微波濾波器課程設(shè)計(jì)

1、湖南工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)資料袋計(jì)算機(jī)學(xué)院（系、部）20162017 學(xué)年第 二 學(xué)期課程名稱微波通信 指導(dǎo)教師 職稱.學(xué)生姓名 專業(yè)班級(jí) 學(xué)號(hào).題 目 微波濾波器設(shè)計(jì)及其測(cè)量.成 績(jī) 起止日期 2017 年 4 月25 日2017 年5 月上 日目 錄清單序號(hào)材料名稱資料數(shù)量備注1課程設(shè)計(jì)任務(wù)書12課程設(shè)計(jì)說明書13課程設(shè)計(jì)圖紙張456課程設(shè)計(jì)任務(wù)書2016 2017學(xué)年第 二 學(xué)期計(jì)算機(jī) 學(xué)院（系、部）通信工程專業(yè) 班級(jí)課程名稱：微波通信設(shè)計(jì)題目：微波濾波器設(shè)計(jì)及其測(cè)量完成期限：自 成17 年 4 月 25 日至 2017 年 5月 7 日共 1 周內(nèi) 容 及 任 務(wù)設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)1）設(shè)計(jì)低通和

2、帶通濾波器的參數(shù)2）測(cè)試低通和帶通濾波器的工作頻率3）對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行分析4）掌握設(shè)計(jì)相關(guān)的仿真軟件5）設(shè)計(jì)總結(jié)，撰寫報(bào)告進(jìn) 度 安 排起止日期工作內(nèi)容4.25-4.28復(fù)習(xí)相關(guān)理論、分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)4.29- 5.3濾波器的實(shí)現(xiàn)5.4 5.7測(cè)量數(shù)據(jù)并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告主 要 參 考 資 料1、王新穩(wěn).微波技術(shù)與天線.電子工業(yè)出版社。2、吳方春.現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì).科學(xué)出版社。3、田加勝.微波技術(shù)基礎(chǔ).華中科技大學(xué)出版社。4、Richard J.Cameron 、Chandra M.Kudsia、Raafat R.Mansour.通信系統(tǒng)微波濾波器一一基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與應(yīng)用.電子工業(yè)出版社指

3、導(dǎo)教師（簽字）：年 月日系（教研室）主任（簽字）：年 月日觴）南力弋三HUNAN UNIVERSITY OFTECHNOLOGY（微波通信）設(shè)計(jì)說明書微波濾波器設(shè)計(jì)及其測(cè)量起止日期：2017-4.25至2017-5.7日學(xué) 生 姓 名班級(jí)學(xué)號(hào)成績(jī)指導(dǎo)教師（簽字）計(jì)算機(jī)學(xué)院（部）2017年5月7日課題名稱微波濾波器設(shè)計(jì)及其測(cè)量人 數(shù)組 長(zhǎng)同組人員課 題 的 主 要 內(nèi) 容 和 要 求設(shè)計(jì)內(nèi)容與任務(wù)1 .了解基本低通及帶通濾波器之設(shè)計(jì)方法。2 .了解常見經(jīng)典的微波濾波器。3 .利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解濾波器的特性。4 .學(xué)會(huì)使用微波軟件對(duì)低通和高通濾波器的設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果。具 體 任 務(wù)X

4、XX到圖書館查詢圖文資料和利用網(wǎng)絡(luò)查找微波濾波器相關(guān)的資料XXX利用微波軟件完成切比雪夫微波低通帶通濾波器的設(shè)計(jì)XXX利用硬件進(jìn)行數(shù)據(jù)的測(cè)量并對(duì)課程設(shè)計(jì)進(jìn)行總結(jié)時(shí) 問 安 排 與兀 成 情 況4.25-4.28復(fù)習(xí)相關(guān)理論、分析與設(shè)計(jì)系統(tǒng)4.29- 5.3濾波器的實(shí)現(xiàn)5.4- 5.7測(cè)量數(shù)據(jù)并完成課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、設(shè)計(jì)目的二、預(yù)習(xí)內(nèi)容三、設(shè)計(jì)所用設(shè)備四、設(shè)計(jì)理論分析五、測(cè)量方框圖六、硬件測(cè)量七、附加知識(shí)八、實(shí)例分析九、總結(jié)與心得一、設(shè)計(jì)目的1 .了解基本低通及帶通濾波器之設(shè)計(jì)方法。2 .利用實(shí)驗(yàn)?zāi)＝M實(shí)際測(cè)量以了解濾波器的特性。3 .學(xué)會(huì)使用微波軟件對(duì)低通和高通濾波器的設(shè)計(jì)和仿真，并分析結(jié)果。二、

