超寬頻帶拒濾波器.

1、南臺科技大學(xué)九十八學(xué)年度畢業(yè)專題成果報(bào)告專題名稱 : 適用於 UWB 寬頻帶拒濾波器系 所：電子工程系指導(dǎo)老師：陳文山 教授專題學(xué)生：49536025 余修諭49536075 曾冠裕中華民國九十九年六月適用於UWB寬頻帶拒濾波器學(xué)制/班級：四年制/網(wǎng)通四乙指導(dǎo)老師：陳文山老師學(xué)生學(xué)號/姓名：49536025余修諭49536075曾冠裕繳交年月：99年6月3#摘要濾波器結(jié)構(gòu)探#、八、刖言圖1.低通濾波器微帶線架構(gòu)圖本文利用低通濾波器 (Low Pass Filter丄PF)的DGS1來設(shè)計(jì)，並分析電流分佈後，改製為帶 拒濾波器(Band Reject Filter ,BRF) ，此濾波器 結(jié)構(gòu)具

2、有小型化和低成本Q值佳等優(yōu)點(diǎn)，此頻寬適用UWB頻段。近年來，全球通信市場蓬勃發(fā)展，微波電路 技術(shù)已經(jīng)被廣範(fàn)地應(yīng)用在於各式各樣的通訊系統(tǒng) 中。由於微波電路組成RF放大器、濾波器、混波器及振盪器的基本要素。在微波電路中，以微帶 線為最基本的傳輸線結(jié)構(gòu) 2。微帶線濾波器(Microstrip Filters )在RF及微波通訊系統(tǒng)的應(yīng)用方面扮演著重要的角色， 隨著無線通訊產(chǎn)品輕、薄、短、小之發(fā)展趨勢， 電路尺寸微小化亦相當(dāng)重要。因此，微帶線濾波 器之研究，已成為現(xiàn)代重要研究方向之一，以單 一電路來提供濾波效果，達(dá)成電路尺寸微小化並 降低價格。帶拒濾波器 (Ba nd Reject Filter; B

3、RF)是通訊系統(tǒng)中射頻前端常用的元件之一，其目的之一是抑制不要的虛假響應(yīng)，進(jìn)而提升訊號的品 質(zhì)。因?yàn)樗捎渺稙V掉一些我們不要的干擾頻 率，所以人們將其廣泛的應(yīng)用在衛(wèi)星通訊系統(tǒng)、 手機(jī)通訊與有線電視中。本文採用 An soft HFSS 和 Microwave OfficeAWR電腦軟體模擬分析，以設(shè)計(jì)並製造岀所需的 濾波器。並使用網(wǎng)路分析儀作進(jìn)一步量測與驗(yàn)證。濾波器的用途是用以過濾信號，選擇部分信號給予通過，至於信號的通過與否取決於信號的頻率。圖2.低通濾波器電路結(jié)構(gòu)圖1.為低通濾波器微帶線架構(gòu)圖其電路的基 板為RT/Duroid5880 3，介電係數(shù)為 2.2，介電 損耗為0.001，中心頻

4、率為 1.5 GHz而本文採用 FR4板材，所以需將圖1微帶線電路轉(zhuǎn)換，介面厚 度0.8mm,介電係數(shù) 4.4mm,介電損耗為 0.025。 利用Txline軟體對微帶線進(jìn)行計(jì)算，可以得到等效的微帶線尺寸，50歐姆特性阻抗對應(yīng)的線寬度 為1.6 mm，結(jié)構(gòu)的中心頻率取在1.5 GHz，可以2計(jì)算對應(yīng)的板材為40 27 mm,其他數(shù)值如表 1。聲 I . I WE圖3.低通濾波器微帶線架構(gòu)圖圖4.低通濾波器電路簡化圖圖3.低通濾波器結(jié)構(gòu)表1.低通濾波器規(guī)格desig n parametersW13.7L12.0W25.2L23.6W36L32.5W40.5L41.6W50.5L50.3W60.7

