（通信与信息系统专业论文）基于ltcc滤波器的自动测量系统设计.pdf

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p e r f o r m a n c eh a sb e c o m e a ni n e v i t a b l et r e n di nt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v e d e v i c e s l t c ct e c h n o l o g yw i t ht h eu n i q u es u p e r i o r i t yo fi t so w nm e e t st h o s er e q u i r e m e n t s v e r yw e l l t h e r ea r es om a n yd e f e c t si nt r a d i t i o n a lm a n u a lt e s t i n gm e t h o do fm i c r o w a v e d e v i c e ss u c ha sc o m p l e xt e s tp r o c e s s ，l o we f f i c i e n c yt h a ti tc a nn o tm e e tt h ev a r i o u s d e m a n d so fm e a s u r e m e n ta n ym o r e h e n c e ，t h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e dt e s t i n gs o f t w a r e h a sr e c e i v e de x t e n s i v ea t t e n t i o ni nt e s ti n d u s t r y t h ed e s i g np r i n c i p l eo fl t c cf i l t e rh a sb e e ns t u d i e df h - s t l yi nt h i sp a p e r , a n dal t c c l o w - p a s sf i l t e rw a sd e s i g n e db a s e do nt h i s t h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t sm a t c h e x t r e m e l yw e l l b o t ht h ee l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o na n dt h el t c cp r o c e s sh a v eb e e n s t u d i e d ，l a y i n gf o u n d a t i o nf o rc a r r y i n go u tt h ef o l l o w - u pw o r k t h e nt h er e m o t ec o n t r o l t e c h n o l o g yo fv e c t o rn e t w o r ka n a l y z e rw a sr e s e a r c h e dp a r t i c u l a r l y , a n da na u t o m a t i c m e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nl t c cf i l t e ri sd e s i g n e da n dr e a l i z e d t h et e s ts o f t w a r eh a s b e e na w a r d e das o f t w a r ec o p y r i g h t a tl a s t ，ap r o g r a mo fa u t o m a t i c a l l ye l i m i n a t et e s t f i x t u r ee f f e c t si sp r o p o s e da n ds u c c e s s f u l l yi n t r o d u c e di n t ot