《分形贴片滤波器》PPT课件.ppt

,分形贴片滤波器设计,指导老师：肖建康,学生：郑晓,日期：2014.6,2019/7/30,微波滤波器概述,研究背景，研究目的及意义 随着无线通信的迅猛发展，作为分离有用和无用信号的微波滤波器成为通信系统中的重要部件，其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。 现在，微波滤波器已被广泛应用于微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域，并对微波滤波器的要求也越来越高。高阻带抑制、低通带插损、宽频带、高功率等成为用户的主要技术指标要求。同时，体积、成本、设计速度也是用户极为关心的话题。,2019/7/30,滤波器理论基础,滤波器是通信工程中常用的重要器件，它对信号具有频率选择性，是一种选频装置。 在微波系统中通常需要把信号频谱中有用的几个频率信号分离出来而滤除无用的其他频率信号，完成这一功能的设备称为滤波器。允许输入信号中的特定频率成分通过,同时抑制或极大地衰减其它频率成分(又称此频带为阻带)。,根据衰减特性的不同，滤波器通常分为低通，高通，带通和带阻滤波器，下图给出了各种滤波器的集中电抗梯形电路及其相应的衰减特性，从衰减特性便可判别出滤波器的类型。,2019/7/30,对于带通滤波器，其主要性能指标有： a）通带频率；b) 插入损耗； c) 回波损耗； d) 通带波纹; e) 带外抑制； f) 功率容量,2019/7/30,从实现形式，微波滤波器主要有：微带滤波器，波导腔体滤波器、介质滤波器等。,2019/7/30,工作步骤与指标,1、熟悉和了解微波电路仿真与设计软件Hfss的基本功能与基本操作。 2、熟悉和了解传输线种类。 3、了解并选用微带线，使用“Hfss”软件进行微波带通滤波器的设计及仿真，其带通滤波器的技术指标应满足如下要求： 1)信号频率f010GHz 2)信号带宽f约1GHz损耗2db 3)插入损耗 -3db 4)带外衰减 -15db 5)输入输出端口为50 6)材料选 =10.2 h1.27mm,2019/7/30,分形的概念,分形在英文中为fractal，此词源于拉丁文形容词fractus，对应的拉丁文动词是frangere（破碎、产生无规则碎片）。此外，它与英文中的fraction（碎片、分数）及fragment（碎片）具有相同的词根。 描述自然界中传统Euclid几何学所不能描述的一大类复杂无规则的集合现象，例如，蜿蜒曲折的海岸线、起伏不定的山脉、粗糙不堪的断面、变化无常的浮云。它们的共同特点是：机器不规则或极其不光滑。直观而粗略的地说，这些对象都是分形。,2019/7/30,分形的分类,分形主要有四种，Couch分形，Siepinsky分形，Hilbert等。下面分别列出个几种分形图。,Siepinsky分形,2019/7/30,Hilbert分形,couch分形,分形的特点,1.Euclid图形是规则的，而分形是不规则的。 2.Euclid图形的层次是有限的，而分形从数学角度上讲层次是无限的。 3.Euclid图形一般不会从局部得到整体的信息，因为它们不强调局部与整体的关系，而分形强调自相似性，自相似性就是局部与整体的相似性，局部中又有相似的局部，每一小局部中并不比整体所包含的少，不断重复，无穷嵌套，形成了奇妙的分形图案。特别要指出的是，这里的相似性不仅包括严格的几何相似性，而且也包括通过大量的统计而呈现出的自相似性。 4.Euclid图形越复杂，其背后的也必定越复杂，而对于分形图形，虽表面上看去非常复杂，但其背后的规则却有可能是相当简单的。 5.Euclid图形基于特征长度与比例，而分形无特征长度与比例。,2019/7/30,分形的好处,本论文要讲的滤波器是在传统谐振器的基础上，应用分形思想，分别设计了等腰直角三角形，等边三角形，正方形滤波器。 