微波濾波器課程設(shè)計(jì)

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〕2016～2017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7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2017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)告主要參考資料王新穩(wěn).《微波技術(shù)與天線》.電子工業(yè)出版社。吳萬春.《現(xiàn)代微波濾波器的結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)》.科學(xué)出版社。田加勝.《微波技術(shù)根底》.華中科技大學(xué)出版社。RichardJ.Cameron、ChandraM.Kudsia、RaafatR.Mansour.《通信系統(tǒng)微波濾波器——根底設(shè)計(jì)與應(yīng)用》.電子工業(yè)出版社指導(dǎo)教師〔簽字〕：年月日系〔教研室〕主任〔簽字〕：年月日〔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.了解根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。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)XXX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)間安排與完成情況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)告目錄一、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.了解根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、預(yù)習(xí)內(nèi)容熟悉濾波器的相關(guān)原理等理論知識(shí)。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450ΩBNC連接線2條51MΩBNC連接線2條6微波軟件RFSim99軟件1套微波軟件設(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。假設(shè)以濾波器的頻率響應(yīng)來分，那么常見的有巴特渥茲型(Butter-worth)、切比雪夫I型(TchebeshevType-I)、切比雪夫Ⅱ型(TchebeshevType-Ⅱ)及橢圓型(Elliptic)等，假設(shè)按使用元件來分，那么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-CLumped)及傳輸線型(Transmissionline)。而傳輸線型以其結(jié)構(gòu)不同又可分為平行耦合型(ParallelCoupled)、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(TchebeshevType-I)為例，說明其設(shè)計(jì)方法。首先了解Butter-worth及TchebeshevType-I低通濾波器的響應(yīng)圖。(1)Butterowrth(2)TchebyshevType其中rp(dB)——通帶紋波(passbandripple),N——元件級(jí)數(shù)數(shù)〔orderofelementforlowpassprototype〕ω——截通比〔stopband-to-passbandratio〕，ω=fc/fx(forlowpass)=BWp/BWx(forbandpass)其中fc——-3dB截止頻率〔3dBcutofffrequency〕fx——截止頻率〔stopbandfrequency〕BWp——通帶頻寬〔passbandbandwidth〕BWx——截止頻寬〔stopbandbandwidth〕Tn()為柴比雪夫多項(xiàng)式(Tchebysheypolynomals)其中，圖1(a)(b)即是三級(jí)巴特渥茲型B〔3，ω〕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)的比擬圖。理論上，在通帶內(nèi)巴特渥茲型是無衰減的〔Maximunflat〕，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)〔flatresponse〕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)。巴特渥茲型與切比雪夫型通帶響應(yīng)比擬圖巴特渥茲型與切比雪夫型截通帶響應(yīng)比擬圖其中：B〔3，ω〕——三級(jí)巴特渥茲型的衰減響應(yīng)T〔0.25，3，ω〕——紋波為0.25dB的三級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)T〔0.5，5，ω〕——紋波為0.5dB的五級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)T〔1，7，ω〕——指紋波為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：〔1〕巴特渥茲型〔ButterworthLowpassFilter〕步驟一：確定參數(shù)。電路阻抗〔Impedance〕：Z0〔ohm〕截止頻率(CutoffFrequency)：fc(Hz)截通頻率(StopbandFrequency)：fc(Hz)通帶衰減量阻帶衰減量步驟二：計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Orderofelements,N)：，N取最接近的整數(shù)。步驟三：計(jì)算原型元件值〔PrototypeElementValues，gK〕：步驟四：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：〔a〕串L并C型〔b〕并C串L型〔2〕切比雪夫I型(TchebyshevType-ILowpassFilter)步驟一：確定參數(shù)。電路阻抗(Impedance):Zo(ohm)截止頻率(CutoffFrequency):fc(Hz)阻帶頻率(StopbandFrequency):fx(Hz)通帶紋波量(MaximumRippleatpassband):rp(dB)阻帶衰減量(MinimumAttenuationatstopband):Ax(dB)步驟二：計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Orderofelements,N).，其中N取最接近的奇整數(shù)。