半波长开路枝节加载带通滤波器的仿真与设计
目 录
1 绪论 1
1.1 滤波器的发展史 1
1.2 滤波器的分类 1
1.3 ADS软件介绍 2
1.4 本文研究内容 3
2 滤波器的基本原理及设计方法 3
2.1 微波滤波器的基本概念 3
2.2 归一化低通原型滤波器 4
2.3 带通的转换 5
2.4 切比雪夫滤波器 7
2.5 开路半波长传输线 8
2.6 微带线滤波器 10
3 基于半波长开路枝节加载带通滤波器的仿真和设计 12
3.1 四分之一波长短路枝节滤波器 13
3.2 半波长开路枝节滤波器 13
3.3 设计实例 15
3.4 设计步骤与结果分析 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，射频微波电路的要求日渐提高，同时作为微波元件的一种微波带通滤波器也取得了飞速的发展。新的通信系统迫切希望有一种可以在特定频带范围提取并且分离信号的技术，就是这样的新技术的发展才使得滤波器技术的研究与发展能够更进一步。因为在微波、通信、雷达等行业，多频率处理的工作变得相当普遍，频率分离的标准也在不断地提高，所以需要大量地采用各种滤波器。
作为一种重要的微波元器件，微波带通滤波器在最近几年取得了飞速的进展。整个微波系统性能都受到了其性能直接影响，也就是说其性能是关键。因此设计出一个高性能的带通滤波器， 对微波电路系统的设计拥有非凡的价值。近年来，拥有体积小、 重量轻、频带宽等优点的微带线电路在微波电路系统应用广泛。在这之中，其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
主要应用包括了使用微带做滤波器。
1.1 滤波器的发展史
美国科学家和德国科学家于1917年各自创造了LC滤波器。第二年，在美国便产生了世界上第一个多路复用系统。[1]
上世纪50年代，无源滤波器的技术日趋成熟。从60年代开始，因计算机科学技术、集成工艺和材料科学的进步，滤波器发展踏上了一个新台阶。在性能方面，滤波器朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠方向努力，其中体积小、功能多、精度高、稳定性可靠等发展方向成为了70年代以后的主流。这导致了RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各式滤波器的迅猛发展。[1]
发展到70年代后期，以上几种滤波器的单片集成技术已被发明且得到了应用。到了80年代，人们开始转向各类新型滤波器的研发，同时尽量提高性能且逐补开拓应用范围。从90年代起直至如今，工作者主要潜心于将各种滤波器适用于相关种类产品的研发。不用说，滤波器本身的进一步研究也在不断进行。[1]
1.2 滤波器的分类
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
滤波器有各种不同的分类。主要分类有：
(1)按所处理的信号可分为模拟滤波器和数字滤波器。
(2)按所通过信号的频段可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器。
1.低通滤波器允许信号中低频或者直流分量通过，但抑制高频分量或干扰、噪声；
2.高通滤波器是一允许信号中高频分量通过，却抑制低频或直流分量的滤波器；
3.带通滤波器让一定频段的信号通过，并抑制低于或高于该频段的信号及噪声的通过；
4.带阻滤波器能抑制一定频段内的信号，允许频段之外信号的通过。
(3)按所采用的元器件可分为无源和有源滤波器。
1.无源滤波器是指仅由无源元件组成的滤波器。它利用的是电容和电感元件的电抗随频率变化而变化的原理。
2.有源滤波器是由无源元件和有源器件组成的。
(4)根据滤波器的安放位置不同，一般分为板上滤波器和面板滤波器。
滤波器种类繁多，有些是众所周知的，有些可能不为大家所熟悉，近年来发展很快的几种滤波器主要有以下几种：(1)有源滤波器(2)开关电容滤波器(3)数字滤波器(4)电控编程CCD横向滤波器(5)晶体滤波器(6)声表面滤波器等。
1.3 ADS软件介绍
由于该课题是基于ADS软件的仿真，因此有必要对该软件进行一次介绍。
ADS(Advanced Design System，即高级设计系统)，它是由安捷伦(Agilent Technoligyies)公司推出的一套电路仿真与设计软件。Agilent Technoligies公司把HP MDS(Mierowave Design System，微波设计系统)和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software，电子工程软件)两者的精华有机地结合起来，同时增加了不少新的功能，于是便有了今天的ADS软件。
ADS是一款功能强大的EDA系统软件，它的应用场合主要包括如下四个方面:(1)射频和微波电路的设计(包括RFIC，RF Board)，(2)DSP设计，(3)通信系统的设计，(4)电磁矩量仿真。
其通常的设计流程如下:
(1)输入电路。将电路划分为不同的元件的组合，建立相应的数据文件。
(2)仿真优化。利用软件的相关功能，对输入的电路进行仿真或者优化计算。
(3)显示结果。ADS可以方便地显示仿真优化的结果，随时根据需要，查看计算结果。这对分析设计成功和失败的原因，加快设计过程以及检查设计结果是非常重要的。
(4)工艺图的生成。软件工艺图的自动生成，它不仅为设计者实现电路提供了便捷的设计工具，而且机器生成的工艺图通常会和软件的模型有很好的一致性，这能够回避部分失误。
本文将采用ADS 2008 Update 2对滤波器进行仿真设计。
1.4 本文研究内容
