多通带带通滤波器的设计--论文

1、多通带带通滤波器的设计摘 要现代无线通信系统的工作频段通常是多个不连续信道的频率信号，使得微波滤波器成为通信系统中不可缺少的重要组成部分之一，分离出系统的工作频率率的信号分量，阻断其他微波频段的信号分量，主要用于提高系统容量和避免系统及相邻信道间的干扰。因此，本文对多通带滤波器进行研究与设计。本文首先介绍了微波滤波器设计的基本理论，分析了频率变换综合分析法、对称的多通带滤波器综合分析法等常用的多通带滤波器设计方法。依据多通带滤波器的特性，基于一对E形端负载谐振器设计了一种双通带滤波器，基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器设计了一种四通带滤波器实现多通带滤波器，并给出了滤波器设计的详细结构参数。本文

2、采用HFSS滤波器仿真软件对设计的两种多通带滤波器进行仿真，通过对仿真得到的正向传输系数S21和回波损耗S11的幅度曲线进行了分析，实验结果表明双通带滤波器能让频率在2.45GHz频率附近、5.8GHz频率附近微波通过，实现双通带滤波，可用于WLAN通信；四通带滤波器能让频率在2.28GHz、3.4GHz、5.44GHz、6.04GHz附近微波通过，从而实现多通带滤波。关键字：微波滤波器；谐振器；双通带滤波器；四通带滤波器AbstractModern wireless communication systems operating band is typically a plurality o

3、f discrete frequency signals of channels so that the microwave filter has become one of the communication system is an important part of the indispensable separated signal component system frequency rate, blocking other microwave band signal components, mainly used to improve system capacity and the

4、 system and to avoid interference between adjacent channels. Therefore, this paper multi-passband filter research and design.This paper introduces the basic theory of microwave filter design, analysis of the frequency conversion comprehensive analysis, symmetric multi-passband filter comprehensive a

5、nalysis method commonly used in multi-passband filter design methods. Based multi-passband filter characteristics based on one pair of E-shaped end load resonator design of a dual-band filter, based on split ring resonators and stepped impedance resonators designed a four-way multi-pass band filter

6、band filter, and gives a detailed structural parameters of filter design. In this paper, filter HFSS simulation software for both multi-passband filter design simulation by the forward transmission coefficient simulated S21 and S11 return loss amplitude curves were analyzed. The experimental results

7、 show that the dual-band filter let frequencies close to the frequency of 2.45GHz, 5.8GHz frequency microwave near by, dual band pass filter can be used for WLAN communication; four band filter allows frequency 2.28GHz, 3.4GHz, 5.44GHz, 6.04GHz microwave in order to achieve multi-passband filter.Key

8、 words：Microwave filters; resonator; dual-band filter; four-band filter目 录第一章 绪 论1第一节 研究背景及意义1第二节 研究现状2第三节 论文的主要工作及结构安排5第二章 滤波器设计的基本原理6第一节 微波滤波器基本理论62.1.1 微波滤波器参数指标62.1.2 微波滤波器的分类8第二节 网络基本理论和微带耦合线节理论92.2.1 微波滤波器网络散射矩阵92.2.2网络的ABCD矩阵102.2.3 微带平面结构112.2.3微带耦合线节12第三章 多通带滤波器的设计13第一节 多通带滤波器的设计方法13第二节 双通带

9、滤波器的设计143.2.1 设计理论143.2.1 结构参数设计15第三节 四通带滤波器的设计153.2.1 设计理论153.2.1 结构参数设计15第四章 多通带滤波器的仿真与分析15第一节 双通带滤波器的仿真与分析15第二节 四通带滤波器的仿真与分析15第三节 本章小结16结 论16致 谢17参考文献18第一章 绪 论第一节 研究背景及意义微波滤波器是通信系统、雷达系统、测量系统等不可缺少的重要组成部分，因此，微波滤波器一直是学者们研究的重点和热点。目前各种通信系统如广播电视系统、GSM(Global System for Mobile Communications)、GPS(Global

10、Positioning System)、WLAN(Wireless Local Area Network)及3G(TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000及WiMax)等的应用频段均聚集在射频及微波频段低频段，这使得频谱资源特别拥挤1-4。为了解决该状况，除了将应用频段向更高频段发展，还可以采用交叉耦合或极点提取技术设计出性能更高的多通带滤波器，以提高系统容量和避免系统及相邻信道间的干扰。现代无线通信系统要求射频器件工作在多个分离的频段以满足用一个多模终端来实现不同的业务的需求，通过一个波束发射多个不连续信道的频率信号。这就需要使用双通带甚至多通带滤波器来抑制杂散的噪声信号5-7。过去的

