微帶帶通濾波器的設計和實現(xiàn)電子信息工程畢業(yè)設計論文

1、本科畢業(yè)論文（設計）題目微帶帶通濾波器的設計和實現(xiàn)姓 名： 許小晶學號： 20081004182院（系）: 機械與電子信息學院 專業(yè):電子信息工程指導教師：嚴彬職稱：講師評閱人：殷蔚明職稱：副教授2012 年 _6_ 月本科生畢業(yè)論文（設計）原創(chuàng)性聲明本人以信譽聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設計）是在導師指導下進行的研究 工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確 標注出，論文中的結論和結果為本人獨立完成，不包含他人成果及為獲得中國 地質大學或其他教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志 對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。畢業(yè)論文作

2、者（簽字）：簽字日期：2012年 月 日近幾年隨著商用無線通信的迅猛發(fā)展，射頻/微波電路越來越得到重視和發(fā)展。微帶帶 通濾波器作為微波器件的一種也得到了大力的發(fā)展，尤其是在接收機前端。帶通濾波器即 BPF(ba nd-pass filter )是一個允許特定頻段的波通過同時屏蔽其他頻段的設備，一個 理想的帶通濾波器應該有一個完全平坦的通帶，另外，通帶外的轉換在極小的頻率 范圍完成。帶通濾波器在無線通訊、圖像處理和遙控遙感等各方面得到重要應用。因此， 發(fā)展高性能，研究小型化的帶通濾波器是當前非常受關注的課題。本文首先介紹了微波濾波器的應用和當前的研究情況。然后介紹了濾波器的理論基礎 和重要參數(shù)。

3、最后該論文基于仿真軟件 ADS和公式的基礎上，介紹了微帶線帶通濾波器的 設計方法，同時借助ADS軟件對所設計的微帶線濾波器進行了仿真和優(yōu)化，最終得到比較 理想的微帶線濾波器。在進行原理圖設計、仿真和優(yōu)化的過程中，重點內(nèi)容是原理圖的繪 制和S參數(shù)的優(yōu)化。在已知公式和表格的基礎上，能夠計算出濾波器的各種參數(shù)，禾U用這 些參數(shù)能夠繪制原理圖；S參數(shù)的優(yōu)化主要是優(yōu)化范圍的修改和一個不斷重復的過程。本 次設計所完成的濾波器如下：通帶1.9 2.0 GHz帶內(nèi)衰減小于2dB,起伏小于1dB, 1.7GHz 以下及2.2GHz以上衰減大于40dB試驗結果表明，基于微波仿真軟件ADS勺微帶線帶通濾波器能夠順利

4、實現(xiàn)，并且重要 參數(shù)能夠較好的控制在所要求的范圍內(nèi)。關鍵詞：微帶線微帶帶通濾波器仿真軟件ADSAbstractIn recent years, along with the high developme nt of wireless com muni cati on in bus in ess. Microwave RF circuithas bee n attracted more andmore atte nti on andalso got many achieveme nts. At the same time, as one of the importa nt microwave c

5、omponents, the microstrip band-pass filters also developed rapidly in recent years. Especially, the microwave BPFdirectly in flue nces the Performa nces of the receivers. Ban d-pass filter n amely BPF(ba nd-pass filter) is a device which allow specific frequency range and shield other range. A ideal

6、 band-pass filter has a completely flat passba nd and the tran siti on should be in a infin itesimal freque ncy ran ge. Ban d-pass filter get a wide range of applicatio ns in many direct ions such as wireless com muni cati on, image process ing and remote sensing. An So, develop high Performa nee, s

7、tudy mini aturized microwave filter is a hot topic in no wadays.At first, this paper introduces the application of microwave filters,and thecurre nt state of study ing the filters. Then in troduces the theory basis and important parameter. With the software ADS and the formula, this paper also well

8、design a microstrip band-pass filter. At the same time also do the simulation and opti min ati on with the help of ADS. Fin ally we get a relatively ideal microstrip filter. In the process of designingthe schematic diagram, simulating andoptimizing, the point is to draw the elementary diagram and op

9、timize parameter S. Based on the formula and diagram known, we can calculate all the parameters of the filter. With that, we can draw the schematic diagram. The optimiz ing of the parameter S mainly includes the modification of the optimization s sphere and its repetition. The filters this design co

10、ntains are as follows: Pass band 1.9-2.0GHz, in the belt weakensis smaller than 2dB, the fluctuationis smaller than below above1dB, 1.7GHz and 2.2GHz weake ns is bigger than 40dB.The experime ntal shows that microstrip ban d-pass filter based on microwave circuit simulatio n software ADS is effectiv

11、e, and the importa nt parameter can be con trolled in the required limits.Keywords: microstrip, microstrip ban d-pass filter, ADS TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 第1章引言 1 HYPERLINK l bookmark6 o Current Document 1.1 課題背景和意義 1 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 1.2 微帶濾波器國內(nèi)

12、外研究情況 2 HYPERLINK l bookmark10 o Current Document 第2章帶通濾波器設計理論 4 HYPERLINK l bookmark14 o Current Document 2.1 濾波器的分類 4 HYPERLINK l bookmark16 o Current Document 2.2 帶通濾波器的主要參數(shù) 4 HYPERLINK l bookmark18 o Current Document 2.3帶通濾波器的設計原型 5 HYPERLINK l bookmark30 o Current Document 2.4 原型濾波器的元件值的歸一化及其計算

