交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì).doc

代號(hào)！ 學(xué) 號(hào) 密 級(jí) 公開 二 分類號(hào)一一 帚簧它手料簸競警 碩士學(xué)位論文題（中、英文）目一變豐鯉堂逼逮渡器的遮讓 一旦！；吐嫂吐！吐一衛(wèi)孕盟一墮！鯉暮作者姓名一旦往軍指導(dǎo)教師姓名、職務(wù)一一壬家禮一教援學(xué)科門莢工抖一學(xué)科、專業(yè)一一捌試計(jì)量技術(shù)強(qiáng)儀器一提交論文日期一三土年月 摘要 摘要 近年來，隨著移動(dòng)通信、電子對(duì)抗和導(dǎo)航技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)新的微波元器件的需求和現(xiàn)有器件性能的改善提出了很高的要求。微波帶通濾波器作為一種重要的微波元器件在近幾年來也得到了大力的發(fā)展。因此，對(duì)微波濾波器理論和設(shè)計(jì)方法的研究，已經(jīng)引起了國內(nèi)外器件工程師的極大興趣。 本文以交指型帶通濾波器為研究的對(duì)象，主要研究了圓桿交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì)和懸置線交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì)，采用綜合法的經(jīng)典公式與計(jì)算機(jī)仿真工具相結(jié)合的方法方便和簡化了設(shè)計(jì)過程，提高了設(shè)計(jì)和加工的準(zhǔn)確性。首先簡要的介紹了微波濾波器的分類和主要參數(shù)，并從理論上詳細(xì)介紹了微波濾波器的設(shè)計(jì)方法，而且重點(diǎn)介紹了交指型帶通濾波器設(shè)計(jì)的基本理論和方法：接著通過上述的終端短路式交指型帶通濾波器設(shè)計(jì)原理和方法，利用軟件編程計(jì)算出自電容和互電容，結(jié)合圖表計(jì)算出交指型帶通濾波器幾何尺寸參數(shù)的初值；然后利用先進(jìn)的微波仿真軟件對(duì)幾何尺寸參數(shù)的初值進(jìn)行了仿真、優(yōu)化，以得到濾波器幾何尺寸參數(shù)的終值，使其能夠滿足最初的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，最終的仿真結(jié)果說明了這種方法的可行性和實(shí)用性。關(guān)鍵詞：微波濾波器交指型濾波器 自電容互電容 ， ， ， ?澹觶澹歟錚穡澹? ， ） ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ， ： 西安電子科技大學(xué) 學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性（或創(chuàng)新性）聲明 秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果；也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。 申請學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)切的法律責(zé)任。 本人簽名：魚絲笙 日期迦：！：竺 西安電子科技大學(xué) 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)校可以公布論文的全部或部分內(nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再攥寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。 （保密的論文在解密后遵守此規(guī)定） 本學(xué)位論文 年解密后適用本授權(quán)書。 日期且垃 本人簽名： 日期型幽：?。后?導(dǎo)師簽名： 第一章緒論 第一章緒論 引言 微波濾波科】是雷達(dá)系統(tǒng)，通信系統(tǒng)，測量系統(tǒng)等必不可少的組成部分，同時(shí)也是最為重要，技術(shù)含量較高的微波無源器件，一般被用來分開或整合不同頻段的信號(hào)。電磁波譜是有限的，且需按應(yīng)用加以分配。