11、单频段通信系统已显得陈旧，不能很好地满足通信系统的多频化、集成化等要求。因此为了提高频谱利用率，在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段显得十分必要。过去，为了实现双频或多频段通信，每一个频段都需要独立的射频前端元件，这使得整个系统体积和大大功耗较大，成本较高。若能将射频前端元件设计成双频段或多频段形式，则可以降低系统的体积、成本及功耗，增强其可靠性，促进通信系统向小型化、高集成度发展。作为射频前端的关键部件，多通带滤波器的研究和开发乃是当务之急。为了满足这种需求，很多研究工作致力于多通带滤波器的设计，提出了各种各样的设计方法。级联了一个带通滤波器和一个带阻滤波器以实现一个双频带通滤波器，但是

12、占据的体积很大。一个谐振器嵌入到另外一个半波长的开路环滤波器中去得到两个通带。双频带通滤波器还可以联合共享输入输出端口的两组谐振器来实现。除了采用两个或多个谐振器来设计双频滤波器的方法之外，还可以利用阶梯阻抗谐振器8（SIR）来实现双频滤波器。但是，阶梯阻抗变换器的两个谐振频率和通带带宽相互关联，使滤波器的设计很复杂。在国外，对多通带滤波器的研究与设计一直受到极大的重视，以G.Macchiarella、S. Tamiazzo、J. Lee、K. Sarabandi等为代表的一大批学者在这方面取得了丰硕的成果。目前已经研制出了使用多通带滤波器的双频通信系统前端，微波双通带滤波器从此进入了实用化阶

13、段9-11。近几年，国内的一些研究所及高校也已经着手开展了对多通带滤波器的研究，虽然取得了一定的成绩，但是在综合与设计理论层次上，与欧美国家相比，仍然有较大的差距。近几年来，滤波技术是现代信号处理中信号检测与参数提取的一个重要组成部分，同时也是一个比较活跃的研究课题，被广泛应用于雷达、声纳、通信等领域，其研究的基本问题就是根据接收机接收到的目标信号或者反射信号，滤除接收信号中的各种噪声得到真实的信号。众多学者对多通带滤波器的设计理论和方法进行了深入研究，总结归类其设计方法，有如下几个方面：以频率变换、耦合矩阵等为代表的综合方法；利用多模谐振器，如SIR（Stepped Impedance Re

14、sonators，SIR），谐波频率来实现多通带响应；在带通滤波器的谐振腔中并联其他频率谐振腔来实现；以及并联两个甚至多个通带实现多通带滤波器。第二节 研究现状随着通信系统的迅猛发展，系统往往需要通过一个波束发射多个不连续信道的频率信号，这就需要双通带甚至多通带滤波器。过去的单频段通信系统己显得陈旧，不能很好地满足通信系统的小型化、集成化等要求。为了提高频谱利用率，在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段显得十分必要。过去，为了实现双频或多频段通信，每一个频段都需要独立的射频前端元件，这使得整个系统体积和功耗较大，成本较高。若能将射频前端元件设计成双频段或多频段形式，则可以大大降低系统的体积、

15、成本及功耗，增强其可靠性，促进通信系统向小型化、集成化发展。目前，多通带滤波器的研究以双通带和三通带为主，所以双通带滤波器的研究和开发仍然是当务之急。在国外，对双通带滤波器的研究与设计一直受到极大的重视，以G.Macchiarella, S. Tamiazzo, J. Lee, K. Sarabandi等为代表的一大批学者在这方面己经取得了丰硕的成果。目前，己经研制出了使用双通带滤波器的双频通信系统前端，微波双通带滤波器从此进入了实用化阶段。近几年，国内的一些研究所及高校也己经初步开展了对双通带滤波器的研究，虽然取得了一定的成绩，但是在综合与设计理论层次上，与欧美国家相比，仍然有较大的差距。因

16、此，发展有关微波双通带滤波器的设计刻不容缓12。目前，双通带滤波器的设计方法主要有：C1)带通级联，带通和带阻级联；(2)多个谐振器(如双模dual-mode，阶梯阻抗结构的谐振器)；(3)双路径(谐振器祸合，源和负载祸合)。L.-C.Tsai等人13设计的滤波器利用级联带通和带阻滤波器形成的双通带滤波器，每个通带的带宽，均可以通过调整带通和带阻的带宽来控制，而且传输零点较多，选择性较好，缺点是尺寸较大，参见图1.1。图1.1 带通和带阻级联式双通带滤波器结构和S参数曲线多个谐振器结构，常用的是双模谐振器或者阶梯阻抗结构的谐振器。文献是基于此设计方法设计出一个双通带带通滤波器。两个双模环形谐振