h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n t s y s t e m ，p r o v i d i n gan e ww a yf o rr a p i d ，a c c u r a t em e a s u r e m e n to ft h el t c cf i l t e ra n dt h e i m p r o v e m e n to fp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y t h et h e s i si sd i v i d e di n t ot h r e ep a r t s t h ef i r s tp a r ti st h ed e s i g no fl t c cl o w - p a s s f i l t e r i nt h i sp a r t ，t h ed e s i g np r i n c i p l eo ff i l t e ra n dt h eb a s i cd e s i g ns t e p so fl t c cf i l t e r w e r ed i s c u s s e d b a s e do nt h e s et h e o r i e sa n a l y s i sa b o v e ，al o w - p a s sf i l t e rw a sd e s i g n e d w i t ht e c h n o l o g yo fl t c c f i l t e rs a m p l e sh a v eb e e nm a d ea n dm e a s u r e d t h em e a s u r e d r e s u l t ss h o wt h a ti tc a l lm e e tt h ed e s i g nt a r g e tv e r yw e l l t h es e c o n dp a r ti st h ed e s i g no f a u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e mb a s e do nm i c r o w a v ef i l t e r s i nt h i s p a r t ，t h er e m o t e c o n t r o lt e c h n o l o g yo fm e a s u r e m e n te q u i p m e n ta n dt h eh a r d w a r eo ft h i ss y s t e ma r e d i s c u s s e df i r s t l y t h ed e t a i ld e s i g np r o c e s so fs y s t e m ss o f t w a r ei sg i v e ns e c o n d l y t h e c o m m u n i c a t i o nb u i l d i n gp r o c e s sb e t w e e nc o m p u t e ra n dn e t w o r ka n a l y z e ra n dt h ed e s i g n o ff u n c t i o n a lm o d u l e si nt h es y s t e ma r ee s p e c i a l l yf o c u s e do n p a r to ft h ep r o g r a mf l o w c h a r ta n ds o f t w a r er u n n i n gi n t e r f a c ea r ea l s og i v e ni nt h i sp a p e r t h i ss o f t w a r ea c h i e v e s t h ed e s i g no fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n t s y s t e mb a s e do nl t c cf i l t e r a b s t r a c t t h ef u n c t i o no fa u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ，a