新型超宽带SIRs低通滤波器的设计学位论文

合肥师范学院2013届本科论文（设计）装订线 本科生毕业论文（设计） 题目：新型超宽带SIRs低通滤波器的设计13新型超宽带SIRs低通滤波器的设计摘 要 现如今，由于无线通信技术发展的速度如此之快，所以研制小型化、高性能、低成本的微波电路已经成为了面临的一项极其紧急的任务。目前，作为一个重要的器件，微波电路被应用在无线电台、微波通信、移动通信、卫星通信、无线宽带、航天器与地球之间的遥测、遥控及通信、无绳电话机等中，因此整个通信系统的性能指标会受微波电路的性能影响。随着科学技术的进步，工程设计和市场竞争的趋势将是设计重量轻、小体积、高性能、低成本的射频、微波滤波器以及其它器件。 本论文主要对微带低通滤波器进行设计和研究，其理论依据分别是阶跃阻抗(SIR)、Richards变换、DGS结构(Defected Ground Structure)。本文设计的SIR滤波器采用的普通板材，滤波器的尺寸精度要求相对较低，具有设计和加工简单方便的，同时滤波器各项性能参数好的特点，具有非常好的应用前景。关键词:微波滤波器 低通滤波器 阶跃阻抗 小型化I Abstract At present, the development of wireless communication technology is very fast, to develop small ，high performance and low-cost microwave circuits has become a pressing task. In the systems of microwave communications and satellite communications and radar navigation microwave filters is one of the important devices, whether its performance is good or bad will often has a direct impact on the performance of the communication system. With the fast development of science, new materials and new technology is designing small size, light weight, high performance and low-pass RF/microwave filters and other devices will be the trend of engineering design and market competition. In this paper is aimed to design a low-pass filer, its theoretical is the fractal theory, Richards transformation and DGS (Defected Ground Structure).SIR filter designed in this paper USES the ordinary plate, the size of the filter accuracy requirement is relatively low, with simple design and processing, at the same time filters all the performance parameters of good characteristics, has the very good application prospect.Key words: microwave filter low pass filter stepped impedance smallII 目 录一 绪论1.1 研究背景与意义1 1.2 应用于无线通信中的谐振器和滤波器的分类1 1.3 传输线谐振器和阶跃阻抗谐振器（SIR）2 1.4 本文的工作2 二 低通滤波器相关理论与实际应用2.1 低通滤波器原理62.1.1 低通滤波器简介82.1.2 低通滤波器工作原理82.1.3 低通滤波器特点用途8 2.2 低通滤波器实例 三 阶跃阻抗低通滤波器理论3.1 结构和设计要求83.2 SIR谐振条件和谐振器电学长度8 3.3 采用折叠线SIR的RF谐振单元 四 CST软件仿真设计 4.1设计实例 4.2 仿真与试验结果五 结论 12 参考文献III 一 绪 论1.1 研究背景与意义 电信发展期间，在电路中滤波器一直都是比较重要的角色。