与传统的矩形、方形贴片相比可以节省一半左右的面积，也就相应的减小了电路尺寸，符合现代通信系统小型化的发展要求。另外，该滤波器较小的插入损耗，良好的带外抑制能力，解决了三角形滤波器的高性能问题。,2019/7/30,等腰直角三角形滤波器设计,我们设计了一个工作频率为4G的滤波器，solution frequency设为4G，最大迭代20，精度2%，sweep frequency 1G-8G，step frequency 0.01G，电路表面铺上copper，介质基板如上述论问题到，介电常数为10.2，厚度h=1.27，损耗正切角为0.001，电路图形如下,2019/7/30,指标的确定,等腰直角三角形贴片谐振器谐振频率可以表示如下,其中，L是三角形底边长度，C为在自由空间中光速， 是相对介电常数，整数m和n决定的谐振模式当m= 0和n = 1时，得到的主要模式，其谐振频率可以表示为,所以当选定所设计的滤波器的工作频率时，其外部三角形的尺寸基本也随着确定，我们设计的滤波器工作频率为4G，根据式（3-2）可以得到其底边长16.4mm。,2019/7/30,仿真过程,第一步：画出电路结构图,第二步：介质基板和地,第三部微带面覆铜,第四步：地平面覆铜,第五步：添加波端口和激励源,第六步：空气盒边界设为Radition,2019/7/30,结果和指标分析,结果分析图,由图中S11曲线可知其工作频率约为4G，回波损耗为-17db，小于-15db，满足要求；由S12曲线可知，其传输零点约为-54db，小于-30db，插入损耗为-0.3db，大于-3db，所以次滤波器的设计完全符合既定的指标。图4.28附上电路的电流分布图,2019/7/30,电路电流分布图,2019/7/30,正方形滤波器,仿照S ierpinsk i三角形的分形规律, 本文提出了新型的正方形分形贴片。图2所示方型分形贴片是经过2次分形, 从正方形贴片(边长27mm)中反复依次去掉一个正方形而构造出来的。每次去掉的正方形的边长是其自身所属整体相似图形边长的1 /3, 同时生成8个相似图形,电路结构如下,介质基板的相对介电常数为4.3, 厚度为1mm。两个端口分别为输入输出馈线, 长度为15mm, 为了匹配, 选取输入输出馈线的宽度为2 mm, 其特性阻抗为50欧姆。另外, 方型分形贴片的边长为27mm, 一级分形结构的方孔边长为9mm, 二级分形结构的方孔的边长为3mm。,2019/7/30,仿真过程,第一步：画出电路结构图,第二步：介质基板和地,第三部微带面覆铜,第四步：地平面覆铜,第五步：添加波端口和激励源,第六步：空气盒边界设为Radition,2019/7/30,分析参数设置,2019/7/30,结果分析图,从仿真结果可知该滤波器的中心频率为2.15GH z, 通带内的回波损耗大于15dB, 插入损耗小于2. 5dB, 3dB带宽约200MHz;消逝模间的交叉耦合使通带两侧都有非常大的衰减极点(大于40dB ) , 而且通带的右侧有两个衰减极点, 有效提高了抑制特性。两个输入输出馈线深入到了贴片谐振器的内部, 影响了原来的场分布, 从而很好地解决了传统滤波器的辐射损耗和体积大等问题; 另外, 激起的消逝模间的交叉耦合产生了衰减极点, 同时也能够有效地抑制高次谐波的输出。这是设计滤波器非常希望得到的结果。,2019/7/30,电流分布图,2019/7/30,等边三角形滤波器,如图，外三角形的底边长15mm，高12.99mm，内三角形底边距外三角形1.5mm，底边长9mm，高7.8mm，馈线距离外三角形0.2mm，馈线距离是0.2mm，馈线长度为12.9mm，宽度1.2mm,2019/7/30,仿真过程,第一步：画出电路结构图,第二步：介质基板和地,第三部微带面覆铜,第四步：地平面覆铜,