微带宽带匹配3GHZ低通滤波器设计【毕业论文说明书】
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目 录摘 要 -IIIAbstract -V第 1 章、绪论 -11.1 研究的背景及意义 -11.2 课题研究现状 -1第 2 章、设计原理介绍 -32.1 滤波器介绍 -32.1.1 低通滤波 -32.1.2 带通滤波 -52.1.3 微带线 -52.2 主要参数 -72.3 宽带匹配 -7第 3 章、设计方案 -93.1 参数设置 -93.2 电路图 -10第 4 章、实验仿真与结果 -134.1 仿真软件介绍 -134.2 仿真模型 -144.3 操作步骤 -154.4 结果 -18第 5 章、总结与展望 -195.1 总结 -195.2 设计展望 -19参考文献 -20致谢 -22I附录 -240微带宽带匹配 3GHz 低通滤波器设计摘 要滤波器是在通信系统中很常用的一种电路，人们经常要从一根主馈线中分离出几种频率的微波信号或者反过来,把数种频率的微波信号集合到一根共用的馈线中去,面对这种需求的时候人们就要用到微波滤波器了。但在实际生活中，很多常用的低通滤波器抑制射频能量的效果并不是很好，很容易泄漏,而泄漏量的多少将会直接影响设备性能的好坏。针对以上情况，本文设计了一个微带宽带匹配 3GHz 的低通滤波器，采用切比雪夫低通滤波器的 LC 电路原型，将一个低通滤波器和一个带通滤波器串联，并且均使用高低阻抗微带线替换原有 LC 元件，带通部分采用 1/4 波长短路微带电路。最终基本满足任务书要求，实现可以提高抑制能力的微带低通滤波器。关键词：滤波电路；微带线；宽带匹配1Microstrip broadband matched 3GHz low pass filterAbstractFilter is in communication system is commonly used in a circuit, people often have to from a root of the main feeder isolated microwave signal of different frequencies or conversely, the number of frequency of microwave signal collection to a common feeder to, in the face of the demand of people to use microwave filter. But in real life, many of the commonly used low-pass filter to suppress the RF energy effect is not very good, it is easy to leak back, and how much leakage will directly affect the performance of the equipment. In view of the above situation. In this paper, the design of the a Wideband Microstrip matching 3GHz low pass filter, using Chebyshev low-pass filter prototype LC circuit, a low-pass filter and a bandpass filters connected in series, and each use microstrip line to replace the original LC components, using a quarter wave length of microstrip circuit.Finally, the basic requirements of the task book can be achieved, which can improve the suppression capability of microstrip low pass filter.Key words: filter circuit；microstrip line；Broadband matching2第 1 章、绪论1.1 研究的背景及意义滤波器是一种具有良好相位特性的电路，可以有效地抑制带外噪声，均衡使用的频带的幅度。