13、 7 HYPERLINK l bookmark56 o Current Document 2.5微帶線 8 HYPERLINK l bookmark70 o Current Document 第3章帶通濾波器的重要指標及優(yōu)化原則 9 HYPERLINK l bookmark72 o Current Document 3.1奇模和偶模特征阻抗 9 HYPERLINK l bookmark74 o Current Document 3.2S 參數(shù) 10 HYPERLINK l bookmark84 o Current Document 3.3ADS介紹及優(yōu)化原則 12 HYPERLINK l bo

14、okmark86 o Current Document 第4章 帶通濾波器的設計與優(yōu)化 13 HYPERLINK l bookmark88 o Current Document 4.1設計指標 14 HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 4.2原理圖設計 14 HYPERLINK l bookmark94 o Current Document 4.2.1低通濾波器原型的參數(shù)的計算 14 HYPERLINK l bookmark110 o Current Document 4.2.2奇模和偶模特性阻抗的計算 16 HYPERLINK l bookma

15、rk118 o Current Document 4.2.3微帶線尺寸的計算 16 HYPERLINK l bookmark126 o Current Document 4.2.4原理圖的繪制 18 HYPERLINK l bookmark128 o Current Document 4.3原理圖仿真及優(yōu)化 19 HYPERLINK l bookmark162 o Current Document 4.4版圖仿真 25 HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 4.5后期需要改進的地方 27結束語 29 HYPERLINK l bookmark172

16、 o Current Document 參考文獻 31中國地質大學(武漢)學士學位論文 中國地質大學(武漢)學士學位論文 第1章引言 1.1課題背景和意義科學技術的發(fā)展使得人類社會進入了信息時代，信息時代的主要標志之一就是信息的 快速廣泛的傳遞。信息傳遞必須通過兩種方式：有線傳輸方式和無線傳輸方式。目前的固 定電話、有線電視、有線互聯(lián)網(wǎng)絡都屬于有線傳輸。移動通信、衛(wèi)星通信屬于無線通信。 隨著科學技術的進一步發(fā)展，人類對通信的需求越來越高，無線通信技術將發(fā)揮越來越重 要的作用。圖1-1是一種典型的移動電話射頻電路方框圖，圖中的虛線部分表示在該無線 通信設備中的濾波元件。從圖中可以看出，信號的接收

17、和發(fā)射都離不開濾波器，它們的尺 寸以及工作性能直接影響整個無線通信設備的體積以及工作性能。I圖1-1 一種典型的移動電話射頻方框圖無線通信技術和集成電路技術的迅猛發(fā)展，對無線通信電子設備提出了更高的要求， 集成化、小型化、高可靠性已經(jīng)成為無線通信系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢，這就要求電路在滿足 電氣性能的同時，盡可能減少電路占用空間1。為適應這一發(fā)展趨勢，近年來出現(xiàn)了多芯 片組件(MCM)、片上系統(tǒng)(SOC)、封裝系統(tǒng)(SOP)等新的封裝形式。這些新的封裝形式，通 過將不同信號的集成電路高密度地混合集成在一起，能夠有效地減小系統(tǒng)的體積，從而實 現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)的小型化。目前，隨著半導體技術的發(fā)展，無線通

18、信系統(tǒng)中的有源電路 已經(jīng)實現(xiàn)了微型化并且能夠有效地采用現(xiàn)代封裝技術進行集成。而系統(tǒng)中的天線、濾波器、 耦合器等無源電路盡管可以在一定程度上集成在現(xiàn)代封裝系統(tǒng)中，但是，由于其工作性能 的特殊要求及其特定的工作原理，還不能從設計上完全實現(xiàn)小型化，仍然面臨著小型化、 高性能化的關鍵技術難題。采用傳統(tǒng)方法設計的濾波器尺寸一般比較大，在工作性能上也 存在著一定的局限性，往往不能夠滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)的要求，急需從小型化和高性能 設計兩個方面進行改進。目前，國內(nèi)外針對這一研究熱點進行了廣泛的研究，提出了一些 新的設計方法，并且取得了一定的成效。從設計上實現(xiàn)濾波器小型化，不僅可以減小濾波 器自身的尺寸面積，

19、而且更加有利于系統(tǒng)的封裝集成，進一步實現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的小型化。 因此，性能優(yōu)良、高集成度的微波濾波器研究成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)研究中一個十分關鍵 的工作。微帶濾波器因為重量輕、體積小、制造成本低且易于與其他微波電路集成等優(yōu)點 而廣泛應用在無線通信系統(tǒng)中2。 1.2微帶濾波器國內(nèi)外研究情況移動通信產(chǎn)業(yè)驚人的成長速度超出了人們的想象，促進了濾波器的飛速發(fā)展，特別是 固態(tài)化濾波器的發(fā)展，如晶體濾波器、陶瓷濾波器、SAW濾波器、介質濾波器等。市場需 求的巨大動力促使各類濾波器不斷揚長避短、改進提高，在很大程度上已突破了早期的多 種性能、功能或成本局限。近年來，薄膜聲學體波共振技術(FBAR給射頻前端濾波