5、預(yù)習(xí)內(nèi)容1 .熟悉濾波器的相關(guān)原理等理論知識(shí)。2 .熟悉濾波器設(shè)計(jì)的相關(guān)理論知識(shí)。三、設(shè)計(jì)所用設(shè)備項(xiàng)次設(shè)備名稱數(shù)量備注1掃頻儀1套亦可用網(wǎng)絡(luò)分析儀2示波器及同軸微波檢波器1組3同軸腔帶通濾波器1組450 a bnc連接線2條51M Q bnc連接線2條6微波軟件RFSim99軟件1套微波軟件四、設(shè)計(jì)理論分析1、濾波器的種類以信號(hào)被濾掉的頻率范圍來區(qū)分，可分為低通( Lowpass)、高通(Highpass)、帶通 (Bandpass)及帶阻(Bandstop)四種。若以濾波器的頻率響應(yīng)來分，則常見的有巴特渥茲 型(Butter-worth)、切比雪夫 I 型(Tchebeshev Type-I

6、)、切比雪夫 n 型(T chebeshev Type-n )及 橢圓型(Elliptic)等，若按使用元件來分，則可分為有源型及無源型兩類。其中無源型又可分 為L(zhǎng)-C型(L-C Lumped)及傳輸線型(Transmission line)。而傳輸線型以其結(jié)構(gòu)不同又可分為平 行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及發(fā)針型(Hairpin-line) 等等不同結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)以較常用的巴特渥茲型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)為例，說明其設(shè)計(jì)方法。首先了解Butter-worth

7、及Tchebeshev Type-I低通濾波器的響應(yīng)圖。(1)ButterowrthBlp(N, )if -0, B(N, ) = 10 log|BLP(N, )|11 1(2)Tchebyshev TypeTlp(P,N,)12Tn2()T(rp,N, ) = 10 log|TLp(rp,N, )|l其中rp /10 rp(dB)通帶紋波(passband ripple), ；=101N元件級(jí)數(shù)數(shù)( order of element for lowpass prototype )w截通比 (stopband-to-passband ratio),w = fc / fx (for lowpas

8、s)=B Wp / BWx (for bandpass)其中fc-3 dB 截止頻率(3 dB cutoff frequency )fx截止頻率(stopband frequency)BWp通帶頻寬(passband bandwidth)BWx截止頻寬(stopband bandwidth )Tn()為柴比雪夫多項(xiàng)式(Tchebyshey polynom als)c o N c o s(：)Tn( )二 ,1c o s N c o sn(- >=)其中« = cosh1 cosii1-名 2 = 10rp/10 - 1Jn 4圖1(a)(b)即是三級(jí)巴特渥茲型 B (3, 3)

9、與三種不同紋波和級(jí)數(shù)的切比雪夫型的截通比響應(yīng)的比較圖。理論上，在通帶內(nèi)巴特渥茲型是無衰減的( Maximun flat ),而切 比雪夫型較同級(jí)數(shù)的巴特渥茲型有較大的衰減量。實(shí)際應(yīng)用上，除非在通帶內(nèi)要求必須 是平坦響應(yīng)(flat response )外，大多允許通帶內(nèi)少量衰減，因而一般采用切比雪夫型 以獲得較大的截通效應(yīng)或減少元件級(jí)數(shù)。B(3 .)T(0.2 53 . )T(0.55 . )T(1 7 ')0-0.20 .0.711 . 21 .1 . 722.22 .2.73 F 一 .A5一.耳5, .5“Jt -555V55510 . 10 . 1巴特渥茲型與切比雪夫型通帶響應(yīng)比

10、較圖B(3 . .)T(0.25 3 .)T(0.5 5)T(1 7 . .)-10010011010巴特渥茲型與切比雪夫型截通帶響應(yīng)比較圖其中:(3, 3)三級(jí)巴特渥茲型的衰減響應(yīng)(0.25, 3, 3)紋波為(0. 5, 5, co )紋波為(1, 7, co)指紋波為0.25dB的三級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)0.5dB的五級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)1dB的七級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)2、低通濾波器設(shè)計(jì)方法：11)巴特渥茲型(Butterworth Lowpass Filter ) 步驟一：確定參數(shù)。電路阻抗(Impedance) : Z0 (ohmD 截止頻率(Cutoff Frequency) :

