微波滤波器课程设计

湖南工业大学课程设计资料袋计算机学院（系、部）2016～2017学年第二学期课程名称微波通信指导教师职称.学生姓名专业班级学号.题目微波滤波器设计及其测量.成绩起止日期2017年4月25日～2017年5月7日目录清单序号材料名称资料数量备注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张456课程设计任务书2016—2017学年第二学期计算机学院（系、部）通信工程专业班级课程名称：微波通信.设计题目：微波滤波器设计及其测量.完成期限：自2017年4月25日至2017年5月7日共1周内容及任务设计内容与任务1）设计低通和带通滤波器的参数2）测试低通和带通滤波器的工作频率3）对所设计的滤波器进行分析4）掌握设计相关的仿真软件5）设计总结，撰写报告进度安排起止日期工作内容4.25--4.28复习相关理论、分析与设计系统4.29--5.3滤波器的实现5.4--5.7测量数据并完成课程设计报告主要参考资料1、王新稳.《微波技术与天线》.电子工业出版社。2、吴万春.《现代微波滤波器的结构与设计》.科学出版社。3、田加胜.《微波技术基础》.华中科技大学出版社。4、RichardJ.Cameron、ChandraM.Kudsia、RaafatR.Mansour.《通信系统微波滤波器——基础设计与应用》.电子工业出版社指导教师（签字）：年月日系（教研室）主任（签字）：年月日（微波通信）设计说明书微波滤波器设计及其测量起止日期：2017-4.25至2017-5.7日学生姓名班级学号成绩指导教师(签字)计算机学院（部）2017年5月7日课题名称微波滤波器设计及其测量人数组长同组人员课题的主要内容和要求设计内容与任务1.了解基本低通及带通滤波器之设计方法。2.了解常见经典的微波滤波器。3.利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。4.学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真，并分析结果。具体任务XXX到图书馆查询图文资料和利用网络查找微波滤波器相关的资料XXX利用微波软件完成切比雪夫微波低通带通滤波器的设计XXX利用硬件进行数据的测量并对课程设计进行总结时间安排与完成情况4.25--4.28复习相关理论、分析与设计系统4.29--5.3滤波器的实现5.4--5.7测量数据并完成课程设计报告目录一、设计目的..............................................二、预习内容..............................................三、设计所用设备..........................................四、设计理论分析..........................................五、测量方框图............................................六、硬件测量..............................................七、附加知识..............................................八、实例分析..............................................九、总结与心得............................................一、设计目的1.了解基本低通及带通滤波器之设计方法。2.利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。3.学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真，并分析结果。二、预习内容1．熟悉滤波器的相关原理等理论知识。2．熟悉滤波器设计的相关理论知识。三、设计所用设备项次设备名称数量备注1扫频仪1套亦可用网络分析仪2示波器及同轴微波检波器1组3同轴腔带通滤波器1组450ΩBNC连接线2条51MΩBNC连接线2条6微波软件RFSim99软件1套微波软件四、设计理论分析1、滤波器的种类以信号被滤掉的频率范围来区分，可分为低通（Lowpass）、高通（Highpass）、带通（Bandpass）及带阻（Bandstop）四种。若以滤波器的频率响应来分，则常见的有巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(TchebeshevType-I)、切比雪夫Ⅱ型(TchebeshevType-Ⅱ)及椭圆型(Elliptic)等，若按使用元件来分，则可分为有源型及无源型两类。其中无源型又可分为L-C型(L-CLumped)及传输线型(Transmissionline)。而传输线型以其结构不同又可分为平行耦合型(ParallelCoupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及发针型(Hairpin-line)等等不同结构。本实验以较常用的巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(TchebeshevType-I)为例，说明其设计方法。首先了解Butter-worth及TchebeshevType-I低通滤波器的响应图。