20、器小型化和集成化帶來一線 曙光。當然，許多問題涉及工藝控制與封裝過程，有待解決。典型的FBAR測試結果顯示， FBAF技術帶來的高Q值和高耦合系數(shù)可與高級的陶瓷的和聲表面波振子相媲美，目前達到 的Q值己超過1000，與基于陶瓷的產(chǎn)品相比，F(xiàn)BAR技術在小型化方面占有絕對的優(yōu)勢， 可實現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品10%勺產(chǎn)品。FBAR的電特性己經(jīng)達到目前CDMA和PCS 陶瓷雙工器的性能標準。為了減小體積，村田公司開發(fā)出MB型片式介質濾波器，它是由2-3個同軸諧振器整塊連體構成，而無需電路基板、耦合器、外罩等。PHS900用最小的2級帶通濾波器僅3.8 X 4.3 X 2.0( mm )，而相對應

21、的2級耦合型介質濾波器只能達7.0 X 8.0 X 3.7( mm )。西門子公司研制的3級整塊聯(lián)體型片式介質濾波器，尺寸規(guī)格僅8.8 X 7.45 X 2.75( mn) 5.75 X 4.0 X 2.95( mn)，適用于 ISM915GPS1500、PCN PCS1800、 PHS1900O W-LAN2450的最小型僅為3.25 X 5.0 X 1.9( mm )。1990年日本住友公司提出 低溫共燒多層介質平面型濾波器的構想。此后，松下、日本、飛利浦、雙信、NGK、JTI等 公司先后開發(fā)出適合于表面貼裝的同類新產(chǎn)品3。隨著信息化浪潮的推進，現(xiàn)代社會產(chǎn)生了巨大的信息要求，通信技術正在向

22、高速、多 頻段、大容量方向發(fā)展。目前移動通信中所使用的主要頻率為 0.8 1.0 GHz全球GSM頻 段分為4段，即850/900/1800/1900MHZ在寬帶移動化方面，IEEE802工作組先后制定了 WLAN和WiMAX?技術規(guī)范，希望能沿著固定、游牧/便攜、移動這樣的演進路線逐步實現(xiàn) 寬帶移動化，常用的WLANI信頻段標準為IEEE 802.11b/g(2.4-2.5GHz) 和IEEE802.11a(5.2-5.8GHz)。為了在移動環(huán)境下實現(xiàn)寬帶數(shù)據(jù)傳輸，IEEE 802.16WiMAX成了寬 帶移動的重要里程碑，促進了移動寬帶的演進和發(fā)展,2.3-2.4GHz和3.4-3.6GH

23、Z頻段均被 劃分為Wi MAX的全球性統(tǒng)一無線電頻段4。這正是S波段的應用，因此如何研究出高性 能，小型化的濾波器是目前電路設計的關鍵環(huán)節(jié)之一。我國移動通信發(fā)展迅速，一方面用戶數(shù)量不斷增長，另一方面用戶要求的業(yè)務種類也 不斷的增加，從話音業(yè)務到短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務，以及將來的移動多媒體業(yè)務。由于用戶超 常規(guī)發(fā)展。現(xiàn)在移動通信系統(tǒng)從GSM到GPRS直至CDMA頻率從原來的幾百赫茲到了現(xiàn) 在的9OOMHz 1.8 GHz、2.4GHz、5.8GHz甚至更高。與此同時對于器件的小型化和高 #中國地質大學（武漢）學士學位論文性能的要求也在不斷提高。在微波波段，濾波器由于其具有小型化、易集成、設計靈活等 優(yōu)

24、點而越來越受到重視。制作的微帶濾波器的插損小、帶邊陡峭度高、帶外抑制大、具有 高靈敏度和高選擇性，在移動通信領域具有廣闊的應用前景。為了在移動設備等器件上獲 得更廣泛的應用，器件小型化已經(jīng)是非常重要的要求，在應用新型材料制作的同時，我們 也利用了微波技術的各種理論通過都對微帶濾波器的結構進行優(yōu)化設計。例如多模微帶濾 波器，類交趾濾波器等。在設計中，可以采用多個相互耦合的微帶線以提高濾波器的耦合 度，降低濾波器的面積，同時，從微帶線的等效分布電感、電容出發(fā)，結合模擬和試驗結 果，提出濾波器的等效LC電路，分析結構參數(shù)，從而減小濾波器的尺寸5。中國地質大學(武漢)學士學位論文 中國地質大學(武漢)

25、學士學位論文 第2章帶通濾波器設計理論論文研究的是使用ADS軟件設計微帶帶通濾波器的解決方案，而帶通濾波器是以低通濾波器為原型設計的。當平行耦合微帶線長度為一時，有帶通濾波器的特性，但其不能4提供陡峭的通帶到阻帶過渡，如果將多個耦合微帶線單元級聯(lián)，級聯(lián)后的網(wǎng)絡可以具有良 好的濾波特性。 2.1濾波器的分類最普通的濾波器有低通、高通、帶通、帶阻衰減特性(如圖 2-1所示)。圖2-1四個普通濾波器的特性曲線可以從不同角度對濾波器進行分類：按功能分，有低通濾波器，高通濾波器，帶通濾波器，帶阻濾波器，可調(diào)濾波器。按用的元件分，有集總參數(shù)濾波器，分布參數(shù)濾波器，無源濾波器，有源濾波器, 晶體濾波器，聲表

26、面波濾波器，等等6。 2.2帶通濾波器的主要參數(shù)絕對衰減(Absolute attenuation):阻帶中最大衰減(dB)帶寬(Bandwidth):通帶的 3dB帶寬(flow fhigh )中心頻率：fc或fo截止頻率：下降沿3dB點頻率每倍頻程衰減(dB/Octave):離開截止頻率一個倍頻程衰減(dB)微分時延(differential delay):兩特定頻率點群時延之差以ns計群時延(Group delay):任何離散信號經(jīng)過濾波器的時延(ns)插入損耗(in sertionloss):當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB帶內(nèi)波紋(passband ripple):在

