2.4ghz微带线带通滤波器设计与优化分析物理电子工程【字数：9533】
当今时代，无线通讯深入生活的方方面面。而随着商用无线通信的发展，射频微波电路更是无处不在。传输线滤波器作为信号接收端中重要的组成，更是受到人们的重视，得到了大力发展。而微带线带通滤波器的优劣有时更是可能影响到整个接收机性能的好坏。所以，设计高性能的小型滤波器成为了当今人们研究的重点，成为当前非常受关注的课题。本文首先介绍了滤波器在通信领域的发展历史、在微波通信中的作用、当前滤波器研究现状以及滤波器设计与仿真软件ADS。然后基于ADS仿真软件和推导公式的基础上，介绍了微带线带通滤波器的设计方法，并借此设计了一款中心频率为2.4GHz微带线带通滤波器，并对该滤波器进行仿真与优化。最终，设计在采用奇偶模原理分析和ADS仿真相结合的基础上，成功设计出一款通带2.2GH在~2.6GHz，带内衰减3dB，起伏小于0.5dB，2.1GHz以下及2.7GHz以上衰减大于15dB，端口反射系数小于-20dB 的、比较理想的带通滤波器。
Keywords microstrip line；Bandpass filter；ADS 目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 滤波器发展简史 1
1.2 当前滤波器的研究状况 1
1.2.1 表面波滤波器（SAW） 1
1.2.2 体声波滤波器（BAW） 2
1.2.3 高温超导滤波器 2
1.3 ADS 2
1.4 小结 2
第2章 理论分析 3
2.1 滤波器的分类 3
2.2 滤波器主要参数 3
2.3 设计理论 4
2.4 原型滤波器的元件值的归一化及其计算 5
2.4 奇偶模特征阻抗 6
2.5 小结 7
第3章 微带线 8
3.1 微带线结构分类 8
3.2 微带线特性 9
3.3 微带线与带状线 9
3.4 小结 10
第4章 滤波器设计 11
4.1 参数计算 11
4.2 原理图设计仿真 13
4.3 版图仿真 17
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.4 小结 20
结论 21
参考文献 22
致谢 23
第1章 绪论
无线技术已逐渐融入我们的生活，变成我们生活中不可分割的一部分。而随着科技的发展，工业、农业、航天，一切都有着无线通信技术的身影。无线技术的广泛应用，使的我们不断提出新的技术需求。滤波器作为通信系统中必需部分，也应当跟随科技的发展，不断进步。
1.1 滤波器发展简史
最早的滤波器可以追溯到1910年，载波电话系统推动了滤波器的发展。而第一种闻名于世的滤波器则是由德国科学家K.w.wnager于1915设计的瓦格纳滤波器。随后，随着科技人员积极系统的对滤波器设计理论的分析与研究。最终，于1940年出现了一种基于传递函数的精准滤波器综合方法。该方法对直到今日的设计技术依旧有着影响。
随着通信频道的不断加宽，人们已不再满足于原有的波长，开始踏足于微波邻域。滤波器设计也因此扩展到新的邻域。微带线滤波器也随之应用而生。同时，随着无线技术应用范围的增广，人们对滤波器的要切也越来越高。人们正不断地追求高性能，低成本，小型化，高频率的滤波器[1]。
于是，70年代微波集成电路带动集成滤波器发展的同时，人们同样设法寻求新的滤波器制作材料。而80年代，低损耗材料的突破使得人们成功将非金属材料（介质、陶瓷）应用于滤波器制作[2]。
90年代后科技的发展使人们对滤波器的要求越来越高，人们不但追求滤波器的准确性，同时也希望能够使滤波器小型化。在这种实际需求的催动下，超导、三维、LTCC等各种新型滤波器层出不群。
1.2 当前滤波器的研究状况
通信过程中各个不同的波段混杂在一起。为了准确获得所需的信息，就必须将所不需要的波长过滤掉，只留下所需要的波段，而这正是滤波器的作用。随着通信行业的发展，不同行业产生了不同的行业标准，这也对滤波器提出了不同的性能和特性要求。
随着移动设备功能的强大，射频前端模块成了移动设备中必不可少的一部分。而射频滤波器作为射频前端模块不可缺少的一部分，成为了当下研究的重点。目前，射频滤波器最主流的实现方式是SAW(表面波滤波器)和BAW(体声波滤波器)。
1.2.1 表面波滤波器（SAW）