17、器在不同的层上，多层结构可以减小尺寸，而且阻带的多个衰减极点提高了两个通带的选择性，如图1.2所示。图1.2 双模双通带滤波器结构和S参数曲线基于双路径的形式主要有谐振器耦合，源和负载耦合等。陈楚宇等人14基于此计方法设计出一个双通带带通滤波器。两组谐振器分别产生不同的通带，经过不同的路径耦合，形成双通带，如图1.3所示。图1.3 基于双路径的形式的双通带滤波器结构和S参数曲线随着多通带研究的进展，主要是双通带和三通带为主的研究发展。近几年，出现了几种设计四通带带通滤波器的结构和方法，主要有以下两种：（1）基于多种基本结构。如图所示，即为四通带带通滤波器，此滤波器基于四种结构分别形成多个通带，

18、其频带的中心频点分别为1.57GHz、3.5GHz、2.45/5.2GHz，它们分别对应于GPS、WiMAX、WLAN等通信系统。该结构由四部分组成，基本结构为外框结构、U型谐振器结构、端耦合微带线和DGS结构。外框结构产生1.57GHz通带，U型谐振器和端耦合微带线形成双通带（2.45GHz和5.2Hz），DGS结构产生中心频率为3.5GHz的通带。如图1.4所示。图1.4 基于四种结构的四通带带通滤波器和S参数（2）双模双矩形环谐振器结构。四个通带的中心频率分别是0.95GHz、1.26GHz、1.89GHz、2.29GHz，该滤波器有两个双模谐振器，分别在顶层和底层，可以相应缩小尺寸。采

19、用改进型共面波导馈电结构，可以获得更小的插入损耗，更高的带外抑制。该结构尺寸较为紧凑，性能较好，但四个通带频率较为固定，不能任意选择。如图1.5所示。采用改进型共面波导馈电结构，可以获得更小的插入损耗，更高的带外抑制。该结构尺寸较为紧凑，性能较好，但四个通带频率较为固定，不能任意选择。图1.5 双模双矩形环谐振器结构的双通带滤波器和频率曲线第三节 论文的主要工作及结构安排本文旨在对多通带带通滤波器进行研究与设计，在深入理解滤波器设计的基本原理的基础上，设计两种多通带带通滤波器，包括四通带滤波器和双通带滤波器。论文的章节安排如下：第一章：详细地介绍了多通带带通滤波器的研究背景及意义，查阅带通滤波

20、器的相关文献总结出带通滤波器的研究现状，并给出论文主要研究内容与结构安排。第二章：详细地阐述了滤波器的基本原理，以及其设计所设计的方法。第三章：根据滤波器的设计原理，分析多通带滤波器的设计方法，设计了两种四通带和双通带两种多通带滤波器，并给出滤波器的结构参数。第四章：采用HFSS对设计的四通带和双通带两种多通带滤波器进行仿真，依据仿真的测量结果进行实验分析。第五章：对本文的主要研究内容和研究成果进行了总结。第二章 滤波器设计的基本理论第一节 微波滤波器基本原理微波滤波器可看作一种频段信号选择性损耗的二端口系统，用于控制微波的频率响应，使需要的微波频率的信号分量近似无损耗地滤过，而阻断其他微波频

21、段的信号分量，其目的为了解决不同频段、不同形式的无线通讯系统之间的干扰问题。下面将对微波滤波器的指标参数以及其分类进行详细介绍。2.1.1 微波滤波器指标参数滤波器的指标参数主要有：中心频率（f0），带宽(f)，插入损耗（insertion-loss，IL），回波损耗（return-loss, RL）等15。（1）中心频率（f0）：针对高低微波频段通过电路，通常采用c截止频率对其进行描述。针对带阻或带通微波滤波电路，通常采用通带频段的中心c对其进行描述。为了方便对滤波器的通带频率进行描述，通常采用归一化频率。 (2-1)对于带通或带阻滤波器，f0所对应的为1，若值偏离1越大，其频率与f0的偏差

