半波长谐振器窄带带阻滤波器的设计与仿真
目 录
1 绪论1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 论文主要内容和章节安排 1
2 微波滤波器简述2
2.1 简述滤波器概念与指标 2
2.2 微带线滤波器 3
2.3 滤波器低通模型 6
2.4 低通到带阻的频率转换 7
3 带阻滤波器的设计 8
3.1 带阻滤波器的设计方法简述 8
3.2 带阻滤波器的结构12
3.3 滤波器设计 13
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
.
1 绪论
我们已经进入了高速发展的新世纪，人类获取信息的途径不再局限于报刊杂志，或者是有线电话。无线通信的出现和应用极大加快了我们对信息获取的速度，但也使得相同频域内的信号越来越多，为了从这些杂乱无章的信号中获得我们需要的那部分，同时屏蔽不需要的那部分，设计一个高质量的滤波器是非常必要的。高质量的滤波器可以降低信号的传输损耗，并且抑制干扰。
1.1 研究背景及意义
微波电路在进入新时期后的发展非常快，带阻滤波器属于其中的非常重要的一种类型。各行各业都离不开无线通信，而带阻滤波器正是无线通信系统当中至关重要的一部分。本课题要对使用半波长谐振器窄带带阻滤波器进行仿真与设计。经过本文的研究，我们能够了解带阻滤波器的基本参数，对软件应用和电路设计的能力也会得到提高。
1.2 国内外研究现状
带阻滤波器的发展可以追溯到上个世纪中期。不过，直到1964年，美国著名的微波通信学家马特伊博士[1]在他发表的文章中非常系统的对滤波器的设计进行了介绍,也 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
使用了较大篇幅对其中的带阻滤波器的设计进行描述。
在同一年，斯齐夫曼[2]的文章中也同样给出了关于滤波器设计的基本原理，而且提出一条公式，并满足所有频率类型的滤波器的要求。
20世纪70年代初，E.G.Cristal[3]在他自己发表的文章中提出了有关窄带带阻滤波器设计的一般近似公式，使得公式不再像之前那么繁琐复杂，大大提高计算效率，这也使得带阻滤波器的设计变得更加简单方便。
在1975年前后，Atia 和 Williams[4]提出了有关交叉耦合滤波器的通用理论。基于此理论，使得交叉耦合滤波器变得可以实现，各种设计方法也逐渐出现。 2001年， 理查德卡梅伦[6]发表了关于交叉耦合的公式，采用的方法是之前没人使用过的循环递归方法，使得带阻滤波器的技术又上升到了一个新的高度。
1.3 论文主要内容和章节安排
本篇论文共分为三大章节，其中，第一章为全篇绪论，概述了带阻滤波器的研究背景以及意义，介绍了带阻滤波器的发展历史和新时期的发展展望。本文的第二部分是滤波器的简述，主要是简述了滤波器的概念与滤波器的各项指标。在接下来的第三部分，重点介绍了带阻滤波器的设计理论以及带阻滤波器的设计结构，并通过此方法实际设计了一款窄带带阻滤波器。通过对该窄带带阻滤波器使用ADS软件进行优化，成功达到了设计要求，并获得了该滤波器的各项基本参数。在文章的最后，对设计的带阻滤波器进行了总结。
2 微波滤波器简述
微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。它是用来过滤或分离不同微波频率信号的元件。按所通过的频段分类，可分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器。
滤波器的设计方法在通常情况下可以简单的分为三种类别，分别为分布参数法、镜像参量法以及插入损耗法。分布参数法属于其中最为简单的一类方法，通过传输线理论[7]，以插入衰减函数为基础，这样可以得到滤波器的各部件的具体参数，同时也能够获得该滤波器的电路图模型。镜像参量法就是将多个滤波单元串联或者并联起来，得到一个滤波器，然后对各部分的具体参数进行优化和调整，使其达到要求的特性。
目前，全世界范围内使用最为普遍的方法，就是插入损耗法。通过使用全面的方法来控制所需要的响应，插入损耗法可以高度的控制振幅和相位特性。使得滤波器的各项参数更加精确。通过这种方法可以得到满足需求的更好结果，使设计出来的带阻滤波器更加符合要求[9-12]。
2.1 简述滤波器概念与指标
如图2-1所示，这是微波滤波器的最基本原理图。 代表输入功率， 代表负载 得到的功率， 代表信号源， 代表信号源内阻。
在这里可以定义插入衰减 ，用来描述滤波器的工作特性。定义如下:
(2-1)