5、L60.6Unit : mm圖4.為低通濾波器的簡化圖，我們可以把圖2.中的電感電容經(jīng)由計(jì)算簡化，圖2.中的part1電容與電感，由於此區(qū)的電容效應(yīng)比較大，我們可看成電容，也就是圖4.中的甲，並藉由以下公圖5.模擬與實(shí)作結(jié)果4(1)圖2.為文獻(xiàn)3的低通濾波器電路結(jié)構(gòu)，以下 我們將分三個部份做初步的討論。 圖1.之SISS結(jié)構(gòu)可對應(yīng)圖 2.之part 1 與part 5，基板間的厚度影響電容，微帶線的 長度同時影響電感與電容的變化。 圖1.之DGS結(jié)構(gòu)可對應(yīng)圖 2.之part 3 ，其中的電感可看成微帶線中的電流環(huán)繞槽孔所產(chǎn)生，電容則為槽孔通道所形成。(3) 圖1.之A與B可對應(yīng)圖2.之part

6、 2與part4，為一個低通濾波器的基本架構(gòu)。其中(1)會因?yàn)榛宀煌?，而受到較大的影 響，本文採用FR4基板，所以此參數(shù)忽略不討論。 (2)(3)為本文主要改變的參數(shù)，我們將藉由架構(gòu) 的改變，嘗試將原本的低通濾波器，改變成帶拒 濾波器。虛線為模擬部分，實(shí)線為實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，模擬 時10GHz有岀現(xiàn)抑制頻帶，但實(shí)作結(jié)果的抑制頻 帶已消失，實(shí)作結(jié)果符合我們的要求。cosPj/z°sin pjJ/Z°si 代1cosBj1j/Z。叮J/Zcl11 Z 、2 or1 _WcLuCt J< j%Gi1 )#1ISS5圖6.低通濾波器電路2.1<.19.1FraquBiwy

7、iGHte)8.1 10D o D- DMicrowave Office AWR 模擬分析DGSM理說明DGS 結(jié)構(gòu)(Defected Ground Structure ;DGS)，也就是在微帶線接地板上蝕刻岀週期排列 的孔陣，典型結(jié)構(gòu)如圖一所示，圖中的方形孔就 是開在接地板上，孔的邊長為a,孔之間的間距為d,並且有一列孔正好處於微帶線的下方。DGS結(jié)構(gòu)的特性主要由以下因素決定：週期單 位的數(shù)目；週期單位的幾何結(jié)構(gòu)；週期單位的排列 方式；另外還有介質(zhì)的厚度、介電常數(shù)等。所以 決定DGS結(jié)構(gòu)特性的參數(shù)就只有孔的尺寸，孔之 間的距離，以及週期單位的數(shù)目 這樣就只要研 究孔的尺寸、孔之間的距離d這兩

8、個因素的影響。#L= 1.5 nH三、濾波器設(shè)計(jì)與量測結(jié)果濾波器設(shè)計(jì)目標(biāo)濾波器響應(yīng)及階數(shù)：巴特渥斯低通濾波器(LowPass Filter 丄 PF),5 階元件值：g1=1.7058，g2=1.2296，g3=2.5409，g4=1.2296，g5=1.7058負(fù)載阻抗：R=g XZ0=1 >50=50 11 1C =65gK1.70582.7pFZ：fcZ)2 二 2G 501 1C3gK2.5409=4pF2 二 fcZ02二 2G 50Z050L2=L3= 0 gK1.2296=4.89nH2 3 2 二 fc2 二 2G濾波器響應(yīng)及階數(shù)：巴特渥斯帶拒濾波器(Ba ndRejec

9、t Filter; BRF),5階BW :8.2 GHz中心頻率：.10.6 2.4 二 5GHz元件值：g1=0.618 g2=1.618 g3=2 g4=1.618 g5=0.618負(fù)載阻抗：R=g0>Z0=1 >50=50 r 亙g2二 fc2 二 8.2G0.6181 1 1CgK0.239dF2二 fcZ02二 8.2G 50 1.618J = L5 = 1.5 nHC C520.67 pF(2二 6.5G)2L依此類推可計(jì)算出L-C電容與電感表2.帶拒濾波器規(guī)格CAPID= C1C= 0.239 pFINDID= L3L=1.5 nHCAPID= C3C= 0.239

10、pFINDID= L4L=4.2 nHCAPID= C5design parametersC=0.67 pFINDID= L1L= 0.48 nHINDID= L5L=1.5 nH圖8.帶拒濾波器電路W14L11W21L23.6W32.6L37.6W32.6L61W43L45W50.6L51.6-別-SfiDFrequei 即 tGHz)ccE-re>*aulflffldw10圖 9. Microwave Office AWR 模擬分析用以上的算式與電流的流向可以推算岀本文章帶拒濾波器的基本雛型。如下圖10.為此帶拒濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。表2.為帶拒濾波器的參數(shù)表圖10.帶拒濾波器結(jié)構(gòu)示意