因此，它在通信系统、控制及信号处理等领域都发挥着很重要的作用，也因此被人们广泛地应用于信号传输、通信、数据采集、控制等各类电子系统中。而在低功耗应用中，微带滤波器因为具有低成本和可重复性等优点而被人们广泛使用 1。微波滤波器可以广泛地应用到雷达、通信、信号处理等各类电子系统中。在微波电路中是一种非常重要的电路，在微波电路系统中发挥着至关重要的作用，一个完整的微波电路系统的运行直接受到微波滤波器的影响。随着现代移动通信技术、电子对抗技术和导航技术的迅速提升与发展，人们迫切地需要新型的微波微带元器件能被设计研发出来，并且提高改善现有的微带元件的性能，人们对此都有很高的要求 。许多的发达国家都使用新材料和新技术来满足日常的需求，生产出所需要的器件，很大程度上提高了仪器的性能和集成度。在满足上述需求的同时，还要最大程度地降低生产器件的成本，减小生产器件的规模尺寸，并且降低运行时系统所产生的功耗。现如今，人们对于电磁波频带的划分越来越严格与精确，并且频带资源也被划分的越来越精细，再加上手持式的移动设备的广泛使用也要求微波器件具有高性能、小型化、成本低廉等优点，在种种客观条件的要求下，微带滤波器由此应运而生，它因为具有强劲的性能、小巧的尺寸、低廉的成本、易于进行加工制作的特点，所以成为当今社会微波滤波器的主流形式之一 2。1.2 课题研究现状在 1915 年，瓦格纳，一位德国的科学家，第一次提出了一种在当时的业界得到迅速推广与使用的滤波器设计方法，这种方法就是瓦格纳滤波器的滤波器设计方法；与此同时，另一位来自美国的科学家坎贝尔，也提出了一种叫做图像参数法的非常独特的滤波器设计方法。1917 年，这两国科学家在花费了大量精力潜心研究之后，终于发明出了 LC集总滤波器，之后一年，美国科学家也顺利地发明了世界上的第一个多路复用系统。从此以后，世界各地的科学家们对于采用集总元件如电感、电容来设计滤波器的理3论进行了全面并且系统的研究。之后的数年时间里，科学家们所设计出的滤波器由最初发明的使用集总参数元件构成的滤波器逐步变化成了使用分布参数元件来构成的滤波器，而促使这个领域发生变化的原因就是滤波器设计理论在人们潜心研究后不断地拓展和深入，而且材料领域也在那几年时间里不断进步，飞速突破，再加上人们的工作频率纷纷提高，科研开发的速度也越来越快。1939 年，有科学家开始介绍与报道了一种特殊的滤波器，即介质滤波器。然而，由于当时科技所研究出的材料的温度稳定性并不符合这种滤波器的需求，所以导致这种滤波器并不能进行任何切合实际的使用，只是一种理想的理论中的滤波器。但到了 1970 年之后，因为人们在新材料研发方面花费了很大的精力与代价，所以该领域取得了重大突破与发展，尤其是陶瓷材料，在这段时间内发展的极其迅速，借此机会，曾经理论中的介质滤波器终于可以在实际的场合中得到运用，并且就此得到了飞速的发展。而最近几年，因为小型化的提倡与发展趋势，各式各样的微带滤波器的研发得到了极大程度的进步与发展。而在当下，许多的发达国家都花费极大的精力用于研究新的材料领域、新的开发技术，纷纷希望使用新型材料、新的开发技术来提高滤波器的各项性能指标和集成度；并且一如既往地降低设计开发的成本，缩小滤波器的尺寸，降低滤波器的功耗损耗。目前，我国在微波滤波器这方面的研发与设计与发达国家之间依旧存在着相当大的差距，为了缩小彼此之间的差距，提升我国的综合国力，我国科研人员就必须更加努力研发新技术。因此，发展中国的微波工程事业对于我国的科技人员来说，是一个任重而道远的任务。总体而言，当今世界为了满足无线通信系统对于微波滤波器所要求的低成本、高性能、小型化，国内外科学家都主要从材料、工艺、技术以及设计方法等方面进行了广泛而深入的研究 3。4第 2 章、设计原理介绍2.1 滤波器介绍滤波器，是一种可以对波进行过滤的电路结构。在电子技术领域中，人们狭义而又局限性地将那些用来描述表达随着时间的变化，各类物理量的取值因而产生起伏的过程特指为波。由于各式各样的传感器在该过程中产生作用，使得该过程又被转换成电流或是电压的时间函数，因此人们用各种物理量的时间波形来描述表达这个经过转换的时间函数，通俗点来说就是平时常听说的概念， “信号”。因为时间作为自变量是可以随意的、连续的取值的，所以将这类信号称为连续时间信号，或者称为平时常听到的一种信号，即模拟信号。随着电子计算机技术的发明和飞速的发展，人们提出了一套全面而又完整的理论和方法，即将抽样定理作为指导的前提下，将连续的时间信号转变成为离散的时间信号，借此来满足更加便捷地用计算机处理信号的需求。