微带线带通滤波器的设计

I摘要近几年随着商用无线通信的迅猛发展，射频/微波电路越来越得到重视和发展。而微波带通滤波器作为微波器件的一种也得到了大力的发展，尤其是在接收机前端，带通滤波器性能的优劣直接影响到整个接收机性能的好坏。因此，发展高性能，研究小型化的微波滤波器是当前非常受关注的课题。本文首先介绍了微波滤波器的发展历史、在微波通信中的作用、当前的研究情况以及微波仿真软件ADS。然后分析了微带滤波器的二端口网络理论。最后该论文基于仿真软件ADS和推导公式的基础上，介绍了微带线带通滤波器的设计方法，同时借助ADS软件对所设计的微带线滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较理想的微带线滤波器，通带3.0－3.1GHz，带内衰减小于2dB，起伏小于1dB，2.8GHz以下及3.3GHz以上衰减大于40dB，端口反射系数小于-20dB。关键词微带线微带线耦合滤波器ADSIIAbstractInrecentyears，alongwiththehighdevelopmentofwirelesscommunicationinbusiness，MicrowaveRFcircuithasbeenattractedmoreandmoreattentionandalsogotmanyachievements.Atthesametime，asoneoftheimportantmicrowavecomponents，themicrowavefiltersalsodevelopedrapidlyinrecentyears.Especially，themicrowaveBPFdirectlyinfluencesthePerformancesofthereceivers.So，develophighPerformance，studyminiaturizedmicrowavefilterisahottopicinnowadays.Atfirst，thispaperintroducesthedevelopmenthistoryofmicrowavefilters，thefunctioninthemicrowavecommunication，thecurrentstateofstudyingthefiltersandtheadvancedmicrowavecircuitsimulationsoftwareADS.Thenanalyzedthetwo-Portnetworkoffilters,WiththesoftwareADSandtheformulawhichhadbeenProvedinthispaper，thispaperalsowelldesignanend-coupleBPF，ahalf-wavelengthresonatorBPF,aninterdigitalBPF.Passband3.0-3.1GHz,inthebeltweakensissmallerthan2dB,thefluctuationissmallerthanbelowabove1dB,2.8GHzand3.3GHzweakensisbiggerthan40dB,theportreflectionfactorissmallerthan-20dB.KeywordsmicrostripmicrostripcoupledBPFADSIII目录摘要.....................................................IAbstract.................................................II第1章绪论..............................................11.1通信领域滤波器的发展历史................................................11.2微波滤波器在微波通信的作用............................................21.3当前研究情况.....................................................................31.3.1高温超导滤波器........................................................31.3.2LC滤波器.................................................................41.3.3声表面波(SAW)滤波器...............................................41.4ADS软件介绍.....................................................................41.5本文的目的和意义.............................................................51.6本章小结..........................................................................5第2章滤波器是最基本的信号处理器件.......................62.1滤波器的分类....................................................................62.2滤波器的主要参数..............................................................62.3滤波器设计理论................................................................72.3.1低通滤波器的设计是基础.........................................72.3.2原型滤波器的元件值的归一化及其计算...................92.4本章小结...........................................................................11第3章微带线理论........................................123.1微带线.............................................................................123.2微带线和带状线的区别.................................................143.3本章小结..........................................................................14第4章微带线带通滤波器的设计............................164.1微带线尺寸选择................................................................164.2软件仿真...........................................................................174.2.1原理图仿真.............................................................174.2.2版图仿真................................................................21IV4.3.3实物制作................................................................234.4本章小结..........................................................................24结论.....................................................25致谢.....................................................26参考文献.................................................27附录1...................................................29附录2...................................................341第1章绪论当前，无线通信技术高速发展，业务范围不断扩大，人们对无线产品的需求迅速增长，滤波器在这些产品电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展[1]。新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。由于在通迅，雷达，微波等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求也相应地提高，所以需用大量的滤波器。同时，微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用。象参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等类器件都是多频率工作的，都需要用相应的滤波器[2]。1.1通信领域滤波器的发展历史1915年，德国科学家K.w.wagner开创了一种现已闻名于世的瓦格纳滤波器设计方法。与此同时，在美国GA.CanbeU发明了另一种影像参数的设计方法。随着这些技术的突破，许多科技人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论进行研究。随后，1940年出现了包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法.第一步是确定符合特性要求的传递函数，第二步是由先前的传递函数所估计的频率响应来综合电路。现在所采用的很多滤波器设计技术就是基于这一早期的设计方法。不久随着通信频带的加宽，进入到微波领域，滤波器设计从而由原先的集总元件LC谐振器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐振器。同时，滤波器材料领域也取得了很大的发展，极大地推动了滤波器的发展。1939年，P.D.Richtmeyer报道了介质谐振器。他利用了介质块的电磁谐振，有小尺寸和高Q值两个显著的特点，然而由于当时的材料温度稳定性不高使该种滤波器不能在实2际中得到广泛的应用。70年代，各种具有优异的温度稳定性和高Q值的陶瓷材料的发展增加了介质滤波器的实际应用的可行性。随着陶瓷材料的发展，该滤波器的应用得到了迅速的发展。在现有的射频和微波通信器材中介质滤波器己成为最重要、最常见的元件之一。此外，80年代出现的高温超导材料，被认为很有可能被用于设计极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器，许多研发人员己致力于它们的研究和实际应用[3]。1.2微波滤波器在微波通信的作用微波滤波器作为滤波器的一种，在移动通信中有着广泛的应用[4]。在射频端有源电路中输入输出各级之间普遍存在，各滤波器都有不同的功能和特性要求。如(图1-1)所示，为典型的发射机接受机原理框图模型，滤波器在该系统中各位置起着举足轻重的作用[5]。接受端带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接收器前端饱和;除去如镜频一类的干扰信号;减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。所以接收端带通滤波器的最佳性能包括衰减以除去干扰，同时减少将直接影响接收端灵敏度的通带插损。发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰，这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。另一个重要的功能是衰减掉发射信号中接受频段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏度之