（通信与信息系统专业论文）微波滤波器辅助设计研究与应用.pdf

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c 滤波器文献与资料做了归纳和总结，使用l a m p 网 络构架，提出并且设计了辅助设计软件，用以帮助滤波器设计者进行设计。 最后，本文还使用辅助设计软件，设计了两款l t c c 带通滤波器，设计案例表明 该软件能缩短滤波器的设计周期。 关键词l 微波滤波器，l t c c ，辅助设计工具软件设计 作者- 胡晗之 指导老师。刘学观 t h er e s e ar c ha n d a p p l i c a t i o no nm i c r o w a v e f i l t e r a s s i s t a n td e s i g n a b s t r a c t m i c r o w a v ef i l t e ri sac o m m o nd u a l p o nn e t w o r k ，w h o s ea p p l i c a t i o ni sb e c o m i n g m o r cw i d e s p r e a dw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s b e c a u s eo f t h e e m e r g e n c eo fav a r i e t yo fm p i d l yc h a n g e si nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y i ta l s or e q u i r e sa 豫p i du p d a t eo f t h em i c r o w a v ef i l t e r w h i c hc a nk e e pu pw i t ht h e r a t eo f c h a n g e t h e 陀i sa s e to fc l a s s i c a it h e o r yo nt h ed e s i g no fm i c r o w a v e6 i t e r s ，b u ti n 份瓯r e l y i n gs 0 l e l yo nt h e c l a s s i c a l t h e o i ti ss t i l ld i 币c u l tt 0d e s i 印m i c r o w a v e6 l t e r sv e r y 亿s t ，p a n i c u l a r i yt h o s e 6 l t e r sm a d e 州t hl t c c ( i o wt e m p e r a t u 他c o f i r e dc e m m i c ) t e c h n o i o 缈 t h i sa r t i c i ee i a b o r a t e st h e o r yo ft h em i c r o w a v ef i i t e r sd e s i g n ，a n ds e v e m if i i t e r sw e r e s i m u i a t e da n d 白b r i c a l e d t h e nt h i o u g ht h ed e s i g n ，i m p l e m e n t a t i o na n dm e a s u r e m 明to f i c cd e v i c e s t h er e l a b i i i t yo ft h eu s eo fs i m u l a t i o nm o d e l n gt od e s i g ni j t c c6 i t e r sh a s b e e nv e r i f i e d f i n a i i y i n f - 0 m a t i o no nd o z e n so ff i i t e r sh a sb e e n 轴m m a r i z e d a n db yu s i n g t h el a m pa r c h i t e c t u r e ，as y s t e mu s e dt oh e l pt h ef i l t e rd e s i g n e rt os h o r t e nt h ed e s i g nt e n n o fm i c r o w a v ef i i t e r sh a sb e e nd e v e i o p e d ，a n di th a sb e 锄p r o v c dt ob ce 仃e c t i v eb yt h e f i l t e r sd e s i g n e d 、们t ht h eh e i po f t h es y s t e m f i