随着通信技术的高速发展，滤波器取得了不断地进展。1910年，载波电话系统出现了，它是一种新颖的多路通信系统，它的出现引起了一场电信领域的彻底的技术革命，从而开创了电信的新纪元。发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术是新的通信系统要求，然而滤波器技术的研究和发展却由于这种技术的发展而被进一步的加速了。在1915年，美国G.A.Canbell发明了一种后来以图像参数法而知名的设计方法，与此同时，一个以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法由德国科学家K.W.Wagner所开创。后来，包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法又出现了。确定符合特性要求的传递函数是他的第一步，由先前的传递函数所估定的频率响应来合成电路是它的第二步。这种方法的产生的作用和效率是非常不错的，并且这种早期的设计方法就是现在也被很多滤波器设计技术所采用。原先滤波器设计的发展领域是集总元件LC谐振器，后来扩展到了分布元件同轴谐振器和波导谐振器的新领域。在滤波器发展早期，滤波器的设计主要集中在以电感电容组合为主的无源电路上。为后一种线性谐振器系统，许多早期的研究人员认为基于非集总/分布元件电路物理原理的谐振器系统也能达到滤波性能。从上面可以看出，滤波器的发展以及滤波器设计方法的发展已经有了非常久的历史。在电信领域和一些其它电子设备中，滤波器已经成为了一种不能缺少的的器件。由于滤波器的种类是非常多的，因此作为一个设计者来说，琢磨根据特定的用途去选用相应的合适的滤波器是比较重要的。我们知道根据不同的方面，滤波器有多种分类方法。但根据滤波器的频率响应去分类，滤波器可分为以下四种基本的类型：低通滤波器（LPF)，高通滤波器（HPF)，带通滤波器（BPF)和带阻滤波器（BEF)。在这些滤波器中，有关低通滤波器的设计方法是很基础，许多指导书讲述了如何从LPF原型设计通过适当的频率转换实现HPF、BPF和BEF的技术。1.2 应用于无线通信中的谐振器和滤波器的分类无线通信的主要频带范围是非常宽的，从几十赫兹到几十吉赫兹，因此有相当多种类的谐振器能在这些频带中使用。我们知道每一种谐振器都有自己的优点和缺点，因此我们要根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器。采用体波和声表面波谐振器或滤波器可以满足微型化和低损的要求，而采用螺旋管谐振器或滤波器可以满足大功率的要21求。此外，因为体波和声表面波谐振器具有非常好的温度特性，所以它适用于窄带滤波器。各种谐振器包括同轴的谐振器、介电的谐振器、波导的谐振器以及带状线谐振器在射频到微波频段范围内均可使用。介电谐振器有许多很好的特点，如低损耗和可接受的温度稳定性和小尺寸等特点，然而，由于受到较高的成本和现在的加工技术的限制，从而使得它的使用范围在50GHz以下。虽然同轴谐振器具有包括电磁屏蔽、低损耗特性和小尺寸等非常好的特点，但是要想在10GHz以上的范围内使用，就会因为它的物理尺寸很微小，而使得制作精度很难达到。目前，在射频和微波电路中最常用的是带状线谐振器。由于带状线谐振器具有小的尺寸、通过光刻术易于加工、与其它有源电路元件的易于兼容等特点，许多电路使用此类谐振器。它的另一大优势是通过采用不同的材料而在很大的频率范围内得以应用。1.3 传输线谐振器和阶跃阻抗谐振器（SIR） 微带线、带状线和共平面线谐振器的最大特点是易于与有源电路相集成，因为它们是通过光刻在介电衬底上的金属化薄膜来制作的。对于传输线谐振器而言没有必要保持均匀的特性阻抗，同时谐振电路性能能通过非均匀阻抗谐振器（阶跃阻抗谐振器即SIR）来实现。虽然SIR的结构已被大家所广泛理解，但很少见到它应用于滤波器和谐振器。虽然使用不足的原因很多，但一个最重要的原因是现时对SIR的技术重要性还没有得到足够重视。另一个原因是设计方便性，工程师们认为完成UIR的电性能估算比SIR更现实。现在，在射频和微波领域针对每一种不同应用对谐振器的不同要求选择合适的谐振器成为必须。另外，设计过程中的CAD工具的使用已经普及，使得数据分析和优化计算的时间明显减少。根据这些，我们相信，将来实际应用将从各种传输线谐振器中选出最为适用者，而拥有先进结构的SIR谐振器成为首选。SIR的典型特征大概有以下几点:a、结构和设计上有很大自由度；b、是包括UIR的传输电谐振器一般概念的推演；c、是采用先进传输线结构和合成材料的非均匀阻抗谐振器扩展概念的发展。1.4 本文的工作 阶跃阻抗谐振器（SIR）具有很多典型的特征：结构和设计上有很大的自由度，通过采用不同类型的传输线或介电材料而使其有很大的频率应用范围等等。