u t o m a t i cj u d g m e n t sa n dt e s tr e p o r tg e n e r a t i o n f i n a l l y , t h el t c cl o w - p a s sf i l t e ri sm e a s u r e du s i n gt h ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t sp r o v et h ea c c u r a c yo ft h es y s t e m sm e a s u r e m e n tr e s u l t sa n dt h e p r a c t i c a l i t yo fi t sf u n c t i o nm o d u l e t h el a s tp a r tp u t sf o r w a r dan o v e lp r o g r a mo f a u t o m a t i c a l l ye l i m i n a t et e s tf i x t u r ee f f e c t s t h ep r o g r a mi m p l e m e n t a t i o np r o c e s s e sa r e i n t r o d u c e d b yc o n t r a s tt h em e a s u r e m e n tr e s u l t so fb e f o r ea n da f t e rt h ee l i m i n a t i o no f f i x t u r ea f f e c tw i t ht h em e a s u r e m e n tr e s u l t sw h e nw e l d i n g ，t h ef e a s i b i l i t yo ft h ep r o g r a mi s v e r i f i e d t h i sp a p e rb u i l d st h es o f t w a r ec o n t r o lp l a t f o r mo ft h ev e c t o rn e t w o r ka n a l y z e r r e a l i z e st h er e m o t ec o n t r o lo ft h en e t w o r ka n a l y z e r p u t sf o r w a r dan o v e lp r o g r a mo f a u t o m a t i c a l l ye l i m i n a t et e s tf i x t u r ee f f e c t sa n dp r o v i d e sar e f e r e n c ef o rt h ea c h i e v e m e n to f o t h e rm i c r o w a v ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n ts y s t e m k e v w o r d s ：l t c cf i l t e r , m i c r o w a v ea u t o m a t i cm e a s u r e m e n t ，l a n ，v i r t u a li n s t r u m e n t ， f i x t u r e e f f e c t sa u t o m a t i ce l i m i n a t i o n i l l w r i t t e nb y ：z h a n gq 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 微波测量概述1 1 2 微波自动测量系统发展简史1 1 3 l t c c 技术及其应用2 1 4 本论文的研究背景及意义4 1 5 本论文主要内容与结构安排5 第二章微波滤波器基本理论分析与设计6 2 1 微波网络6 2 2 微波滤波器基本理论8 2 3l t c c 滤波器的设计与实现1 1 2 3 1 滤波器设计原理1 l 2 3 2l t c c 滤波器设计步骤1 3 2 3 3 一款l t c c 低通滤波器设计与实现1 4 2 4 本章小结1 6 第三章微波滤波器自动测量系统设计1 8 3 1 自动测量系统中的仪器控制技术1 8 3 1 1 虚拟仪器概述l8 3 1 2 虚拟仪器的总线技术1 9 3 1 3 仪器控制软件架构2 0 3 1 4 仪器驱动程序2 2 3 2 滤波器自动测量系统硬件结构2 2 3 3 滤波器自动测量系统软件设计。