也就是说，人们可以在不丢失任何波形、信息、信号、波的前提下，只通过使用原始模拟信号在所选取的离散时间坐标上的抽样值来表达原始信号。几乎所有的信息都要通过波形信号的传递来进行传播，但是，信号在产生、转换、传输的任何一个环节都很有可能产生畸变，造成畸变的原因就是不同的传输环境和一些可以干扰传输的事物的存在。更有甚者产生的畸变还是非常严重的，会导致信号和信号所携带的各种信息混杂在噪声即干扰信号当中，难以被人们识别出来，从而造成信号传输的阻塞。在这种条件下，人们迫切地希望设计一种能够滤出噪声，只取出自己需要频段的信号，由此，滤波器应运而生。现代社会的滤波器分为很多种类，如模拟滤波器和数字滤波器，是按照处理信号的类型来划分的；而有源滤波器和无源滤波器，如 RC/LC 滤波器等等，则是按照所采用的元器件的标准划分的；而按照通过的信号的频段，又可以将滤波器分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器等各不相同的滤波器，本文所设计的滤波器主要采用的是低通和带通滤波器，因此下面将着重介绍这两种滤波器，其余类型就不再一一赘述。2.1.1 低通滤波低通滤波器，是一种只能通过低于截止频率的信号，但阻碍高于截止频率的信号通5过的电子滤波仪器。而且它的工作原理也是很简单的，只是利用电容通高频阻低频，而电感通低频阻高频的特性，对于不需要、要截止的高频信号，用电容吸收电感、阻碍的方法不让其通过，而对于所需要的低频，利用电容高阻抗，电感低阻抗的特点使其通过，从而实现低通滤波的效果。现今最常用的低通滤波器主要有三种典型结构：最平坦式低通滤波器、切比雪夫式低通滤波器、椭圆函数式低通滤波器：最平坦式低通滤波器：也可以称作巴特沃斯滤波器，它是一种频率响应曲线在其通带内最大程度平坦并没有起伏但在阻带内呈现下降趋势且逐渐为零的滤波器。 从振幅的对数对角频率的波特图上来看,最平坦式低通滤波器从某个频率开始,振幅与频率的变化是相反的，频率增加的同时振幅会逐步减少,最终趋向负无穷大。在截止频率以后，巴特沃斯滤波器的相频特性是非线性的，对于阶跃信号有过冲和振铃现象 4。图为巴特沃斯滤波器的频率响应曲线切比雪夫式低通滤波器：它的频率响应的幅频特性没有巴特沃斯滤波器平坦，但它的频率响应曲线和最平坦式低通滤波器比起来，在过渡带内衰减的反而更快。和理想情况下低通滤波器的频率响应曲线相比，它拥有着最小的误差，但这一类滤波器在通带内幅度还是存在着波动的。图为切比雪夫滤波器的频响曲线以及阶跃响应图椭圆函数式低通滤波器：也就是考尔滤波器，它是一种等波纹的低通滤波器，无论在通带内还是在阻带内。和其余类型的低通滤波器相比的话，它的通带范围与阻带波动在同阶的条件下都是最小的，与切比雪夫或者巴特沃斯低通滤波器均有所不同。6当今时代人们为了隔离高频信号，保护后续的工作电路，通常把微波低通滤波器应用到电子系统的前端。人们总希望它同时具有陡峭的衰减和足够宽的阻带范围，因而，高性能，宽阻带成为当今微波低通滤波器研究的热点与方向 4。2.1.2 带通滤波带通滤波器是一种只可以通过某一频率范围内的信号而将范围之外的信号衰减到极低水平的滤波器，与之相对应的就是带阻滤波器，二者之间的通频段是相反的。现在常见的由电阻电感电容组成的电路就是一个典型的模拟带通滤波器。可以通过组合相应的低通和高通滤波器来实现带通滤波器的功能。理想情况下的带通滤波器的通带应该是完全平坦的，在通带内不存在信号的放大或衰减，并且在通带之外所有频率被完全衰减，且在极小的频率内完成通带外的转换。然而在实际工作中，并不存在理想的带通滤波器。现有的带通滤波器并不能完全衰减掉那些不在人们需要的的频率范围内的频率分量，特别是在所需要的频率范围外还要有一个被衰减但是没有被隔离的范围。上述提到的困扰也就是人们常说的滤波器的滚降现象。通常，为了使设计出的实际滤波器的性能能更加贴近所需求的标准，科学家们设计的时候都尽可能保证滤波器滚降的范围尽可能的窄。2.1.3 微带线微带滤波器主要有平行耦合微带线滤波器、四分之一波长短路微带线滤波器、发夹型、交指型、梳状线、微带类椭圆函数滤波器等等类型。平行耦合微带线带通滤波器在微波集成电路中是运用的十分广泛的带通滤波器。由两根平行放置，靠的很近的微带线组成。它的结构十分紧凑，适用于频率范围较大的情况。但是它的缺点是插入损耗比较大，再加上需要在同一个方向按顺序一次布置，所以这一类滤波器
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