微波濾波器具有選頻功能，可以分隔頻率，即通過所需的頻率信號(hào)，而抑制不需要的頻率信號(hào)。 由于在目前的實(shí)際應(yīng)用中，雷達(dá)、微波通信、移動(dòng)通信等部門中多頻率、多信道工作的要求越來越普遍，對(duì)分隔頻率的要求也越來越高，所以需要使用大量的微波濾波器，它既能夠限定大功率發(fā)射機(jī)在規(guī)定頻帶內(nèi)輻射，反過來又可以用來防止接收機(jī)受到工作頻帶以外的干擾。從超長波經(jīng)微波到光波以上的所有電磁波段，都需要使用各種形式的濾波器【】。 微波固體器件的應(yīng)用對(duì)微波濾波器的發(fā)展也有巨大的推動(dòng)作用。因?yàn)橄駞⒘糠糯笃?、微波固體倍頻器、微波固體混頻器等一類電路元件都是在多頻率下工作的，因此需要有相應(yīng)的濾波器為其提供可靠的工作頻段。因此，微波濾波器己成為一種十分重要的微波器件 微波濾波器有許多的種類，其中交指型帶通濾波器是微波濾波器中一種比較常用的結(jié)構(gòu)形式。交指型帶通濾波器的適用范圍非常廣泛，其相對(duì)帶寬可以從窄帶的一直變化到寬帶的以上甚至更寬，其頻帶的變化范圍可以從到波段 交指濾波器是指由平行耦合線諧振器陣交叉組成的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)多用做慢波系統(tǒng)，但近來研究表明，它具有優(yōu)良的帶通特性，具有如下優(yōu)點(diǎn)： （）結(jié)構(gòu)緊湊、可靠性高； （）由于每個(gè)諧振器問的間隔較大，故公差要求較低，容易制造； （）由于諧振桿長近似等于氣，所以第二通帶中心在鰳以上，其問不會(huì)有寄生響應(yīng)； （）既可以作成印刷電路形式，又可以作成腔體結(jié)構(gòu)，用較粗的孝作成自行支撐，而不用介質(zhì)。 因此，交指型濾波器在電子系統(tǒng)，尤其是在通信技術(shù)及近代航空航天領(lǐng)域中被廣泛使用。同時(shí)近年來隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些新的、實(shí)用的計(jì)算機(jī)微波仿真工具，如（ ）、等一系列微波電路的仿真軟件，還有一些三維高頻電磁場仿真軟 交指！帶通濾波器的設(shè)計(jì)件，如德國公司的 （微波工作室）、美國公司的（高頻電磁場仿真）這些實(shí)用的仿真軟件對(duì)于設(shè)計(jì)出的參數(shù)可以進(jìn)行進(jìn)一步的仿真、優(yōu)化，以達(dá)到在實(shí)際加工中的準(zhǔn)確性和一致性。 目前這類濾波器的設(shè)計(jì)方法多采用近似的方法，即首先用綜合法求得電容矩陣，再由電容矩陣用查曲線方法求物理結(jié)構(gòu)尺寸，在加工之后用微調(diào)方法得到所要的特性，這種方法可以滿足一定的精度要求。由于計(jì)算機(jī)技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展， 目前在工程上比較普遍和流行的方法是，在使用綜合法算得奇偶模電容值后，接著通過查曲線方法得出各個(gè)諧振卡的物理幾何尺寸，再在計(jì)算機(jī)上利用些實(shí)用的微波電路仿真設(shè)計(jì)軟件如（高頻電磁場仿真）和（ ），對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的仿真和優(yōu)化，以滿足最初設(shè)計(jì)的指標(biāo)參數(shù)要求。最后將優(yōu)化后的尺寸參數(shù)加工出實(shí)際的成品。這種通過綜合法與計(jì)算機(jī)仿真工具相結(jié)合的方法方便和簡化了設(shè)計(jì)過程，提高了設(shè)計(jì)和加工的準(zhǔn)確性和工程中的成品率。 當(dāng)前研究情況 年德國科學(xué)家開創(chuàng)了一種以“瓦格納濾波器”聞名于世的濾波器設(shè)計(jì)方法，與此同時(shí)在美國，則發(fā)明了一種以圖象參數(shù)而知名的設(shè)計(jì)方法 年，兩國的科學(xué)家分別發(fā)明了濾波器，次年美國第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)面世。從此許多科研人員開始積極地和系統(tǒng)地對(duì)采用集總元件電感和電容的濾波器設(shè)計(jì)理論的研究。