射頻濾波器的設(shè)計(jì)與仿真設(shè)計(jì)

1、 射頻濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 摘要 射頻濾波器，主要用于電子設(shè)備、頻率高工作更大的衰減高頻電子設(shè)備產(chǎn)生的干擾信號(hào)。射頻濾波器是最基本射頻設(shè)備。能夠由微帶線組成，也能夠由電阻,電容等組成。 由實(shí)踐可知，很多射頻系統(tǒng)中的元件不存在準(zhǔn)確頻率選擇性，因此往往需要添加濾波器，用來(lái)極其準(zhǔn)確地完成設(shè)定的選擇特性，所以對(duì)射頻濾波器的設(shè)計(jì)有重要的意義。在射頻有源電路的各級(jí)之間都可以借助濾波器對(duì)射頻信號(hào)進(jìn)行隔離、選擇或是重新組合。 在設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)，需要對(duì)高頻信號(hào)在特定頻率或頻段內(nèi)的頻率分量做放大或衰減處理。這是十分重要的任務(wù)，因此本文將重點(diǎn)研究如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)的射頻電路射頻濾波器。關(guān)鍵詞：射頻，微波濾波器，微

2、帶線，workbench ,Advanced Design System； The design and simulation of radio frequency filters ABSTRACT Rf filter, mainly used in electronic devices, high frequency work greater interference signal attenuation of high frequency electronic device. Rf filter is the most basic radio frequency devices. Can

3、consist of microstrip line, also can by resistance, capacitance, etc. The practice shows that a lot of rf components do not exist in the system accurate frequency selective, so often need to add the filter, used extremely accurately complete set of selected features, so the design of rf filter has a

4、n important significance. Between active rf circuit at all levels can use filter to segregate, choice or rearrange the rf signal. In analog circuit design, the need for high frequency signal at a particular frequency or frequency component in the spectrum for amplification or decay process. It is ve

5、ry important task, so this article will focus on how to design and implement the task of rf circuit, rf filter. Keywords: Rf, Microwave filter, Microstrip line, The workbench; ADS; 目 錄第一章 緒論11.1 課題研究的背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外濾波器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)21.2.1 國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀21.3 論文組織3第二章 射頻濾波器42.1 濾波器的分類42.2 濾波器的主要參數(shù)42.3 濾波器的綜合設(shè)計(jì)

6、和分析方法62.3.1 綜合設(shè)計(jì)方法62.3.2 分析方法72.4 常見的射頻濾波器7第三章 worhbench設(shè)計(jì)與仿真93.1 workbench軟件介紹93.2 模擬帶通濾波器設(shè)計(jì)93.2.1 設(shè)計(jì)目的93.2.2 設(shè)計(jì)要求93.3濾波器的設(shè)計(jì)原理及組件選擇93.3.1 濾波器介紹93.3.2 有源濾波器的設(shè)計(jì)103.3.3 濾波器類型的選擇分析103.3.4 741運(yùn)算放大器123.4.workbench電路仿真設(shè)計(jì)133.4.1 仿真電路圖：13第四章 微帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真164.1 微帶線164.1.1 微帶線傳輸?shù)闹髂?64.1.2 微帶線的特性參量164.2 耦合微帶線164

7、.3 微波諧振器184.3.1 微波諧振器的基本參量184.3.2 諧振腔的等效電路204.4 基本阻抗匹配理論204.4.1 匹配電路的概念和意義204.4.2 射頻電路匹配網(wǎng)絡(luò)214.5 微帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真21 4.5.1 微帶濾波器的基本原理214.5.2 微帶耦合濾波器的設(shè)計(jì)224.5.3 電路參數(shù)設(shè)置224.5.4 原理圖仿真234.5.5 濾波器電路的優(yōu)化254.6 本章小結(jié)28參考文獻(xiàn)：29 第一章 緒論 1. 1課題研究的背景及意義 根據(jù)電氣和電子工程師協(xié)會(huì)對(duì)于頻譜劃分的方式，通常把頻30MHz,-4GHz的頻段范圍稱為射頻，另外處于300MHz300GHz的頻段范圍。叫做

8、微波。低頻率比微波叫做窄頻帶,主要包含長(zhǎng)、中、短等波、無(wú)線電頻率(rf)在最廣泛意義的是指300千赫 300GHZ頻段范圍內(nèi)的電磁波,射頻和微波頻段。過(guò)往的若干年期間，射頻和微波在系統(tǒng)中的應(yīng)用呈上升形式，其中原因主要由以下幾個(gè)方面：高頻帶帶來(lái)了寬帶的效應(yīng)；小體積的系統(tǒng)受益于相對(duì)小尺寸的器件；有更多可利用而且不擁擠的頻譜；短波長(zhǎng)促進(jìn)了雷達(dá)系統(tǒng)的高分頻率；比較寬敞的信號(hào)之間，它們之間的干擾也小；運(yùn)行速度較高； 電子設(shè)備工作的快速發(fā)展,越來(lái)越多的高頻電磁干擾頻率、頻率干擾一般會(huì)達(dá)到幾百兆赫,甚至上GHz。由于電壓或電流的頻率越高,輻射會(huì)更有可能,它是高頻干擾信號(hào)輻射干擾問(wèn)題日益嚴(yán)重。因此,需要一個(gè)輻