但由于介电常数和板材厚度以及滤波器尺寸对设计精度要求很高，很难在实际中应用。本文研究新型宽带阶跃阻抗谐振器的特性、结构，同时研究如何用新型宽带阶跃阻抗谐振器设计低通滤波器，设计的SIR滤波器采用的普通板材，滤波器的尺寸精度要求相对较低，具有设计和加工简单方便的，同时滤波器各项性能参数好的特点，具有非常好的应用前景。 42二 低通滤波器相关理论与实际应用2.1 低通滤波器原理2.1.1 低通滤波器简介 低通滤波器的功能是可以允许低于截至频率的信号通过,但是高于截至频率的信号不能通过的电子滤波器,这样的滤波器的好处是能过滤掉一部分高信号,从而得到所需要的低频率信号. 不同的滤波器对每个频率的信号的减弱程度是不同，当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器. 低通滤波器概念有许多不同的形式,其中包括电子线路(如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等,这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式. 低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起的作用; 低通滤波器有很多种,其中,最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器.2.2.2 低通滤波器工作原理我们知道电磁干扰就是任何可能引起电子装置、设备或系统性能下降甚至失效，或者对生命或无生命物质产生损害的电磁现象。几乎每一种电子设备都会产生不同程度的电磁干扰信号，它是一种不希望存在的电磁信号。由于有害的电磁干扰和正常信号相比，它的频率要高很多，所以电磁干扰滤波器的作用就是通过有选择性地分离有害的高频来发挥的。因为低通器件能使交流线路频率通过，并且它还是一个高频截止器件，所以一般情况下，电磁干扰滤波器的感应部分大都被设计成为一个低通器件。电磁干扰滤波器的其他部分为了使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路，所以使用电容来分路或分流有害的高频噪声。这样一来，电磁干扰滤波器就使得所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号降低或衰减了。 2.2.3 低通滤波器特点用途 特点：低损耗高抑制；分割点准确；双铜管保护；频蔽好防水功能强。 用途：产品用途广泛，使用于很多通讯系统，如 CATV EOC 等系统。并能有效的除掉通频带以外的信号和多余的频段、频率的干扰。简单地说：低通滤波器就是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。 2.2 低通滤波器实例一个固体屏障就是一个声波的低通滤波器。当另外一个房间中播放音乐时，很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉了。类似的情况是，一辆小汽车中非常大的音乐声在另外一个车中的人听来却是低音节拍，因为这时封闭的汽车（和空气间隔）起到了低通滤波器的作用，减弱了所有的高音。电子低通滤波器用来驱动重低音喇叭（subwoofer）和其它类型的扩音器，并且阻塞它们不能有效传播的高音节拍。无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射。DSL分离器使用低通和高通滤波器分离共享使用双绞线的DSL和POTS信号。低通滤波器也在如Roland公司这样的模拟合成器合成的电子音乐声音处理中发挥着重要的作用。理想与实际滤波器一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。实际上的转换区域也不再存在。一个理想的低通滤波器可以用数学的方法（理论上）在频域中用信号乘以矩形函数得到，作为具有同样效果的方法，也可以在时域与sinc函数作卷积得到。然而，这样一个滤波器对于实际真正的信号来说是不可实现的，这是因为sinc函数是一个延伸到无穷远处的函数（extends to infinity），所以这样的滤波器为了执行卷积就需要预测未来并且需要有过去所有的数据。对于预先录制好的数字信号（在信号的后边补零，并使得由此产生的滤波后的误差小于量化误差）或者无限循环周期信号来说这是可实现的。实时应用中的实际滤波器通过将信号延时一小段时间让它们能够“看到”未来的一小部分来近似地实现理想滤波器，这已为相移所证明。近似精度越高所需要的延时越长。采样定理（Nyquist-Shannon sampling theorem）描述了如何使用一个完善的低通滤波器和奈奎斯特-香农插值公式从数字信号采样重建连续信号。