27、通帶內(nèi)幅度波動，以dB計相移(phase shift):當信號經(jīng)過濾波器引起的相移品質因數(shù)Q(quality factor) :中心頻率與3dB帶寬之比反射損耗(Return loss)形狀系數(shù)(shape factor):定義為 BW 60dB點BW(3dB 點)止帶(stop band或reject band)：對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定 點(如60dB點)的帶寬7。 2.3帶通濾波器的設計原型低通濾波器是帶通濾波器的特例，可作為帶通濾波器設計基礎。兩種常見的低通濾波 器原型：(1)平坦低通濾波器特性曲線(如圖2-2所示):數(shù)學表示式如(2-1)-La(灼)=10lg 1(2

28、-1)(2-1 )中:滿足關系式(2-2):10lg ； 1 二 L&(2-2)N對應于電路所需級數(shù)。特點： = 0處(2n-1)階的導數(shù)=0-1定義為衰減3dB的頻帶邊緣點 切比雪夫低通濾波器特性曲線(如圖2-3所示):圖2-3切比雪夫低通濾波器特性曲線 數(shù)學表示式如(2-3)、(2-4)：La( )=10lg1 +“ ncosLa)=10lg1 +卻仁；1(2-3),(2-4)中；滿足關系式(2-5):10lg ； 1 二 LAr(2-3)(2-4)(2-5)n仍舊是電路里電抗元件的數(shù)目。 特點：帶內(nèi)衰減呈波紋特性LAr定義為等波紋頻帶的邊緣頻率。最大平坦衰減特性曲線與切比雪夫特性曲線比較

29、可以看出:1、若通帶內(nèi)允許的衰減量LAr和電抗元件的數(shù)目n為一定，則切比雪夫濾波器的截止速率更快8。因為其截止陡削，所以常常寧可選擇切比雪夫特性曲線而不取其他的特性曲 線。2、假如濾波器中的電抗元件的損耗較大，那么無論那種濾波器的通帶響應的形狀與無 耗時的比較，都將發(fā)生變化，而在切比雪夫濾波器中這種影響尤其嚴重。3、理論證明了最大平坦濾波器的延遲畸變要比切比雪夫濾波器小。 2.4原型濾波器的元件值的歸一化及其計算目的：提高設計通用性歸一化定義：go = Ro = 1 或 go = Go = 1對于兩端帶有電阻終端的最大平坦濾波器，給定 LAr = 3dB、g0= 1和-= 1，則其原型元件值可

30、以按下式計算：gA =2sin 2k 1, k=1,2,n(2-6)-2ngo =仁 gm =1對于兩端具有電阻終端的切比雪夫濾波器，當其通帶波紋為 LArdB、g0 = 1和=它的原型元件值可按以下各式計算：R (LAr、(2-7)(2-8)B =ln cothj、13.37 丿rp、 Y = sinh l2n丿ak 二 sin 2k，, k=1,2,n(2-9)IL 2n站2*k兀)bk=Y +sin i, k=1,2,n(2-10)in(2-11)2a1g1-4ak 斗akibk7gk4k=2,3,(2-12) 中國地質大學（武漢）學士學位論文 當n為奇數(shù)時,gn=1(2-13)當n為偶

31、數(shù)時,(2-14)gn 丄二 coth2 2.5 微帶線微帶線是位于接地層上由電介質隔開的印制導線，它是一根帶狀導（信號線）9，與地 平面之間用一種電介質隔離開。印制導線的厚度、寬度、印制導線與地層的距離以及電介 質的介電常數(shù)決定了微帶線的特性阻抗。如果線的厚度、寬度以及與地平面之間的距離是 可控制的，則它的特性阻抗也是可以控制的10。單位長度微帶線的傳輸延遲時間，僅僅取 決于介電常數(shù)而與線的寬度或間隔無關帶狀線是介于兩個接地層之間的印制導線，它是一 條置于兩層導電平面之間的電介質中間的銅帶線。它的特性阻抗和印制導線的寬度、厚度、 電介質的介電常數(shù)以及兩個接層的距離有關11。如果線的厚度和寬度

32、、介質的介電常數(shù)以 及兩層導電平面間的距離是可控的，那么線的特性阻抗也是可控的。微帶線特性阻抗如式（3-1）和模型（如圖3-1所示）：(2-15)Zo=_87_in 旦.r 1.41 IL0.8w t丄心=!圖2-4表層微帶線模型其中Zo是微帶線的特性阻抗,W是微帶線寬度，t是微帶線厚度，h是電介質厚 度，；是硬質電路板的相對介電常數(shù) 。與金屬波導相比，微帶線體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本 低等；但損耗稍大，功率容量小。60年代前期，由于微波低損耗介質材料和微波半導體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，使微帶線得到廣泛應用，相繼出現(xiàn)了各種 類型的微帶線。一般用薄膜工藝制造13。介質