r s t ，i nt h i sp a p e rt h ec l a s s i l t h e o r i e so f t h em i c r o w a v en i t e rd e s i g na r ei n t r o d u c e d ， 鲫c h 弱i m a g ep a r a m e t e rm e t h o d ，i n s e r t i o ni o s sm e t h o da n d 伽o nt h i sb a s i s ，v e 陀l 0 p e nl o o pf i l t e r sh a v eb e e ns i m u l a t e db ys i m u l a t i o ns o f t 、v a r eh f s s o n eo f t h e ma l s oh a s b e e n 份b r i c a t e da n dm e a s u 代db yn e t w o r i ( a n a i y z s u b s e q u 朗t l y s i m u l a t i o n 向b r i c a t i o na n dt e s t i n go fak i n do fl t c ct m n s i t i o nl i n e h a v eb e e nd o n e ，t om a k ed e e pu n d e r s t a n d i n go f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ei j 丁c ct e c h n o l o g y t h i sa l g u a 随n t e e st h em o d e i so f t h el t c c 矗i t e r st ob er i g h t t h e n ，r e s e a r c h e so ni c cm i c n ) w a v ef i l t e rd e s i g nh a v eb e e nc a r r i e do u t ，a n da s y s t e mu s e dt oh e l pd e s i g nl t c c 仃l t e rh a sb e e nd e v e i o p e db yu s i n gl a mrw h i c his m a i n i yt os h o r t e nt h ed e s i g nt e r m f i n a l i y ，w i t ht h eh e i po ft h es y s t e m ，t w ol t c f i l t e r sh a v eb e e nd e s i g n e d t h r o u 曲 t h e j o bd o n ea b o v e ，t h es y s t e mi sp r o v e dt ob ee 疏c t i v e k e y 帅r d s ：m i c r o w a v ef i l t e r ，l t c c ，a s s i s t a n td e s i g nt o o l ， s o f t w a r ed e s i 印 n i w r i t t e n b y ：h uh a n z h i s u p e r v i s e db y ：l i ux u e g u a n 目录 第一章绪论l 1 1 微波滤波器的研究背景与意义l 1 2l t c c 滤波器设计的研究2 1 3 滤波器辅助设计4 1 4 本论文主要内容与结构安捧4 第二章微波滤波器原理与设计方法6 2 1 微波滤波器的原理和分类6 2 2 微波滤波器的设计方法7 2 2 1 镜像参数法8 2 2 2 插入损耗法。l l 2 2 3 阻抗标定和频率标定l3 2 2 4 通带的转换一：1 4 2 3 微波滤波器的实现。j6 2 3 1 理查德变换16 2 3 2 科洛达恒等关系：。l8 2 3 3 一款微波滤波器的实现19 2 4 本章小结。2 4 第三章l t c c 工艺研究及传输线设计2 5 3 1l ，t c c 技术与工艺流程2 5 3 2l - t c c 传输线的研究2 6 3 3 本章小结3 l 第四章l t c c 滤波器辅助设计系统的设计。3 2 4 1l t c c 滤波器设计流程与实现方法3 2 4 1 1 l ，t c c 滤波器的设计流程3 2 4 1 2 l t c c 微波滤波器的实现方法3 2 4 2u c 滤波器辅助设计系统3 3 4 2 1 基于l a m p 结构的网络架构3 3 4 2 2 系统的数据库结构与使用方法3 6 4 2 3 辅助系统的设计界面3 9 4 3 本章小结4 3 第五章辅助设计系统的应用4 4 5 i 6 10 g h z 频段带通滤波器。