：2 4 3 3 1 开发工具2 4 3 3 2 计算机与矢量网络分析仪的通信建立2 5 3 3 4 主界面的设计2 7 3 3 5 矢网参数设置模块2 9 3 3 6 滤波器类型及指标选择模块3 0 3 3 7 数据显示设置模块3 2 3 4 微波滤波器自动测量系统的应用一4 1 3 5 本章小结4 4 第四章l t c c 滤波器测试央具校准算法设计4 5 4 1l t c c 滤波器测试央具校准原理4 5 4 2 测试央具校准算法设计与实现4 7 4 2 1 拟合数据获取4 7 4 2 2 数据拟合4 8 4 3 测试央具校准算法验证：5 1 4 4 本章小结5 l 第五章结论与展望5 2 5 1 本论文的主要工作5 2 5 2 未来工作展望5 2 参考文献一5 4 攻读学位期问公开发表的论文5 7 致 射5 8 幕，二l t c c 滤波器的自动测壁系统改计第一章绪论 第一章绪论 本章首先介绍了微波测量技术；然后介绍了微波自动测量系统的发展历史；接着 又对l t c c 技术及其应用进行了简单介绍：最后阐述了本文的研究背景及意义并给出 了本文所做的研究工作及论文的结构安排。 1 1 微波测量概述【1 捌 微波是频率在3 0 0 m h z 至3 0 0 g h z ( 即波长从l m 至l m m ) 之间的电磁波，可以 划分为分米波( o 3 。3 g h z ) 、厘米波( 3 3 0 g h z ) 和毫米波( 3 0 3 0 0 g h z ) 。微波波段 电磁波的波长和常用设备或元件的尺寸差不多，甚至更小，微波系统的工作特性主要 取决于其内部电磁场分布，因此微波系统的设计往往涉及到复杂边界条件情况下的电 磁场技术问题，很多情况下只能求得近似解。在一些情况下，理论分析只能提供设计 的大致规律和趋向；在一些情况下，理论虽然也能够给出相当精确的设计结果，但加 工制造难以保证足够的尺寸精度。所以，微波元件和系统的设计研制通常都是根据理 论设计确定的基本尺寸，制造初样，然后通过测量，反复调试，修改设计尺寸，最后 才能达到预定的技术指标。因此，微波测量是微波技术必不可少的组成部分。 根据测量内容的不同，微波测量可以分为两大类：一是微波网络特性参数测量； 二是微波信号特性参数测量。微波网络特性参数测量主要是测量微波网络的反射参数 和传输参数，而微波信号特性测量主要是测量微波信号的功率、频率( 波长) 、波形、 频谱和噪声等。 随着频率合成技术、取样技术、数字处理技术和计算机技术等先进技术的快速发 展，微波测量发生了很大变化，呈现出如下发展趋势：一是微波测量的智能化、自动 化和宽频带化：二是微波测量的网络化和虚拟化；另外，由于天线等测量的需要，许 多微波测试设备增加了时域- 频域转换功能，因此，时域测量也是微波测量发展的趋 势。 1 2 微波自动测量系统发展简史 自动测量系统( a u t o m a t i ct e s t i n gs y s t e m s ) ，是指在人极少参与或者不参与的情 第一章绪论 基于l t c c 滤波器的自动测量系统设计 况下，自动进行测量、处理数据，并以适当方式显示或输出测量结果的系统，通常由 计算机、程控测量仪器、被测量物理对象和相应的接口系统组成。计算机通过执行预 先编制好的程序控制测量仪器来完成对被测对象的测量，采集数据并完成对测量结果 的显示、传输、存储等操作。 随着微波测量设备性能的提升和计算机技术、软件技术的进步，微波自动测量系 统得到了快速发展。它的发展历程大体可以划分为三个阶段6 吲： 1 、第一代自动测试系统( 专用型) 第一代自动测试系统是针对某项具体任务而研制的，主要用来进行大量重复性测 试、快速测试或复杂测试，或用于对测试可靠性要求极高、有碍测试人员健康以及测 试人员难以接近的测试场所。此时的自动测试系统能完成繁重的测试任务，快速准确 地给出测量结果，是从人工测试迈向自动测试的第一步。但是这种系统比较复杂、 研制工作量大、造价高、适应性差，在改变测试内容时要重新设计接口( 包括 仪器与仪器之间的接口和仪器与计算机之间的接口) 。 