SAW的技术核心压电效应。晶体被施以电压后发生机械形变。而如果晶体发生机械压缩或延申，又会因产生的电荷带来的电流形成电压。在晶体因此不断的进行电能与机械能的转化过程中，晶体的机械形变会产生上千乃至上万的声波，声波在表面传播并形成驻波，可使滤波器品质因数达到上千[3]。
1.2.2 体声波滤波器（BAW）
BAW原理与SAW类似，但不同在于BAW的声波被贴嵌于晶体上下端的金属板锁于晶体内部，使得声波在晶体内形成驻波。
SAW与BAW的构造的不同使得二者适用范围也有所不同。SAW适用于1.5GHz以下，1.5GHz~2.5GHz品质因数有所下降。一旦超过2.5GHz，若想有一个理想的过滤效果，就需要使用BAW了。
1.2.3 高温超导滤波器
20世纪，人们在基础研究上获得了一个极为重要的成果，即高温超导体的发现。随后10年，人们在其电性能的研究上取得了长足的进步。随着研究的进步，人们发明了各式各样的性能卓越的高温超导微波无源器件[4]~[5]。高温超导(HTS)材料性能接近于无耗，利用它可以构成高质量的微波谐振器、滤波器、多工器和天线等。利用高温超导(HTS)薄膜可构成微带、带状线、波导滤波器等。这些滤波器具有理想的微波特性、很低的插入损耗和带内衰减，并且有非常陡的平移特性，而且滤波器能够做出特别小的尺寸，从而轻松地与其它微波集成电路元件集成。这样不但可以充分地利用信号频带，增加互不干扰的信道数量，并能避免信号传输失真。超导滤波器不仅带内衰减低，而且相位延时和色散特性也大为改善，具有诱人的发展前景。
1.3 ADS
ADS（Advanced Design System），即先进设计系统，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为高效进行产品开发而研制的EDA软件。该软件功能强大，在发行后不久迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者。本论文中所有设计仿真皆使用ADS软件完成。该软件自2002年研发出来后，以接近每年2改的速度不断更新，功能不断优化改进，从简单到复杂。功能愈加全面。目前，ADS软件已经具有包括时域电路仿真?(SPICElike Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真 (EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计（DSP）；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF设计等功能。从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，全部可以使用ADS软件完成。
Keywords microstrip line；Bandpass filter；ADS 目录
摘要 I
Abstract II
第1章 绪论 1
1.1 滤波器发展简史 1
1.2 当前滤波器的研究状况 1
1.2.1 表面波滤波器（SAW） 1
1.2.2 体声波滤波器（BAW） 2
1.2.3 高温超导滤波器 2
1.3 ADS 2
1.4 小结 2
第2章 理论分析 3
2.1 滤波器的分类 3
2.2 滤波器主要参数 3
2.3 设计理论 4
2.4 原型滤波器的元件值的归一化及其计算 5
2.4 奇偶模特征阻抗 6
2.5 小结 7
第3章 微带线 8
3.1 微带线结构分类 8
3.2 微带线特性 9
3.3 微带线与带状线 9
3.4 小结 10
第4章 滤波器设计 11
4.1 参数计算 11
4.2 原理图设计仿真 13
4.3 版图仿真 17
4 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ^351916072#
.4 小结 20
结论 21
参考文献 22
致谢 23
第1章 绪论
无线技术已逐渐融入我们的生活，变成我们生活中不可分割的一部分。而随着科技的发展，工业、农业、航天，一切都有着无线通信技术的身影。无线技术的广泛应用，使的我们不断提出新的技术需求。滤波器作为通信系统中必需部分，也应当跟随科技的发展，不断进步。
1.1 滤波器发展简史
最早的滤波器可以追溯到1910年，载波电话系统推动了滤波器的发展。而第一种闻名于世的滤波器则是由德国科学家K.w.wnager于1915设计的瓦格纳滤波器。随后，随着科技人员积极系统的对滤波器设计理论的分析与研究。最终，于1940年出现了一种基于传递函数的精准滤波器综合方法。该方法对直到今日的设计技术依旧有着影响。