22、越远。（2）带通频段：滤波器所允许通过的微波频率范围。其公式定义为式(2-2)，式中为滤波器通微波信号损耗在3dB以内的最高频率与最低频率之差。 (2-2)通带频率范围也可以用相对带宽表示。相对带宽定义为绝对带宽与中心频率f0的比值： (2-3)（3）插入损耗和回波损耗：在分析此技术指标之前，首先理解滤波器网络的传递函数。传递函数是网络频率响应特性（即S21）的数学描述，它一般可以表示为： (2-4)式中代表通带波纹常量，Fn()为滤波特征函数，代表归一化低通原型中的频率变量。对于给定的滤波传递函数S21，网络的插入损耗可以用下式表示为： (2-5)而网络的回波损耗定义为： (2-6)（4）矩

23、形参数：描述了滤波电路的响应在截止频率附近的陡峭变化的特性。矩形参数SF定义为60dB微波通带宽度与3dB微波通带宽带的比值： (2-7)对于理想的微波滤波器，其矩形参数值为1。实际情形中微波滤波器，其矩形参数的值偏离1越远，表明其性能越差。（5）群延时：当信号通过一频率选择网络（如滤波器）时，相对于输入端口，输出端口的信号会产生一定的延迟，群时延即是反映这一延迟特征一个指标参数。在网络传递函数已知情况下，可将其相位记为，而网络的群时延定义为： seconds (2-8)2.1.2 微波滤波器的分类微波滤波器的分类方法有多种方式，依据滤波器所允许通过微波频滤范围可将其划分为高低通微波滤波器（带

24、阻滤波器）、带通滤波器、低通或高通滤波器。按滤波器的插入衰减地频响特性可分为平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带；按滤波器的传输线分类可分为微带、交指型、同轴、波导、梳状线腔、螺旋腔、小型集总参数、陶瓷介质、SIR(阶跃阻抗谐振器)。第二节 网络基本理论和微带耦合线节理论2.2.1 网络散射矩阵常见滤波器的网络结构采用图2.1进行描述16，当网络端接阻抗RG的源VG和负载RL之后，通过散射矩阵我们可以将网络输入输出端口处的出射波b1、b2与入射波a1、a2联系起来，其矩阵形式可以写为：图2.1 滤波器网络结构等效示意 (2-10)上式中称之为滤波器网络的散射矩阵，、以及、则分别

25、为网络的反射和传输系数。当输出端接匹配负载时a2=0，此时网络输出电压波b2完全被负载吸收而无反射波出现。和表征了网络端口处出射能量与入射能量的比值，它们衡量了网络端接的匹配程度，理想情况下滤波器通带内=0。反映了网络输出端出射能量与网络输入端入射能量的比值，理想滤波器的=1。在以上讨论中，、和、可以分别表示为： (2-11) (2-12) (2-13) (2-14)同时根据S矩阵的性质，可以对二端口的滤波网络结构作如下划分：（1）互易结构。如果散射参数满足，则该结构是互易的。显然对于互易滤波结构来说，其前向和反向传输系数是相等的。（2）对称结构。针对对称结构而言，若参数近似于参数，则表明该结

26、构为对称结构，其网络传输具有对称特性。（3）无损耗结构。若网络传输能量不存在损耗，即滤波器的输出和输入能量相近，将其可表述为： (2-15)上式即为无耗滤波结构的幺正特性。对于通常的二端口滤波器网络，其散射参数满足=和=，也就是说网络是互易和对称的。2.2.2 网络的ABCD矩阵通常的微波系统是由很多二端口子系统网络前后相级联而构成的，可以用导纳矩阵、阻抗矩阵或者散射矩阵等来对这些子网络进行表征。然而，选择使用网络的ABCD矩阵可能会更方便一些。事实上，如果给定了各子网络的ABCD矩阵，通过将其逐级相乘，系统总的ABCD矩阵就可以由此得出。此外，ABCD矩阵还可以比较方便的与S指标参数进行相互

27、转换。图2.2 网络的ABCD矩阵如图2.2所示，网络的ABCD矩阵可采用电压和电流的概念以矩阵形式进行定义： （2-16）上式中，代表的电流方向指向网络外部。根据ABCD矩阵的定义可知，级联二端口网络总的ABCD矩阵等于各个网络ABCD矩阵逐项的乘积，这一性质对于N个网络的级联也是成立的。根据ABCD矩阵的特点，网络可以分作两大类：对于互易网络，其ABCD矩阵满足AD-BC=1。对于对称网络，如果网络的ABCD矩阵满足A=D，则网络是对称的。2.2.3 微带平面结构平面微带传输线的一般结构如图2.3所示，图中金属导带宽度以W表示，微带金属层厚度记为t；介质基片的介电常数为，其厚度为h，基片的

