平面帶通濾波器設(shè)計

1、一設(shè)計選題選題：平面帶通濾波器設(shè)計與測量微帶基片選擇：RO5880板材厚度：0.254mm指標要求：通帶范圍 12.25GHz-12.75GHz（中心頻率12.5GHz 相對帶寬4%）帶內(nèi)插損IL小于4dB帶內(nèi)反射系數(shù)RL大于10dB邊帶抑制： 13GHz以上至少抑制15dB14-16 GHz抑制30dB以上12GHz以下至少抑制15dB11GHz以下至少抑制40dB8-10GHz以下至少抑制50dB在上述指標要求達成的前提下，過渡帶寬越窄越好；歸一化濾波器的面積越小越好。二基本原理2.1 濾波器設(shè)計方案的選取本次設(shè)計的主要評分指標之一為濾波器的選擇性，為了實現(xiàn)高選擇性的帶通濾波器，本文利用源

2、-負載耦合，交叉耦合，以及混合電磁耦合等方式在帶外適當位置引入傳輸零點，從而大大改善了帶通濾波器的矩形度。該設(shè)計思路優(yōu)勢在于可以方便地調(diào)節(jié)傳輸零點的位置，從而改善帶通濾波器的矩形度。但是隨著濾波器的矩形度不斷提高，對于濾波器通帶外的抑制也隨之惡化，故設(shè)計中需要考慮在滿足帶外抑制要求的前提下盡量使濾波器獲得較好的矩形度。另外，濾波器的階數(shù)也會對濾波器的矩形度產(chǎn)生巨大影響。隨著濾波器階數(shù)的提高，濾波器的矩形度逐漸改善。但與此同時，濾波器的帶內(nèi)插損也逐漸惡化。故在濾波器的設(shè)計過程中需要權(quán)衡矩形度與帶內(nèi)插損兩個指標要求，選擇合適的濾波器階數(shù)。除此之外本次濾波器的設(shè)計還需考慮到介質(zhì)基板板材與厚度的選取對

3、于濾波器性能參數(shù)的影響。首先考慮到要求插損越高越好，故選取了損耗正切較小的板材RO5880，其損耗正切為0.0009，介電常數(shù)為2.2。板材厚度的選取主要是考慮到了其對于濾波器尺寸以及插損的影響。較薄的介質(zhì)板可以使濾波器的尺寸進一步減小，但是與此同時，濾波器的插損也會變差。權(quán)衡考慮濾波器的尺寸以及插損的要求，本文選取介質(zhì)基板厚度為0.254mm。最終，本文采用六階交叉耦合諧振腔體濾波器設(shè)計方案，其基本諧振單元的結(jié)構(gòu)為如圖2.1所示的半波長開環(huán)諧振器。整個濾波器的耦合拓補結(jié)構(gòu)見圖2.2。最終設(shè)計得到的濾波器結(jié)構(gòu)如圖2.3所示。圖2.1 基本諧振單元圖2.2 濾波器耦合拓補結(jié)構(gòu)圖2.3 濾波器整體

4、結(jié)構(gòu)2.2 濾波器的設(shè)計步驟本文的耦合諧振帶通濾波器是基于外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)進行設(shè)計的。而外部品質(zhì)因數(shù)和耦合系數(shù)與所要涉及的濾波器的指標之間有如下關(guān)系：式中FBW為濾波器的相對帶寬，本文所涉及的濾波器要求FBW=4%。,n為濾波器的階數(shù)，gi為低通濾波器原型的元件值。根據(jù)濾波器的綜合理論，通過綜合給定的濾波器各項指標要求，再結(jié)合上式可以得到與該設(shè)計指標相對應(yīng)的耦合矩陣以及源和負載的外部品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)題目要求運用MATLAB程序所綜合出的耦合矩陣如下：理想的S參數(shù)如下3.1 理想S參數(shù)曲線注意此處計算耦合矩陣時為了考慮邊帶附近衰減而將通帶范圍設(shè)為12.2GHz-12.8GHz，相對帶寬為4.

5、8%。關(guān)于該耦合矩陣，除第二行第一列與第一行第二列的兩個元素表征源端的品質(zhì)因數(shù)，第八行第七列與第七行第八列的兩個元素表征負載端外部品質(zhì)因數(shù)外，該矩陣的其他矩陣元素Sm,n表示的是第m-1與第n-1個諧振器之間的耦合系數(shù)。此外，外部品質(zhì)因數(shù)的計算公式如下：Qe=2f0d(f0)4其中f0表示中心頻率，而d（f0）表示S11的群時延峰值處的大小。本文計算得到的外部品質(zhì)因數(shù)為20.83。三濾波器物理尺寸的提取3.1 諧振器之間的耦合系數(shù)提取從上文給出的濾波器結(jié)構(gòu)中可以發(fā)現(xiàn)，諧振器之間存在著多種耦合方式。如諧振器2與5之間的耦合方式為電耦合；諧振器3與4之間的耦合方式為磁耦合；而其他諧振器之間則表現(xiàn)為

