性，人们可以综合各种低频特性进行低频实现。在微波频段内，滤波器的设计必须采用分布参数元件，但是在低频时，分布参数元件不光复杂，也是不存在一套完整的理论或者是综合方法，所以根据微波电路元件的复杂特性，人们不可能拿出一个普遍而完整的方法。可是，在微波频段内尽管存在很多的复杂性，研究人员还是研究出设计微波滤波器的种种可行方法。人们发现，正是在所限定的频率范围内，大多数微波元器件呈现的与理想电感感性和电容容性相似的频率特性。因此窄带滤波器的设计会很简单。基于这种特性，人们就可以将低频滤波器作为一个模型加以使用。所以在设计中，在所设定的频率范围内，根据呈现的相似性，可以运用类似频率特性的微波电路元器件代替电路中的电感电容，这就成为微波滤波器。所以在设计的过程中，人们尝试了各种方法，综合总结之后采取最优方案 2。陕西理工学院毕业设计第 2 页 共 34 页为了减轻在滤波器设计中综合所花费的精力与劳动，人们应用了频率变换和元件归一化。正是这种特性，工作在任意频段和电阻性负载终端的带通、帯阻滤波器都可以通过最基本的低通滤波器设计得出来。2.2.2 切比雪夫低通原型滤波器切比雪夫低通原型滤波器是最常应用的低通原型滤波器之一。下面重点介绍此滤波器。切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性如图 1 所示，它的式如下是 3：（2.2.1）coslog012nLdb（2.2.2）h1l 120db10ArLdBLArL 12图 2.1 切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性图 1 中 LAr 叫做“通带内最大衰减”， 是当 LAr 衰减时的频率，且当 01 1时为阻带。四种低通原型电路如图 2 所示：陕西理工学院毕业设计第 3 页 共 34 页N 为偶数 N 为奇数N 为偶数 N 为奇数图 2.2 低通原型电路图由于图 2.2 中（1）（2）电路对偶，则其都是是低通原型的滤波器，并且相应是相同的。由此得出看出图中电路是可逆的，所以既可以将左边电阻看成是信号源内阻，也可以将右边电阻看成信号源内阻，现在对图 2 中各元件的物理意义展现如下 3：=串联电感或者并联电容Nkg1=若 （电容输入）信号源的电阻01C0R若 （电感输入）信号源的电导 1LG=若 ，负载电阻nn1n若 ，负载电导 g从上可以看出，不管选择哪种低通原型电路，它的元件值不变。则可设其通带波纹为 ，其他元器件数值用下列公式计算,10gLAr如 2.2.3（2.2.3）)37.ln(cothArL=)2sinh(N( K=1,2.N) （2.2.4）21-siNkak( K=1,2.N)（2.2.5）)nb之后通过计算，如 2.2.6（K=2,3.N） （2.2.6）12ag1-g4kkba=陕西理工学院毕业设计第 4 页 共 34 页(N=1,3,5.) (N=2,4,6.) （2.2.7）1=+kg )4(tanh21kg通过低通滤波器原型综合进行滤波器设计的方法由下列步骤组成 3：1.设计具有预期通特性的原型低通滤波器；2.根据指定的中心频率和/或频带边缘频率，将原型网络转化为所需滤波器类型（低通，高通，带通或帯阻）；3.用集总和/或分布电路元件实现变换之后的滤波器网络2.2.3 频率变换将之前设计的低通原型滤波器的衰减特性的频率变量 通过一系列变化，这样可以得到新的频率 是变量的衰减特性，可以以此来表示帯阻滤波器。将低通原型滤波器的频率变量设为 ，则帯阻滤波器的频率变化量为