隨著濾波器設(shè)計(jì)理論的深入研究、材料領(lǐng)域的不斷進(jìn)步及工作頻率的同益升高，濾波器的設(shè)計(jì)由原先的集總參數(shù)元件濾波器逐漸擴(kuò)展到分布參數(shù)元件濾波器。年，報(bào)道了介電濾波器，由于當(dāng)時(shí)材料的溫度穩(wěn)定性不高使該種濾波器不足以實(shí)際應(yīng)用。世紀(jì)年代以來，隨著陶瓷材料的發(fā)展，介電濾波器的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。近年來，小型化的趨勢促進(jìn)了各種類型微波濾波器的發(fā)展。世紀(jì)年代，出現(xiàn)了高臨界溫度超導(dǎo)材料，被認(rèn)為極有可能用于設(shè)計(jì)出極低損耗和極小尺寸的新穎微波濾波器。目的，高溫超導(dǎo)濾波器逐步使用在軍事和商業(yè)領(lǐng)域。 由于現(xiàn)在的微波射頻應(yīng)用系統(tǒng)越來越向小型化集成化發(fā)展，微波平面濾波器倍受青睞，其中最主要的是新材料新技術(shù)的應(yīng)用，主要發(fā)展方向有五個(gè)，一是微波集成電路（），二是高溫超導(dǎo)材料（）及技術(shù)，三是與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和微加工技術(shù)相結(jié)合的微機(jī)電系統(tǒng)（），四是低溫可燒結(jié)陶瓷材料的應(yīng)用（）五是光子晶體（）材料及結(jié)構(gòu)應(yīng)用 隨著現(xiàn)代材料科學(xué)與電子信息科學(xué)技術(shù)的交叉滲透和全面發(fā)展，全固態(tài)化的各類片式高頻、微波濾波器和中頻濾波器，向著高性能、?統(tǒng)殺盡突咂?第一章緒論化等各方面飛速發(fā)展【 超導(dǎo)濾波器【 高溫超導(dǎo)體韻發(fā)現(xiàn)，是世紀(jì)基礎(chǔ)研究的一個(gè)極為重要的成果，近年來，人們對(duì)高溫超導(dǎo)體電性能的研究取得了長足的進(jìn)步。與此同時(shí)，一批性能卓越的高溫超導(dǎo)微波無源器件也相繼誕生了。 高溫超導(dǎo)（）材料具有接近于無耗的特性，在微波頻段的表面電阻接近零，利用它可以構(gòu)成高質(zhì)量的微波諧振器、濾波器、多工器和天線等。利用高溫超導(dǎo)（）薄膜可構(gòu)成微帶，帶狀線、一面波導(dǎo)濾波器等。這些濾波器具有極高的無載值、理想的微波特性、很低的插入損耗和帶內(nèi)衰減，并且有非常陡的平移特性，而且濾波器的尺寸可以做得很小，易于與其它微波集成電路元件集成。這樣可以充分利用信號(hào)頻帶，增加互不干擾的信道數(shù)量，并能避免信號(hào)傳輸失真，超導(dǎo)濾波器不僅帶內(nèi)衰減低，而且相位延時(shí)和色散特性也大為改善。用由超導(dǎo)濾波器、低噪聲前置放大器、小型制冷機(jī)和電子控制系統(tǒng)組成的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)代替現(xiàn)有移動(dòng)通信基站中由普通金屬濾波器組成的常規(guī)濾波器系統(tǒng)，可大幅得提高通話質(zhì)量，增加通話容量，擴(kuò)大基站的覆蓋面積，增加基站的抗干擾能力，降低手機(jī)發(fā)射功率，具有誘人的發(fā)展前景。 聲表面波（）濾波器 濾波器的體積小，質(zhì)量輕，一致性好，便于批量生產(chǎn)，性能價(jià)格比較合理，品質(zhì)因數(shù)和帶阻高，可廣泛用于射頻端和中頻系統(tǒng)。并可滿足多模、多頻段移動(dòng)終端的雙工器或多工器。 射頻濾波器以其小型輕量及優(yōu)良的性能價(jià)格比，廣泛用于各類移動(dòng)電話的級(jí)間帶通濾波。新一代移動(dòng)通信進(jìn)一步促進(jìn)濾波器繼續(xù)向小型化、高頻化、復(fù)合化發(fā)展。早期的普遍采用（）的尺寸規(guī)格，現(xiàn)在隨著微電子技術(shù)進(jìn)入亞微米時(shí)代，力技術(shù)己趨成熟，可滿足一頻段器件的設(shè)計(jì)制造要求。 （階躍阻抗諧振器）濾波器列 階躍阻抗結(jié)構(gòu)的傳輸線諧振器久為人知，但一般用作阻抗變換器，直到近年才用于微帶濾波器。