插入衰减 是信号传输过程中高保真传输的重中之重。
图2-1二端口滤波单元原理图
与微波滤波器相关的主要技术指标有:
带宽(BW): 在所要求的插入损耗范围内的频率宽度，BW = 。
中心频率( ): 滤波器通带或阻带的中心频率，计算公式为
其中， 和 分别为起始和终止频率。
插入损耗(Loss ): 由于滤波器的插入对工作信号所造成损耗值。
带内驻波(VSWR): 滤波器通带内的反射。
带外抑制: 对干扰信号的抑制能力，响应波形越陡月越好。
寄生通带: 当频率超过某一数值时,元件的电抗、电纳将相互转化,电感变成
电容,电容变成电感,导致阻带中出现新的通带,称为寄生通带。
群时延: 当信号通过滤波器，使得信号被延迟的时间， ， 为
传输相位 为角频率。
相位一致性: 信号通过滤波器使得表征传输信号失真的程度。
功率容量: 滤波器可承受的最大输入功率。
输入输出阻抗: 在滤波器的输入端以及输出端所连接的阻抗的大小。
品质因数: 表征滤波器的频率选择性。
接头类型: SMA接头、N接头、K接头等。
2.2 微带线滤波器
微带线滤波器的工作频率范围为 500MHz~40GHz，微带线本身的特性，决定了微带线滤波器的特性。罗杰斯公司生产的微带线介质片是全球应用最广泛的介质片。目前广泛使用高科技数控机床来生产微带线滤波器。微带滤波器分为平行耦合型、发卡线型、交指型这三种类型。但这三种类型的微带线滤波器的阻带抑制不佳，没有实用价值。随着时代的进步，科技的创新，科学家们发明了一种新型的结构——阶梯阻抗谐振器，这种结构的滤波器驻代抑制良好，制造成本低廉，现在已被广泛应用。
图2-2微带传输线（a）几何结构（b）电场线和磁场线
微带线的基本特性
如图2-3 ，微带线主要是由金属层和介质层构成的。金属层的金属与要有良好的导电性，介质层的介质需要有良好的介电性。
（2-18）
根据已知参数，可以通过上一章节所提到的公式，得出相关参量的近似值，使用这些近似值，可以在软件中获得滤波器的频率特性图，通过微调这些近似值，可以使该滤波器的特性频率更加符合我们的设计要求，最终可以确定这些参量的最终值。表3-1和表3-2分别为所需参量的近似值以及已经的参数值。
1 绪论1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3 论文主要内容和章节安排 1
2 微波滤波器简述2
2.1 简述滤波器概念与指标 2
2.2 微带线滤波器 3
2.3 滤波器低通模型 6
2.4 低通到带阻的频率转换 7
3 带阻滤波器的设计 8
3.1 带阻滤波器的设计方法简述 8
3.2 带阻滤波器的结构12
3.3 滤波器设计 13
结束语 20
致谢 21
参考文献 22
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1 绪论
我们已经进入了高速发展的新世纪，人类获取信息的途径不再局限于报刊杂志，或者是有线电话。无线通信的出现和应用极大加快了我们对信息获取的速度，但也使得相同频域内的信号越来越多，为了从这些杂乱无章的信号中获得我们需要的那部分，同时屏蔽不需要的那部分，设计一个高质量的滤波器是非常必要的。高质量的滤波器可以降低信号的传输损耗，并且抑制干扰。
1.1 研究背景及意义
微波电路在进入新时期后的发展非常快，带阻滤波器属于其中的非常重要的一种类型。各行各业都离不开无线通信，而带阻滤波器正是无线通信系统当中至关重要的一部分。本课题要对使用半波长谐振器窄带带阻滤波器进行仿真与设计。经过本文的研究，我们能够了解带阻滤波器的基本参数，对软件应用和电路设计的能力也会得到提高。
1.2 国内外研究现状
带阻滤波器的发展可以追溯到上个世纪中期。不过，直到1964年，美国著名的微波通信学家马特伊博士[1]在他发表的文章中非常系统的对滤波器的设计进行了介绍,也 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
使用了较大篇幅对其中的带阻滤波器的设计进行描述。
在同一年，斯齐夫曼[2]的文章中也同样给出了关于滤波器设计的基本原理，而且提出一条公式，并满足所有频率类型的滤波器的要求。
20世纪70年代初，E.G.Cristal[3]在他自己发表的文章中提出了有关窄带带阻滤波器设计的一般近似公式，使得公式不再像之前那么繁琐复杂，大大提高计算效率，这也使得带阻滤波器的设计变得更加简单方便。