33、基片選用介電常數(shù)高、微波損耗低的材料。導體應具有導電率高、穩(wěn)定性好、與基片的粘附性強等特點。中國地質大學(武漢)學士學位論文第3章帶通濾波器的重要指標及優(yōu)化原 貝U在設計帶通濾波器時，設計過程中的重要參數(shù)為奇模和偶模阻抗，這兩個參數(shù)決定了微 帶線的尺寸，進一步?jīng)Q定了濾波器的特性；體現(xiàn)濾波器特性的參數(shù)為 S參數(shù)，優(yōu)化時的對 象即02,優(yōu)化時改變的參數(shù)為微帶線的尺寸，尺寸改變了 S參數(shù)就變化了。波形的仿真 及優(yōu)化都是在ADS軟件中進行的。 3.1奇模和偶模特征阻抗當多根傳輸線相互之間靠得很近的時候，傳輸線之間的電場和磁場將互相交互作用的 更為復雜,傳輸在線的信號切換(switching)狀態(tài)決定了

34、以何種模式的傳輸，這種相互作用 的重要性在于會改變傳輸線有效的特性阻抗和傳輸速率14,特別是當很多非?？拷膫鬏?線同時切換,這種現(xiàn)象尤為嚴重，它會使總線出現(xiàn)特性阻抗和延遲時間產(chǎn)生變化,從而影響 總線的傳輸效能因此,在系統(tǒng)設計中必須考慮到這些方面的影響。當兩根耦合的傳輸線相互之間的驅動信號振幅大小相同但相位相差180度的時候,就是一個奇模傳輸?shù)哪Ｐ汀４饲闆r下，傳輸線的等效電容增大，但是等效電感變小。當兩根耦合的傳輸線相互之間的驅動信號振幅大小相同且相位也相同時，就是一個偶 模傳輸?shù)哪Ｐ汀４饲闆r下，傳輸線的等效電容減小，但是等效電感增大。奇模和偶模傳輸模型如下圖所示：圖3-1奇模和偶模模型圖可以

35、將平行耦合微帶線視為偶模激勵和奇模激勵的疊加，偶模和奇模有不同的特性阻 抗，偶模的特性阻抗為Zee,奇模特性阻抗為乙。奇偶模的特性阻抗與微帶線的尺寸和材料有 關。 3.2 S參數(shù)網(wǎng)絡理論是一種非常普遍的處理問題的方法，它把系統(tǒng)用一個由若干端口對外的未知 網(wǎng)絡表示。微波網(wǎng)絡理論是微波工程強有力的工具，主要研究微波網(wǎng)絡各端口的物理量之 間的關系，實際的微波/射頻濾波器也是用網(wǎng)絡分析儀進行測量。微波網(wǎng)絡分為線性與非線 性，有源與無源，有耗與無耗，互易與非互易。雙口元件15是在微波工程中應用最多的一種元件，主要有濾波器、移相器、衰減器等。 與單口元件相似，雙口元件一般采用網(wǎng)絡理論進行分析，但是，值得指

36、出的是元件的網(wǎng)絡 參數(shù)本身還是需要用場論方法求得，或者實際測量得到，從這個意義上講，場論是問題的 內(nèi)部本質，而網(wǎng)絡則是問題的外部特性。幾乎所有的微波元件都可以由一個網(wǎng)絡來代替，并且可以用網(wǎng)絡端口參考面上的變量 來描述其特性（在傳輸線上端口所在的位置，與能流方向垂直的橫截面通常稱為參考 面”）。選擇參考面的原則是在該參考面以外的傳輸線上只傳輸主模。微波網(wǎng)絡有不同的網(wǎng)絡參量：阻抗參量 Z、導納參量Y和A參量反映的是參考面上電 壓與電流的關系；散射參量S、傳輸參量T反映的是參考面上歸一化入射波電壓和歸一化 反射波電壓之間的關系。在微波頻率下，阻抗參量Z導納參量Y和A參量不能直接測量, 所以引入散射參

37、量S和傳輸參量T。利用S參量，射頻電路設計者可以在避開不現(xiàn)實的終 端條件以及避免造成待測器件損壞的前提下，用兩端口網(wǎng)絡的分析方法來確定幾乎所有射 頻器件的特征，故S參量是微波網(wǎng)絡中應用最多的一種主要參量。UiIFIlaia21III;2端口U2圖3-2二端口網(wǎng)絡示意圖S參量是根據(jù)某端口上接匹配負載的情況下所得到的歸一化波來定義的。設 a表示第 n個端口的歸一化入射波電壓，b表示第n個端口的反射波歸一化電壓。所謂歸一化波，就是各端口的波用其對應端口的參考阻抗進行歸一化后得到的波，它 們與同端口的電壓的關系為(3-1)中國地質大學（武漢）學士學位論文 (3-2)對于線性二端口網(wǎng)絡（如圖3-2所示）

38、，歸一化入射波a和反射波b之間存在如下關系:R = Siai * 02比(3_3a)b2 - S2iai S22a2（3_3b）式（3-3 ）寫成矩陣形式為b=Sa(3-4)SiS21S12S22(3-5)式（3-5）中的矩陣元素稱為網(wǎng)絡的散射參量，各項矩陣參量的物理意義為:Sibi ai a2衛(wèi)表示端口 2匹配時，端口 1的反射系數(shù);S22 =b2,/a2 a1 zQ表示端口 1匹配時，端口 2的反射系數(shù)；S12二bi；a2 a1=0表示端口 1匹配時，端口 2到端口 1的傳輸系數(shù);S21 =d/ai aQ表示端口 2匹配時，端口 1到端口 2的傳輸系數(shù);a=Q表示第i個端口接匹配負載，該端