是由兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合麗成的橫向電磁場或準(zhǔn)橫向電磁場模式的諧振器。 根據(jù)原理設(shè)計(jì)的帶通濾波器比一般的發(fā)央線微帶濾波器的尺寸小一半以上，同時(shí)顯示了極大的優(yōu)越性。此外通過調(diào)節(jié)耦合線段和非耦合線段的阻抗比，還可以控制寄生通帶在頻率軸上的位置，從而具有較好的抑制諧波性能。 另外，與己知的平行耦合線、發(fā)央型、交指型等結(jié)構(gòu)相結(jié)合，又能設(shè)計(jì)出滿足不同性能要求的濾波器。在基于多媒體的全球個(gè)人通信系統(tǒng)中將表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。 交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì) 有源微波濾波器 蜂窩通信、和電視廣播等微波系統(tǒng)，一般要求使用低價(jià)格、高性能、全集成的商用收發(fā)設(shè)備。但該頻段的集成諧振器的值較低、損耗較高。 利用有源器件的負(fù)阻特性去抵消諧振電路的損耗來改善值，是微波有源濾波器的基本原理，值的改善降低了濾波器的通帶損耗，提高了阻帶抑制，使矩形系數(shù)得到明顯改善。微波有源濾波器的目的是不失真地通過所要求的通帶信號(hào)，同時(shí)盡可能大地抑制不需要的阻帶信號(hào)。 因此，研究和發(fā)展微波有源濾波器是實(shí)現(xiàn)該頻段低損耗和高性能微波集成濾波器的重要手段，具有很大的市場潛力。 ， 薄模聲學(xué)體波共振技術(shù) 近年來，薄模聲學(xué)體波共振技術(shù)（）給射頻端濾波器小型化和集成化帶來一線曙光。當(dāng)然，許多問題設(shè)計(jì)工藝控制與封裝過程，有待解決。典型的測試結(jié)果顯示，技術(shù)帶來的高值和高耦合系數(shù)可與高級(jí)的陶瓷和聲表面波振子相媲美。目前達(dá)到的值已超過，與基于陶瓷的產(chǎn)品相比，在小型化方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢，可實(shí)現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品的產(chǎn)品。的電特性已達(dá)到目和陶瓷雙工器的性能標(biāo)準(zhǔn)。 ：本論文研究的問題 本課題以交指型帶通濾波器為研究的對(duì)象，主要研究了圓豐丁交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì)和懸置線交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì)，采用綜合法的經(jīng)典公式與計(jì)算機(jī)仿真工具相結(jié)合的方法方便和簡化了設(shè)計(jì)過程，提高了設(shè)計(jì)和加工的準(zhǔn)確性，全文共分章。 第一章是緒論部分，主要會(huì)紹微波濾波器的發(fā)展歷程和當(dāng)前研究情況，各章節(jié)具體的安排。 第二章主要介紹濾波器的基本理論，其中包括濾波器的分類，低通原型濾波器。最平坦低通原型濾波器，切比雪夫低通原型濾波器，頻率變換及元件值變換，變換器和變換器等。 第三章講述交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì)的基本理論與設(shè)計(jì)方法。其中包括交指型濾波器的類型，終端短路式和終端丌路式濾波器的設(shè)計(jì)方法。 第四章結(jié)合具體的設(shè)計(jì)實(shí)例闡述了設(shè)計(jì)交指型帶通切比雪夫?yàn)V波器的具體方法和步驟，同時(shí)給出了仿真結(jié)果。 第五章對(duì)全文內(nèi)容作了簡單總結(jié)，指出了濾波器的發(fā)展與趨勢。 第二章濾波器的基本理論和設(shè)計(jì) 第二章濾波器的基本理論和設(shè)計(jì) 濾波器的分類和主要參數(shù)濾波器的分類 微波濾波器可以按不同的觀點(diǎn)進(jìn)行分類：接作用分類（如帶通，帶阻等）；按結(jié)構(gòu)分類（如同軸線、波導(dǎo)等）：方式分類（如反射式、吸收式等）：按應(yīng)用分類（如可調(diào)或固定調(diào)諧的）；加載方式分類（如單終端的、雙終端的等）；按能量形式分類（電磁的、自旋波的、聲的）；頻帶大小分類（如寬帶、窄帶等）；按功率容量分類（如大功率、低功率）等等。