9、射衰減的高頻信號(hào)有較大的filter。 由于衛(wèi)星、移動(dòng)和無(wú)線技術(shù)的不斷發(fā)展,微波濾波器已變成射頻微波領(lǐng)域的一個(gè)極其關(guān)鍵的部分。軍事電子設(shè)備和國(guó)內(nèi)電子設(shè)備都需要不同的形式,射頻微波濾波器的功能多樣性。因?yàn)槊總€(gè)濾波器普遍都存在自身的長(zhǎng)處和不足,并依據(jù)實(shí)際使用和相對(duì)的技術(shù)指標(biāo)對(duì)所需求的濾波器選擇是必要的。 1.2國(guó)內(nèi)外濾波器的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)121國(guó)內(nèi)外濾波器的發(fā)展現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r：國(guó)外： 在二十世紀(jì)初,美德的專家發(fā)明了LC濾波器,緊接著誕生了首個(gè)多回路復(fù)用系統(tǒng);在1950年,日漸完善了無(wú)源濾波器的發(fā)展,在60年代,濾波器正是隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、集成技術(shù)和材料工業(yè)的發(fā)展而邁向了相比之前更高水平,在向

10、功率損耗低、高精度,小體格,多重功用,穩(wěn)定,可靠性強(qiáng)以及便宜的價(jià)格的趨向發(fā)展;1978年,單片RC有源濾波器;隨后幾年,致力于鉆研各種新式的濾波器,不遺余力提高性能和擴(kuò)張使用范圍;90年代,著重從事各種濾波器和各種產(chǎn)品的開發(fā)和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)： 大規(guī)模應(yīng)用濾波器是從50年代后期開始的,當(dāng)它比較多的使用是過(guò)濾以及提交是過(guò)濾的必經(jīng)之路。經(jīng)50多年的發(fā)展,開發(fā)和不斷研究,過(guò)濾技術(shù)已納入國(guó)際發(fā)展速度,但因?yàn)槿狈I(yè)開發(fā)技術(shù)、集成過(guò)程以及材料產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢,導(dǎo)致眾多新類型的濾波器器的開發(fā)使用相比于國(guó)際發(fā)展仍然有一定差距。 在我們國(guó)家,大約1978名教師和研究生開始工作,是真正的自1980年以來(lái),人們的注意。清華

11、大學(xué)在1983年被制成一塊現(xiàn)金流量表,成都大學(xué)工程和工廠,現(xiàn)金流量表還發(fā)展成一段。目前主要是要使用現(xiàn)金流量表應(yīng)用和MOS工藝技術(shù)難題,由于使用者不理解,導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)相關(guān)方面的應(yīng)用不是很常見。 我國(guó)目前的濾波器類型和頻率能夠供大部分設(shè)備使用?？傮w來(lái)說(shuō),目前有源過(guò)濾器的技術(shù)比不上無(wú)源，因此尚未在國(guó)內(nèi)大規(guī)模生產(chǎn)以及使用。可以從以下比例生產(chǎn)使用程序在各種濾波器:LC濾波器的應(yīng)用(50%);晶體濾波器(20%);機(jī)械過(guò)濾器(15%);陶瓷濾波器諧波表面1%;其余的各種過(guò)濾器占13%。根據(jù)這些應(yīng)用程序的使用情況顯示,要使電子產(chǎn)品等產(chǎn)業(yè)在國(guó)內(nèi)形成大規(guī)模的集成,其中濾波器的集成從始自終是一個(gè)關(guān)鍵任務(wù)。 1.3

12、 論文組織論文分為四個(gè)章節(jié)，從第一章開始依次為：第一章，講述射頻濾波器的背景、研究意義以及濾波器的國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r第二章，闡述相關(guān)濾波器的類別、主要參數(shù)、分析方法等，以及常見的幾種射頻濾波器。第三章，簡(jiǎn)單介紹了軟件workbench以及模擬帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理，算法及仿真圖表與分析。第四章，微帶線理論知識(shí)、基本參量，微波諧振器等。ADS軟件仿真及其優(yōu)化。 第二章 射頻濾波器 2.1濾波器的分類 存在許多類型的射頻濾波器,可以從相關(guān)角度進(jìn)行類別劃分?？傮w來(lái)說(shuō)，重要的劃分有下面幾個(gè)： （1）按信號(hào)通過(guò)的頻段可以分為：低通、高通、帶通以及帶阻濾波器，在理想狀態(tài)下，各自的頻率響應(yīng)圖下示： （2）按照不同