28、背面为金属地。在微带结构中，电场和磁场分布在金属导带下部的介质和上面的空气交界面附近。采用微带结构容易实现器件和系统的平面微型化，因此它已成为微波电路中最常用的一种传输媒介18。介质基片地导电片图2.3 微带传输线结构示意2.2.4 微带耦合线节作为一种常用的耦合结构，微带耦合线节在微波滤波器设计和实现中被广泛采用。图2.4给出了采用端口电压和端口电流定义的微带对称平行耦合线线节19。图2.4 用端口电压和电流定义的微带对称平行耦合线节图2.5 用偶、奇模等效电流定义的微带对称平行耦合线节图2.5给出了偶模和奇模分别激励情况下各端口的电压和电流定义：电流i1和i3驱动该线的偶模，而电流i2和i

29、4驱动该线的奇模。由于偶模和奇模激励的叠加，并考虑边界条件I2=0和I3 =0，则端口1和端口4的总电压可以写为： (2-17) (2-18)式中对称平行耦合线节的长度，由此可以对比写出其ABCD矩阵为： (2-19)第三节 本章小结本章主要介绍了微波滤波器设计的基本理论，通过设计滤波器实现使需要的微波频率的信号分量近似无损耗地滤过，而阻断其他微波频段的信号分量，有效地降低信号各频段之间的干扰。并介绍了滤波器的主要技术指标，包括中心频率、通带频率范围、插入损耗和回波损耗等技术指标参数，对微波滤波器进行了分类。本文最后阐述了网络基本理论和微带耦合线节理论，包括网络散射矩阵、网络的ABCD矩阵、微

30、带平面结构和微带耦合线节。第三章 多通带滤波器的设计第一节 多通带滤波器的设计方法应用到综合通信系统的多通带滤波器在最近几年内得到快速发展，很多学者对此已做了大量的工作。在多通带设计中出现了多种综合设计方法20-23，频率转换设计方法为一种常用的多通带滤波器设计方法。它是通过把归一化低通原型到带通的变换转变成为归一化低通原型到双通带频率响应来实现的。通过建立对应变化点之间的关系，对应推导得到双通带滤波器的传输函数的分式多项式，最后实现综合出来的耦合结构。下面以双通带为主要对象，介绍多通带滤波器的综合设计方法。Macchiarella等人21中给出了两种设计方法，第一种是对称的双通带滤波器设计，

31、频率响应是关于阻带中心频率对称。第二种是非对称双通带滤波器设计，其所有的传输零点是在阻带中的同一频率。图3.1 单通带到对称和非对称双通带滤波器变换的示意图单通带滤波器到对称和非对称双通带滤波器变换的示意图如图3.1所示，对于这两种变换，经过分析，可以得到不同的变换关系式。两种设计都是基于低通原型到双通带原型的变换。对称变换中，两个通带有相同的带宽，并且传输零点在阻带中是对称的放置。非对称变换中，通带有不同的带宽，并且阻带的传输零点是在同一谐振频率。两种耦合拓扑如图3.2所示，文中还加工制作了多耦合腔体模型进行验证。这两种变换方法都是基于适当的定义频率变换函数，设计中不需要优化。之后，有的学者

32、提出一些新的变换函数22,23，设计思路也是基于频率变换。通过该设计方法，可以根据预先给定的通带频率和阻带衰减指标设计出双通带滤波器，在设计中比较灵活实用。由于频率变换式窄带近似并且异步调谐的耦合系数较难提取，此方法主要适用于窄带情况下合频率间隔较小的双通带设计。图3.2 对称和非对称双通带拓扑结构示意图第二节 双通带滤波器的设计本文提出了一个微带结构的基于改进型的端负载谐振器的双通带宽阻带滤波器。该滤波器包括两个E形端负载谐振器。整个滤波器结构紧凑，易于设计且有更多的自由度可以调整获取双通带。利用提出的E形谐振器的奇偶模谐振特性，提出的滤波器设计为WLAN（2.45GHz和5.8GHz），而

33、且阻带到14GHz。实验和仿真结果吻合较好。本文提出的端负载谐振器包括一对E形端负载谐振器，这个E形端负载是由端负载谐振器弯折形成的，如图3.3所示，其中Y1、L1、Y2、L2、Y3、L3分别代表相应微带线的特性导纳和长度。在微带线的中心处分支出开路端，因为提出的E形端负载谐振器在结构上是对称的，所以可以采用奇偶模的方法分析它。图3.3 E形端负载多谐振荡器对奇模激励而言，沿着E形端负载谐振器的中心，电压值为零。忽略了端L1和端L3之间的不连续性，可推出奇模的输入导纳公式如下： (3-1)式中和是微带线段的电长度。由谐振器的谐振条件，可知奇模谐振频率的表达式为： (3-2)图3.4 奇模等效电