11、 fc(Hz) 截通頻率(Stopband Frequency) : fc(Hz) 通帶衰減量阻帶衰減量步驟二：計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Order of elements,N) :10Ax/10-10.5 10g110Ap/10 110gfx工cN取最接近的整數(shù)。計(jì)算原型元件值( Prototype Element Values , gD ：g2sinK2NK = 1,2,.，N步驟四:(a)先選擇串 L并C型或并C串L型，再根據(jù)公式計(jì)算實(shí)際電感電容值: 串L并C型Loddgodd Zo2 fccevengeven2二九Zoc(b)并C串L型Coddgo d d2二 fC ZoCevenge v e r

12、Z02二九(2)切比雪夫 I 型(Tchebyshev Type-I Lowpass Filter)步驟一：確定參數(shù)。電路阻抗(Impedance): Zo(ohm)截止頻率(Cutoff Frequency): fc(Hz)阻帶頻率(Stopband Frequency): fx(Hz)通帶紋波量(Maximum Ripple at passband): rp(dB)阻帶衰減量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB)步驟二：計(jì)算元件級(jí)數(shù) (Order of elements,N).1 - M a g Mag2arcc A( fc其中Mag2 = 10

13、 Ax/102 = 10rp/10 - 1N取最接近的奇整數(shù)。采用奇整數(shù)是為了避免切比雪夫低通原型在偶數(shù)級(jí)時(shí)，其輸入與輸出阻抗不相等。步驟三：計(jì)算原型元件值 (Prototype Element Values,gk):g14Ak A：gK -1 BK -1K = 2,3, .N,Ps i n h 2NsiJ22NK =1,2, . .N,其中coCcosh口、Nrp一 二In coth_17.372 . 2/K、Bk=sin(N)步驟四：先選擇串 L并C型或并C串L型，再依據(jù)公式計(jì)算實(shí)際電感電容值。 (a)串L并C型= g°dd ZoLodd工2二 fcg _ g even even

14、 2 fc Zo c(b)并C串L型Coddgodd2 fC ZoCLevengeven Zo2 fc(3)帶通濾波器設(shè)計(jì)方法：步驟一：確定參數(shù)。電路阻抗(Impedance): Zo(ohm)上通帶頻率 下通帶頻率 上截止頻率 下截止頻率 通帶衰減量 阻帶衰減量(upper passband edge frequency): f (lower passband edge frequency): f (upper stopband edge frequency): f (lower stopband edge frequency): f (Maximum Attenuation at pass

15、band): A (Minimum Attenuation at stopband): APIPIHz)L(Hz)xqHz)xl(Hz)P(dB) x(dB)步驟二：計(jì)算元件級(jí)數(shù) (Order of elements,N)AXL .fXLBWPassfXUfo2fXUBWPassX = MIN( X1, X2)其中fo = * fPL fPUBWLsr fpu-fPL(a)巴特渥茲型(Butter-worth)Ax/10 -110"l0g 5?p,10-1(b)切比雪夫N取最接近的整數(shù)。.arccos,ig2cIL ： Magarccos( X)N取最接近的奇整數(shù)步驟三：計(jì)算低通原型

16、元件值( Prototype Element Values,gk )其公式如前所示。并選擇串L并C型或并C串L型，計(jì)算出實(shí)際電容(Cp)、(Ls)值。(a)串L并C型Ls usoddgodd Zo(b)并2 二BWpasspassC串L型Cpevengeven2二BWpass ZopassCpoddgodd2 二BWpass ZopassLseveng even Zo2 二BWpasspass步驟四：計(jì)算帶通原型元件變換值。由低通原型實(shí)際元件值依據(jù)下列變換對(duì)照表計(jì)算出帶通原型實(shí)際元件值，并用帶通原型變換電器取代低通原型電路元件，以完成帶通電路結(jié)構(gòu)。圖1(a) N=5串L并C型低通濾波器電路原型