13、傳遞函數(shù)的逼近可以分為：巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和橢圓函數(shù)濾波器。這幾種原型濾波器的衰減響應(yīng)如圖。（3） 按照原型可以分為：分布參數(shù)原型濾波器和集總參數(shù)原型濾波器。（4） 按照實(shí)現(xiàn)方式可以分為：無(wú)源、有源、晶體和聲面表波濾波器。 2.2 濾波器的主要參數(shù)1 中心頻率： 以濾波器通頻帶的頻率f0 f0 =(f1和f2)/ 2,f1,f2帶通或帶阻filter左和右相對(duì)衰落頻率點(diǎn)1 dB或3 dB。窄帶filter通常集中在插入損耗的最小點(diǎn)作為中心頻率。2通帶寬度（或帶寬） 是指對(duì)應(yīng)于三分貝衰減的頻率差,表達(dá)式是: =-3 插入損耗 頻譜寬度需要由BWxdB =(f2 - f1)。F1,f2

14、的中心。頻率f0以插入損耗為準(zhǔn),下跌X(分貝)頻率所對(duì)應(yīng)于左邊頻點(diǎn)和右邊頻點(diǎn)。由于filter原始信號(hào)在電路的引入,處于中心或截止頻率的衰減損失特性,比如要求所有帶內(nèi)插入損耗應(yīng)強(qiáng)調(diào)。4 紋波 可以用響應(yīng)幅度最大小值之間的差來(lái)表示衡量通帶內(nèi)信號(hào)響應(yīng)的平坦度情況。單位用dB或奈貝表示。 5回波損耗（或反射損耗） 端口信號(hào)的輸入功率和反射功率之比的分貝數(shù)(dB),為20 log10 |，其中是電壓反射系數(shù)。當(dāng)端口把輸入功率整個(gè)吸收時(shí)所有回波損耗是無(wú)限的6群時(shí)延 波產(chǎn)生的傳輸延遲,它的值是在一定頻率相位(相移)的變化率頻率、一階導(dǎo)數(shù)的頻率的階段。假設(shè)在一個(gè)頻率范圍內(nèi),相位特性曲線是一條直線,然后群延遲

15、是一個(gè)常數(shù),則肯定不能生成失真的信號(hào)包絡(luò)。 在濾波器的這些參數(shù)里、插入損耗和回波損耗,是一個(gè)微波網(wǎng)絡(luò)矩陣(S)和散射矩陣的值,因此能夠考慮把濾波器作為二端口網(wǎng)絡(luò)來(lái)分析。散射矩陣(S)著重反映了端口事件中,入射電壓波和反射電壓波之間的聯(lián)系，所以能夠直接使用矢量分析儀進(jìn)行測(cè)量,還能夠利用網(wǎng)絡(luò)分析計(jì)算。一旦你知道網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù),然后就能夠把它轉(zhuǎn)換為其他矩陣參數(shù)(如阻抗矩陣以及導(dǎo)納矩陣等等)。因此,微波網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)是非常重要關(guān)鍵的一個(gè)參量。微波可以被認(rèn)為是一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，所以利用功率分析的關(guān)系，可如圖（2.2.1）所示： 圖（2.2.1） 圖中， 是入射功率， 是反射功率， 是通過(guò)濾波器的功率， 是負(fù)載

16、功率。根據(jù)能量守恒關(guān)系： =+ 經(jīng)過(guò)濾波器的功率 ，負(fù)載會(huì)吸收掉一部分的功率，即負(fù)載功率 ，因此可以得到： 如果濾波器無(wú)損耗，則=；如果輸入端又無(wú)反射， =0，則= 。和用分貝（dB）表示如下： 再由電壓的關(guān)系分析，假設(shè)(n=1,2）表示入射到 n端口的電壓波振幅，(n=1,2）表示經(jīng)過(guò) n端口反射的電壓波振幅。則通過(guò)入射的電壓波和反射電壓波的關(guān)系就可得出散射矩陣或【S】矩陣： 表示當(dāng)所有端口接匹配負(fù)載時(shí)從i 端口看去的反射系數(shù)； 則為當(dāng)所有端口連接匹配負(fù)載時(shí)從 端口j到端口i的傳輸系數(shù)。 假設(shè)端口2 接匹配負(fù)載，則和 分別表示端口1 和端口2 的功率，與端口電壓成平方關(guān)系，插入損耗IL 是的

17、分貝表示形式。反射系數(shù) 就是 ，回波損耗也就是的dB表示形式。 2.3 濾波器的綜合設(shè)計(jì)和分析方法2.3.1 綜合設(shè)計(jì)方法濾波器的綜合設(shè)計(jì)方式有插入損耗法和鏡像參量法兩種 。插入損耗的方法是使用一個(gè)系統(tǒng)的集成實(shí)現(xiàn)頻率響應(yīng)方法,所以它可以控制在通帶和阻帶相位和振幅特征,設(shè)計(jì)一個(gè)完整的濾波器頻率響應(yīng)。起始的歸一化頻率和阻抗低通濾波器原型,通過(guò)轉(zhuǎn)換,將其轉(zhuǎn)換為所需的濾波器,而且還簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)程度。鏡參數(shù)方法是一種ABCD參數(shù)基于兩端口網(wǎng)絡(luò)分析方法的過(guò)濾輸入/輸入。主要是通過(guò)比較容易的級(jí)聯(lián)兩個(gè)濾波器,從而達(dá)到需要的衰減特性和截止頻率,但是它不提供全部工作頻率范圍內(nèi)的頻率響應(yīng)的具體屬性。其中,插入損耗法便