4 4 5 23 9 g h z 频段带通滤波器4 6 5 3 本章小结4 7 第六章结论与展望4 8 6 1 本论文的主要工作4 8 6 2 未来工作展望4 9 参考文献5 0 攻读学位期间公开发表的论文5 3 致 谢。5 4 微波滤波器辅助设计研究与应用 第一章绪论 第一章绪论 本章首先阐述了微波滤波器设计的研究背景和意义；然后简要介绍了l t c c 发 展历程和技术特点；随后介绍了现在一些滤波器辅助设计的方法与思路，最后给出了 本文所做的主要研究工作以及论文的结构安排。 1 1 微波滤波器的研究背景与意义 微波滤波器是常见的一种二端口网络，信号在微波滤波器的通带频率内被传输， 在其阻带内被衰减。正是由于这种特性，微波滤波器常用于控制微波系统某些频段的 频率响应。滤波器典型的频率响应主要有高通、低通、带通以及带阻等特性。实际上， 在各种类型的微波通信和雷达测量或测试系统中，微波滤波器都已经早有应用。 早在第二次世界大战的前几年，有关微波滤波器的理论和实践就已经初露端倪， 早期的开拓者有r c h a r d s ，l a w s o n ，f a n o ，s y k e s ，m a s o n ，和d a r l i n g t o n 等等。在 2 0 世纪3 0 年代，镜像参量法就在电话和无线电的低频滤波器的设计中应用了。斯坦 福研究所的g m a n h a e i ，e j o n e s ，s c o h n 和l y b u n g 以及其他人组成的小组，成为了 2 0 世纪5 0 年代初期研究微波滤波器和耦合器研发的前沿人物。他们的很多关于滤波 器和耦合器工作成果以手册的方式被保留下来，成为了很有价值的参考书1 1 l 。如今， 一般的微波滤波器设计是通过计算机辅助设计软件来进行的，这些软件通常基于插入 损耗法计算。现在，由于低温超导和有源器件的也被应用到了滤波器的设计中，而使 用分布元件的网络综合法也得到了改进，这些技术的发展，都使得微波滤波器的设计 研究仍然十分活跃。 早期的运用镜像参量法设计的滤波器，通常由简单的双端口滤波器以级联的形式 构成，来实现指标中的衰减特性和截止频率，但是，这样不能提供在整个频段内频率 响应的具体性质。所以，使用镜像参量法来设计滤波器，程序虽然相对简单，但是为 了达到设计指标，往往需要多次迭代。 比较现代的滤波器设计方法是插入损耗法，使用该方法，可以通过网络综合技术 设计出完整的有特定频率响应的滤波器。通过使用频率和阻抗归一化的低通滤波器原 第一章绪论 微波滤波器辅助设计研究与应用 型为基础，使得设计过程得到简化；再进行转换，将设计原型转换到指标中的阻抗值 和频率范围上。 镜像参量法和插入损耗法这两种滤波器设计设计法主要是针对集总元件电路的。 对于微波滤波器应用，这种设计通常必须转换成传输线组成的分布元件，这种转换， 需要通过科洛达( k u r o d a ) 恒等式以及理查德( r i c h a r d ) 变换来进行。 由于计算技术及集成工艺的迅猛发展、新型材料的不断涌现，使得滤波器的设计 和研究上了一个新台阶；随着通信频率的提高，微波和毫米波滤波器的研究和应用得 到了很大的发展。而在这些科技迅猛发展的同时，微波滤波器的小型化是一个值得研 究的课题。 1 2l t c c 滤波器设计的研究 l ，t c c ( l o wt e m p e m t u r ec o f i r e dc e r a m i c ) ，低温共烧陶瓷，是近些年来发展起 来的让人瞩目的组件整合技术。它现已成为无源集成的主要技术，成为了无源器件领 域的发展重点以及新的元件产业经济增长点。 1 9 8 2 年，l t c c 技术是作为新型材料技术由休斯公司开发的。它将陶瓷粉经过低 温烧结，制成致密且厚度精确的生瓷带，在生瓷带上使用激光进行打孔、在微孔中注 浆，用精密导体浆料印刷工艺，制出电路图形，并把多个组件( 如电阻、电容、耦合 器、滤波器等) 植入几层的陶瓷介质基板中，然后叠放在一起。内部和外部的电极可 使用金、银、铜等金属，在9 0 0 以下的温度烧结，做成在三维空间中相互无干扰的 高密集度电路。也可以制成内部是无源元器件的电路基板，而在其表面贴装有源和i c 器件，制成无源和有源集成在一起的模块，这样将电路进一步地高密度化与小型化， 适合用于高频通讯。 随着l t c c 技术的发展，l t c c 无源滤波器也愈来愈成熟。目前，l t c c 技术在 国外和中国台湾地区已有广泛的应用，l t c c 无源滤波器的研究和开发主要在美国、 日本和台湾等少数国家和地区的进行。l t c c 在通信领域的应用主要可以分为一下几 个特殊频段来讨论。 首先是l 2g h z 的l 波段。因为该频段频率较低，所以常常采用集总或者半集 总的元件来设计滤波器，可以应用于频率低的无线系统，如g p s 全球定位系统以及 2 微波滤波器辅助设计研究与应用第一章绪论 低频的无线传感网络等等。