实际的数模转换器都是使用近似滤波器。 有许许多多不同频率响应的不同类型滤波器电路。滤波器的频率响应通常用波特图表示。例如，一阶滤波器在频率增加一倍（增加octave）时将信号强度减弱一半（大约-6dB）。一阶滤波器幅度波特图在截止频率之下是一条水平线，在截止频率之上则是一条斜线。在两者边界处还有一个knee curve在两条直线区域之间平缓转换7。二阶滤波器能够削减高频信号，这种类型的滤波器的波特图和一阶滤波器很相似。一个二阶的巴特沃斯滤波器，它是一个没有尖峰的临界衰减RLC电路。当二阶的巴特沃斯滤波器的频率增加一倍的时候，它就将信号强度衰减到原来的四分之一。别的一些二阶滤波器一开始的的滚降速度可能会和它们的Q因数有关，但是它们最后的速度都会一样，都是每倍频 -12dB。 对于任何的巴特沃斯滤波器，如果向右延长水平线并且向左上延伸斜线（函数的渐近线，它们将相交在“截止频率”。一阶滤波器在截止频率的频率响应是水平线下-3dB。不同类型的滤波器巴特沃斯滤波器、切比雪夫滤波器等都有不同形状的“knee curves”。许多二阶滤波器设计成有“峰值”或者谐振以得到截止频率处的频率响应处在水平线之上。低和高的含义例如截止频率依赖于滤波器的特性。（术语“低通滤波器”仅仅是指滤波器响应的形状10。一个高通滤波器能够设计成比任何低通滤波器截止频率更低的截止频率。不同的频率响应是区分它们的依据。）电子滤波器能够设计成任何所期望的频率范围可以到微波频率（超过 1000 MHz）。9 三 阶跃阻抗低通滤波器理论3.1 结构和设计要求 3.1.1 SIR谐振条件和谐振器电学长度 图1 单元SIR的结构 图1包含有开路面、短路面、阻抗阶跃面的SIR的基本单元。输入端的阻抗和导纳分别定义为Zi和Yi。忽略SIR的边缘电容，Zi的表达式如下： （3-1） 设，SIR谐振器的谐振条件为： （3-2）可以推得： （3-3）其中是表征两段传输线阻抗和的比值。由于SIR谐振条件决定于、和阻抗比，因而SIR同时要设计长度和阻抗比，因此SIR比UIR多一个设计自由度。SIR两端总电学长度: (3-4)四分之一波长SIR相对于UIR，归一化谐振器长度定于为： (3-5)下图是以作为变量的电学长度与归一化长度之间的关系。 图2 为变量与归一化长度之间的关系 图3折叠线SIR的RF谐振单元3.1.2 采用折叠线SIR的RF谐振单元如图 3 所示，折叠线SIR作为短路线其带宽比短路线宽，同时相对于辐射短路线却保持了紧凑小巧的特点。假定从上图传输线开路端看的输入阻抗为，则 (3-6)式中 (3-7) 当，时，这等效为SIR的谐振条件，在短接线的输入端接一理想的端电阻则从的另一端输入阻抗，取归一化和，则电压组比的电长度满足式中,，,相当带宽,式中。 折叠线SIR 时，相当带宽计算结果。带宽随和的减小而增加，比一般均匀阻抗传输线相应带宽要宽，具体有优异的截止特性和宽阻带特性。 四 运用CST软件进行设计模拟仿真4.1 实例设计具体要求： 1.通带范围； 2.插损； 3.回波损耗。 由上述滤波器综合理论，采用由，厚度为0.8mm 的Rogers板材，使用CST仿真软件进行仿真。4.2 仿真与实验结果根据以上设计参数，建立物理模型，利用CST软件进行仿真，如图4-1所示。仿真结果如图4-2所示。 图4-1 SIR低通滤波器模型根据理论值利用CST软件仿真出的曲线如下： 图4-2 SIR仿真曲线 五 结论 阶跃阻抗低通滤波器的一些基本特性介绍加进来！ 本文研究了一种新型宽带阶跃阻抗谐振滤波器的综合方法，并且给出了具体实例，理论计算和软件仿真结果一致，从而证明了这种综合方法的可行性。由于高次谐波的影响，在20GHz有一个突变。LPF的实验结果，0-5GHz均为通带,回波损耗大于30dB,并且所设计的滤波器具有结构紧凑，具有较小的插入损耗和较高抑制度等特点。 参考文献1. 杨维明 张劲.基于分形技术的阶跃阻抗微带低通滤波器设计.电波科学学报, 2010.10.152. 李玲玉.新型阶跃阻抗谐振单元用于微带滤波器设计的研究.电子科技大学, 2009.04.103. 陈一林.具有滤波特性的超宽带天线设计方法与研究.南京航空航天大学, 2010.01.014. 田旭坤.微带超宽带带通滤波器研究.华南理工大学,2012.05.015. 钱慧珍.新型高性能小型化滤波器设计.电子科技大学,2011.04.016. 廖承恩.微波技术基础.国防工业大学,1984 7. 唐汉.微波原理.南京大学,1990 8. 宁平治.微波信息传输技术.上海科学技术大学,1985 9. 林为干.微波理论与技术.科学出版社,1979 10. 鲍家善.微波原理.高等教育出版社,1985 12 14