39、口不存在反射波。 對Si的模取對數(shù)就可以得到以dB為單位的回波損耗16ReturnLoss(dB) - -20log Si(3-6)另外2端口的電壓與信號源的電壓有直接關系，所以Si可以用來表示網(wǎng)絡的正向電壓 增益：2Go = S21V2VI7 2(3-7)S參量是射頻電路中最常用的參量，由于S參量很適合描述射頻電路的相關性能參數(shù), 因此在射頻電路中有著十分廣泛的作用，是本次設計所要求的重要指標。矩陣S稱為二端口網(wǎng)絡的散射矩陣或S矩陣，表示為中國地質大學(武漢)學士學位論文 3.3 ADS介紹及優(yōu)化原則先進設計系統(tǒng)(Advaneed Design System)，簡稱 ADS是安捷倫科技有限公

40、司(Agile nt)為適應競爭形勢，為了高效的進行產(chǎn)品研發(fā)生產(chǎn)，而設計開發(fā)的一款EDA軟件。ADS電子設計自動化功能十分強大，包含時域電路仿真(SPICE-like Simulatio n)、頻域電路仿真 (Harmo nic Bala nee、Lin ear An alysis)、三維電磁仿 真(EM Simulation)、通信系統(tǒng)仿真(Communication System Simulation)、數(shù)字信 號處理仿真設計(DSP; ADS支持射頻和系統(tǒng)設計工程師開發(fā)所有類型的RF設計，從簡單到復雜，從離散的射頻/微波模塊到用于通信和航天 /國防的集成 MMIC是當今國內(nèi)各大學和研究所

41、使用最多的微波/射頻電路和通信系統(tǒng)仿真軟件軟件17。在進行優(yōu)化時，本次主要針對的目標是S參數(shù)，S參數(shù)是入射波和反射波建立的一組現(xiàn)性關系，在微波電路中通常用來分析和描述網(wǎng)絡的輸入特性。S參數(shù)中的Sil,和S12反映了輸入輸出端的駐波特性，S21反映了電路的幅頻和相頻特性以及群時延特性，Si 2反映電路的隔離性能。第4章帶通濾波器的設計與優(yōu)化微帶帶通濾波器是一種被廣泛研究的微波濾波器類型，它的品種繁多，性能各異，是 現(xiàn)代電子系統(tǒng)中的關鍵部件之一。微帶線帶通濾波器是一種分布參數(shù)濾波器，它是由微帶 線或耦合微帶線組成，具有體積小、重量輕、價格低、性能穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在微波工程 中的應用相當廣泛。下面是

42、本人設計的濾波器的流程圖：圖4-1設計流程圖L 表示微帶線長，W表示線寬，S表示微帶線導體帶的間隔。中國地質大學(武漢)學士學位論文 4.1 設計指標通帶1.9-2GHz,帶內(nèi)衰減小于2dB，起伏小于1dB。1.7GHz以下及2.2GHz以上衰減大于40dB。 4.2 原理圖設計基板參數(shù)：H:基板厚度(0.8 mm)Er:基板相對介電常數(shù)(4.3)Mur:磁導率(1)Cond:金屬電導率(5.88E+7)Hu:圭寸裝高度(1.0e+33 mm)T:金屬層厚度(0.03 mm)Ta nD損耗角正切(1e-4)Rou ngh表面粗糙度(0 mm)主要關注的技術指標：通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏；

43、阻帶邊界頻率與阻帶衰減。 這兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標，決定了濾波器的性能和種類 (高通、 低通、帶通、帶阻等)。圖4-1是一個微帶帶通濾波器及其等效電路，它由平行的耦合線節(jié)相連組成，并且是 左右對稱的，每一個耦合線節(jié)長度約為四分之一波長(對中心頻率而言)，構成諧振電路。I 尊效電路圖4-2微帶帶通濾波器模型及其等效電路圖在進行設計時，主要是以濾波器的S參數(shù)作為優(yōu)化目標進行優(yōu)化仿真。S21(S12)是傳 輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在S21(S12)隨頻率變化曲線的 形狀上。S11(S22)參數(shù)是輸入、輸出端口的反射系數(shù)，由它可以換算出輸入、輸出端的電

44、 壓駐波比。如果反射系數(shù)過大，就會導致反射損耗增大，并且影響系統(tǒng)的前后級匹配，使 系統(tǒng)性能下降。4.2.1低通濾波器原型的參數(shù)的計算首先根據(jù)濾波器參數(shù)指標，計算出濾波器低通歸一化頻率中國地質大學（武漢）學士學位論文 中國地質大學（武漢）學士學位論文 二 4.72通帶衰減為2分貝，故選用2dB波紋的切比雪夫低通濾波器原型，其阻帶衰減特性圖 如圖4-2 :iff la-i I4ii i* * *iI I I I VI114 HfilRii -I ijiii i uri Hii 1袖2一”丨;x:間;:;:沛:” I4|!j filitHM1111 *! 章 iiqlihMiw*l詆裁謁 湍黑粘:逼

45、間腳汕;；Bife ftMCA I Ml IIIIIM IIHIbi Hi-fe MhllllM i lb IlfH ”卄-fciii !I il iHllN llwiMi Mill HjJi Nil HU i- _ _ -Ir i E W * flfH I ： EfjahI ,eJp igil HNiiiHii|iallI!F jAvi V Ilil*A!iiHiii.M iiI-Mr.* *1IMHrtl-BiiMl IBSiibhHhui -亠.4mI ns 畀円llFnJ4IIH , i!V lli.FFRTWjAiiMr i1 |iHJill irwl家冊WtliflilllHtil