18、是最常見的現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)的方式。綜合方法如圖（2.2.2）所示： 圖（2.2.2）2.3.2 分析方法濾波器常用分析方法有：微波網(wǎng)絡(luò)理論、微帶線理論、腔體理論、有限元法（FEM）、矩量法（MoM）以及時(shí)域有限差分法。其中微波網(wǎng)絡(luò)理論、傳輸線理論和腔體理論屬于傳統(tǒng)的分析方法，而后面三種則屬于數(shù)值分析方法。 2.4 常見的射頻濾波器現(xiàn)在常見射頻濾波器為下面的幾個(gè)：1體波及聲表面波濾波器特點(diǎn)是插入損耗低、帶外抑制較高、頻率響應(yīng)平坦、體積小、承受功率高、整合兼容性高，另外品質(zhì)因數(shù)高，溫度特性優(yōu)良，因此應(yīng)用比較廣泛，但是主要適合窄帶應(yīng)用。2波導(dǎo)濾波器最早出現(xiàn)，具有低插入損耗、高功率容量、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、良好的

19、頻率選擇性等特點(diǎn)，在射頻頻段體積較大，成本較高。3介質(zhì)濾波器 具有低損耗、高介電常數(shù)、頻率溫度系數(shù)和熱膨脹系數(shù)小、可承受高功率等特點(diǎn)，但是由于工藝水平較低和加工成本過(guò)高，應(yīng)用并不是很普遍。主要包括陶瓷、晶體等濾波器。4同軸線濾波器通帶插入損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊，但當(dāng)工作頻率變高時(shí)，尤其是超過(guò)10GHz 時(shí)，其加工誤差帶來(lái)的的影響是不容忽視的。5微帶濾波器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,體積小,容易和電路集成,容易加工和低成本等。它主要是通過(guò)采用不同的介質(zhì)襯底,形成輸電線路,使其適用的頻率范圍寬。正是由于這些特點(diǎn),它是常見的無(wú)線電頻率濾波器。2.5 本章小結(jié)本章主要寫了濾波器的分類、重要參數(shù)、設(shè)計(jì)方式，以及幾種常見射頻

20、濾波器。分析濾波器的插入損耗和回波損耗兩個(gè)參數(shù),優(yōu)化設(shè)計(jì)濾波器仿真提供了一部分理論基礎(chǔ)。 第三章 worhbench設(shè)計(jì)與仿真 3.1 workbench軟件介紹Electronic Workbench是一種電子電路仿真的軟件，能夠演示各種電路工作狀態(tài)，模擬各種各樣電路以及縮放其顯示出來(lái)的波形。目前Electronic Workbench已經(jīng)是一種經(jīng)典靈巧，比較好用而且能夠準(zhǔn)確描述電路波形的模擬數(shù)字電路仿真軟件。Electronic Workbench包括：函數(shù)發(fā)生器,示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、光譜儀、首先設(shè)計(jì)好電路,連接好電路和儀器,設(shè)定好所有儀器的參數(shù)設(shè)置,調(diào)整電源電壓,開關(guān)電源。它能夠演示各種

21、電路工作的狀態(tài),能夠模擬各種電子電路,能夠放大顯示的波形,能夠仿真數(shù)字電路,模擬電路和數(shù)字電路(線性)與模擬(線性)電路的工作點(diǎn),例如波形、頻率、周期、有效值,等等。 3.2 模擬帶通濾波器設(shè)計(jì)3.2.1設(shè)計(jì)目的 1了解有源濾波器和無(wú)源濾波器的設(shè)計(jì)方式以及內(nèi)容過(guò)程。 2嫻熟的掌握仿真軟件(工作臺(tái)或電路仿真)電路設(shè)計(jì)以及運(yùn)行仿真結(jié)果。 3設(shè)計(jì)電路仿真和微波組件來(lái)構(gòu)建相應(yīng)的電路。 4結(jié)合目前已有的儀器和儀表對(duì)系統(tǒng)調(diào)試。 5掌握理論聯(lián)系實(shí)踐的方法。 3.2.2 設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一個(gè)低通濾波器，是有源二階，并且最高截止頻率為2KHz，通帶電壓放大倍數(shù)為2，當(dāng)頻率為10KHz時(shí)，幅度衰減量高于30分貝。 3

