电磁场与电磁波第二次研究型教学

1、电磁场与电磁波课程研究性学习报告姓名周业洲学号指导教师王国栋目录目录微波滤波器的理论与仿真3一、摘耍3二、正文31引言32理论分析43、计算机仿真74、结论9三、附录9四、参考文献10微波滤波器的理论与仿真一、摘要本次研究型教学的主要目的是加深对电磁场基础理论的理解，扩展电 磁场的学习范圉，并可融汇数字信号处理、电路分析的基础知识。通 过查阅文献，学习滤波器的设计及软件的应用，培养学术研究兴趣, 培养独立的研究和实践能力。本次研究主要是基于插入损耗法设计滤 波器，并计算相关的参数,然后用相关的仿真软件得到滤波器的微带 线实现图。二、正文1引言在无线通信系统中，高性能的低通滤波器起着非常重耍的作

2、用， 它常被用来抑制系统的谐波输出。阻抗阶跃低通微带滤波电路是一种 结构简洁的电路，非常便于电路的设计和实现，然而阶跃阻抗结构 在接头处由于相邻耦合线节的线宽不同会产主不连续性，传统的阶 跃阻抗低通滤波器所提供的响应在通带内的插入损耗较大，不满足 一些微波通信应用的要求；随着无线通信技术的飞速发展，无论是 军事通信系统还是民用通信系统，都对通信设备小型化提出了更高 的要求，人们希望它体积更小、重量更轻、性能价格比高。为了适应 这种需求，献1采用电磁带隙结构与高低阻抗线结合的方法，虽 然通带性能有所改善，但体积增大了，阻带性能变差了；采用dgs 技术和增加电抗元件的方法取得一定效果，但这种结构增

3、加了制作 的复杂性，且由于不连续性还会带来场的泄漏问题；若采用微细加 工技术，在基片上制作高低阻抗低通滤波器，实现的成本和复杂度 人人提高。本文引入分形结构，把低阻抗线制作成岛koch形状，利 用其成阶梯锯齿状分布的线宽来改善滤波器的通带特性，而又几乎 不影响滤波器的阻带特性；并且采用分形结构不需增加任何集总参 数元件，传统的设计方法继续适用。研究的问题：2)设计一个阶跃阻抗低通(stepped low)滤波器，其截至频率为3g,用5阶0.5db等波纹响应。假定r0二50 q , z1二15q, zh二 120 q. (a)计算各设计阶段理论值，求出所需5节的电长度。(b) 应用软件画出插入损

4、耗与频率的关系曲线。(c)应用软件画出在fr4 基片上画出滤波器的微带线布线图。fr4基片特性有,d = 0. 079； 铜的电导率为5.8x107 s/m；铜导体厚度0. 0127mm。2理论分析lc滤波器设计的一般步骤：1、低通滤波器原型设计；2、将低通滤波器原型转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器；3、用集总参数元件实现所设计的滤波器。归一化低通滤波器原型g»2 rwg3=l3/yyy_ =lityygn/vyago=rorichards变换原理为了将集总参数元件变换成分布参数元件，richard s提出了 一种独特的变换，该变换可将一段开路(短路)传输线等效于分布的

5、电感(电容)元件.由传输线理论知，一段特性阻抗为z 0的终端短 路传输线具有纯电抗性输入阻抗:zin:zin=jzotan( 3 l)=jzotan( 9 ) 其中0为电长度，为了使它与频率的关系更加明显，它也可以用以下 方法来表式.若传输线的长度为x 0 / 8,而和应的工作频率为f o = v p /入0 ,则电长度可表 示：e =上兀厶88 f 0 vp 4 /o 4同理，电容性集总参数元件也可以用一段开路传输线来实现。微带短截线低通滤波器的设计：1、根据设计要求进行低通滤波器原型设计；2、釉richard变换将低通滤波器原型中的电感和电容转换为等效的入/8串联和并联短截线;3、应用ku

6、roda规则将串联短截线转换为并联短截线;4、阻抗和频率定标。richard 变换:1、电感l可等效为长为入/8,特性阻抗为l的短路线;2、电容c可等效为长为入/8,特性阻抗为1/c的开路线。a/8 al ga/8 at <urroo根据设计要求，查表得到低通滤波器原型。llll2£=3.281 642 nh厶=3.281 642 nhport/?=1 e 12 ohm /?=le 12 ohmoportpinum=lclc2c3o p2num-201.809 933 pf 02.695 958pf c=i.8o9 933阻抗阶跃低通微带滤波电路使用高特征阻抗zh和低特征阻抗z