46、feHltai* Elf|: ! tVVilllllllR*1“供 iF L- Bi(W-l!前Ml- - #Li-iriiwr觀h： :mh- ittt iiviiim4- iiiMW hi- | .if/j門：M；時曲 if-/fl SUH AfeiiP .rildapiv 審If 兒 I咄曲 坤期工Mtihjii jittittair r 易 lEaiMIIM uEuirjsjn 鼬遇:腓止 M人皿n.jppxKinul|W* * -t r- HI M HI Mil BI r ” . - - - - -.“山卩“陽衍“如 w 時；-F * I:斗“時和nhniC” liNmiiiiiai

47、* tvf ft._T.TET_r_r_r._ 篩冒輙， p |f UM U* r-v Mil-* Mi dl s MUxp .in - lifi W 2 艮 inveiiviMliiiiMi I雄五號圧謝儷眺;:冊i ：l：H!：IX：X：t nl更直雖gjji為嗣游遢;：；訂iii；誦頑E d 蘭卑二*冷裁低ggjlMfrtb 申or tji.1工-利業(yè)”|1訃tit* iikfl卜 f|h i!U一 1ft Ml- .difll 辟:t: 憂時.l5fc篠% 1.1鼻押訃【lb - Ji lili|i|-Ell riWahFhaHBMII 4IF整排P遛區(qū)固冊艦期KI禱St* - vli

48、|iHFj-lll9ll, .III4MPM i|ip| I |J!4 ih i卡F. im i i-BH I 和卄Lhm * in i Ml III *H C7 卻 | !M9i i -*1* .*!IB4iIP4I1 UNHMiri IPjW iH bl* JJ I lililil I mid lllriill ii|-|N! iBIH- i| WTS,3- -3 Jt m# UM II i腎仙!l胖血5;想r船“護知“hHIi* - rH* R 閘 d fKitlraIlt!ii i f!aJ| f r1 1 ! H *U-ih i- iJilf * ,.mi i J- , W ui*

49、jifepf 4 r ul J4B HP ,ii *MilH4 hI!* i - L |l|lv #I4MI- - 1 I* .Ih aVbpi*Jlil jI=二二二二二HI I MH iH r in ! V . a I |141 -.！4I- i H I -n:H：曲:吧癥a. ：.!：IHlUilia jflip WIHH riiil |MIIB.IIIlillhiN ifi I HIIIilV !( I MimWHiJ Al iplk 4MU4MII44H 4f | rite- t !：!M!：:,Irill* nil hH - NmN i :iiill- 4. t* 4* ih, -

50、 皇-7 )！ P j-lil- - h- fUll.i-liik k ill 卩 * * H -! ii，!*- fl*1 , + !*-iHil - H |y TE|R| tairii-1 i- II Ht rfHlili 1 |H h . *f.- rfltHr.Hti-譚詐i.W 山小 i * 申| 1卄腫I .4i|l-*. ,9 + ih .討卄卒申甘“H .-wMWia-aiiiikH prHn i bill it Im 1*1| i I I - (Al WHl *kHllIHIIiril *1 IIIMIPX13-rauKilLtihn撫鵡可詁爐!it n!料們!： !：Ilb

51、I PIBIIdMFHi|.| | liH*rrt.|L,HiiMii viiijniiRifiuMii n HiH削斛|i腳即b i iKMI II llllh IMi- Ifl I l-lWFFWMFM M1RHinHstsnwN-lhiWi HMIMUiii i|GOT 0 07 0 JO怡卜e.o圖4-3 2dB波紋的切比雪夫低通濾波器的阻帶衰減特性故可知濾波器級數(shù)N=3,同時切比雪夫濾波器元件參數(shù)表如圖4-3 :Il.OOQQ2o.cols4.0M7J2JLA70.1327lP71O7仁owe42.7W50.IB06i.mi0tNl91.09573i.ajio0財0剛5a.eno1.

52、WM002.K21(lwhS44ti?0.944J 1ijiii飢X札剛F72.8655Jll?S.I7N0+劉,3.B7HOQ.V1WZ.K65SLORODfli.flzajf.aa0.560i3.7BS0.9fWQ+70J64.495793x57905外氛MM0.M4S0.MU17】2hft?90IhDOOQJO2.U11J,91210.96A7J.974J0,加D.MMJ.76190.70+0圖4-4切比雪夫低通濾波器元件數(shù)值g0=g4=1.OOOO，可知具有帶內(nèi)波紋 2dB的3階切比雪夫標準低通濾波器參數(shù)gi=g3=2.7107, g2=0.8327。4.2.2奇模和偶模特性阻抗的計算

53、首先由下列各式（4-1）、（4-2）、（4-3）計算出耦合間J變換的特性導納Ji。(4-1)冗FBW2ggJiYodn FBW2、gigi iJnY/n FBW2gngn 1(4-2)(4-3)上式中ggign i是低通原型濾波器的歸一化值。f2 f1FBV是帶通濾波器的相對帶寬，F(xiàn)BW21 , Ji是J變換的特性導納，Y是輸fo入輸出微帶線端的特性導納。利用下面的公式（4-4）、（4-5）計算出奇偶模特性阻抗。Zoo |i=Z1-ZJi +（ZJi 廠（4-4）Ze|廣 Z1 ZJi ZJi 21（4-5）表4-1各節(jié)奇偶特性阻抗數(shù)值第一節(jié)第二節(jié)第三節(jié)第四節(jié)偶模阻抗60.1 Q52.8 Q5