(1)Butterowrth|),(|log10),(,011),(2NBNBifNBLPNLP(2)TchebyshevType|),,(|log10),,(,)(11),,(22NrpTNrpTTNrpTLPnLP其中rp(dB)——通带纹波(passbandripple),11010/2rpN——元件级数数（orderofelementforlowpassprototype）ω——截通比（stopband-to-passbandratio），ω=fc/fx(forlowpass)=BWp/BWx(forbandpass)其中fc——-3dB截止频率（3dBcutofffrequency）fx——截止频率（stopbandfrequency）BWp——通带频宽（passbandbandwidth）BWx——截止频宽（stopbandbandwidth）Tn()为柴比雪夫多项式(Tchebysheypolynomals)1)(coshcosh10)(coscos)(11ifNifNTn其中1cosh1cosh1N，11010/2rp图1(a)(b)即是三级巴特渥兹型B（3，ω）与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的截通比响应的比较图。理论上，在通带内巴特渥兹型是无衰减的（Maximunflat），而切比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。实际应用上，除非在通带内要求必须是平坦响应（flatresponse）外，大多允许通带内少量衰减，因而一般采用切比雪夫型以获得较大的截通效应或减少元件级数。03B3()T0.253()T0.55()T17()10.10.1132.752.52.2521.751.51.2510.750.50.250巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图0100B3()T0.253()T0.55()T17()1011101009080706050403020100巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图其中：B（3，ω）——三级巴特渥兹型的衰减响应T（0.25，3，ω）——纹波为0.25dB的三级切比雪夫型的衰减响应T（0.5，5，ω）——纹波为0.5dB的五级切比雪夫型的衰减响应T（1，7，ω）——指纹波为1dB的七级切比雪夫型的衰减响应2、低通滤波器设计方法：（1）巴特渥兹型（ButterworthLowpassFilter）步骤一：确定参数。电路阻抗（Impedance）：Z0（ohm）截止频率(CutoffFrequency)：fc(Hz)截通频率(StopbandFrequency)：fc(Hz)通带衰减量阻带衰减量步骤二：计算元件级数(Orderofelements,N)：cxApAxffNlog110110log5.010/10/，N取最接近的整数。步骤三：计算原型元件值（PrototypeElementValues，gK）：NKNKgK,....,2,1,2)12(sin2步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再根据公式计算实际电感电容值：（a）串L并C型ZofgCfZogLcevenevenCoddodd2,2（b）并C串L型cevenevenCoddoddfZogLZofgC2,2（2）切比雪夫I型(TchebyshevType-ILowpassFilter)步骤一：确定参数。电路阻抗(Impedance):Zo(ohm)截止频率(CutoffFrequency):fc(Hz)阻带频率(StopbandFrequency):fx(Hz)通带纹波量(MaximumRippleatpassband):rp(dB)阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):Ax(dB)步骤二：计算元件级数(Orderofelements,N).)arccos(1arccos222cxffMagMagN，其中1101010/210/2rpAxMagN取最接近的奇整数。采用奇整数是为了避免切比雪夫低通原型在偶数级时，其输入与输出阻抗不相等。步骤三：计算原型元件值(PrototypeElementValues,gk)：NKBgAAgAgKKKKK,...,3,2,42112111其中)(sin,...,2,1,2)12(sin2sinh,37.17cothln1cosh1cosh221NKBNKNKANrpNKK步骤四：先选择串L并C型或并C串L型，再依据公式计算实际电感电容值。（a）串L并C型ZofgCfZogLcevenevenCoddodd2,2（b）并C串L型cevenevenCoddoddfZogLZofgC2,2（3）带通滤波器设计方法：步骤一：确定参数。电路阻抗(Impedance):Zo(ohm)上通带频率(upperpassbandedgefrequency):fPU(Hz)下通带频率(lowerpassbandedgefrequency):fPL(Hz)上截止频率(upperstopbandedgefrequency):fXU(Hz)下截止频率(lowerstopbandedgefrequency):fXL(Hz)通带衰减量(MaximumAttenuationatpassband):AP(dB)阻带衰减量(MinimumAttenuationatstopband):AX(dB)步骤二：计算元件级数(Orderofelements,N)。),(1,1212221XXXPassXUoXUXPassXLXLoXMINBWfffBWfff其中PLPUpassPUPLoffBWfff,（a）巴特渥兹型(Butter-worth)XApAxNlog110110log5.010/10/，N取最接近的整数。.（b）切比雪夫I型(TchebeshevType))arccos(1arccos222XMagMagN，N取最接近的奇整数步骤三：计算低通原型元件值（PrototypeElementValues,gk）其公式如前所示。并选择串L并C型或并C串L型，计算出实际电容（Cp）、（Ls）值。（a）串L并C型ZoBWgCpBWZogLspassevenevenpassoddodd2,2（b）并C串L型passevenevenpassoddoddBWZogLsZoBWgCp2,2步骤四：计算带通原型元件变换值