在该频段应用较多的应该是9 0 0 m h z 和1 8 g h z 的手机的 双频段应用，现在已经在全世界范围内普遍使用了，而基于该应用的l t c c 滤波器也 是数不胜数。该频段上无线系统中使用的滤波器，通常采用的是梳状线滤波器或者表 面波滤波器，而这样的l t c c 滤波器有很好的滤波特性，此外体积和重量也大大减小， 从而成为这样的通信系统中滤波器的首选。 其次是2 1 4 5g h d 5 1 2g h z ，主要应用于无线本地局域网( w l a n ) 和蓝牙通信。 随着w l a n 和蓝牙技术的不断发展，与它们相关的应用也越来越广泛，因此也带动 了l t c c 滤波器的发展。最后，是用于6 0g h z 频段的。6 0g h z 频段是免许可的频段， 由于其能方便地使用于高速无线传输，比如流媒体、高速网络访问和数据高速下载等， 可取代传统的线缆传输，l t c c 技术是非常合适的选择。虽然在实际应用中，该频段 的l t c c 滤波器还有待发展，但相关的研究已在不断进行。相对于传统的平面滤波器， 它的体积可减小很多。 l t c c 滤波器的主要有以下三种方法实现 一、使用集总元件( l r c ) 实现。此方法主要用于低频段，因为随着频率升高， 元件长度与波长可比拟时，电路的寄生电容和电感会对电路产生作用，导致系统不能 正常运作，这种作用随着频率升高而愈发明显。元件的尺寸如果小于波长的l 8 ，就 可以认作为集总元件。它的优点是减小了电路的尺寸，其设计也相当灵活；缺点是对 制作工艺的要求比较高。 二、用半集总元件实现。半集总元件是用分布元件替换一部分的集总元件，其电 路结构简单，实现比较容易。因此，很多的l t c c 滤波器都是采用半集总元件设计和 实现的。 三、用分布元件实现。相对来说，该方法主要用于高频段，因为此时用集总元件 不易实现。其优点是很多微波理论都可以在此处运用，理论实现较为简单，但是缺点 是相对集总元件，它的体积较大，制作工艺也较为复杂。其结构多为腔体和波导滤波 器。 在实际中，这三种方法并没有严格的区分。因为，l c 的实现大多也是用带状线 或者微带线组成，关键还是看波长和元件尺寸的关系。 第一章绪论微波滤波器辅助设计研究与应用 1 3 滤波器辅助设计 因为各种日新月异的通信技术的出现，也要求微波滤波器的更新能跟上这种快速 变化的步伐。虽然微波滤波器的设计已经有了一套经典的理论，但在实际应用中，想 要快速的设计所需要的微波滤波器还是存在困难的，尤其是l t c c 工艺的滤波器。现 有的滤波器设计通常是针对特定的结构进行研究的，比如研究某个特定参数对滤波器 s 参数幅值或者相位的影响，这种方式，的确能够帮助滤波器设计者加快设计进度， 但是，如果设计者要设计的不是这类或者运用于这个频段的滤波器，那么设计者需要 重新查找是否有相关的需要设计的滤波器的资料。 本论文希望通过建立一个比较完善的滤波器的元件库，来辅助设计滤波器的设 计。论文针对l t c c 工艺滤波器，搜集了数篇论文以及依靠2 1 4 研究所提供的滤波器 数据，建立了一个滤波器数据库。并且使用l a m p 网络构架，设计了一款软件界面， 设计者可以通过一些基本的参数，寻找所需要设计的滤波器基本实现方式。 1 4 本论文主要内容与结构安排 本文在熟悉微波滤波器的设计方法的基础上仿真设计并实现了几款滤波器，为辅 助设计软件的设计积累设计经验；接着在了解l t c c 滤波器的制作工艺的基础上，设 计了l t c c 传输线，并制成实物，测量结果表明本设计是合理的，验证了l t c c 器件 设计过程的正确性和可靠性；最后在对数十种滤波器的资料进行的归纳和总结的基础 上，利用l a m p 架构，设计制作了适用于微波滤波器辅助设计的软件，文中还给出 了相应的设计案例，结果表明：借助该软件可以缩短微波滤波器的设计周期。 具体内容安排如下： 第一章为绪论，主要介绍了微波滤波器传统的设计、l t c c 滤波器特点和辅助设 计系统的设计。 第二章详细介绍了微波滤波器设计的经典理论，如镜像参量法与插入损耗法，以 及理查德变换和科洛达恒等式，在此基础上，使用h f s s 仿真了一款开路环结构的微 波带通滤波器滤波器，制作了实物，进行了测量。 4 微波滤波器辅助设计研究与应用第一章绪论 第三章研究了l t c c 工艺，仿真设计了一款工作在o 5 g h z 频段范围内工作的传 输线，并且制作了数个实物，通过比照它们的测试结果，验证了仿真建模方式的可靠 性，保证之后的l t c c 滤波器建模的正确性。 第四章并且对大量种滤波器资料进行了总结研究，主要研究了它们的拓扑结构以 及性能指标，制作了一个滤波器数据库，并且通过网络结构l a m p ，设计了一款软件， 用以辅助l t c c 滤波器设计。 第五章使用辅助设计系统，并且使用h f s s ，仿真设计了两个l t c c 滤波器，验 证了辅助设计系统的有效性与可靠性。 第六章对微波滤波器的设计进行了总结和展望。 