22、.3濾波器的設(shè)計(jì)原理及組件選擇3.3.1濾波器介紹濾波器是一種用于使不同的頻率信號(hào)進(jìn)行分離的組件。濾波器的關(guān)鍵作用是為了抑制不需要的信號(hào),讓其無(wú)法通過(guò)濾波器,只讓需要的信號(hào)通過(guò)。事實(shí)上許多微波組件都有特定的頻率特性,可以使用濾波器的理論進(jìn)行分析。源于集中參數(shù)濾波器理論相對(duì)健全,因此,雖然微波濾波器在很多方面都有自己的特點(diǎn),但是在一定的頻率范圍內(nèi),分析微波濾波器的特點(diǎn),可以使用相應(yīng)的集總等效電路進(jìn)行了分析。因此,對(duì)于很大部分的微波濾波器,能夠采用集總參數(shù)濾波器的設(shè)計(jì)原則以及處理方式，再根據(jù)得到的分析結(jié)果，在具體的微波結(jié)構(gòu)形式中充分顯現(xiàn)?，F(xiàn)在用單端口，雙端口網(wǎng)絡(luò)的理論知識(shí)進(jìn)行微波濾波器的設(shè)計(jì)，開發(fā)

23、。由于在設(shè)計(jì)模擬電路時(shí)，需要對(duì)高頻信號(hào)在特定的頻率或頻段內(nèi)的頻率分量做放大或衰減的處理，因此必須研究如何實(shí)現(xiàn)模擬信號(hào)的濾波。3.3.2 有源濾波器的設(shè)計(jì) 有源濾波器的設(shè)計(jì),它是依據(jù)給定指標(biāo)的要求,確定濾波器的階數(shù)n,選擇相應(yīng)具體的電路形式,計(jì)算電路中每個(gè)元素的具體數(shù)值,對(duì)電路進(jìn)行安裝以及調(diào)試,使濾波器滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的要求,具體內(nèi)容下示：（1）確定濾波器的階數(shù)，主要是由阻帶衰減速率要求來(lái)作為確定依據(jù)。（2）選擇具體的電路形式。（3）建立一個(gè)系數(shù)方程，利用電路的傳遞函數(shù)以及歸一化分母多項(xiàng)式濾波器的傳遞函數(shù)。（4）對(duì)方程組進(jìn)行求解，求出電路中各個(gè)元件的數(shù)值。（5）對(duì)電路進(jìn)行安裝以及調(diào)試,確保電路性能達(dá)

24、到要求的指標(biāo)。3.3.3濾波器類型的選擇分析 我們選擇巴特沃斯濾波器電路。因?yàn)檫@種濾波器的衰減曲線不存在波紋，其特點(diǎn)是通頻帶內(nèi)的頻率響應(yīng)曲線呈最大限度平坦，起伏微乎其微，卻在阻頻帶逐漸降低，直至變成零。由于要求30 分貝/八度,選取二階有源低通濾波器電路,其中n = 2。有源二階low pass filter的電路如圖（3.3.1）所示,壓控電壓源二階濾波電路的特點(diǎn)是:運(yùn)算放大器是同相連接的方式,使濾波器為高輸入阻抗、輸出阻抗很低,濾波器等效為電壓源,它的優(yōu)勢(shì)是電路性能穩(wěn)定,增益只需要簡(jiǎn)單的調(diào)整。 圖（3.3.1） 在集成運(yùn)算放大器輸出之間的集成運(yùn)放同相輸入之中接入一個(gè)負(fù)面的反饋,處于不同的頻

25、段,其反饋的極性也是不一樣的,當(dāng)信號(hào)頻率f > > fc截止頻率(fc),每級(jí)RC電路的移相- 90度,兩個(gè)級(jí)別的RC電路的相移- 180度,電路的輸出電壓和輸入電壓反相,所以通過(guò)電容C引到集成運(yùn)算放大器同相位的端口的反饋是負(fù)面的反饋,反饋信號(hào)會(huì)減弱輸入信號(hào)的作用,減少電壓放大倍數(shù),所以反饋將使二階有源低通濾波器快速衰減振幅高頻率端的頻率特征,只讓低頻信號(hào)通過(guò)。巴特沃斯低通濾波器的性能·參數(shù)公式是: 公式中是通帶內(nèi)的電壓放大倍數(shù)，Q是品質(zhì)因子，是截止角頻率，。 電路元器件值表 截止頻率=2Khz，C=0.01uF;增益=2，=C=0.01uF;為了得到相對(duì)應(yīng)的電阻值，需要

26、求出k值，由k值與相應(yīng)的相乘求得R；而K=100/（*C）.我們?nèi)=5，由公式及電路元器件值表中Av=2得R1=1.126*5=5.63k，取R1為5.6k；R2=2.25*5=11.25k，取R1為11k；R3=R4=33.76k，取33k。將其代到設(shè)計(jì)值，則可以得到相應(yīng)的電路圖，如圖（3.3.2）所示： 圖（3.3.2） 低通filter實(shí)驗(yàn)的電路圖3.3.4.741運(yùn)算放大器 741高增益運(yùn)算放大器741芯片是增益運(yùn)算放大器，往往在軍工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，,例如單片硅集成電路可以提供輸出短路保護(hù)以及閉鎖自由操作。其中： 第2管腳是負(fù)輸入端；第3管腳是同相位端口中的輸入端；第

