基于SIR的双频带通滤波器的设计与仿真毕业论文设计.doc

基于基于 SIRSIR 的双频带通滤波器的设计与仿真的双频带通滤波器的设计与仿真 摘 要 随着无线通信的迅猛发展及需求的不断增加 双频便携式电话和无线局域网被广泛 应用 双频段滤波器也就成为这些通信系统前端的重要器件 本论文所研究的利用阶梯阻 抗谐振器实现双频滤波的方法 与传统的滤波器组合 零极点综合等方法相比 具有结构 紧凑 设计灵活等优势 由此设计的双频滤波器其第二通带的频点位置可通过阻抗比Rz及 谐振器的长度进行调节 文中介绍并分析了阶梯阻抗谐振器 Stepped Impedance Resonators SIR 的结构和特性 着重阐述了半波长阶梯阻抗谐振 器的基本特性 并分析了这种结构谐振器的优越性及其实现双频的原理 在此基础上采用 半波长SIR谐振器设计了应用于WLAN 无线局域网IEEE 802 1la b g 系统的带宽可控的双频 段带通滤波器 关键词 双频带通滤波器 阶梯阻抗谐振器 阻抗比 Design of Dual Band Bandpass Filter Using SIR Abstract With the high development and the need of wireless communications and the dual band portable telephones and WLAN wireless local area network are quite popular and the dual band filters become the key components in the front of these communications systems Using the method of Stepped Impedance Resonator to realize dual passband filters is researched in this dissertation comparing to the traditional methods that combination filters he synthesis of zeros and poles and so on they have advantages of compact structure and convenient design and the second resonant frequency of the designed dual band filter can be controlled by the impedance ratio Rz and the length of the resonator The structure and characteristic of Stepped Impedance Resonators are presented in this paper with an emphasis on the half wavelength Stepped Impedance Resonators the advantages of the SIR and the principle to realize dual band are researched too And four dual passband filters with controllable bandwidths ale proposed for WLAN IEEE 802 1la b g using half wavelength resonators Key words Dual band filter SIR impedance ratio 毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明毕业设计 论文 原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺 所呈交的毕业设计 论文 是我个人在指导教 师的指导下进行的研究工作及取得的成果 尽我所知 除文中特别 加以标注和致谢的地方外 不包含其他人或组织已经发表或公布过 的研究成果 也不包含我为获得 及其它教育机构的学位 或学历而使用过的材料 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人 或集体 均已在文中作了明确的说明并表示了谢意 作 者 签 名 日 期 指导教师签名 日 期 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集 保存 使用毕业设计 论 文 的规定 即 按照学校要求提交毕业设计 论文 的印刷本和 电子版本 学校有权保存毕业设计 论文 的印刷本和电子版 并 