2 、第二代自动测试系统 它们采用标准化通用接口，系统中各个组成部分( 包括计算机、程控仪器、程控 开关等) 均配有标准化接口功能电路，由统一的无源母线电缆连接起来。这种系统无 需重新设计接口电路，可以灵活更改、增删测试内容。 这两种测试系统基本上是模拟人工测试的过程。系统中的计算机主要用来承担系 统的控制、计算和数据处理任务，而未能充分发挥其强大的功能。 3 、第三代自动测试系统 这种自动测试系统将计算机与测试设备融为一体，用计算机软件代替传统设备中 某些硬件的功能，用人的智力资源代替某些物质资源。此时的计算机不仅充当系统控 制器，还用来产生各式各样的测试激励信号。其基本思想是在计算机控制下对基本被 测量进行采样，然后由采样值计算出一切所需的测量参数。 1 3l t c c 技术及其应用 由于本文中设计了一款l t c c 滤波器并且所设计的自动测量系统是基于l t c c 滤 波器设计的，因此，下面先来介绍一下l t c c 技术及其应用。 2 螭t 二l t c c 滤波器的自动测量系统改汁笫币绪 论 l t c c ( l o wt e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c ) 技术f _ ! 低温，e 烧陶瓷技术，涉及到材 料科学、电路设计、微波技术等多个领域，川j 二实现高集成度、高性能电子封装。 它i j 彭f i j 好的满足迅速发展的移动通信广：川1 1 ，及蓝爿确s ：一5 7 ，对射频器件的小尺、_ ：、高封装密 度、窃呵靠性和低成本的需求。通过这种技术，可以改变滤波器的传统布局，由二维 平i 自i 布局发展为三维立体布局，设计并制作出体j 1 更为小巧的多层层叠式滤波器。这 样的改变不仅可以降低生产成本，而且可以增加设计的活度【9 1 。图卜1 为一款基于 l t c c 技术的微波滤波器1 1 0 1 。 图1 一ll t c c 微波滤波器 l t c c 的工艺流程主要有混料、流延、打孔、通孔填充、丝网印刷、叠片热压、 切片、排胶凝结等工序【1 1 i 。工艺流程如图卜2 所示。 矧1 2l t c ct 艺流程 随符现代无线通信技术的发腱和i b r 系统的j 泛j 渺川，小型化、i 渐 ，t 能l 成为射 频微波器件发腱的必然趋羚。l t c c 技术凭f m j er 1 身儿仃的独特优辨，i i i 逐渐成为尤 源器件集成的1 ：流技术和通信系统l 乜ri 焚备小，弘化的火键技术之，为多上：射频，c 器 f ，i ：阳小，弘化、衙p 仁能办m 发腱提供了烈人的技术支撑。l t c c 技术“0 统的土寸装集成 技术川比l i 婴仃以卜优州12 - 1 4 1 ：l 订f ：玎介f u 常数、1 1 1 玎q 值、小体积、低损车特陀； 第一章绪论基于l t c c 滤波器的自动测量系统设计 射频性能好，具有高频和高速传输特性；具有较好的温度特性，热膨胀系数和介电常 数温度系数都较小，可适应大电流及耐高温特性要求，并具备比普通p c b 板更好的 热传导性；高密度互联，易于实现更多布线层数，提高电路的组装密度；可靠性高， 耐高温、高湿、冲振，可应用于恶劣环境：能够与薄膜多层技术实现兼容，易于有源 无源集成，可实现高组装密度和高性能的混合多层基板和多芯片组件。 正因为l t c c 技术具有如此多的优点，目前它已被广泛应用于航空、航天及军事 领域，存储器、驱动器、滤波器和传感器等领域，汽车电子领域，射频和微波无线通 信领域1 1 5 】。其中，航空、航天和军事领域是l t c c 技术最早被使用的领域，射频和微 波无线通信领域是目前l t c c 组件应用最多的领域。 1 4 本论文的研究背景及意义 在微波元件、器件和微波设备的生产过程中，有许多环节需要微波测量对其零部 件、半成品和成品进行检验，在设计时也需要利用微波测量取得必要的数据。因此， 在从事微波技术的应用、微波元件和器件的制造和科学研究中，微波测量占有十分重 要的地位。在l t c c 微波滤波器的设计和生产过程中，同样需要通过测量来检验所设 计的滤波器是否满足设计要求以及滤波器成品的合格率。然而微波滤波器的人工测量 过程相对比较繁琐，速度慢，精度低，且极易受人干扰。测量数据的记录、被测滤波 器是否满足设计要求的判决也需要人为参与才能完成。在滤波器的设计过程中需要采 集数据供研究人员分析，在生产过程中需要检验滤波器的合格率，这都需要对大量滤 波器进行测量，此时人工测量的缺点尤为明显，不仅浪费了比较多的人力和物力，也 大大降低了工作效率。 