17、PORT 2圖1(b) N=5 并C串L型低通濾波器電路原型圖1(c) N=5 串L并C型帶通濾波器電路原型為了描述濾波器的濾波特性， 一般常用的是插入衰減隨頻率變化的曲線。插入衰減的定義為:PLa =101og;式中Pi為濾波器所接信號(hào)源的最大輸出功率,PL為濾波器的負(fù)載吸收功率。微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻帶的中心頻率、帶寬、通帶內(nèi)允許的最大衰減、阻帶內(nèi)允許的最小衰減、阻帶向通帶過渡時(shí)的陡度和通帶內(nèi)群時(shí)延的變化等。濾波器的結(jié)構(gòu)是：在一特性阻抗為Z0的傳輸線上，每隔1/4的距離就并接一個(gè)電抗性元件（它的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以是短路支線、膜片或螺釘），設(shè)其阻抗分別為 Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和

18、Z6, RL是濾波器所接的負(fù)載。電容加載型同軸諧振腔電容加載型同軸諧振腔如圖3所示。出d 圖3諧振條件:滿足諧振條件的C值由下式確定-2 1°C = Y0ctg 0如果將縫隙電場(chǎng)近似看作均勻分布，則式中C可按平板電容公式計(jì)算22c °S 0 ac =二d d五、測(cè)量方框圖圖4微波濾波器測(cè)量方框圖用于調(diào)節(jié)中心頻率六、硬件測(cè)量1、對(duì)于低通濾波器的S11及S21測(cè)量以了解LC型低通濾波器電路的特性；對(duì)于帶通濾波器的S11及S21測(cè)量以了解LC型帶通濾波器電路的特性。2、測(cè)量同軸腔濾波器的以下參數(shù)上通帶頻率fPU(Hz)下截止頻率fxL(Hz)下通帶頻率fpL(Hz)通帶衰減量Ad

19、B)上截止頻率fxu(Hz)阻帶衰減量Ax(dB)3、測(cè)量步驟：將示波器打到X-Y擋，掃頻儀掃瞄輸出接示波器的X輸入作為水平頻率線。將掃頻儀射頻輸出接三同軸腔終端電容加載帶通濾波器，中心頻率為 1500MHz。濾波器輸出接微波同軸檢波器，然后接到示波器Y軸擋。將掃頻儀掃瞄帶寬打到 200MHz ,帶通濾波器帶寬為 20MHz ,用掃頻儀Maker頻標(biāo)觀查測(cè)量上截止頻率， 下截止頻率fxL(Hz), 下通帶頻率fpL(Hz)、阻帶衰減量Ax(dB)等。 可用起子同時(shí)調(diào)節(jié)三同軸腔終端電容加載帶通濾波器的中心頻率和通頻帶。通帶衰減量Ap(dB)的測(cè)量，去掉待測(cè)三同軸腔終端電容加載帶通濾波器，直接將掃

20、頻儀輸出接微波同軸檢波器，到示波器觀查前后兩種情況下的電平差別，再調(diào)節(jié)掃頻儀輸出使兩種情況示波器指示相同，記下兩次的電平差，可測(cè)出帶內(nèi)查損。其它指標(biāo)測(cè)量方法同前。4、硬件測(cè)量的結(jié)果建議如下為合格：RF2KM6-1A MOD-6A(DC-50MHZ) S110 -20dBS21>-1.5DB W 50MHzMOD-6B(PASSBAND) S11 < 10dB 210MHZ(PASSBAND)Record Fpl S21=-3.0dBRecord Fph S21=-3.0dB(STOPBAND)Record Fxl Attn.=-18dBFxh Attn.=-18dB5、微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

21、箱簡(jiǎn)圖(接收設(shè)備)輸入c 微波三同軸腔七、附加知識(shí)經(jīng)典原型濾波器有：最大平坦濾波器(巴特沃斯低通原型濾波器)，切比雪夫?yàn)V波器，橢圓函數(shù)濾波器，奇數(shù)階橢圓函數(shù)濾波器， 偶數(shù)階橢圓函數(shù)濾波器，包含傳輸零點(diǎn)的最大平坦通帶的濾波器，線性相位濾波器等。在此只列舉兩例說明。1、最大平坦濾波器巴特沃斯低通濾波器又叫最大平坦低通濾波器，它的原型濾波器函數(shù)為= 101Og(l 力其對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)曲線如圖 7所示n為元件數(shù)目，階數(shù) n由帶外衰減決定。幅度因子 £是由通帶內(nèi)最大衰減，小(" = 1)所決定的，通常選擇為3dB即：£ = 1OL*X/10 . 1而元件數(shù)n可由帶外最小衰減