提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印 缩印 数字化或其 它复制手段保存论文 在不以赢利为目的前提下 学校可以公布论 文的部分或全部内容 作者签名 日 期 学位论文原创性声明学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果 除了文中特别加以标注引用的内容外 本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品 对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担 作者签名 日期 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留 使用学位论文的规定 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 允许论文被查阅和借阅 本人授权 大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索 可以采用影印 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 涉密论文按学校规定处理 作者签名 日期 年 月 日 导师签名 日期 年 月 日 指导教师评阅书指导教师评阅书 指导教师评价 指导教师评价 一 撰写 设计 过程 1 学生在论文 设计 过程中的治学态度 工作精神 优 良 中 及格 不及格 2 学生掌握专业知识 技能的扎实程度 优 良 中 及格 不及格 3 学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力 优 良 中 及格 不及格 4 研究方法的科学性 技术线路的可行性 设计方案的合理性 优 良 中 及格 不及格 5 完成毕业论文 设计 期间的出勤情况 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 指导教师 指导教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 评阅教师评阅书评阅教师评阅书 评阅教师评价 评阅教师评价 一 论文 设计 质量一 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 水平二 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 建议成绩 建议成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 评阅教师 评阅教师 签名 单位 单位 盖章 年年 月月 日日 山西大学本科毕业论文 设计 1 教研室 或答辩小组 及教学系意见教研室 或答辩小组 及教学系意见 教研室 或答辩小组 评价 教研室 或答辩小组 评价 一 答辩过程一 答辩过程 1 毕业论文 设计 的基本要点和见解的叙述情况 优 良 中 及格 不及格 2 对答辩问题的反应 理解 表达情况 优 良 中 及格 不及格 3 学生答辩过程中的精神状态 优 良 中 及格 不及格 二 论文 设计 质量二 论文 设计 质量 1 论文 设计 的整体结构是否符合撰写规范 优 良 中 及格 不及格 2 是否完成指定的论文 设计 任务 包括装订及附件 优 良 中 及格 不及格 三 论文 设计 水平三 论文 设计 水平 1 论文 设计 的理论意义或对解决实际问题的指导意义 优 良 中 及格 不及格 2 论文的观念是否有新意 设计是否有创意 优 良 中 及格 不及格 3 论文 设计说明书 所体现的整体水平 优 良 中 及格 不及格 评定成绩 评定成绩 优优 良良 中中 及格及格 不及格不及格 在所选等级前的 内画 教研室主任 或答辩小组组长 教研室主任 或答辩小组组长 签名 年年 月月 日日 教学系意见 教学系意见 系主任 系主任 签名 年年 月月 日日 山西大学本科毕业论文 设计 2 目 录 摘要 1 目录 2 第一章 绪 论 3 1 1 双频带通滤波器的研究背景 3 1 2 国内外的研究现状 4 第二章 微波滤波器的基本理论 4 2 1 概述 4 2 2 微波滤波器的基本理论 5 2 3 耦合谐振带通滤波器的理论 6 2 4 微波滤波器的基本设计参数 6 第三章 阶梯阻抗谐振器 SIR 8 3 1 SIR 的基本结构 8 3 2 型 SIR 的基本结构和特性 9 2 g 3 3 型 SIR 的电长度 11 2 g 3 4 型 SIR 实现双频的原理 12 2 g 第四章 基于 SIR 的双频带通滤波器的设计与仿真 13 4 1 引言 13 4 2 SIR 双频带通滤波器的设计与仿真 14 4 3 变形后的 SIR 双频带通滤波器的设计与仿真 16 4 4 两种设计的比较与总结 17 第五章 