34、路对偶模激励，没有电流流过E形端负载谐振器的对称面，得到了图3.5的偶模近似等效电路。图3.5 偶模等效电路通过调整设计参数可以实现双通带双模滤波器。与传统的端负载谐振器相比，E形端负载谐振器具有更多的自由度去调整奇模和偶模的谐振频率。本文采用奇模和偶模谐振频率主要通过调整参数、来实现双通带滤波器，该滤波器的尺寸参数如图3.6所示。其参数、的值分别为2.25、2.3、1.2、0.8、1.6，参数、的值分别为4、6、0.82、22、9、0.7，所有参数的单位为毫米。图3.6 双通带滤波器结构示意图第三节 四通带滤波器的设计本文提出基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器的多通带滤波器，利用了两个开口环谐

35、振器相互耦合，形成双通带，然后在环内分别嵌入四节阶梯阻抗谐振器，形成另外的两个通带，并在地板中心处即开口环耦合处加上DGS结构增强耦合。相对于已有的多通带设计方法，如基于多种基本结构和双模双矩形环谐振器结构的多通带滤波器，本文所设计的滤波器达到了小型化的目的，设计思路简单，结构紧凑。最后，该滤波器的测试结果和仿真结果吻合较好。开口环谐振器之间的耦合结构主要有三种形式，分别为电耦合，磁耦合和混合耦合。图3.7表示开口环谐振器之间的耦合结构示意图。图3.7 开口环谐振器的耦合结构示意图从图3.7可知，可以看出，这四种耦合结构都是采用开口方向不同的耦合距离s的一对开口环结构。实际上，以上所表示的电耦

36、合和磁耦合都是近似等效的，因为在微带线开口端是具有最大的电场能力，而相对应的一侧具有最大的磁场能量，所以把开口端耦合近似为电耦合，而其反面近似为磁耦合。后面两种耦合结构则是两种耦合都有，则被称为混合耦合。对于单个谐振器，可采用加电壁或磁壁的方法进行分析，获取耦合系数的过程比较繁琐。所以实际数值计算中，一般不是对一个谐振器进行分析，而是应用高频电磁仿真软件直接对一对耦合结构进行仿真，得到耦合谐振器的两个峰值频率点。本文采用电耦合式的开口环谐振器，如图3.8所示，每个谐振器的全长大约为半个基频波导波长，一对电耦合式的开口环谐振器就形成了双通带。图3.8 电耦合式的开口谐振器结构示意图阶梯阻抗谐振器

37、是由两个以上具有不同特性阻抗的传输线组成的具有横向电磁场或准横向电磁场模式的谐振器。SIR谐振的条件取决于电长度和阻抗比。通过改变阻抗比可以调整相应的杂散谐振频率，并且在不减小无载品质因数的情况下可以缩短谐振器的长度，使得结构和设计上有很大的自由度，进而达到小型化的目的。双通带滤波器采用一对开口谐振器设计而成，其内部嵌入四阶阻抗谐振器，因此产生双陷波并联谐振器，从而在每个微波频率的带通中心产生一个凹陷，形成两个通带，则实现四通带滤波器。在地板中心处，即两组环耦合地方加上DGS结构，加强耦合，尺寸为8*3.2mm。本文所提出的基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器的多通带滤波器如图3.9所示，主要由一

38、对电耦合的开口谐振器和一对折叠型的四阶阶梯阻抗谐振器组成，并采用渐变阻抗和0度馈电结构。滤波器的结构参数、的值分别为4、11.2、8.4、8.4、4.05、5.7、1.0；参数、的值分别为2.2、1.2、1.2、0.6、1.2、0.2；参数、分别为0.3、0.3、0.3、0.2、0.2。所有参数值的单位为毫米。图3.9 四通带滤波器的结构示意图第四节 本章小结本章首先详细地阐述了频率变换综合分析法、对称的双通带滤波器设计方法等常用的多通带滤波器设计方法。依据多通带滤波器的特性，设计了一对E形端负载谐振器的双通带滤波器和基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器的四通带滤波器实现多通带滤波器，并给出了滤波