随着通信频道的不断加宽，人们已不再满足于原有的波长，开始踏足于微波邻域。滤波器设计也因此扩展到新的邻域。微带线滤波器也随之应用而生。同时，随着无线技术应用范围的增广，人们对滤波器的要切也越来越高。人们正不断地追求高性能，低成本，小型化，高频率的滤波器[1]。
于是，70年代微波集成电路带动集成滤波器发展的同时，人们同样设法寻求新的滤波器制作材料。而80年代，低损耗材料的突破使得人们成功将非金属材料（介质、陶瓷）应用于滤波器制作[2]。
90年代后科技的发展使人们对滤波器的要求越来越高，人们不但追求滤波器的准确性，同时也希望能够使滤波器小型化。在这种实际需求的催动下，超导、三维、LTCC等各种新型滤波器层出不群。
1.2 当前滤波器的研究状况
通信过程中各个不同的波段混杂在一起。为了准确获得所需的信息，就必须将所不需要的波长过滤掉，只留下所需要的波段，而这正是滤波器的作用。随着通信行业的发展，不同行业产生了不同的行业标准，这也对滤波器提出了不同的性能和特性要求。
随着移动设备功能的强大，射频前端模块成了移动设备中必不可少的一部分。而射频滤波器作为射频前端模块不可缺少的一部分，成为了当下研究的重点。目前，射频滤波器最主流的实现方式是SAW(表面波滤波器)和BAW(体声波滤波器)。
1.2.1 表面波滤波器（SAW）
SAW的技术核心压电效应。晶体被施以电压后发生机械形变。而如果晶体发生机械压缩或延申，又会因产生的电荷带来的电流形成电压。在晶体因此不断的进行电能与机械能的转化过程中，晶体的机械形变会产生上千乃至上万的声波，声波在表面传播并形成驻波，可使滤波器品质因数达到上千[3]。
1.2.2 体声波滤波器（BAW）
BAW原理与SAW类似，但不同在于BAW的声波被贴嵌于晶体上下端的金属板锁于晶体内部，使得声波在晶体内形成驻波。
SAW与BAW的构造的不同使得二者适用范围也有所不同。SAW适用于1.5GHz以下，1.5GHz~2.5GHz品质因数有所下降。一旦超过2.5GHz，若想有一个理想的过滤效果，就需要使用BAW了。
1.2.3 高温超导滤波器
20世纪，人们在基础研究上获得了一个极为重要的成果，即高温超导体的发现。随后10年，人们在其电性能的研究上取得了长足的进步。随着研究的进步，人们发明了各式各样的性能卓越的高温超导微波无源器件[4]~[5]。高温超导(HTS)材料性能接近于无耗，利用它可以构成高质量的微波谐振器、滤波器、多工器和天线等。利用高温超导(HTS)薄膜可构成微带、带状线、波导滤波器等。这些滤波器具有理想的微波特性、很低的插入损耗和带内衰减，并且有非常陡的平移特性，而且滤波器能够做出特别小的尺寸，从而轻松地与其它微波集成电路元件集成。这样不但可以充分地利用信号频带，增加互不干扰的信道数量，并能避免信号传输失真。超导滤波器不仅带内衰减低，而且相位延时和色散特性也大为改善，具有诱人的发展前景。
1.3 ADS
ADS（Advanced Design System），即先进设计系统，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为高效进行产品开发而研制的EDA软件。该软件功能强大，在发行后不久迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者。本论文中所有设计仿真皆使用ADS软件完成。该软件自2002年研发出来后，以接近每年2改的速度不断更新，功能不断优化改进，从简单到复杂。功能愈加全面。目前，ADS软件已经具有包括时域电路仿真?(SPICElike Simulation)、频域电路仿真 (Harmonic Balance、Linear Analysis)、三维电磁仿真 (EM Simulation)、通信系统仿真(Communication System Simulation)和数字信号处理仿真设计（DSP）；支持射频和系统设计工程师开发所有类型的 RF设计等功能。从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，全部可以使用ADS软件完成。
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