总结和展望 17 5 1 总结 17 5 2 展望 18 致 谢 19 参考文献 20 山西大学本科毕业论文 设计 3 第一章 绪论 1 1 双频带通滤波器的研究背景 滤波器在每个领域的应用都有不同的要求 高选择性 宽带波导滤波器 同轴谐振器和悬置多工 器 以及电子可调滤波器满足了军事应用对器件的宽带 可调性要求 卫星通讯工业要求滤波器规模 小 低损耗 带宽窄 且在幅度选择性和相位线性度上有非常严格的要求 多模波导介质谐振器滤波 器就是在这样的需求下发展起来的 移动通讯基站设备需要小型化 低损耗 高功率传输的有选择性 滤波器 而且成本低 达到规模化生产的要求 同轴谐振器 介质谐振器 超导滤波器以及诸如降低 损耗的方法就是伴随着这一需要而产生的 与移动通讯基站相比 移动通讯手持设备需要尺寸更小 成本更低 损耗低 高选择性和能够大规模生产的滤波器 从而驱动了表面声波滤波器和微机电系统 滤波器的发展 近年来 相比与其它领域 移动通讯技术得到了飞速发展 不但增大了射频滤波器的 需求 同时也对其提出了更高的要求 高性能 小型化 轻型化 低成本 新近涌现的新技术和新 材料推动了射频滤波器的快速发展 这些新技术和新材料包括 高温超导技术 低温共烧技术 微波 单片集成电路 微机电系统技术和显微机械技术 1 2 现代信息社会中不断膨胀的巨大信息量要求通信技术向着高速 宽带 大容量方向发展 这就意 味着信息的传播媒体一电磁波的使用频率不断向更高的频段方向拓展 同时单频段通信系统已显得陈 旧 不能很好地满足无线通信的需求 随着无线通信的迅猛发展 单频段通信系统越来越显示出它的 局限性 促进双频段及多频段通信系统相关方面的研究 3 为了充分利用现有的频谱和基础设备资源 在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段 有效 途径之一就是研究和开发高性能的双频段微波滤波器 滤波器作为现代通信设备中不可缺少的关键器 件之一 它能有效地滤除各种无用信号及噪声信号 降低各通信频道间的信号干扰 从而保障通信设 备的正常工作 实现高质量的通信 进而达到频谱资源的有效利用 4 6 现代通信的快速发展需要有效 利用越来越多的频率信道 为了减小通信电路设备体积和重量 双频段器件的研究越来越引起重视 因此 对双频带滤波器的研究具有重要的意义和实用价值 双频段微波滤波器 可以同时工作在无线通信两个不同频段 这种滤波器是用一个双频段单元来 处理两个波段的信号 这种设计概念提供了容易实现的基础设施和高性能的产品 传统设计双频通信 系统 每一个通信系统都有其独立的天线 滤波器 低噪声放大器等元器件 因此体积大 功耗大 因此通信设备中双频段滤波器已经成为微波频段的无线通信设备中的重要元件 3 山西大学本科毕业论文 设计 4 1 2 国内外的研究现状 本世纪以来 在欧 美 日等国 对于双频段滤波器等器件的研究与设计一直受到极大的重视 迄今已开发了多种形式的双频段滤波器 特别是从近几年开始 采用了微波双频段滤波器的双频通信 系统前端已经研制成功 微波双频滤波器件已逐步进入实用化阶段 国内对于双频段通信系统研究和 应用也一直非常重视 但对双频段滤波器设计理论研究 特别是在应用研究与开发上 国内还处在起 步阶段 与欧美同等国相比仍有一定差距 无线通信中双频段滤波器的常用设计方法主要有 1 滤波器组合 将两个中心频率不同的带通滤 波器并联 但由于两个带通滤波器共有两个输入端口和两个输出端口 为了得到单端口输入和单端口 输出 需将两滤波器的输入和输出端口分别相连接 由此引起的阻抗失配问题须外加匹配电路得以解 决 这将会增大滤波器的体积和附加损耗 2 零点和极点综合 此方法通常适用于两个通带频率相差 较小的场合 3 利用耦合谐振滤波器的寄生通带 此方法较适用于两个通带频率相差较大的场合 阶梯阻抗双频段滤波器即利用耦合谐振滤波器的寄生通带来实现双频滤波器 其在双频段滤波器 设计中的应用一直就受到重视 7 8 2003年 A A A Anak等人利用发夹型耦合结构设计双频段带通滤 波器 3 2004年 T J Tuo等人提出垂直堆栈形式的SIR双频段带通滤波器 谐振器之间水平方向距离和 垂直方向距离的变化用来改变谐振器在两个频段的耦合大小 从而达到控制双频带通滤波器带宽的目 的 第二章 微波滤波器的基本理论 2 1 概述 微波滤波器是微波工程应用中重要的器件之一 理想的微波滤波器应该是这样的一种二端口网络 在通带范围内能够使微波信号完全的传输 而在阻带范围微波信号则完全被截止 然而具有这样理想 特性的滤波器是不存在的 滤波器的设计目标是 在尽可能允许的范围内近似的达到理想滤波器的要 求 它对所有要求的通带频率范围内的信号提供尽可能的传输 而对通带外的频率信号尽可能的抑制 9 在低频时 滤波器的 组成元件 是理想的电感器和电容器 这些元件具有很简单的频率特性 与低频段滤波器相比较 微波滤波器的主要特点之一就是其物理尺寸可与波长相比拟 