22、確定，即-3) = 101(1 + E 加片)則濾波器階數(shù)n可以用下式來確定，即n 加式處言2)/?】明式中表示取整。若 明1 ,則以產(chǎn)可以近似表示為："=lOlogf + 20n log wJf因此，在阻帶頻率上，n越大，阻帶衰減越大；而越小，阻帶衰減則越小。圖72、切比雪夫?yàn)V波器切比雪夫低通原型濾波器函數(shù)為：以3)10聞1 +M生6其中，乙今是n階第一類切比雪夫多項(xiàng)式，即T az 日(«s2(n eos'1 W)."£ 1Q )= 3h氣 dr") 一"之1由上式可以看出43')布=0i之間是余弦函數(shù)，在0i之間的

23、衰減是一個(gè)余弦曲線的等波紋變化，他的最大值為lU,即%= iOJg(i + 0,于是 當(dāng)儲(chǔ)（?。┰谪?時(shí)，禽是一個(gè)隨b增大而單調(diào)增加的雙曲余弦函數(shù)。所以其 阻帶區(qū)域的衰減特性也是隨3增大而單調(diào)增加。設(shè)在阻帶頻率3、上，阻帶衰減 為憶則有：LAs - 10 logl + fch2（nch-1tur）J由此可求得阻抗元件數(shù)目n為：eft*1n - ch-'a/j通過與巴特沃斯原型比較可以知道，當(dāng) 心31、n的值都一樣時(shí)，切比雪夫響應(yīng)的阻帶衰減比巴特沃斯響應(yīng)的阻帶衰減大， 這就說明切比雪夫低原型通濾波器 在阻帶衰減上的效果要好于巴特沃斯低原型通濾波器。已知&和n后，應(yīng)用與巴特沃斯網(wǎng)絡(luò)

24、類似的方法，可以得出對(duì)應(yīng)的歸一化元 件化仕=2,3,速)1（帥為奇數(shù)） tm5/4)5為偶數(shù))其中'by = y2 sin2(kn/n)其衰減特性響應(yīng)曲線如圖8所示圖89所示:INDID=L1INDID=L2PORTP=1八、實(shí)例分析設(shè)計(jì)一個(gè)切比雪夫微波低通濾波器，技術(shù)指標(biāo)為：截止頻率fc=2.2GHz,在通帶內(nèi)最大 波紋LAr=0.2dB, S11小于-16dB;在阻帶頻率 fs=4GHz處，阻帶衰減 Las不小于30dB。輸入、輸出端特性阻抗 Zo=50 Ohm。1.確定原型濾波器啟動(dòng)軟件中 Wizard模塊的 AWRFilter Synthesis Wizard (AM砒波器綜合

25、向?qū)?功能,輸入各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，即自動(dòng)生成原型濾波器的原理圖。具體電路如圖2、計(jì)算濾波器的實(shí)際尺寸(1)微帶線結(jié)構(gòu)高阻抗線先計(jì)算高阻抗線的寬度。已知條件:7 =9.0fo= 1.1GHz , H=800um T=10um,阻抗 Zoh =106C,計(jì)算得 W,%；再計(jì)算高阻抗線的長(zhǎng)度:lL1二 lL2L0Z vphZohL0*10f * 3*1014* ；um106re低阻抗線先計(jì)算低阻抗線的寬度。已知條件:8r =9.0, f0=1.1GHz , H=800um T=10u項(xiàng) 阻抗Zoh =10C,計(jì)算得W,%；再計(jì)算低阻抗線的長(zhǎng)度:lC1-3*1014-2= 1C3 =ZoiVpCa =10

26、*Ca*102UmC3*1014 c 12& =ZoNpG =10*Cb*10-12umre得到各個(gè)參數(shù)后，即可得到微帶線結(jié)構(gòu)濾波器原理圖:PORTMSUBEr=9 H=800 um T=10 um Rho=1 Tand=0 ErNom=9Name=SUB1P=2Z=50OhmMLINMLINMLINMLINMLINPORTID=TL1ID=TL2ID=TL3ID=TL4ID=TL5P=1W=1000 umW=1000 umW=1000 umW=1000 umW=1000 umZ=50OhmL=10000 umL=10000 umL=10000 umL=10000 umL=10000 um圖103、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄(