微带滤波器的设计与实现-毕业论文网

论文总字数：16444字

目录

一绪论……………………………………………………………………………………………1

（一）研究背景………………………………………………………………………………1

（二）国内外研究现状………………………………………………………………………1

二微带滤波器基本原理 …………………………………………………………………2

（一）微波滤波器设计基础…………………………………………………………………2

（二）微波低通原型滤波器设计……………………………………………………………3

（三）微波滤波器的主要工作参数…………………………………………………………5

（四）微带线相关理论………………………………………………………………………5

三微带带通滤波器的设计 ……………………………………………………………6 （一）平行耦合………………………………………………………………………………6

1.切比雪夫低通原型滤波器……………………………………………………………6

2.带通滤波器与低通原型的频率转换…………………………………………………8

3.平行耦合滤波器………………………………………………………………………9

1）倒置器归一化特性导纳及奇偶模特性阻抗的计算……………………………9

2）参数设计 ………………………………………………………………………10

3）建模、仿真与优化 ……………………………………………………………11

（二）优化设计 ……………………………………………………………………………12

1.基于平行耦合滤波器的结构改进 …………………………………………………12

1）性能优化 ………………………………………………………………………12

2）参数优化 ………………………………………………………………………13

2.基于高品质谐振腔的交叉耦合 ……………………………………………………13

四实物加工与测试 ………………………………………………………………………16

（一）滤波器加工与测试 …………………………………………………………………16

1.实物制作 ……………………………………………………………………………16

2.测试及结果分析 ……………………………………………………………………17

（二）集成功分器和天线 …………………………………………………………………18

五总结与展望 …………………………………………………………………………21

全文总结 ……………………………………………………………………………21
课题展望 ……………………………………………………………………………21

（三）收获与体会 …………………………………………………………………………21

参考文献 ……………………………………………………………………………………22

致谢 ……………………………………………………………………………………………23

绪论
研究背景

随着生活水平的提高和现代通信技术的飞速发展，现代社会正处于前所未有的信息时代。现代微波中继通信、卫星通信、雷达等无线通信技术在工农业生产和国防现代化建设中起着无比重要的作用，WLAN、蓝牙等通信技术在生活中的应用也越来越广泛。而滤波器作为无线通信系统的重要组成部分，它的性能也直接影响到整个系统的性能。滤波技术从开始应用到发展至今已有将近百年历史，经历了诸多变化，技术日益完善，创造了巨大的应用价值。同时，由于现代加工工艺和科技的不断进步，为了在移动设备等常用器件上获得更广泛的应用，传统的滤波器设计方法面临着小型化、高性能化的关键技术难题，往往无法满足现代通信系统的要求，这也成为了现在大量微波工作者的研究方向。

微带线滤波器具有体积小，重量轻，频带宽等诸多优点，且方便和其他电路进行集成，也易于制作，在现代射频微波电路系统中正得到广泛的应用。本次设计在信息时代无线通信技术大行其道的背景下，结合实验室建设，完成微带滤波器的设计、仿真、加工和测试，并在设计过程中提高对科学发展规律的认识，加强理论与实践的结合能力和工作能力。

在微带滤波器的设计过程中，仅凭计算和分析就想一步到位是不现实的，因此必须通过不断的仿真和优化来获得最优结果，此处使用的仿真软件为HFSS。HFSS（High Frequency Structure Simulator）是一款出自于美国Ansoft公司的软件，用于三维电磁仿真，在业界广泛应用。它的功能十分强大，提供了诸如建模器、3D布局、扫参优化、自适应网格剖分、瞬态求解器、基于有限元法（FEM）的3D全波频域电磁场求解器技术等功能，在射频、微波元件的设计和求解方面具有得天独厚的优势，因此被广泛使用。

国内外研究现状

早在1917年第一个LC滤波器就由美国的Campell 和德国的Wagner 分别发明问世，随后美国出现了多路复用系统，无源滤波器开始被世界各地的科学家广泛研究，得到了飞速发展。1937年，国外学者W.P.Mason和R.A.Sykes首先发表了文章，阐述了对微波滤波器的理论研究成果。八十几年来，在几代科学家的共同努力下，在微波滤波器领域的研究已经取得了令人瞩目的成果。为满足各种应用环境的需要，出现了微带线滤波器、波导滤波器、腔体滤波器等各种不同类型的滤波器。近年来出现的集小型化和高性能于一体的新型滤波器如SAW滤波器、LTCC滤波器、SIR滤波器也开始应用于各种通信系统中。随着现代工艺、材料科学技术和电子工业的不断进步，尤其是近年来超材料和左手材料的发现，需求也不断扩大，微波滤波器的研制和发展即将进入新的时代。

目前，国外已有相应公司大量生产微波滤波器器件，例如美国的Schaffner， Corcom，德国的EPCOS ，英国的PREMO公司等。这些公司生产的微波器件广泛应用于各类微波基站、卫星、移动设备中，带来了巨大的社会和经济效益。我国对滤波器的研究和广泛应用始于上世纪50年代，无论在理论研究还是生产实际方面都已纳入国际发展步伐，从我国现有滤波器的应用比例看，滤波器的集成化和新型材料的研究仍与发达国家存在一定的差距，这可能是由于起步晚、研究人员少造成的。因此，若想赶上国际一流水平，我国的微波工作人员在微波器件的研制和生产领域任重而道远。

微带滤波器的基本原理
微波滤波器设计基础

滤波器是通信系统中的重要元器件。滤波，顾名思义，即为筛选出所需频段的电磁波，滤除不需要的频段的电磁波，也就是在所需要的频率范围内，能使信号无衰减的通过，而在其余的频率范围内，信号被阻挡，不能传输。能通过的频段称为通带，其余频段称为阻带。滤波器在系统中的主要作用是解决不同频段、不同形式的无线通信系统之间的干扰问题。滤波器的基础是谐振电路，它利用电路谐振原理，对某个频率产生谐振，对那些不在谐振频率的其它信号产生很高的阻尼。这样，含有复杂成分的信号经过这个电路以后，就只留下所需频率的有用信号。滤波器本质上是一个二端口网络，当滤波器的输入端输入一个具有均匀功率谱的信号时，输出端负载上吸收的功率谱不再均匀，且负载吸收的功率与其所在的频率是否靠近中心心率有关，越靠近则越大，反之，则越小。根据通带位置的不同，一般滤波器可分为低通、高通、带通、带阻四大类，它们的频率响应曲线如下图所示。

显而易见，低通滤波器以截止频率为界，低于截止频率为通带，高于截止频率为阻带，高通滤波器反之。带通滤波器则是允许特定频段的波通过同时阻隔其他频段，而带阻滤波器屏蔽特定频段的波，允许其他频段的波通过。本次设计的滤波器通带为2.4-2.5GHz，因此属于带通滤波器。

微波滤波器与低频滤波器一样，一个理想的带通滤波器应该具有平坦的通带并且通带外的所有频率被完全抑制。实际上，并不存在这样的滤波器，但在带通滤波器的设计中，各项参数应当接近理想带通滤波器，这也是一代又一代科研人员努力的目标。

微波低通原型滤波器设计

低通滤波器是四大类滤波器中最基本的滤波器，其它类型的滤波器都可由低通原型经过频率变换得到。在低频段时，电阻、电容和电感等集总参数元件串并联构成的谐振回路组成了滤波器，当频率接近高频（1GHz）时，电磁波的波长接近于回路的线性尺寸，集总元件带有的寄生效应（如电感器具有寄生电阻和寄生电容）开始影响滤波器的频率响应，谐振回路的品质因数大大下降，集总组件的建模也变得非常困难，因此必须采用分布参数电路来实现。微波滤波器设计的重点就在于将得到的集总参数元件值在微波频率下用分布参数电路来实现。

滤波器设计可以由低通原型滤波器为基础，因此由频率变换把其他类型滤波器变换为低通原型来设计，然后把低通原型滤波器分析清楚即可。理想的低通原型滤波器有非常优秀的工作特性，它的通带边界角频率和阻带边界角频率完全重合，即低于截止频率的信号能完全通过，高于截止频率的信号则会完全消失。在实际工程中不存在理想低通原型，只能选用逼近函数去尽量逼近理想低通原型的衰减特性。常用的逼近函数分别为最平坦（巴特沃斯）式、切比雪夫多项式和椭圆函数，它们与最平坦滤波器、切比雪夫滤波器和椭圆函数式滤波器一一对应，并分别呈现出三种频率特性。