54、2.8 Q60.1 Q奇模阻抗42.9 Q47.5 Q47.5 Q42.9 Q4.2.3微帶線尺寸的計算在微帶帶通濾波器中，也經(jīng)常用半波長平行耦合諧振電路來級聯(lián)形成帶通濾波器。此種濾波器的結構形式使相鄰的半波長諧振單元彼此平行排列，其耦合值的大小通過相鄰平 行耦合線間的距離來決定。因而，這種結構形式的濾波器容易易用來制造帶通濾波器 。ADS軟件中的工具tools，可以對不同類型的傳輸線進行計算。對于平行耦合微帶線來 說，可以進行物理尺寸和點參數(shù)之間的數(shù)值轉換，若給定平行耦合微帶線奇模和偶模的特 性阻抗，可以計算平行耦合微帶線的導體帶的寬度和間隔距離。根據(jù)所求得奇偶模特性阻抗利用ADS軟件Lin

55、 ecalc來計算微帶尺寸，將窗口里的參數(shù) 修改為所給定的基板參數(shù)，并注意長度單位為 mm同時修改Type為MCLIN以及中心頻率 為1.95GHz運行中的窗口如圖4-4所示：1* EimdHian 曲“曬樂p|&|ia|a|CoiAponert* mojn、D |mqjn mojh_default$ tintre Pne1 521 e1ST arS-P!.AMETtRSOlrFGOAL-MJSu&1-HwaiSmm .E4 3 .Mlt=1_匚&由呂匹7- HLFTte-033 rhm-1=0.00-fTTi”bn1 百. _ Rautfrf lYiffl j ,CLinrffl1l .ti

56、um=1ZChnn：SutKt=A1Su6l-CWmGD.l1 _.QpHrroat2 Of m.Ofiml * ciirTP-po=Ra：ndam UsHIQcah Ma-ilfers = 1SeL-rrertEPsrCs rMEFTtrwD.QM$ubW-wl血S=s1-inm gT pi thW11.B21 fflfflW2=w2 mmZHMCFL. CIjiJS=2 mm- LIQ miii .Wwu ffllffl Ww2ffiiinKI VSR1 - wt =i j &e&i 何 w2-1 597574.S1-QE3O7.H 信15&幅6何M3i 25B6WE*2D.MSCS學p世

57、副貿(mào)1占：. brrlrste nxNs mg= SP1“ MinWMdtf - - -. RscgMUh伽bl . R3rgB1in1*1.fiiGHz 皚aipslita屮旦bGHz amriSterclannSPI14Mn=Mawm 1 府 aigrt只mosWwIt誓T . RargoMr(1*1.B0GMz fiangehMlJl.fGl-iz l_H,MpFIL r ,CLin3SilteE-TbtSdbrT=w2 rrtm * S=fi2*nni .512 mm .,W1=w2叩陽 W2=w1 rnirri.QpbinGQBB 卑刃a奧邑莒匚,j Sissis ncgHBnSF

58、1Mh=14血411-內(nèi)sigftw.-.RfnE/rP戸仙產(chǎn).mga1iii12J2C3Hz蟲aE/Lb產(chǎn)盤- FmsiAnaly96=eHon6f,- ,NonTisJi3BiSciils=rn- aSaBiyAJuM ByMSwd=SiwSciri5=ri EdwGodJs 呼Sa 陽DptimVsr 5his Upcsta貳SE 奇 SjwJoryinjiJwnDSa IRh&ralFB =nei UsfiAilQpiM&rii-fiB圖4-12優(yōu)化原理圖如果一次優(yōu)化不能滿足設計指標要求，則需要改變變量的取值范圍，進行重新優(yōu)化，直到滿足要求為止；在每次優(yōu)化完成后，要在原理圖窗口中保存優(yōu)

59、化后的變量值。優(yōu)化完成后必須關掉優(yōu)化控件，才能觀察仿真的曲線。再次對優(yōu)化后的微帶原理電路進行仿真就可以得到比較滿意的濾波器傳輸和反射曲線如圖4-12及4-13所示: # 中國地質大學(武漢)學士學位論文mlfreq=1.900GHzd 6(5(1,2)1718opflterOm2 freq=2.000GHz dB(S(1.2)=*1.916 optl怕匸0m3freq=1.700GHz dB(S(1 2)49.120 optl 怕二 0m4 freq=2.200GHz dB(S(1,2)=-40.788 optlterOsESmp/ /m3/fneq GHz圖4-13優(yōu)化后s(1,2)仿真曲線

60、中國地質大學（武漢）學士學位論文 中國地質大學（武漢）學士學位論文 m5freq=1 990GHz dB(S(1,1)=14132 optner=0(二)smp弋：I I I 1 I I I I I | n I I I I I p I J-I I I I J n I I I | I I I I 161.7131.92.02.12.22.3fneq. GHz圖4-14優(yōu)化后s(1,1)仿真曲線可以從仿真信息窗口中得到符合要求的濾波器的各參數(shù)的確定值如圖4-14所示:Itera t i on/Tri a1 #0:CurrentEF: 0Optijnizat ion variables :12 =