27、4管腳是負(fù)直流源輸入端，第7管腳是正直流源輸入端；第6管腳為輸出端；第8管腳是懸空端；第1和第5管腳則是為了提高運(yùn)算中的精度。在操作之前,應(yīng)該首先把直流輸出電位調(diào)零,確保在輸入為零的時(shí)候,輸出是零,當(dāng)運(yùn)算放大器輸入外部有零終端接入時(shí),可以按照需求的組件連接調(diào)零電位計(jì)R3，在調(diào)整為零,將輸入端接地，電位器R3接入調(diào)零端,輸出電壓與直流電壓表測(cè)量Uo,仔細(xì)調(diào)整電位器,讓Uo變?yōu)榱?失調(diào)電壓為0)。 3.4.workbench電路仿真設(shè)計(jì)3.4.1仿真電路圖： 圖（3.4.1） 有源低通filter仿真電路 在仿真軟件workbench對(duì)其電路進(jìn)行仿真工作后，得出濾波器的頻域特性曲線，可以得到最后的

28、仿真結(jié)果，如下圖（3.4.2）所示： 圖（3.4.1）從圖（3.4.1）中可以看出，該設(shè)計(jì)所需要的仿真效果大致達(dá)到。 第四章 微帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 4.1微帶線 微帶線作為最廣泛應(yīng)用于微波傳輸線的集成電路。它可以印刷在非常薄的介質(zhì)襯底,它的橫截面積大小與波導(dǎo)相比,同軸電纜要小很多。與其它波導(dǎo)相比,同軸電纜組件,大大減少體積,重量,大大簡(jiǎn)化了電路的技術(shù)和結(jié)構(gòu)。它是一種準(zhǔn)TEM波傳輸線,計(jì)算更為復(fù)雜,但結(jié)構(gòu)相對(duì)比較簡(jiǎn)單。由于它是方便安裝以及調(diào)試、電路過(guò)渡程度高,所以是選擇射頻|微波電路的設(shè)計(jì)的首要選擇。微帶結(jié)構(gòu)主要用于做低阻抗傳輸線，為了保證信號(hào)傳輸時(shí)的低功率損耗，低遲延，在選擇基板材料時(shí)，需要

29、選擇介電常數(shù)合適的，另外介質(zhì)損耗角的正切需要比較小，要對(duì)其進(jìn)行嚴(yán)格尺寸計(jì)算和加工。4.1.2微帶線傳輸?shù)闹髂ＮЬ€的空氣介質(zhì),是雙導(dǎo)體系統(tǒng),并且導(dǎo)體周圍存在統(tǒng)一的空氣,所以它可以無(wú)色散三TEM模式存在。但事實(shí)上介質(zhì)基片微帶線生產(chǎn),盡管它仍然是雙導(dǎo)體系統(tǒng),卻源于空氣介質(zhì)和介質(zhì)界面的存在,讓問(wèn)題變得比較復(fù)雜化。利用電磁場(chǎng)理論,可以證明得到在兩種不一樣介質(zhì)的傳輸系統(tǒng)中,純TEM模式是不存在,只存在TE模式和TM模式的混合模式。但在微波頻率低的頻段,由于存在弱色散現(xiàn)象,傳輸模式只能類似于TEM模式。所謂準(zhǔn)TEM模式。4.1.3微帶線的特性參量,微帶線通常工作在弱色散區(qū),它的工作模式,TEM模式的分析根

30、據(jù)分析,一種“準(zhǔn)靜態(tài)分析”的方式。有之前分析可知TEM模傳輸線的特性阻抗，它的計(jì)算表達(dá)公式為： 因此只需要一個(gè)微帶線的相速度和單位長(zhǎng)度電容分布,就可以計(jì)算出微帶線的特性阻抗。 4.2耦合微帶線當(dāng)兩組平行的傳輸線之間相互接近的時(shí)候，相互會(huì)生成電磁能量耦合，這兩組傳輸線就構(gòu)成了耦合微帶線。 耦合微帶線橫截面耦合分析的傳輸電路,由于復(fù)雜的邊界條件,使用場(chǎng)解法一個(gè)方法更麻煩,經(jīng)常用奇偶模法進(jìn)行了分析,即疊加定理分析。耦合微帶線、電場(chǎng)的分布條件下的奇偶模激勵(lì)如下圖所示:源于奇.偶模的場(chǎng)分布不一樣，因此單位長(zhǎng)度上對(duì)地的奇偶模分布電容也不一樣，通常以和來(lái)表示。利用傳輸線的理論很容易給出耦合微帶線的奇偶模特性