39、器设计的详细参数。第四章 多通带滤波器的仿真与分析第一节 仿真软件的介绍微波滤波器的设计越来越复杂，对结构的指标要求越来越高，功能的需求越来越多，且结构尺寸要求越做越小，设计周期却越来越短，导致传统的设计方法已经不能满足系统设计的需要。目前，微波专业的研究学者常用的三维高频电磁场仿真软件有德国MicroWave Studio（微波工作室）、美国Ansoft公司的HFSS（高频电磁场仿真），以及Zeland等仿真软件。Microwave Office是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路，用电路的方法来处理较为简便。该软件采用的是EMSight的模拟器来处理任

40、何多层平面结构的三维电磁场的问题。Microwave Office 最新版增加了一些新功能，包括滤波器智能综合、智能负载牵引，提高对存在的回路的电磁仿真，包括振荡器相位噪声分析和3D平面电磁仿真引擎，使对某些复杂问题的仿真更加有效。该软件设有VoltaireXL的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题，而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效。HFSS是由Ansoft公司提供的三维的电磁场仿真软件，作为世界上第一个商业化的三维结构电磁场仿真软件，业界公认的三维电磁场设计和分析的工业标准。HFSS的用户界面简洁直观具有精确的自适应场解器、强大的电性能分析能力

41、和处理器能力，可以计算出任何形状的三维无源结构的S参数与全波电磁场。HFSS软件拥有强大的微波滤波器设计功能，它可以计算微波滤波器的参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；可以绘制极化特性，其中包括圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比等。因此本文选择HFSS软件对设计的多通带滤波器的仿真。第二节 双通带滤波器的仿真与分析根据第三章所设计基于一对E形端负载谐振器的双通带通滤波器，利用HFSS13.0软件建立该滤波器的结构模型，其滤波器的仿真结构材料设置为RT-Rogers/5880-Duroid，材料所对应的介质系数为2.2，其仿真结构如图4.1所示。图4.1 双

42、通带滤波器的HFSS仿真图图4.4描述了微波通过基于一对E形端负载谐振器设计的双通带滤波器的回波损耗(红色，S11)和正向传输系数(黑色，S21)的幅度曲线的仿真结果曲线，从仿真结果可以看出，低频通带和高频通带的相对带宽分别为5.7%和2.2%。低频和高频通带内的插入损耗仅有0.74dB和1.3dB，微波频率在2.45GHz频率附近、5.8GHz频率附近具有小于-10dB回波损耗，其正向传输系数大于-3dB。本文基于改进型的端负载谐振器设计的紧凑型双通带滤波器，。E形端负载谐振器的理论分析和全波电磁仿真确认谐振器特性，双通带滤波器仿真结果证明了这个设计方法的可行性，可以应用到无线局域网（WLA

43、N）上。图4.2 S21和S11的幅度仿真曲线第三节 四通带滤波器的仿真与分析根据第三章所设计基于基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器的四通带通滤波器，利用HFSS13.0软件建立该滤波器的结构模型，其滤波器的仿真结构材料设置为RT-Rogers/5880-Duroid，材料所对应的介质系数为2.2，其仿真结构如图4.3所示。图4.3 四通带滤波器的HFSS仿真图图4.2描述了微波通过基于开口环谐振器和四阶折叠型阶梯阻抗谐振器结构设计的四通带滤波器的回波损耗(红色，S11)和正向传输系数(黑色，S21)的幅度曲线的仿真结果曲线，从仿真结果可以看出，通过对其S参数的仿真和测量，验证了设计的正确性。该

44、微带多通带带通滤波器具有四个通带，设计简单，结构紧凑的优点。四个通带的中心频率分别为2.28GHz、3.4GHz、5.44GHz、6.04GHz，具有小于-10dB回波损耗，其正向传输系数大于-3dB。滤波器的理论分析和全波电磁仿真确认滤波器的特性，本文设计的四通带滤波器仿真结果证明了这个设计方法的可行性，可以应用到中心频率在2.28GHz、3.4GHz、5.44GHz、6.04GHz的系统上。图4.4 S21和S11的幅度仿真曲线第四节 本章小结本章首先介绍了微波滤波器设计常用的仿真软件，本文选择HFSS仿真软件对由一对E形端负载谐振器构成的双通带滤波器和由开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器构成的