顯然這些分類，多少有些隨意性，因而在各種分類方式問都會(huì)有相當(dāng)?shù)闹氐?這里把一些常用微波濾波器分為以下幾類： 直接耦合或波長耦舍諧振器濾波器 這是一種端耦合濾波器，它適用于同軸線、帶狀線、波導(dǎo)各種形式，在處有一次衰減極點(diǎn)，而附加通帶以為周期（即帶通濾波器第二通帶的中心頻率），在主，副響應(yīng)間無衰減極點(diǎn)，主響應(yīng)與第二通帶日峰值衰減的分貝數(shù)（）隨相對(duì)帶寬的增加而減少（當(dāng)蔓時(shí)其大小合適，而當(dāng)時(shí)，它 通常只有分貝）。其設(shè)計(jì)方法有二：一是基于集總元件低通原型，另一是基于階梯阻抗變換器原型。法適于較小的相對(duì)帶寬（）和中等通帶波紋的窄帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)，而后法則適用于較大的相對(duì)帶寬（乃至倍頻程）和較小的通帶波紋（例如，分貝）的寬帶帶通或高通濾波器的設(shè)計(jì)。 平行耦合式帶通濾波器 這是一類邊耦合濾波器，它有丌路耦合線和短路耦合線兩種對(duì)偶形式，在國和處有一次衰減極點(diǎn)，四。它既可用于窄帶也可用于寬帶，但當(dāng)用于寬帶時(shí)，為了得到諧振器日的強(qiáng)禍合，就要用厚帶或三層交錯(cuò)薄帶的形式，這樣結(jié)構(gòu)就較復(fù)雜且需要支撐，故較少用于寬帶。但當(dāng)時(shí)，用印刷電路的丌路平行禍合線形式卻非常方便，故窄帶應(yīng)用較廣。然而，需要注意其阻帶特性并不十分理想，在砜處稍有失諧時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)寄生通帶。 交指型帶通濾波器 交指型帶通濾波器的設(shè)計(jì) 這種濾波器結(jié)構(gòu)緊湊、孥實(shí)、性能優(yōu)良，制造公差要求低，有適用于各種帶寬的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法，故應(yīng)用極廣。它有終端短路與終端開路兩種形式，前者適用于窄帶，后者適用于寬帶，既可做成印刷薄帶形式，又可做成圓柯或矩形打自撐式，還可用人為的電容加載來減小體積。在緲和處有裒減極點(diǎn)（終端短路式為一次極點(diǎn)，終端開路式為三次極點(diǎn)）。圓桿和矩形桿都有設(shè)計(jì)曲線可供應(yīng)用，對(duì)終端短路式帶通濾波器，還有成套的快速設(shè)計(jì)曲線，對(duì)于準(zhǔn)確設(shè)計(jì)也有一套較完整的元件數(shù)值表。 梳狀線帶通濾波器 這是一種更為緊湊的濾波器。諧振器長度取決于加載電容的大小，通常為波長。其衰減特性不對(duì)稱，夠。，（，時(shí)，）。），故適用于需要寬阻帶應(yīng)用的場合。在功和）￥九處有衰減極點(diǎn)。與交指型一樣，結(jié)構(gòu)牢固，可自撐，制造公差亦低。但主要適合于窄帶設(shè)計(jì)。 帶阻濾波器 波導(dǎo)型的帶阻濾波器只適用于窄帶，而帶阻濾波器則適用于各種帶寬的優(yōu)良結(jié)構(gòu)，且容易用準(zhǔn)確設(shè)計(jì)方法。 橢圓函數(shù)型濾波器 在各種濾波器響應(yīng)中，橢圓函數(shù)響應(yīng)是最為優(yōu)越的，這是因?yàn)?，這種類型的濾波器通帶和阻帶均為等波紋特性，陡度較大，因此同樣的選擇性，它可以有更為緊湊的結(jié)構(gòu)。但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在波段以上不宜選用，由于橢圓函數(shù)濾波器的阻帶衰減極點(diǎn)可以控制，因而常用作諧波抑制器。濾波器的主要參數(shù) 濾波器的主要參數(shù)包括：插入損耗、波紋系數(shù)、通帶寬度、矩形系數(shù)、阻帶抑制和品質(zhì)因數(shù)四。 插入損耗：描述濾波器在通帶內(nèi)對(duì)傳輸信號(hào)的損耗，定義為從信號(hào)源入射到濾波器的功率巴與匹配負(fù)載只得到功率的比值，采用分貝可以表示為 兒（船）等 （） 理想的濾波器在通帶內(nèi)沒有損耗，其插入損耗為。