7、l的无耗传输线交替出现，构成滤波电路的基木结构。由微波网络基木理 论可知:一段高阻抗短传输线可以等效为一个串联电感，一段低阻抗 短传输线可以等效为一个并联电容4。在低通滤波电路频率变换 和阻抗变换时，对于串联电感和并联电容存在如下关系 rgg/v=31,右 g/v二 31 （1）式中，gn为归一化滤波电路的参数。阶跃阻抗低通滤波电路的传输 线的长度满足直“二臥尹，bl厶二gw贫（2）式中，lh和i丄分别代表高低阻抗微带线的长度。使用式（2）可以计算得到5阶契比雪夫低通滤波电路各微带传输线的结构参数如表1所示。表1微带低通滤波电路中各微带线结构参数元件cll2c3l4c5gn1. 7061. 2

8、32. 54 11. 231. 706ll/mmia i(1 47613 1()47611 1l / in in5. 115. 697.615. 695. 113、计算机仿真接下来用ads软件对所设计滤波器进行仿真。将各段短传输线的长 度和宽度均设为变量，以理论计算的参数作为初值在一定范围内仿 真、优化，在两端口处各增加两段传输线作为匹配，电路原理及其 仿真结果如图1所示。可以看出经过优化仿真与电路匹配后电路仿 真结果达到了目标。插入损耗与频率的关系曲线如下图所示o203040其在fr4基片上画出滤波器的微带线布线图如下图所示81.52oh79.96oh79.96oh81.52ohy50.00

9、h0p5d.ooh 且129.30h24.03oh19.68oh24.03oh129.3oh原理图的仿真是在完全理想的状态下进行的，而实际电路板的制 作往往和理论有较大差距，需要考虑干扰、耦合等因素的影响。因此, 需要在ads中进一步对版图仿真。上图所示的滤波器原理图对应的版 图结构及其仿真结果如图2所示。仿真结果表明：滤波器的带宽小 于3 gii z,且在3 ghz时滤波器的反射损耗很大,约为-0.87 db。 由以上结果看出版图仿真结果与电路仿真结果相差很远，仔细分析 产生这种现象的原因，发现是4、5、6、7、8这几段微带线特性阻 抗相差太大，表现为相邻耦合微带线节的宽度相差太大。从以上的

10、仿真结果來看计算的参数与仿真出來的参数有较大的差距，这可能是低通滤波器的选择上有问题，还有就是在计算上可能 存在较大的误差。但总体来说误差还是可以接受的所以整个的仿真应 该算是比较成功的。4、结论阶跃阻抗微带线在接头处由于相邻耦合线节线宽不同会产生不连续 性，在线宽相差很大时这种不连续性会使得版图仿真与电路原理图 仿真结果相差很远。为此，论文先对高低阻抗线的结构参数进行 预处理，然后再引入分形技术对低阻抗微带线的版图作进一步优化。 以一个5阶契比雪夫型阶跃阻抗微带低通滤波器设计为例，仿真结 果表明：滤波器通带内的最大反射损耗从- 0.87 db降低到-15.22 dbo与直接采用分形结构滤波器

11、设计方法相比，本文提出的方法还有 利于减少分形结构的迭代次数，降低加工精度要求，在加工精度受 限制的情况下，本文提出的设计优化方法更具有实际意义；另一方 面，基于ads软件平台设计阶跃阻抗微带低通滤波器，是对基于 hfss软件平台设计方法的补充，而且论文给出的设计与优化方法对 于微带带通滤波器或微带天线的设计与优化也具有借鉴意义。三、附录通过此次的研究型教学，我学会了使用ansoft designer这个软 件，并且通过自学学会了如何去设计一个阶跃低通滤波器，通过这部 分内容的学习，我明白了即使是初看起來一件比较简单的事情或者- 个简单的器件，当你深入的去研究他时，就会有很多意想不到的事情 出现，解决问题的过程屮我们就慢慢的成长了起来。谁对问题研究的 越深，谁就会提岀更多的问题或者说解决更多的问题。微波滤波器的 实例就能很好的说明这个问题。在研究过程中我们把整个问题化整为 零，然后逐个的加以解决，最后再把他们和在一起，也就解决了大问 题。参考文献陈文灵，王光明，齐谊娜，等.基于分形理论的高低阻抗线低通滤