现在的微波测量仪器有着十分丰富的接口可以与计算机互连，通过计算机可以很 方便的控制这些设备，进而组成自动测量系统。自动测量系统可以充分利用计算机的 各种优势，如快速计算能力、强大的存储能力等，可以将测量数据直接保存在计算机 里以便数据的后期处理，也可以将一些比较固定的数据处理过程形成程序直接嵌入到 测量软件中，直接得出需要的结果。因此，自动测量系统对数据的处理更加灵活，可 以有更多的选择性。另外，测量系统还可以直观的显示测量结果，对被测滤波器是否 满足设计指标进行自动判决，甚至可以自动生成测量报告，使测量结果一目了然。 4 綦十l t c c 滤波器的自动测鼍系统设计第一章绪论 所以本论文的意义在于搭建了矢量网络分析仪的软件控制平台，实现了对矢量网 络分析仪的远程控制，为其他微波自动测量系统的实现奠定了基础；自动测量系统的 测量软件部分实现了测量数据的图形显示及保存，使测量数据的后续处理更加简明； 测量软件部分实现了被测滤波器设计指标的自动判决及测量报告的自动生成，使测量 结果更加直观。 1 5 本论文主要内容与结构安排 本文的主要工作先是研究微波滤波器设计原理及l t c c 滤波器设计基本思路，在 此基础上设计一款l t c c 滤波器：然后研究矢量网络分析仪的远程控制技术，针对微 波滤波器的测量设计自动测量系统，并根据设计需求完善自动测量系统功能；最后， 研究l t c c 滤波器测试央具校准算法，设计与实现测试央具校准算法，并验证校准算 法的有效性。 本文具体内容如下： 第一章为绪论，阐述了微波测量技术及微波自动测量系统发展历史，对l t c c 技 术及其应用进行了简要介绍，并简单的说明了本文的研究背景及意义，最后给出了本 文的主要内容与结构安排。 第二章首先介绍了微波及滤波器基本理论，然后研究分析了滤波器设计原理和 l t c c 滤波器设计的基本思路，并在此基础上设计实现了一款l t c c 低通滤波器，测 试结果表明该滤波器很好的满足了设计指标的要求。 第三章首先介绍了自动测量系统中的仪器控制技术，接着介绍了滤波器自动测量 系统的硬件组成，然后详细介绍了滤波器自动测试系统的软件设计过程，最后用该自 动测量系统对第二章中所设计的l t c c 低通滤波器进行了测量，验证了该系统测量结 果的准确性及其各模块的功能。 第四章提出了一种新颖的l t c c 滤波器测试央具影响自动消除方案，首先介绍了 央具影响消除原理，然后给出了央具影响自动消除方案的具体实现过程，并通过对比 测试央具影响消除前后的测量结果与焊接时的测量结果验证了夹具影响自动消除方 案的可行性。 第五章为总结与展望，对全文的工作加以总结，并提出对后续工作的思考。 5 第二章微波滤波器基本理论分析0 设计 基于l t c c 滤波器的自动测量系统设计 第二章微波滤波器基本理论分析与设计 本章首先简单介绍了微波网络理论及散射矩阵，然后介绍了微波滤波器的基本原 理，包括滤波器的分类和主要技术指标。接着又介绍了滤波器设计方法，并主要对插 入损耗法即原型滤波器设计法进行了详细介绍，本文还给出了l t c c 滤波器的基本设 计步骤，在此基础上设计并实现了一款l t c c 低通滤波器。 2 1 微波网纠1 纠8 l 微波系统的分析方法通常有两种：一种是电磁场理论分析法，即在系统满足的边 界条件下，求解麦克斯韦方程组，得出系统空间电磁场的分布及其工作特性：另一种 是微波网络理论分析法，即用等效的方法把一个微波系统等效为一个微波网络，从而 把本来属于电磁场的问题转化为等效的电路问题，然后利用电路理论的分析方法求解 出系统各端口间信号的相互关系。电磁场理论分析法原则上适用于分析各种微波系 统，能全面描述其内部和外部特性，但实际上对于复杂结构的分析是有困难的；微波 网络理论分析法即等效电路法，仅能采用网络参数描述系统的外部特性( 或端部特 性) ，不能求解出系统内部电磁场的分布，但它却可给出系统的般传输特性，如功 率传递、阻抗匹配等，而且这些结果可以通过实际测量的方法来验证，因此微波网络 理论分析方法得到广泛应用。 描述微波网络特性的参量可以分为两大类：一类是反映网络参考面上电压和电流 之间关系的参量；另一类是反映网络参考面上入射波电压与反射波电压之间关系的参 量。在微波波段，由于没有恒定的微波电压源和电流源，理想的短路或开路终端也不 容易得到，因此反映网络参考面上电压和电流之间关系的阻抗、导纳和转移参量很难 正确测量，不方便运用。