11、圖Unit : mm模擬與實(shí)作與量測本設(shè)計(jì)利用 An soft HFSS模擬軟體來輔助濾 波器設(shè)計(jì)，並利用網(wǎng)路分析儀來測量濾波器之頻丿卄寬。-5-10-15-20-25-30家覽S11家覽S21龜 11龜 210246810Freque ncy(GHz)?e malar S圖11.實(shí)作與模擬結(jié)果圖11為表二參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線為模擬部 份，實(shí)線為實(shí)作結(jié)果及其頻帶為3.1GHz至U 10.6GHz 已包含 UWB( 3.1GHz10.6GHz)頻段。在某些應(yīng)用上，我們需要設(shè)計(jì)一低頻 3.1GHz4.8GHz頻段，我們假設(shè)正面微帶線結(jié)構(gòu)有 調(diào)整高頻的效果，背面槽孔結(jié)構(gòu)調(diào)整低頻的效果， 所以將圖10分

12、為正反兩面修正加以分析模擬，以7下圖12為正面微帶線結(jié)構(gòu)圖，圖14為背面微帶線圖，其參數(shù)如表 3。圖12.正面微帶線結(jié)構(gòu)圖1234Frequency(GHz)560 5 0 5 0 5 0 2-)Bdrr pr e m a s1-1-2圖15.背面模擬與實(shí)作結(jié)果80123456Freque ncy(GHz)0-2.LbdrrAre marap s低頻頻帶。表3.帶拒濾波器參數(shù)表由圖14得知，正面僅留一條 50門微帶線, 背面槽孔保留，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果有一低通濾波器模 態(tài)，如圖15,實(shí)線為模擬部分，虛線為實(shí)作結(jié)果， 有此可判斷出背面槽孔影響低頻部分可藉此調(diào)整以上正面微帶線及背面槽孔結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)，證 明我

13、們的假設(shè)是正確的。desig n parameters#圖13.正面模擬與實(shí)作結(jié)果由圖12可知，正面部分保留，背面接地實(shí)驗(yàn) 結(jié)果有一高通濾波器模態(tài)，如圖13,實(shí)線為模擬部分，虛線為實(shí)作結(jié)果，由此可判斷岀正面為影 響高頻部分可藉此調(diào)整高頻頻帶。圖14.背面槽孔結(jié)構(gòu)圖W14L11W21L28.4W34.6L38.8W34.6L61W43L49.8W50.6L51.6Unit : mm-6023456Frequency(GHz)o20-40-kbdrr pr e m a so結(jié)論圖16.模擬與實(shí)作結(jié)果圖16為表3參數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，虛線為模擬部份，實(shí)線為實(shí)作結(jié)果及其頻帶3.1到4.8 GHz頻段，實(shí)作的結(jié)

14、果比模擬的Q值效果更佳。本文主要在探討以微帶線來設(shè)計(jì)及實(shí)作超寬 頻帶拒濾波器，以單一電路來提供濾波效果，達(dá) 成電路尺寸微小化並降低價格。第二章將 RT/Duroid 5880基板轉(zhuǎn)換成 FR4,得知中心頻率後即可用Txline軟體轉(zhuǎn)換城我們需要的大小，並且了解LC電路架構(gòu)圖如何對應(yīng)於低通微帶線圖， 這樣有助於實(shí)驗(yàn)研究。第三章則是各參數(shù)探討， 瞭解微帶線上各電感、電容效應(yīng)所影響的頻段。由於本濾波器架構(gòu)特別適合於超寬頻設(shè)計(jì)，而目前在超寬頻（UWB通訊上，通帶內(nèi)常需濾除某 特定之無線電通訊頻帶，以避免彼此通訊干擾。將其帶拒設(shè)計(jì)為涵蓋 3.1GHz10.6GHz與 3.1GHz4.8GHz之超寬頻頻率範(fàn)圍，且可抑制 UWB 上的雜訊。10#345Freque ncy(GHz)aa-40B dLr el e m a ap s-50參考表3調(diào)整L3分別為8.8 mm、8.3 mm、9.3mm，我們可以得知低頻部分在8.3 mm時與原本的8.8 mm頻寬更大，反之，調(diào)整為9.3 mm