因而当其波长 发生变化时 它必然会表现出周期特性 即滤波器除基频响应外 还有周期性的杂散响应 在微波频 段下 必需采用分布参数来设计微波滤波器 它比低频时要复杂的多 近几年来随着微波集成电路的 山西大学本科毕业论文 设计 5 迅速发展 电子电路的构成完全改变了 电子设备已日趋小型化 有源滤波器和陶瓷滤波器将逐步取 代原来在低频部分必不可少的LC型滤波器 同时在高频部分也出现了许多新型的滤波器 如微带滤波 器 介质滤波器和腔体滤波器等等 滤波器的特性用其频率响应来描述 我们按其特性的不同 可分为低通滤波器 LPF 高通滤波器 HPF 带通滤波器 BPF 带阻滤波器 BEF 和全通滤波器 APF 2 2 微波滤波器的基本理论 集总元件构成的低通原型滤波器是现代网络综合法设计微波滤波器的基础 各种低通 高通 带 通 带阻类型的微波滤波器 其传输特性基本都是根据此原型特性推导出来的 正因如此才使微波滤 波器的设计得以简化 精度得以提高 10 低通滤波器的理想化衰减频率特性如图2 1所示 图中纵坐标 表示衰减 横坐标为角频率 从图2 1中我们可以看到 在 0 1 范围内滤波器的衰减为零 称之 为 通带 在 1 后滤波器的衰减为无限大 故称之为 阻带 以 1 称为 截止频率 或 带边 频率 然而实现这种理想频率响应滤波器需要无数多个元件 这在实际中是不可能办到的 因此 如 此理想特性的滤波器是不能够实现的 在具体的实现过程中是采用特性函数来逼近它 所选函数的不 同 会有不同的频率响应 1 图 2 1 低通原型滤波器衰减频率特性 a Butterworth 响应 b Chebyshev 响应 图 2 2 常见滤波器的响应 两种最常见滤波器的响应如图 2 2 所示 图 2 2 a 所示的响应通带内顶部最平坦 故称为 最平 山西大学本科毕业论文 设计 6 坦响应 通常也叫做 巴特沃思 Butterworth 响应 图 2 2 b 所示的响应通带和衰减均有规律性的起 伏 且幅度相等 称为 等波纹响应 也常叫做 切比雪夫 Chebyshev 响应 1 在图 2 2 中 LAr是 通带内的最大衰减 值 1 是通带边缘上衰减为 LAr时对应的频率值 称之 为 带边频率 或 截止频率 即认为 0 1 为通带 1 以上为阻带 LAs是阻带内指定频率点 1 处的衰减值 它是阻带内的最小衰减值 LAr LAs都是在设计滤波器前要预先给定的设计指标参数 1 2 3 耦合谐振带通滤波器的理论 当两个谐振器靠近时 它们之间便会有电磁场耦合 谐振器间的耦合特性可使用高频电磁场仿真 软件 HFSS 得到 通过采用弱耦合到两个相互耦合的谐振器 在谐振器谐振点附件将出现两个谐振峰 这两个谐振频率峰是由谐振器的原始谐振峰分离而成的 而对于双频段谐振器 需要同时考虑谐振器 的基频和第一杂散频率 因此谐振器间的耦合会使谐振器特性中出现四个谐振峰 峰值点分别为 f11 f12 f21 f22 其中f11和f12在谐振器的基频附近 它们是由谐振器的基频f1分离得到 f21和f22在谐振 器的第一杂散频率附近 它们是由谐振器的第一杂散频率f2分离得到 11 当基频和第一杂散频率相同 的两个谐振器之间耦合时 在第一频段和第二频段的耦合系数分别为 12 2 3 2 11 2 12 2 11 2 12 1 ff ff k 2 4 2 11 2 22 2 11 2 22 2 ff ff k 其中 表示磁耦合 表示电耦合 利用仿真软件求出相邻谐振器对应的耦合系数 然 后采用曲线拟合的方式求出耦合间距的大小 通过HFSS仿真软件 提取得到谐振器间的耦合系数 对 于相邻谐振器间的每一个间距s 都可以通过式 2 3 和 2 4 和仿真软件得到两谐振器的耦合系数值 改 变谐振器间的耦合间距s 可得到两个谐振器间距离和耦合系数的关系曲线 谐振器间的距离和耦合系 数关系曲线可用来确定谐振器间的相对位置 2 4 微波滤波器的基本设计参数 1 中心频率 截止频率 归一化频率 对于低通滤波电路和高通滤波电路 c表示截止频率 对 于带通滤波电路和带阻电路 c表示中心频率 归一化的频率 是一个量纲的量 2 5 c 对于低通滤波电路和高通滤波电路 归一化截止频率为1 对于带通或者带阻滤波电路 归一化中 山西大学本科毕业论文 设计 7 心频率为1 采用归一化频率可以简化对滤波器电路的设计过程 2 插入损耗 在理想情况下 处于射频电路中的理想滤波器 在其工作的通带内不会引入任何的 损耗 然而 这在实际应用中 我们是没有办法消除滤波器固有损耗的 插入损耗定量地描述了功率 响应幅度与0dB基准的差值 其数学表达为 2 6 2 1010 1log10log10 in L in P P IL 其中 Pin是滤波器从信号源得到的输入功率 PL是滤波器向负载输出的功率 是从信号源向 in 滤波器看进去的反射系数 3 波纹系数 波纹系数表示在通带内信号响应的最大值和最小值的差值 单位通常为dB或奈培 Napier 4 频带带宽 对于带通滤波器 定义为滤波电路的通带内达到10dB衰减对应的高端截止频率和低 端截止频率的差值 可表示为 2 7 dB l dB h dB ffBW 101010 其相对带宽 FBW 定义为 10dB 带宽与通带中心频率的比值 可表示为 2 8 0 10 fBWFBW dB 5 矩形系数 定义为 60dB 带宽与 3dB 带宽的比值 它描述了滤波器在截止频率附近响应曲线变 化的陡峭程度 理想滤波器的矩形系数 在实际应用中 这种滤波器是不可能实现的 因而要1 SF 求矩形系数越接近于 1 越好 2 9 dB l dB h dB l dB h dB dB ff ff BW BW SF 33 6060 3 60 6 阻带抑制 在理想情况下 希望滤波器在阻带频段内具有无穷大的衰减量 但在实际的应用中 我们只能得到与滤波器元件数目相关的有限的衰减量 所以需要定义阻带抑制参数 在实际情况中 为了使阻带抑制与矩形系数建立联系 定义阻带抑制为60dB 7 品质因数 定义为在谐振频率下 平均储能和一个周期内的平均消耗能量之比 滤波电路的品 质因数Q可以用公式表示为 2 10 0 loss stored P W Q 其中 0为滤波器的谐振频率 Wstored为一个周期内的平均储能 Ploss为单位时间内的平均耗能 功 山西大学本科毕业论文 设计 8 率损耗通常被定义为是外接负载上的和滤波器本身的功率损耗之和 有载品质因数QLD即以此来定义 表示为 2 11 EFLD QQQ 111 式中 QF滤波器的固有品质因数 QE为滤波器的外界品质因数 第3章 阶梯阻抗谐振器 SIR 3 1 SIR的基本结构 SIR是由两个或两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的横向电磁场或准横向电磁场模式 的谐振器 SIR常用的有三种基本结构 它们分别对应的是 g 4型 g 2型和 g型SIR 这三种结构都 包括了由开路端 短路端和它们之间的阶跃结合面 g 4型 g 2型和 g型SIR能分别被看成是由1个 2个 4个基本单元组成 13 其基本结构如图所示 a g 4型 b g 2型 c g型 开路面 短路面 图3 1 SIR的基本结构 图3 1中 在传输线开路端和短路端之间的特性阻抗和等效电长度分别为Z1 Z2和 1 2 表征SIR 的电学参数的是两段传输线阻抗Z2 和Zl 的比值 定义如下 阻抗比 12 Z ZRZ 3 2 g 2型SIR的基本结构和特性 山西大学本科毕业论文 设计 9 本节将讨论 g 2型SIR的基本结构和特性 在实际的应用中 g 2型SIR比 g 4型SIR用于更多的射频 器件 这是由于 g 2型SIR是由带状线和微带线结构组成 允许有更广的集合结构形式 且和有源器件 有很好的兼容性 图3 2 g 2型SIR的一些结构变化 a 直线型 b 发夹型 c 环型 d 具有内部耦合的发夹型 e 具有内部耦合的环型 图3 2是 g 2型SIR的几种典型的不同结构 结构 a b c 虽然在几何形状上分别为线状 U型 发夹 和环状 但从电拓扑观点看 它们是等效的 d 中的谐振器具有和 b 相似的u型结构 但它具 有内部耦合线 利用它们的开路端 使之微型化 图 e 是图 d 的改进结构 为进一步微型化 间距 因素被明显地扩大了 该图显示出 g 2型SIR的电路版图和耦合电路集成化有很大的灵活性 13 以 g 2型SIR谐振器为研究对象 由开路端看进去的输入导纳Yin 根据文献 11 可以表示为 3 1 21 2 2 2 1 2 2121 2in tantan 1 2 tan1 tan1 tantan tantan 2 j zz zz RR RR YY 取得谐振条件为 0 in Y 3 2 21 1 2 z tantan Z Z R 从式 3 1 我们能理解SIR的谐振条件取决于 1 2和阻抗比RZ 一般均匀阻抗谐振器 UIR 的谐 振条件唯一地取决于传输线的长度 而对SIR则同时要计入长度和阻抗比 因此SIR比UIR多了一个设 计的自由度 山西大学本科毕业论文 设计 10 图3 3 微带线 g 2型SIR 基本结构 为了设计简单 设可通过采用较小的值来缩短SIR谐振器的电长度 即采用图3 3 a 所 21z R 示的结构 但最大SIR长度被限定于对应UIR长度的两倍 在上述条件下 输入导纳和谐振条件可以分 别写为 3 3 3 4 z0 arctanR 对于 g 2型SIR而言 杂散响应变得很关键 14 这要求设计时考虑更高谐振模式的杂散响应 设基本谐 振频率和杂散谐振频率分别为f0 fs1 fs2 fs3 相应的 分别为 0 s1 s2 s3 谐振时式 3 4 等于0 可以得到 2 s1 3 5 0s2 arctan z R s3 由式 3 5 得到各杂散频率与基本频率之比分别为 z 0 s1 0 s1 R2arctanf f 3 6 0 s1 0 s3 0 s3 0 s1 0 s2 0 s2 f f 2 f f 1 f f 2 f f 从 3 6 式可以看出 各杂散频率的位置由阻抗率Rz决定 通过调节阻抗比Rz可以很方便地控制各 4 z 2 z 2 zz 2 zz 2in tantan 1 2 tan tan 1 2 j RRRR RR YY 山西大学本科毕业论文 设计 11 杂散频率的位置 这是SIR一个比较重要的特点 图3 4是各杂散频率与基本谐振频率昀比值随阻抗比 的变化曲线 由曲线可知 z R 图3 4 阻抗比与归一化杂散频率的关系 3 7 2ff1 2ff1 2ff1 0s1z 0s1z 0s1z 时 当 时 当 时 当 R R R 以上特点对利用SIR作为谐振器来设计超宽带滤波器非常重要 通过选择合适的阻抗比RZ的值 可以方便地将滤波器的工作频段调到我们所需要的频段 3 3 g 2型 SIR 谐振器的电长度 从图3 3可以得到 g 2型SIR总的电学长度 3 8 结合基本谐振条件式 3 2 可以得到 当RZ1时 3 9 当RZ 1时 3 10 T 将式 3 9 对 T 进行求导得 0csc tan 1 1 1 2 z1 2 z R R 3 11 因此总的电学长度取得极值的条件为 3 12 2z1 arctan R g 2型SIR总的电长度如图3 5所示 从图中可以看出 当0 RZ1时 总的电长度取得极大值 同时 RZ取得越小 总的电长度越小 综上所述 要使设计的滤波 器能够满足小型化的要求 通常取较小的RZ 2 21 T 1 1 z z T tan tan1 1 2 tan R R 山西大学本科毕业论文 设计 12 图3 5 SIR总的电长度 3 4 g 2型 SIR 实现双频的原理 用 g 2型阶梯阻抗谐振器实现的双频段带通滤波器 在其宽频带响应中 有多个杂散频率 并且杂 散响应的频率位置可以通过阻抗比Rz进行调节 我们就想到可以用一次响应杂散频率来设计阶梯阻抗 双频滤波器 根据式 3 2 g 2型SIR的谐振条件为 3 13 0tantan 21 Z R 1 ff 3 14 0tantan 12 Z R 2 ff 式子 3 13 3 14 中f1和f2分别为谐振器的基频和第一杂散响应频率 SIR谐振器可采用等电长度 或非等电长度 两种形式 为了增加设计的灵活性 在本文的设计中 我们采用 21 21 非等电长度 令 由式 3 13 3 14 可得 212 u 21 2 t 3 15 0 2 tan 2 1 tan 21 uu RZ 1 ff 3 16 0 2 1 tan 2 tan 1 u R u Z t 2 ff 由式 3 15 和 3 16 可知 u和Rz的值一旦确定 滤波器所对应的的频率f1和f2便可确定 在不同阻 抗比Rz的条件下 SIR的第二个和第一个通带频率之比f2 f1和u值的关系曲线如图3 6 a 所示 谐振器总 的电长度和u值的关系曲线如图3 6 b 所示 t 山西大学本科毕业论文 设计 13 图3 6 不同Rz下f2 f1及随u值的变化曲线 t 由图3 6 b 可知 在0 Rz l时 l时 l80o 为减小滤波器的尺寸 在本文的所 t t 有设计中 我们都选用0 Rz l 在双频滤波器的设计中 首先确定所要设计的两中心频率 得出两频 率之比f2 f1 然后选取Rz的取值 从图3 6 a 中得出u的值 再由图3 6 b 得到的值 进而推出 t 1 的值 谐振器的电学参数得到初步的确定 2 第4章 基于SIR的双频带通滤波器的设计与仿真 4 1 引言 对于微波带通滤波器 由于分布参数传输线频响特性的周期性 使得在离开中心频率的主通带一 定频率处会出现寄生通带 最靠近主通带的寄生通带其中心频率一般为基频的2或3倍 Makimoto M和 Yamashita S于1980年提出了应用SIR谐振器构成微波带通滤波电路的想法 通过调节耦合线段与非耦 合线段的阻抗比 以控制寄生通带在频率轴上的位置 SIR通常被用来移开或抑制倍频于基本谐振模式的高次模 然而也可以用SIR的高次模来产生第二 个通带 在本章中我们利用SIR的高次模产生的第二个通带设计了两种应用于无线局域网WLAN系统 IEEE 802 1la b g 的双频带通滤波器 在设计中所有的SIR谐振器采用相同的结构 本章中的双频带通 滤波器均无需外加输入输出匹配电路 在结构上更小巧紧凑 本章首先从理论上分析SIR的谐振结构 参数的确定方法 其次给出了所设计双频滤波器的结构模型以及在HFSS仿真软件 15 下所完成的该滤波 器的优化结构参数 以及仿真结果 山西大学本科毕业论文 设计 14 4 2 SIR双频带通滤波器的设计与仿真 本节利用SIR设计一个两级的双频段滤波器 双频段滤波器工作于WLAN中 其通带中心频率分 别为2 4GHz和5 2GHz 两中心频率之为2 17 相对带宽分别为10 和8 该滤波器由两个完全相同的 SIR谐振器构成 两个谐振器通过两段低阻抗线耦合 其耦合系数通过结构参数Sl和S2调节 其结构图 如图4 1所示 图4 1 设计一双频带通滤波器的结构图 滤波器尺寸的确定 设计中取RZ 0 8 Z2 45 计算得Z1 56 从图3 5 1 a 中可看出u 0 57 则由图3 5 1 b 可得到 t 168o 进而推出 1 2的值 仿真时选用介电常数为10 2 介质层厚度为 0 635mm 损耗角正切为0 0035的双面敷铜板Rogers R03010 利用计算公式得到电路中微带线的初值 然后在仿真软件中优化调整使得滤波器的两个谐振频率点分别位于2 4GHz和5 2GHz 从而得到谐振器 的各参数为 WI 0 45mm W2 0 7mm W3 0 6mm Ll 9mm L2 6 6mm 对于两级耦合谐振带通滤波器 谐振器间的耦合系数由下式确定 5 1 n n n n gg FBW k 21 12 图4 2 a 和 b 分别是在2 4GHz和5 2GHz时 以距离S1作为参数 距离S2与耦合系数k12的关系曲线 a 在2 4GHz时的k12 b 在5 2GHz时的k12 图4 2 耦合系数与耦合距离S1和S2的关系曲线 山西大学本科毕业论文 设计 15 设滤波器的带内波纹为0 1dB 查表可得gl 0 8430 g2 0 6220 此时 由式 5 1 计算得滤波器两个 频段的耦合系数 k12 l和 k12 2分别为0 138和0 11 由图4 2 a 和4 2 b 可初步确定谐振器间的耦合间距 S1 lmm S2 0 55mm 用HFSS建立模型 模型如图4 3所示 图4 3 设计一双频带通滤波器的HFSS模型 图4 4 抽头位置t对滤波器的性能影响 电路的各参数确定后 经过仿真优化确定滤波器的输入输出抽头位置 图4 4为抽头位置t值的变化 对滤波器性能的影响 由图可见 随着抽头点位置t值的增大 滤波器的第一通带的差入损耗值变大 而第二通带的带内插入损耗值变小 两通带之间的插入零点向低频偏移 从而使得第一通带的带宽变 窄 第二通带的带宽变宽 优化得抽头点的位置t 1mm 如图4 5所示 1 002 003 004 005 006 007 00 Freq GHz 60 00 50 00 40 00 30 00 20 00 10 00 0 00 S parameter S11 S21 dB Ansoft CorporationHFSSDesign1 XY Plot 5 Curve Info dB St Box1 T1 Box1 T1 Setup1 Sweep1 dB St Box1 T2 Box1 T1 Setup1 Sweep1 图4 5 设计一的仿真结果 t 0 6mm t 1mm t 1 4mm 山西大学本科毕业论文 设计 16 从图中可以看出 在第一通带内 2 4GHz处插入损耗为0 55dB 等波纹相对带宽为9 17 在第 二通带内 5 2GHz处的插入损耗为0 51dB 等波纹相对带宽为12 8 仿真得到在3 5GHz处有传输零 点 使得两个通带间具有很好的隔离 4 3 变形后的SIR双频带通滤波器的设计与仿真 将图 4 1 中的谐振器 2 放入谐振器 1 中 所设计的双频带通滤波器结构如图所示 图中 设计一种 两中心频率分别为 2 4GHz 和 5 2GHz 的双频带通滤波器 谐振器 1 与谐振器 2 通过两段低阻抗线耦合 其耦合系数由 S1和 S2调节 图4 6 设计二双频带通滤波器的结构图 滤波器的尺寸与4 2节相同 RZ 0 8 Z2 45 Z1 56 u 0 57 t 168o 仿真时同样选用介电 常数为10 2 介质层厚度为0 635mm 损耗角正切为0 0035的双面敷铜板Rogers R03010 在仿真软件 中优化调整使得谐振频率点分别位于2 4GHz和5 2GHz 用HFSS建立模型 模型如图所示 图4 7 设计二双频带通滤波器的HFSS模型 1 002 003 004 005 006 007 00 Freq GHz 60 00 50 00 40 00 30 00 20 00 10 00 0 00 S parameter S11 S21 dB Ansoft CorporationHFSSDesign1 XY Plot 3 Curve Info dB S WavePort1 WavePort1 Setup1 Sweep1 dB S WavePort2 WavePort1 Setup1 Sweep1 图4 8 设计二的仿真结果 山西大学本科毕业论文 设计 17 仿真结果如图4 8 从图中可以看出 在第一通带内 2 4GHz处插入损耗为0 82dB 等波纹相对带 宽为12 在第二通带内 5 2GHz处的插入损耗为0 46dB 等波纹相对带宽为11 5 仿真得到在 3 23GHz处有传输零点 使得两个通带间具有很好的隔离 4 4 两种设计的比较与总结 本节介绍了两种双频带通滤波器的设计方法和仿真结果 表 4 1 列出了以上设计的两种双频带通 滤波器的性能比较 表 4 1 两种滤波器结果的比较 本章采用 g 2型SIR设计了三种用于无线局域网 频点位置和频带带宽均可控的双频带通滤波器 频点位置通过调节阻抗比RZ和u值控制 带宽取决于谐振器之间的耦合 而耦合特性可以通过改变谐振 器间的距离来调节 因此双频段滤波器的带宽在一定的范围内可调节 选取合适的RZ和u的值 使滤波 器的两中心频率位于2 4 5 2GHz 合理调节各结构参数 使滤波器的性能达到最优 本章设计的双频 滤波器均无外加的输入输出匹配电路 与传统微带双频滤波器相比其电路尺寸更小 结构更紧凑 第5章 总结与展望 5 1 总结 本文以无线通信中的双频带通滤波器为研究对象 在如何用阶梯阻抗谐振器实现双频段滤波器的 设计理论方面进行了一些探索性的工作 文中首先介绍了目前国内滤波器的研究主要集中在单频滤波 器上这一事实 而对应用越来越广泛的双频滤波器的研究还很少的这一现状 接着 介绍了阶梯阻抗 谐振器的基本结构和特性 从阶梯阻抗谐振器具有杂散响应这一特性入手 分析了其实现双频滤波器 设计 2 4 5 2GHz 插入损耗 dB 2 4 5 2GHz 回波损耗 dB 2 4 5 2GHz 相对带宽 阶数尺寸 mm2 优缺点 设计一0 55 0 5118 179 2 12 8220 9 30 优点 通带内差损小 可控带宽宽 缺点 带外抑制特性不 好 设计二0 82 0 4611 5 2112 11 5222 15 27 优点 通带平稳 缺点 带外抑制性不好 山西大学本科毕业论文 设计 18 的原理 引出了设计阶梯阻抗双频滤波器的理论依据 然后 根据阶梯阻抗谐振器可通过调整其阻抗 比来控制杂散响应的特点 给出了用阶梯阻抗谐振器设计双频滤波器的过程 并利用其设计两种无需 外加输入输出匹配电路的双频带通滤波器 进行仿真 5 2 展望 在本文即将结束之际 本人认为该领域的研究工作还可以在如下几方面继续深入 1 由于SIR谐振器是由两个或两个以上具有不同特性阻抗的传输线组合而成的 因而其组合处存在非 连续性的问题 这种非连续性在高低阻抗值相差越大时对谐振器的影响就越大 因此可尝试用锥形线 SLR结构谐振器 以减小阻抗结合处的非连续性问题 2 本文提出的所有结构的双频滤波器 两通带带宽均不可分别控制 即很难得到两通带带宽相同的双 频滤波器 3 进一步分析阶梯阻抗谐振器的特性 提出两通带带宽可分别控制的 结构更紧密 更适合双频滤波 器设计的谐振器结构 4 采用其他种类的谐振器实现双频滤波器 致谢 本论文的顺利完成 首先要感谢我的指导老师 老师 感谢韩老师在课题研究中对自己的不断指 导和教诲 特别是本课题的所有工作都是在韩老师的悉心指导下完成的 韩老师渊博的知识 严谨的 治学态度和勤奋的工作精神给我留下了深刻的印象 这几个月以来的谆谆教诲 使我受益终身 在此 向韩老师表示诚挚的谢意 感谢 谢谢你们在研究过程中给我的启迪和宝贵的经验 以及在我研究生学习期间给与我的帮 助和支持 对我的诸多帮助 和他们一起度过的美好时光 我将铭记在心 感谢我的 时间里对我的支持 她们在生活上给我提供了很大的帮助 在此 我要深深地感谢我的父母和姐弟在各方面对我莫大的支持和鼓励 感谢你们为我付出的一切 最后 向所有评阅此论文的各位专家和教授致以深深的谢意 山西大学本科毕业论文 设计 19 参考文献 1 甘本祓 吴万春 现代微波滤波器的结构与设计 北京 科学出版社 1974 2 Jia Sheng Hong M 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2 pp 223 231 13 Makimoto M Yamashita S 无线通信中的微波谐振器与滤波器 北京 国防工业出版社 2002 14 M Sagawa M Makimoto S Yamashita Geometrical structures and fundamental characteristics of mierowave stepped impedance resonators IEEE Trans Microwave Theory Tech 2002 v01 45 No 7 pp 1078 1084 15 曹善勇 Ansoft HFSS 磁场分析与应用实例 北京 中国水利水电出版社 2010 山西大学本科毕业论文 设计 21 学位论文原创性声明 本人郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行的研究工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经特别注明引用的内容和致谢的地方外 本论文不包含任何其他个人或集 体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做出重要贡献的个人和集体 均已