31、阻抗，各自的表達(dá)式為： 對(duì)于耦合微帶線，源于四周存在非均勻的介質(zhì)，奇偶模的相速并不相等。與分析微帶線一樣，可以把奇偶模等效相對(duì)介電常數(shù)分別當(dāng)做和。運(yùn)用準(zhǔn)靜態(tài)分析法即可以得到相對(duì)介電常數(shù)分別是(空氣)和介質(zhì)基片的耦合微帶線中每條導(dǎo)帶單位長(zhǎng)度上對(duì)地的奇偶摸分布電容(1),(1)和()，（），則耦合微帶線奇偶模的 等效相對(duì)介電常數(shù)分別是 ， 耦合微帶線奇偶模的相速度和相波長(zhǎng)分別為 ， ， 耦合微帶線的奇偶模特性阻抗與尺寸/h，s/h的關(guān)系曲線 4.3微波諧振器微波諧振器也被稱為微波諧振腔,廣泛應(yīng)用于微波信號(hào)源。微波濾波器和波長(zhǎng)計(jì)中。它相當(dāng)于LC諧振電路的低頻集總參數(shù),是一種基本的微波組件。速調(diào)管諧振

32、器,磁控管微波管的一個(gè)重要組成部分,等等。微波諧振器可以使輸電線路兩端的兩端短路或開路，傳輸線的電磁波以駐波分布,所以電磁能量不能傳輸,只有來(lái)回波動(dòng)。所以微波諧振器作為微波組件是有存儲(chǔ)能量和頻率選擇性的特點(diǎn)。4.3.1微波諧振器的基本參量諧振頻率諧振頻率是指諧振腔里這種模·式的場(chǎng)量發(fā)生振蕩時(shí)的頻率，用諧振波長(zhǎng)也可以表示。諧振頻率是概述諧振器中電磁能量振蕩規(guī)律的參數(shù)。品質(zhì)因數(shù)Q微波諧振腔的品質(zhì)因數(shù)Q是一個(gè)重要的參數(shù),它表示諧振器選擇性的優(yōu)點(diǎn),能量損失的大小,定義為： 式中：諧振器中的儲(chǔ)能； 諧振器中的損耗功率。在發(fā)生諧振時(shí)，諧振器中電磁場(chǎng)的總儲(chǔ)能是： V諧振器的體積；，諧振器內(nèi)煤質(zhì)的介

33、電常數(shù)和磁導(dǎo)率。諧振器的功率虧損一般主要是導(dǎo)體虧損，它可以下式計(jì)算 式中：S諧振器內(nèi)部導(dǎo)體的表面區(qū)域 導(dǎo)體內(nèi)表面電阻 內(nèi)導(dǎo)體表面電流線性密度 導(dǎo)體內(nèi)表面的切向磁場(chǎng)將和代入式中，可得： 上述中=,為導(dǎo)體的電導(dǎo)率，是導(dǎo)體表面的集膚深度，為，故,因此有 4.3.2諧振腔的等效電路事實(shí)上微波諧振器都是具有耦合結(jié)構(gòu)的。假如只存在唯一一個(gè)耦合腔的結(jié)構(gòu)那么可以相當(dāng)于一個(gè)單端口網(wǎng)絡(luò);如果具有輸入/輸出耦合結(jié)構(gòu)則相當(dāng)于兩端口網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)橛旭詈系闹C振腔利用長(zhǎng)解法很難得到工藝設(shè)計(jì)知識(shí)的要求,所以經(jīng)常使用網(wǎng)絡(luò)分析方法,即將有耦合的諧振腔分成耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔兩個(gè)部分然后找出他們的等效電路。任何形式的耦合諧振器,可以分解成

34、耦合電路和諧振的組合電路,極大地簡(jiǎn)化了問(wèn)題的分析。單個(gè)諧振腔的等效電路單模工作時(shí)的微波諧振腔能夠看做是相應(yīng)的RLC串聯(lián)諧振回路或是GLC并聯(lián)諧振回路。對(duì)于串聯(lián)諧振回路，其輸入阻抗為 式中：=1/諧振角頻率； R輸入阻抗的實(shí)部； X=L-共振時(shí)，輸入阻抗的虛部應(yīng)為零。諧振腔在外電路中表現(xiàn)出的輸入阻抗在窄帶內(nèi)如果具有這樣類似的特性，則可以等效為串聯(lián)諧振回路。 4.4 基本阻抗匹配理論 4.4.1 匹配電路的概念和意義在源和負(fù)載之間添加一個(gè)無(wú)源無(wú)損秏網(wǎng)絡(luò)用來(lái)實(shí)現(xiàn)源和負(fù)載的匹配，這種無(wú)源網(wǎng)絡(luò)稱為匹配電路。匹配電路的功能就是將一個(gè)阻抗變換到另外一個(gè)想要的阻抗上去。匹配電路的含義是當(dāng)源和負(fù)載阻抗不匹配,通

35、過(guò)設(shè)計(jì)一個(gè)合適的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)負(fù)載和電源阻抗之間的轉(zhuǎn)換,得到較小的輸電損失。實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸,必須是負(fù)載阻抗和源阻抗之間匹配。 4.4.2 射頻電路匹配網(wǎng)絡(luò) 在射頻系統(tǒng)中，匹配電路的設(shè)計(jì)不是采用單一的匹配指數(shù)，匹配電路不僅要滿足功率傳輸，還可能要滿足噪聲因數(shù)、最好的工作頻率、功率容量等。在不同的最優(yōu)指標(biāo)的要求電路的設(shè)計(jì)是不同的。在設(shè)計(jì)射頻電路匹配網(wǎng)絡(luò)時(shí)，往往有許多方面的因素會(huì)影響到匹配電路設(shè)計(jì)的性能指標(biāo)，當(dāng)然在這些眾多的影響因素中，主要是通過(guò)電路的簡(jiǎn)單性、連接電路的種類以及是否可調(diào)節(jié)這三方面來(lái)設(shè)計(jì)、搭建最佳匹配電路。 4.5 微帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 4.5.1 微帶濾波器的基本原理1. 基本原理：微