采用奇整數(shù)是為了防止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(PrototypeElementValues,gk)：其中步驟四：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?！瞐〕串L并C型〔b〕并C串L型〔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(upperpassbandedgefrequency):fPU(Hz)下通帶頻率(lowerpassbandedgefrequency):fPL(Hz)上截止頻率(upperstopbandedgefrequency):fXU(Hz)下截止頻率(lowerstopbandedgefrequency):fXL(Hz)通帶衰減量(MaximumAttenuationatpassband):AP(dB)阻帶衰減量(MinimumAttenuationatstopband):AX(dB)步驟二：計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Orderofelements,N)。其中〔a〕巴特渥茲型(Butter-worth)，N取最接近的整數(shù)。.〔b〕切比雪夫I型(TchebeshevType)，N取最接近的奇整數(shù)步驟三：計(jì)算低通原型元件值〔PrototypeElementValues,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〔b〕并C串L型步驟四：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)以下變換對(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圖2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：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l/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。圖3諧振條件：滿足諧振條件的C值由下式確定如果將縫隙電場(chǎng)近似看作均勻分布，那么式中C可按平板電容公式計(jì)算五、測(cè)量方框圖圖4微波濾波器測(cè)量方框圖圖4微波濾波器測(cè)量方框圖微波掃頻儀待測(cè)濾波器示波器微波同軸檢波器用于調(diào)節(jié)帶寬用于調(diào)節(jié)中心頻率用于調(diào)節(jié)帶寬用于調(diào)節(jié)中心頻率圖5六、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AP(dB)上截止頻率fXU(Hz)阻帶衰減量AX(dB)3、測(cè)量步驟:=1\*GB2⑴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。=2\*GB2⑵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。=3\*GB2⑶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。=4\*GB2⑷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異，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。=5\*GB2⑸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：RF2KM6-1AMOD-6A(DC-50MHZ)S11≤-20dBS21≥-1.5DB@≤50MHZMOD-6B(PASSBAND)S11≤10dB@210MHZ(PASSBAND)RecordFplS21=-3.0dBRecordFphS21=-3.0dB(STOPBAND)RecordFxlAttn.=-18dBFxhAttn.=-18dB微波系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱簡(jiǎn)圖〔接收設(shè)備〕圖6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。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)最大衰減所決定的，通常選擇為3dB即：而元件數(shù)n可由帶外最小衰減確定，即那么濾波器階數(shù)n可以用下式來確定，即式中[]表示取整。假設(shè)，那么可以近似表示為：因此，在阻帶頻率上，n越大，阻帶衰減越大；而越小，阻帶衰減那么越小。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：其中，是n階第一類切比雪夫多項(xiàng)式，即由上式可以看出在=0~1之間是余弦函數(shù)，在0~1之間的衰減是一個(gè)余弦曲線的等波紋變化，他的最大值為，即，于是當(dāng)在時(shí)，是一個(gè)隨增大而單調(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增大而單調(diào)增加。設(shè)在阻帶頻率上，阻帶衰減為，那么有：由此可求得阻抗元件數(shù)目n為：通過與巴特沃斯原型比擬可以知道，當(dāng)?shù)闹刀家粯訒r(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。 和n后，應(yīng)用與巴特沃斯網(wǎng)絡(luò)類似的方法，可以得出對(duì)應(yīng)的歸一化元件值：其中其衰減特性響應(yīng)曲線如圖8所示圖8八、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=2.2GHz,在通帶內(nèi)最大波紋=0.2dB,小于-16dB；在阻帶頻率=4GHz處，阻帶衰減不小于30dB。輸入、輸出端特性阻抗=50Ohm。1.確定原型濾波器啟動(dòng)軟件中Wizard模塊的AWRFilterSynthesisWizard〔AMR濾波器綜合向?qū)А彻δ埽斎敫黜?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9所示：圖92、計(jì)算濾波器的實(shí)際尺寸微帶線結(jié)構(gòu)①高阻抗線先計(jì)算高阻抗線的寬度。條件：，，H=800um，T=10um，阻抗，計(jì)算得W,；再計(jì)算高阻抗線的長(zhǎng)度：②低阻抗線先計(jì)算低阻抗線的寬度。條件：，，H=800um，T=10um，阻抗，計(jì)算得W,；再計(jì)算低阻抗線的長(zhǎng)度：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：圖103、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄〔1〕