45、的四通带滤波器进行仿真，并结合仿真结果对正向传输系数S21和回波损耗S11进行了分析，分析结果表明双通带滤波器能让频率在2.45GHz频率附近、5.8GHz频率附近微波通过；四通带滤波器能让频率在2.28GHz、3.4GHz、5.44GHz、6.04GHz附近微波通过，从而实现多个带通滤波。结 论微波滤波器是通信系统中不可缺少的重要组成部分，主要用于提高系统容量和避免系统及相邻信道间的干扰。现代无线通信系统要求射频器件工作在多个分离的频段以满足用一个多模终端来实现不同的业务的需求通过一个波束发射多个不连续信道的频率信号。这就需要使用双通带甚至多通带滤波器来抑制杂散的噪声信号。因此，本文对多通带

46、滤波器进行研究与设计。本文首先介绍了微波滤波器设计的基本理论，滤波器设计的目的为了实现通信系统需要的微波频率的信号分量近似无损耗地滤过，而阻断其他微波频段的信号分量，有效地降低信号各频段之间的干扰。评价滤波器的主要技术指标包括中心频率、通带频率范围、插入损耗和回波损耗等技术指标参数。滤波器设计常用的网络基本理论和微带耦合线节理论，包括网络散射矩阵、网络的ABCD矩阵、微带平面结构和微带耦合线节。其次，本文分析了频率变换综合分析法、对称的多通带滤波器综合分析法等常用的多通带滤波器设计方法。依据多通带滤波器的特性，基于一对E形端负载谐振器设计了一种双通带滤波器，基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器设计

47、了一种四通带滤波器实现多通带滤波器，并给出了滤波器设计的详细结构参数。最后，本文选择HFSS滤波器仿真软件对由一对E形端负载谐振器构成的双通带滤波器和由开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器构成的的四通带滤波器进行仿真，对仿真得到的正向传输系数S21和回波损耗S11的幅度曲线进行了分析，分析结果表明双通带滤波器能让频率在2.45GHz频率附近、5.8GHz频率附近微波通过，可用于WLAN通信；四通带滤波器能让频率在2.28GHz、3.4GHz、5.44GHz、6.04GHz附近微波通过，从而实现多通带滤波。致 谢在本篇论文结束之前，我希望对所有在大学四年学习期间给过我帮助和指导的老师、同学们和亲友们致以

48、最诚挚的感谢。如果没有这些人给我的帮助和指导，我将无法顺利的完成本次课题和论文。同时也希望在日后的工作学习中能够继续互帮互助，圆满完成工作和学习任务。首先，我想对我的母校大学真诚的说一声感谢，感谢能在这么一个风景优美，学风浓厚的地方完成我的学业。是大学给了我一个良好的学习和科研平台，这将会是我一生难以忘怀的。本课题主要是在老师的悉心指导下完成的，以他的博学，他的人品，他对待科研的那种精益求精的精神，时时刻刻影响着我。他在工作中始终保持辛勤、严谨、耐心和细致的风格，并深入到学习和生活当中去。是给了我这么好的一个学习环境和科研平台，让我在这几个月的毕业设计中受益匪浅，在此我真城的对表达深深的谢意和

49、无限的祝福。感谢大学学院的老师们在这四年里不仅在专业的学习上给予我的帮助，更感谢他们在我的为人处事上给予的教诲。同样我要感谢陪我一起度过大学4年的同班同学，感谢你们在日常生活和工作上给我提供的巨大帮助在论文的完成过程中，与你们共同学习，是我的荣幸，通过与你们相处，扩展了我的视野，增加了我学习的动力，感谢你们让我有了今日的成果，同时也祝愿大家今后前程似锦，心想事成。最后，要感谢各位答辩组老师能够在百忙之中抽出时间评阅我的论文，谢谢你们辛勤付出的劳动，也祝愿你们身体健康，工作顺利。参考文献1 吴边. 无线通信中微波滤波器的比较设计法与应用研究D. 西安电子科技大学, 2008.2 高峻, 唐晋生.

50、 微波滤波器的回顾与展望J. 电子元器件应用, 2005(11):70-72.3 Swanson D, Macchiarella G. Microwave filter design by synthesis and optimizationJ. IEEE Microwave Magazine, 2007, 8(2):55-69.4 Snyder R V. Practical Aspects of Microwave Filter DevelopmentC/ International Conference on Microwaves, Radar & Wireless Communications. 2006:42-54.5 曾昭, 李仁发. 高阶多通带滤波器优化设计研究J. 电子学报, 2002, 30(1):87-89.6 王英. 微带多通带滤波器的研究与设计D. 南京理工大学, 2015.7 Dustakar K, Berkowitz S. An ultra-narrowband HTS bandpass filterC