6、電磁混合耦合。對于兩個相互耦合的諧振器，由于它們之間的距離不同將會得到不同的耦合系數(shù)。諧振器之間的耦合系數(shù)關(guān)于距離的曲線可以通過HFSS軟件的全波仿真并結(jié)合如下公式來提取。其中fu與fl分別表示諧振器的上下諧振頻率。根據(jù)上文得到的耦合矩陣再結(jié)合HFSS電磁仿真軟件仿真得到的耦合系數(shù)關(guān)于距離的曲線就可以很方便地確定兩個諧振器之間的距離。根據(jù)以上方法得到的耦合系數(shù)與諧振器間距的關(guān)系曲線如下圖：圖 3.2諧振器1，2之間的耦合圖 3.3諧振器2，3之間的耦合圖 3.4諧振器3，4之間的耦合圖 3.5諧振器2，5之間的耦合由前面的耦合矩陣可知，當1,2諧振器之間距離約為0.315mm； 2,3諧振器之

7、間距離約為0.5mm；3,4諧振器之間距離約為0.61mm時就能得到滿足要求的耦合系數(shù)。由前面的耦合矩陣可知諧振器2與5之間需要達到的耦合系數(shù)為-0.0042。圖中不好看出其對應(yīng)的距離，因此該參數(shù)通過后期優(yōu)化來使其達到最佳。3.2 外部品質(zhì)因數(shù)的提取由于調(diào)節(jié)饋電點的位置可以獲得不同的外部品質(zhì)因數(shù)。故而計算出外部品質(zhì)因數(shù)就可以對應(yīng)地得到饋電點的位置。運用HFSS仿真得到的濾波器外部品質(zhì)因數(shù)與饋電點位置之間的關(guān)系曲線如下圖所示：圖3.6外部品質(zhì)因數(shù)由前面計算的外部品質(zhì)因數(shù)可得此處對應(yīng)的饋電點位置約為0.79mm。3.3 總結(jié)通過以上兩步已經(jīng)提取得到了濾波器的基本結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)。但是由于所運用的設(shè)計

8、方法的系統(tǒng)誤差以及考慮到實物的加工精度問題導(dǎo)致的誤差，需要對初提取的參數(shù)進行優(yōu)化。最終得到的參數(shù)見下表3.1。表 3.1 優(yōu)化后的參數(shù)設(shè)置四 HFSS模型及仿真結(jié)果本次設(shè)計所使用的介質(zhì)基板板材為RO5880，基板厚度為0.254mm。表面敷銅厚度為0.018mm以仿真設(shè)計實物的導(dǎo)體損耗。其他參數(shù)見表3.1。最終設(shè)計得到的HFSS模型如下圖：圖4.1 交叉耦合微帶濾波器HFSS模型對該模型進行仿真得到的結(jié)果如下：圖4.2 濾波器的S參數(shù)圖4.3 S參數(shù)的寬頻特性曲線圖 4.4 濾波器群時延特性曲從圖4.2中觀察得到的仿真結(jié)果與課題要求對比結(jié)果見表4.1：指標設(shè)計要求仿真結(jié)果達標情況通帶范圍12.

9、25GHz-12.75GHz12.25GHz-12.75GHz帶內(nèi)插損<4dB3.39dB-3.56dB優(yōu)于指標帶內(nèi)駐波>10dB>14.3dB優(yōu)于指標13GHz以上邊帶抑制>15dB>34.9dB優(yōu)于指標14-16GHz邊帶抑制>30dB>65.2dB優(yōu)于指標12GHz以下邊帶抑制>15dB>32.3dB優(yōu)于指標11GHz以下邊帶抑制>40dB>60.68dB優(yōu)于指標8-10GHz邊帶抑制>50dB>60.68dB優(yōu)于指標表 4.1 設(shè)計結(jié)果達標情況從圖4.3中可以發(fā)現(xiàn)寄申通帶位于25GHz左右，能夠達到實際使用中原理通帶的要求，另外仿真結(jié)果還顯示對于寄申通帶的抑制均在28dB以下。由于本次設(shè)計采用半波長諧振器，故寄申通帶出現(xiàn)在二倍頻處，且能夠得到有效抑制。由于引入了傳輸零點，故群時延形曲線的對應(yīng)頻率出出現(xiàn)了尖峰。接下來，為了使仿真得到的結(jié)果與實測的結(jié)果盡可能的接近，接下來給所設(shè)計的濾波器外加適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)件進行仿真。設(shè)計模型如下：圖4.5 加結(jié)構(gòu)件共同仿真模型圖仿真后得到的結(jié)果如下所示：圖4.6 加結(jié)構(gòu)件共同仿真的S參數(shù)可以看到，在19GHz處出現(xiàn)了諧振，可能是由于結(jié)構(gòu)件