但不管电路如何变化，信号源输出功率可以设法保持不变， 并且匹配的终端负载也很容易得到，因此根据参考面上归一化的入射波电压和反射波 电压之间关系导出的散射参量和传输参量很容易测量，所以散射参量和传输参量在微 波网络中得到广泛应用，而散射参量的应用最为普遍。另外，在各种微波网络中，双 端口网络是最基本的，大多数微波元件如衰减器、滤波器、移相器、双工器等都属于 双端口网络，所以下面主要介绍一下双端口网络的散射参量。 6 幕十l t c c 滤波器的自动测髓系统设计第二章微波滤波器捧奉理论分析j 嫂汁 双端口 微波网络 图2 一l 双端口网络的入射波与反射波 双端口微波网络如图2 一l 所示。定义口，、b ，分别为参考面正上的归一化入射波电 压m ? 和归一化反射波电压“f ，它们的有效值的平方分别等于入射波功率和反射波功 率，即 q = “? 兄= 搁2 = 扣 包= u 7 e = 1 w = 狮2 ( i = l ，2 ) u i = q + 岛1 = 口i 一岛j 于是 q 书训= 甄搀“厄 - 警 岛书训= 故老一，- 厄 - 警 同理可得 a=，：2 u 2 + 1 2 z f 2 2 , z 。2 抗：u 2 - 1 2 z c 2 2 , z 。2 ( 2 - 1 ) ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 对于线性网络，归一化入射波电压和归一化反射波电压之间是线性关系，故有线性方 程 7 第二章微波滤波器毓本理论分析与设计基于l t c c 滤波器的自动测量系统设计 乏= ：s ll a q i + + s i 2 a 2 s 2 1 $ 2 2 a 2 p5 ， 吃=口i +j 写成矩阵形式为 州b 2 墨$ 2 1 $ 2 2 2 心a 2 弘6 ， 或简写为 【6 】- 【s 】 n 】 ( 2 7 ) 式中，i s = 要：霎三 称为双端口网络的散射矩阵，简称【s 】矩阵，其中各参数的意义 分别如下： s 。：垒l 表示端口匹配时，端口的反射系数； i i i 口2 = o s ：堕i 表示端口匹配时，端口的反射系数： “2k o s ：且l 表示端口匹配时，端口到端口的反南传输系数； “2 l 口i = 0 2 等l 卸表示端口匹配时，端口到端口的正向传输系数。 由此可见，用散射矩阵表示微波网络的电压反射系数和传输系数是很方便的，因 此散射矩阵是微波网络中最常用的一种矩阵。 2 2 微波滤波器基本理论【 1 6 - 1 9 1 微波滤波器是微波系统中的一种频率选择元件，可以被视为双端口元件。它既可 以作为选频元件独立工作于微波系统中，也可以作为变频器、倍频器、振荡器等微波 有源器件的重要电路组成部分，被广泛应用于微波中继通信、卫星通信、雷达技术、 电子对抗和微波测量中，是微波系统的重要元件之一。 按照频响特性，滤波器可以分为低通、高通、带通和带阻滤波器，如图2 - 2 所示。 f 是截止频率。在理想情况下，通带内插入损耗厶= 0 ，阻带内插入损耗厶芘0 。 8 幕十l t c c 滤波器的臼动测量系统设计 第二章微波滤波器堆奉理论分析j 嫂计 ( a ) 低通滤波器 厶d b g c ( b ) 高通滤波器 ( c ) 带通滤波器( d ) 带阻滤波器 图2 2 四种滤波器的频晌特性曲线 滤波器的技术指标有很多，相对比较重要的主要有以下几个： ( 1 ) 截止频率正：指衰减从零增加到某一确定值时的频率。通常用截止频率来 划分滤波器的通带和阻带。 ( 2 ) 带宽( b a n d w i d t h ，b w ) ：这一技术指标是相对于带通滤波器和带阻滤波 器而言的，指滤波器的上边频和下边频的频率差。 ( 3 ) 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ，i l ) ：通常是指通带内的插入损耗，定义为入射 波功率和传输功率之比，其数学表达式为： d i l = 1 0 1 9 百。i nd b ( 2 8 ) 工 其中，己是入射波功率，即滤波器从信号源得到的输入功率，罡是传输功率， 即滤波器向负载输出的功率。 ( 4 ) 回波损耗( r e t u r nl o s s ，r l ) 、驻波比( v s w r ) 、反射系数( f ) ：这三个 参数是相关的，一般用它们来描述滤波器的反射特性。实际的工程设计中用的较多的 是回波损耗和驻波比。