在1975年前后，Atia 和 Williams[4]提出了有关交叉耦合滤波器的通用理论。基于此理论，使得交叉耦合滤波器变得可以实现，各种设计方法也逐渐出现。 2001年， 理查德卡梅伦[6]发表了关于交叉耦合的公式，采用的方法是之前没人使用过的循环递归方法，使得带阻滤波器的技术又上升到了一个新的高度。
1.3 论文主要内容和章节安排
本篇论文共分为三大章节，其中，第一章为全篇绪论，概述了带阻滤波器的研究背景以及意义，介绍了带阻滤波器的发展历史和新时期的发展展望。本文的第二部分是滤波器的简述，主要是简述了滤波器的概念与滤波器的各项指标。在接下来的第三部分，重点介绍了带阻滤波器的设计理论以及带阻滤波器的设计结构，并通过此方法实际设计了一款窄带带阻滤波器。通过对该窄带带阻滤波器使用ADS软件进行优化，成功达到了设计要求，并获得了该滤波器的各项基本参数。在文章的最后，对设计的带阻滤波器进行了总结。
2 微波滤波器简述
微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号, 使其不能通过滤波器, 只让需要的信号通过。它是用来过滤或分离不同微波频率信号的元件。按所通过的频段分类，可分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器。
滤波器的设计方法在通常情况下可以简单的分为三种类别，分别为分布参数法、镜像参量法以及插入损耗法。分布参数法属于其中最为简单的一类方法，通过传输线理论[7]，以插入衰减函数为基础，这样可以得到滤波器的各部件的具体参数，同时也能够获得该滤波器的电路图模型。镜像参量法就是将多个滤波单元串联或者并联起来，得到一个滤波器，然后对各部分的具体参数进行优化和调整，使其达到要求的特性。
目前，全世界范围内使用最为普遍的方法，就是插入损耗法。通过使用全面的方法来控制所需要的响应，插入损耗法可以高度的控制振幅和相位特性。使得滤波器的各项参数更加精确。通过这种方法可以得到满足需求的更好结果，使设计出来的带阻滤波器更加符合要求[9-12]。
2.1 简述滤波器概念与指标
如图2-1所示，这是微波滤波器的最基本原理图。 代表输入功率， 代表负载 得到的功率， 代表信号源， 代表信号源内阻。
在这里可以定义插入衰减 ，用来描述滤波器的工作特性。定义如下:
(2-1)
插入衰减 是信号传输过程中高保真传输的重中之重。
图2-1二端口滤波单元原理图
与微波滤波器相关的主要技术指标有:
带宽(BW): 在所要求的插入损耗范围内的频率宽度，BW = 。
中心频率( ): 滤波器通带或阻带的中心频率，计算公式为
其中， 和 分别为起始和终止频率。
插入损耗(Loss ): 由于滤波器的插入对工作信号所造成损耗值。
带内驻波(VSWR): 滤波器通带内的反射。
带外抑制: 对干扰信号的抑制能力，响应波形越陡月越好。
寄生通带: 当频率超过某一数值时,元件的电抗、电纳将相互转化,电感变成
电容,电容变成电感,导致阻带中出现新的通带,称为寄生通带。
群时延: 当信号通过滤波器，使得信号被延迟的时间， ， 为
传输相位 为角频率。
相位一致性: 信号通过滤波器使得表征传输信号失真的程度。
功率容量: 滤波器可承受的最大输入功率。
输入输出阻抗: 在滤波器的输入端以及输出端所连接的阻抗的大小。
品质因数: 表征滤波器的频率选择性。
接头类型: SMA接头、N接头、K接头等。
2.2 微带线滤波器
微带线滤波器的工作频率范围为 500MHz~40GHz，微带线本身的特性，决定了微带线滤波器的特性。罗杰斯公司生产的微带线介质片是全球应用最广泛的介质片。目前广泛使用高科技数控机床来生产微带线滤波器。微带滤波器分为平行耦合型、发卡线型、交指型这三种类型。但这三种类型的微带线滤波器的阻带抑制不佳，没有实用价值。随着时代的进步，科技的创新，科学家们发明了一种新型的结构——阶梯阻抗谐振器，这种结构的滤波器驻代抑制良好，制造成本低廉，现在已被广泛应用。
图2-2微带传输线（a）几何结构（b）电场线和磁场线
微带线的基本特性
如图2-3 ，微带线主要是由金属层和介质层构成的。金属层的金属与要有良好的导电性，介质层的介质需要有良好的介电性。
（2-18）
根据已知参数，可以通过上一章节所提到的公式，得出相关参量的近似值，使用这些近似值，可以在软件中获得滤波器的频率特性图，通过微调这些近似值，可以使该滤波器的特性频率更加符合我们的设计要求，最终可以确定这些参量的最终值。表3-1和表3-2分别为所需参量的近似值以及已经的参数值。
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