36、帶濾波器有很多類型，其中最常用、最普遍的就是耦合微帶線濾波器,由多個(gè)長(zhǎng)度為四分之一波長(zhǎng)的耦合線節(jié)組成，在所需要的頻點(diǎn)形成諧振，構(gòu)成濾波器的頻率響應(yīng)特性。它是由平行的耦合線連接而成,構(gòu)成諧振電路。構(gòu)成微帶耦合濾波器的為單個(gè)的耦合線節(jié)單元組成。這種單獨(dú)耦合線單元非但具備典特有的帶通濾波器特性，而且單獨(dú)的耦合線節(jié)單元的頻率響應(yīng)該具有周期性。對(duì)此而言，在工作時(shí)，具備帶通濾波器特性的耦合線節(jié)單元應(yīng)該盡量限定使用高頻為了避免高頻寄生通帶響應(yīng)。使用單個(gè)的耦合線節(jié)單元,不足以產(chǎn)生一個(gè)優(yōu)良的響應(yīng)，也不能提供一個(gè)陡峭的帶通filter阻帶。所以在這樣的情況下，通常會(huì)采用數(shù)個(gè)耦合線節(jié)單元之間的級(jí)聯(lián)來(lái)組成工作的濾波器

37、。2. 設(shè)計(jì)指標(biāo)本節(jié)將構(gòu)思一個(gè)微帶耦合型的帶通濾波器，具體的設(shè)計(jì)指標(biāo)如下：通帶2.3-2.5GHz，主要由濾波器的參數(shù)決定。在通帶內(nèi)，濾波器的衰減量要低于2dB；低于1dB的起伏，由濾波器的s21參數(shù)決定。在通帶之外的頻率段設(shè)定指標(biāo)，具體是低于2.1GHz和高于2.7GHz的部分衰減量高于40dB，主要由濾波器的s21參數(shù)決定。端口反射系數(shù)低于-20分貝，由filter的s11決定。針對(duì)上述提出的設(shè)計(jì)指標(biāo)，在開始電路設(shè)計(jì)當(dāng)中，關(guān)鍵是對(duì)filter的s參數(shù)進(jìn)行分析，用濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標(biāo)開始仿真。（）作為傳輸參數(shù)，濾波器通帶，阻帶的具體位置以及衰減程度，起伏大小都可以通過(guò)（）隨頻率變化的曲

38、線中看到。（）參數(shù)是輸入和輸出端口的反射系數(shù),從而能夠算出輸入和輸出電壓駐波比，假如反射系數(shù)過(guò)于大，反射損耗將會(huì)變大，而后導(dǎo)致前后系統(tǒng)級(jí)配置的影響,系統(tǒng)性能受到下降影響。4.5.2微帶耦合濾波器的設(shè)計(jì)1設(shè)計(jì)原理圖 圖（4.5.1） 加入MLIN的電路原理圖4.5.3電路參數(shù)設(shè)置對(duì)于微帶線電路，對(duì)兩種類型的參數(shù)需要逐個(gè)進(jìn)行設(shè)置，它們是尺寸參數(shù)和電氣參數(shù)。 圖 （4.5.2） 微帶線計(jì)算工具窗口3仿真參數(shù)設(shè)置1. 在ADS元件庫(kù)中選取一個(gè)S參數(shù)仿真控制器，將其放入到電路圖當(dāng)中。 雙擊S參數(shù)模擬仿真控制器，按照以下的要求設(shè)置其中的參數(shù)： Start=1.9GHz，表示頻率掃描的起始頻率為2.7GHz； Stop=2.9GHz，表示頻率掃描的終止頻率為3.4GHz； Step=10MHz，表示頻率掃描的頻率間隔為10MHz。 圖（4.5.3） 最終仿真原理圖4.5.4原理圖仿真 圖（4.5.4） 濾波器的s21參數(shù)設(shè)置 圖（4.5.5） 濾波器的s11參數(shù)設(shè)置 4.5.5濾波器電路的優(yōu)化 如上述圖（4.5.4）和圖（4.5.5）可以看到S（2,1）參數(shù)，雖然看到濾波器的通帶正常，但是由于通帶內(nèi)波紋較大，而且在圖中標(biāo)注的地方最大衰減達(dá)到了-10.877dB，不滿足設(shè)計(jì)要求；同樣的方式插入S（1,1），可見在通帶內(nèi)反射系數(shù)較大，信號(hào)會(huì)有較大衰減，也達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。考慮到這種情況，只能對(duì)