论文总字数：24861字

摘 要

04014249 王宇轩

指导教师 汤红军

本文主要采用微带技术对带通滤波器进行设计、仿真和优化，从而达到宽阻带的要求。文章首先介绍了滤波器设计中的关键参数，原型滤波器的设计以及频率变换等相关理论，其次研究了馈线与短路接地端之间的距离对于品质因数的影响，以及两个谐振器之间的缝隙宽度以及摆放位置对于级间耦合系数的影响。之后又利用均匀阻抗谐振器（UIR）对带通滤波器进行设计，观察其在基频的倍频处产生的寄生谐波情况，可以看出阻带性能受到了寄生谐波的影响，无法满足宽阻带的要求，针对这一问题，文章最终提出了利用均匀阻抗谐振器（UIR）和四分之一波长阶梯阻抗谐振器（SIR）结合进行滤波器设计，通过选择具有相同基本谐振频率的SIR和UIR，并且合理地错开不同谐振器的寄生谐振频率，可以有效的抑制在倍频处的产生谐波，从而实现宽阻带的需求。经过比较，可以看出综合使用UIR和SIR可以明显改善在寄生谐振频率处的阻带性能。最后对设计出的滤波器进行制作加工，对比仿真得到数据进行优化和调整改进。

关键词：带通滤波器，宽阻带，阶梯阻抗谐振器。

Abstract

04014249 Yuxuan Wang

Advisor Hongjun Tang

The microstrip technology is uesed to design, simulate and optimize the bandpass filter so as to achieve the requirement of a wide stop band in this paper. Firstly，the key parameters in the design of filters, the design of prototype filters, and the related theories of frequency transformation are introduced in this paper. Secondly, I studied the influence of the distance between the feeder and the short-circuit grounding on the quality factor, as well as the gap width between the two resonators and the effect of the placement position on the inter-stage coupling coefficient. After that, I use a uniform impedance resonator (UIR) to design the band-pass filter. Observing the parasitic harmonics, we can see that the stopband performance is affected by the parasitic harmonics and cannot meet the requirement of wide-resistance band. In response to this problem, we finally proposed a filter design using a combination of a uniform impedance resonator (UIR) and a quarter-wavelength stepped impedance resonator (SIR). By selecting the SIR and UIR with the same fundamental resonant frequency and staggering the spurious resonance frequencies of different resonators reasonably, harmonics can be effectively suppressed, thereby realizing the requirement of a wide stop band. After comparison, it can be seen that the comprehensive use of UIR and SIR can significantly improve the stopband performance at the spurious resonance frequency.

KEY WORDS: Band pass filter (BPF), Wide stop band, Stepped impedance resonator (SIR)

目 录

摘 要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 课题研究背景 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文的主要研究内容及安排 2

第二章 耦合谐振带通滤波器基础 3

2.1 滤波器基本概念及主要指标 3

2.1.1 巴特沃斯响应 4

2.1.2 切比雪夫响应 4

2.1.3 椭圆函数响应 5

2.1.4 滤波器的主要指标 5

2.2 频率变换 6

2.2.1 低通滤波器频率确定 6

2.2.2 低通变换至高通 6

2.2.3 低通变换至带通 6

2.2.4 低通变换至带阻 7

2.3 耦合谐振滤波器中关键参数提取 7

2.3.1 耦合系数k的提取 7

2.3.2 外部品质因数Qe的提取 8

第三章 基于UIR及SIR的带通滤波器设计 10

3.1 叉指形滤波器 10

3.2 耦合系数和品质因数影响因素的研究 11

3.2.1 谐振器之间间隙S对于耦合系数k的影响 11

3.2.2 馈线距离接地端位置tx对外部品质因数Qe的影响 12

3.3 叉指形带通滤波的设计 13

3.4 本章小结 15

第四章 基于SIR的宽阻带带通滤波器设计 16

4.1 四分之一波长SIR的探究 16

4.1.1 探究电长度比和谐振频率关系 16

4.1.2 探究阻抗比和谐振频率的关系 17

4.2 SIR谐振器间耦合量大小的影响因素 18

4.2.1 耦合缝隙S大小对于耦合系数k的影响 18

4.2.2 谐振器耦合部分长度对于耦合系数k的影响 20

4.3 基于四分之一波长SIR的带通滤波器设计 22

4.4 探究金属带厚度对于滤波器性能的影响 24

4.5 不对称结构SIR带通滤波器的设计 25

4.6 本章小结 29

第五章 总结与展望 30

5.1 总结 30

5.2 展望 30

致谢 31

参考文献 32

绪论

课题研究背景

滤波器在现代无线电技术中的应用十分广泛，利用滤波器可以根据自己的设计需要过滤掉或者提取出不同的频率。滤波器的分类方法不一，按照作用分类可以分为带通、带阻、高通、低通滤波器；按照结构分类可以有波导滤波器、同轴线滤波器、微带滤波器等。而宽阻带滤波器的出现可以有效的提高滤波器对于带外信号抑制的性能，对于不希望得到的高次寄生谐波信号有效的抑制，从而实现更高的阻带宽度，在很多场合都需要这样的滤波器来完成不同的关键任务。由于本文主要采用的是微带技术和SIR对滤波器进行设计，因此在这里着重介绍一下SIR微带带通滤波器的研究背景和意义。

随着近年来通信系统的快速发展，通信的软硬件设备的演变，以及高频信号在各类工程中的应用，已经对各个系统组件和模型的要求已经变得更高，因此，需要利用小型化、轻薄化的设备来实现比以前设备所能达到的更高的性能。而微带线的出现也让设备在尺寸和规模上有了变小的可能。微带线是一种比较常见的平面传输线，由双导体系统演化而来，它具有较宽的使用频带，并且有较低的制作成本，可以将其集成在微波电路里。而SIR在滤波器的设计中有着不可或缺的地位，SIR自身在设计时的灵活特性，再加上微带结构易于实现和加工的特点，可以设计出小型化、轻薄化、高性能的SIR微带带通滤波器。本文综合利用微带技术，研究、设计、实现具有宽阻带的滤波器。

国内外研究现状

对于宽阻带滤波器的设计和优化，目前已有多种方法来实现。在文献[1]中，研究人员使用阶梯阻抗谐振器（SIR）来增大阻带宽度。具体而言，这两个谐振器有相同的基本谐振频率 ，但是具有不同的寄生谐波频率。对于平面带通滤波器（BPF）而言，主要是抑制谐波共振，以此来提高阻带宽度。文中提出有学者使用两级SIR和三模短截管负载谐振器来优化阻带宽度，[1]中将未耦合部分插入常规耦合线中，在每个现有零点之间实现额外传输零点，另外，[1]还设计了两种不同的SIR和插入式馈源结构作为补充方案，实现了阻带扩展。文献[9]基于三阶阶梯阻抗谐振器（SIR）结构设计了一款宽带带通滤波器。利用加载终端短路枝节、开路枝节的两个谐振器的相互作用，使谐振模式发生变化（双模变为三模），利于滤波器的宽带特性及灵活调节性。通过谐振器之间、输入/输出馈线与谐振器之间的缝隙耦合，令通带两侧产生了两个传输零点，提升了滤波器的频选特性。

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