第二章徽波滤波器原理与设计方法 徽波滤波器辅助设计研究与应用 第二章微波滤波器原理与设计方法 微波滤波器是一种对微波信号有处理作用的器件或电路，是常见的一种二端口网 络，信号在微波滤波器的通带频率内被传输，在其阻带内被衰减。正是由于这种特性， 微波滤波器常用于控制微波系统某些频段的频率响应。 滤波器的分类主要可以从以下几个方面来分： l 、按通过信号频段 按通过信号相对频段，可以将滤波器分为高通、低通、带阻以及带通滤波器四类。 高通：信号中的高频分量允许通过，抑制低频频率和直流分量。 低通：信号中的直流分量以及低频分量允许通过，抑制高频频率分量。 带阻：抑制一定频段内的信号，允许该频段范围以外的信号通过。 带通：某个频段内的信号允许通过，抑制低于以及高于该频段的信号。 ( a ) 理想低通滤波器频率响应i b ) 理想高通滤波器频率响应 囊 啊膏 t 曩 微波滤波器辅助设计研究与应用第二章微波滤波器原理与设计方法 2 、按响应函数 巴特沃斯响应：巴特沃斯响应能够使得滤波器通带的平坦度最大化。通带内响应 平坦程度接近d c 信号，然后衰减至3 d b 的截止频率点，后面逼近2 0 n d b d e c a d e ，而 式中n 是滤波器阶数。巴特沃斯滤波器适用于低频段应用，有利于维护增益的平坦性。 贝塞尔响应：滤波器不仅仅改变输入的信号的幅度，还会引入延迟。延迟会给与 频率相关的相移带来失真，而贝塞尔响应最小化了通带的相位非线性。 切比雪夫响应：在有些应用中，最需要考虑的因素是滤波器截断频带外信号的速 度。如果纹波在一定范围内允许，使用切比雪夫多响应就可以得到较快速的衰减。 2 2 微波滤波器的设计方法 早在第二次世界大战的前几年，有关微波滤波器的理论和实践就已经初露端倪， 早期的开拓者有r i c h a r d s ，l a w s o n ，f a n o ，s y k e s ，m a s o n ，和d a r i i n 垂o n 等等。在 2 0 世纪3 0 年代，镜像参量法就在电话和无线电的低频滤波器的设计中应用了。斯坦 福研究所的g m a t t h a e i ，e j o n e s ，s c o h n 和l y b u n g 以及其他人组成的小组，成为了 2 0 世纪5 0 年代初期研究微波滤波器和耦合器研发的前沿人物。他们的很多关于滤波 器和耦合器工作成果以手册的方式被保留下来，成为了很有价值的参考书【1 】。如今， 一般的微波滤波器设计是通过计算机辅助设计软件来进行的，这些软件通常基于插入 损耗法计算。现在，由于低温超导和有源器件的也被应用到了滤波器的设计中，而使 用分布元件的网络综合法也得到了改进，这些技术的发展，都使得微波滤波器的设计 研究仍然十分活跃。 早期的运用镜像参量法设计的滤波器，通常由简单的双端口滤波器以级联的形式 构成，来实现指标中的衰减特性和截止频率，但是，这样不能提供在整个频段内频率 响应的具体性质。所以，使用镜像参量法来设计滤波器，程序虽然相对简单，但是为 了达到设计指标，往往需要多次迭代。 比较现代的滤波器设计方法是插入损耗法，使用该方法，可以通过网络综合技术 设计出完整的有特定频率响应的滤波器。通过使用频率和阻抗归一化的低通滤波器原 型为基础，使得设计过程得到简化；再进行转换，将设计原型转换到指标中的阻抗值 和频率范围上。 7 第二章微波滤波器原理与设计方法 微波滤波器辅助设计研究与应用 2 2 1 镜像参数法 镜像参量法含有级联双端口网络阻带和通带的要求，该方法相对比较简单，但是 存在缺陷，因为它在设计中不能包括任意的频率响应。尽管这样，镜像参量法在简单 的滤波器设计中还是有用的，它在实际的设计与无限长周期结构之间建立了相应的联 系。 如图2 2 所示的双端口网络，该网络由a b c d 参量设定。该网络的镜像电阻互 和z ，：定义为： z i 。= 端口2 接互：时、端口l 输入阻抗； 互：= 端口l 接互时，端口2 输入阻抗； 当端接它们的镜像阻抗时，两个端口匹配。 图2 2 端接镜像阻抗的双端口网络 端口电流、电压的关系为： 巧= 彳吒+ ，2 曰 = c 吒+ d i ，2 在端口2 接阻抗互：时，端口l 处的输入阻抗是： 孕兰= 筹瓮2 筹 而其中圪= z l ：，2 。 因为网络是互易的，所以有肋一彪= l ，从而得到 ( 2 1 吨) ( 2 - 1 b ) ( 2 2 ) 微波滤波器辅助设计研究与应用 第二章微波滤波器原理与设计方法 吒= d k b ，l 厶= c k + 彳 在端口l 端接阻抗z ，。，渴求的在端口2 的输入阻抗为 其中k = 一互。 轴鲁= d k 一所l c k + 彳 一d z t i + b = = = 一 c t z ，l + 彳 ( 2 - 3 - a ) ( 2 3 b ) ( 2 - 4 ) 要乙。= z ，。，乙：= z ，：，所以，结合式( 2 2 ) 与( 2 _ 4 ) 给出镜像阻抗的两个方程： 可得 z ，i ( 2 + d ) = 彳互2 + 曰 z ，。d b = 互2 ( 彳一c 互1 ) z ，。