回波损耗定义为入射波功率圪和反射波功率e 之比，其数学 o 第二章微波滤波器皋奉理论分析j 设计 堆于l t c c 滤波器的自动测量系统设计 表达式为： r l = - l o l g 屹_ p - - 呈- rd b = - l o l g ( 烈) 2 扭叫o l g ( f r l 2 d b弘9 ， 电压驻波比( v s w r ) 定义为沿线上波腹点电压振幅与波节点电压振幅之比，反 射系数( f ) 定义为传输线上任意一点处的反射波电压( 或电流) 与入射波电压( 或 电流) 之比，两者的关系表达式为 一= 翎 ( 2 1 0 ) i 5 ) 阻带抑制：也称带外抑制，指滤波器阻带部分的信号衰减量，设计滤波器 时通常要特别注意阻带内某一频率范围或某一频点的衰减，一般来说衰减越大阻带特 性越好。 ( 6 ) 通带波纹：指通带内信号的平坦程度，即通带内最大衰减与最小衰减之间 的差别，一般用d b 表示。 ( 7 ) 矩形系数：用来描述滤波器通带和阻带之间的频率响应曲线的陡峭程度， 它的数学定义表达式为 肛= 器= 可f 2 d b 万m f l 6 0 d b ( 2 - 1 1 ) 对于如图2 - 1 所示的双端口微波网络而言，当端口接匹配负载时，入射波功 率己和传输功率最之比、端e l 的反射系数r 。与s 参数的关系分别为： 鲁2 赤 倍翰 罡阮i 。 f i = 墨i ( 2 1 3 ) 所以，滤波器的插入损耗和回波损耗可以表示为 i l = 1 0 1 9 p 吒 d b - l o - g 而1 棚= - 2 0 1 9 s z i 扭 ( 2 - 1 4 ) r l = - 1 0 1 9 f 型筹卜- - - , o , g ( i r l 2d b = - 2 0 1 9s u d b v s w r ( 2 - 1 5 ) i+ l 另外，滤波器的阻带衰减通常也用棚( s ：。) 来表示。因此，在设计和测量滤波器 的过程中，可以通过观察s 参数曲线s 和s i 。来判断其性能的好坏。所以，在第三章 1 0 皋于l t c c 滤波器的自动测量系统设计第_ 二章微波滤波器堆奉理论分析j i 5 2 汁 中将要介绍的滤波器自动测量系统也主要是针对s 参数的测量来设计的。 2 3 l t c c 滤波器的设计与实现 2 3 1 滤波器设计原理 滤波器设计方法主要有两种：镜像参量法和插入损耗法。镜像参量法是一种基于 双端口网络的a b c d 参数设计滤波器的方法，使用该方法设计的滤波器由比较简单 的双端口滤波器级联而成，便于提供所要求的截止频率和衰减特性，但不能提供整个 工作频率范围内频率响应的具体性质捌。插入损耗法又称低通原型综合法，是用网络 综合的方法设计具有完整频率响应滤波器的方法，是滤波器的经典设计方法，也是目 前使用比较广泛的滤波器设计方法。其基本思路是：首先根据目标滤波器的指标要求 设计出低通原型，也就是通过查表得到低通原型电路结构中各电抗元件的归一化值， 再经频率转换求出目标滤波器所需电抗元件值2 1 。2 如。该方法避免了理论分析的复杂 性，目前滤波器设计主要采用插入损耗法。 集总元件低通原型滤波器是用插入损耗法设计微波滤波器的基础。它是由集总参 数电感l 和电容c 组成的双端口网络，其电路基本拓扑结构有电容输入式和电感输入 式两种 1 6 1 , 分别如图2 3 、图2 4 所示。其中g ，9 2 ，g 表示电路中的集中参 数l 和c 。在图2 3 所示的电容输入式低通原型中，g o = l ，为信号源内阻r 的归一 化值。在图2 - 4 所示的电感输入式低通原型中，g o = l ，为信号源电导g o 的归一化值。 另外，在这两种基本电路结构中，当为偶数时，g + 。为负载导纳虼的归一化值， 当为奇数时，g + 。为负载电阻吼的归一化值。 g o e j v = 偶数n = 奇数 图2 - 3 电容输入式低通原型 第二章微波滤波器基本理论分析j 设计基于l t c c 滤波器的自动测量系统设计 g o e n = 偶数 一虱 一n 1 y 、 ； 孙口 一一一一。， n = 奇数 图2 4 电感输入式低通原型 以上两种电路互为对偶电路，它们具有一样的频率响应特性，都可以作为低通原型滤 波器。理想低通滤波器在通带内衰减为零，在阻带内衰减为无穷大，这种理想的滤波 衰减特性是难以实现的，实际的滤波器只能逼近理想滤波器的衰减特性。实用中最广 泛使用的逼近函数有三种，相应的低通原型滤波器称为巴特沃斯( b u t t e r w o r t h ) 低通 原型滤波器、切比雪夫( c h e b y s h e v ) 低通原型滤波器和椭圆( c a u e r -