微带线带通滤波器的设计是日前极引注意的课题。本课题于前人研究的基础上， 在厚度0.635 mm，介电常数10.2的介质板上，对中心频率2GHz的半波长开路枝节加载带通滤波器进行仿真与设计。通过本课题的研究，掌握带通滤波器的基本参数和模型，提高应用软件和电路设计的能力。
2 滤波器的基本原理及设计方法
2.1 微波滤波器的基本概念
微波滤波器是一种选择性装置，能够根据需要通过或者阻止某一频段内的信号，现在已经成为一种非常重要的微波元件，按传输线的类型可分为有波导、同轴线、带状线与微带线等类型滤波器；按其通过或阻止信号的频率大小来分，有低通、高通、带通和带阻滤波器。
5）矩形系数 SF ：60dB带宽与3dB带宽的比值，该值描述了滤波器引发带外信号的衰减程度，其中 、 分别为滤波器在60dB衰减处的上下边频。
微带线主要由附在介质基片一面上的导体带和另一面的接地金属板构成，如图2-7 所示，它的主要构成部分是金属和介质。对于金属而言，要求其导电性能良好（目前常用的金属为铜箔，厚度主要分为 35μm和 18μm）；而对介质而言，要求介电常数适当，介质损耗小，此外还要考虑到介质材料的制造成本和系统性能。
(3-2)
1 绪论 1
1.1 滤波器的发展史 1
1.2 滤波器的分类 1
1.3 ADS软件介绍 2
1.4 本文研究内容 3
2 滤波器的基本原理及设计方法 3
2.1 微波滤波器的基本概念 3
2.2 归一化低通原型滤波器 4
2.3 带通的转换 5
2.4 切比雪夫滤波器 7
2.5 开路半波长传输线 8
2.6 微带线滤波器 10
3 基于半波长开路枝节加载带通滤波器的仿真和设计 12
3.1 四分之一波长短路枝节滤波器 13
3.2 半波长开路枝节滤波器 13
3.3 设计实例 15
3.4 设计步骤与结果分析 16
结 论 19
致 谢 20
参 考 文 献 21
1 绪论
近年来，随着无线通信技术的飞速发展，射频微波电路的要求日渐提高，同时作为微波元件的一种微波带通滤波器也取得了飞速的发展。新的通信系统迫切希望有一种可以在特定频带范围提取并且分离信号的技术，就是这样的新技术的发展才使得滤波器技术的研究与发展能够更进一步。因为在微波、通信、雷达等行业，多频率处理的工作变得相当普遍，频率分离的标准也在不断地提高，所以需要大量地采用各种滤波器。
作为一种重要的微波元器件，微波带通滤波器在最近几年取得了飞速的进展。整个微波系统性能都受到了其性能直接影响，也就是说其性能是关键。因此设计出一个高性能的带通滤波器， 对微波电路系统的设计拥有非凡的价值。近年来，拥有体积小、 重量轻、频带宽等优点的微带线电路在微波电路系统应用广泛。在这之中，其 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: *351916072*
主要应用包括了使用微带做滤波器。
1.1 滤波器的发展史
美国科学家和德国科学家于1917年各自创造了LC滤波器。第二年，在美国便产生了世界上第一个多路复用系统。[1]
上世纪50年代，无源滤波器的技术日趋成熟。从60年代开始，因计算机科学技术、集成工艺和材料科学的进步，滤波器发展踏上了一个新台阶。在性能方面，滤波器朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠方向努力，其中体积小、功能多、精度高、稳定性可靠等发展方向成为了70年代以后的主流。这导致了RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各式滤波器的迅猛发展。[1]
发展到70年代后期，以上几种滤波器的单片集成技术已被发明且得到了应用。到了80年代，人们开始转向各类新型滤波器的研发，同时尽量提高性能且逐补开拓应用范围。从90年代起直至如今，工作者主要潜心于将各种滤波器适用于相关种类产品的研发。不用说，滤波器本身的进一步研究也在不断进行。[1]
1.2 滤波器的分类
凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。
滤波器有各种不同的分类。主要分类有：
(1)按所处理的信号可分为模拟滤波器和数字滤波器。
(2)按所通过信号的频段可分为低通、高通、带通和带阻四种滤波器。
1.低通滤波器允许信号中低频或者直流分量通过，但抑制高频分量或干扰、噪声；
2.高通滤波器是一允许信号中高频分量通过，却抑制低频或直流分量的滤波器；
3.带通滤波器让一定频段的信号通过，并抑制低于或高于该频段的信号及噪声的通过；
4.带阻滤波器能抑制一定频段内的信号，允许频段之外信号的通过。
(3)按所采用的元器件可分为无源和有源滤波器。
1.无源滤波器是指仅由无源元件组成的滤波器。它利用的是电容和电感元件的电抗随频率变化而变化的原理。
2.有源滤波器是由无源元件和有源器件组成的。
(4)根据滤波器的安放位置不同，一般分为板上滤波器和面板滤波器。
滤波器种类繁多，有些是众所周知的，有些可能不为大家所熟悉，近年来发展很快的几种滤波器主要有以下几种：(1)有源滤波器(2)开关电容滤波器(3)数字滤波器(4)电控编程CCD横向滤波器(5)晶体滤波器(6)声表面滤波器等。
1.3 ADS软件介绍
由于该课题是基于ADS软件的仿真，因此有必要对该软件进行一次介绍。
ADS(Advanced Design System，即高级设计系统)，它是由安捷伦(Agilent Technoligyies)公司推出的一套电路仿真与设计软件。Agilent Technoligies公司把HP MDS(Mierowave Design System，微波设计系统)和HP EEsof IV(Electronic Engineering Software，电子工程软件)两者的精华有机地结合起来，同时增加了不少新的功能，于是便有了今天的ADS软件。
ADS是一款功能强大的EDA系统软件，它的应用场合主要包括如下四个方面:(1)射频和微波电路的设计(包括RFIC，RF Board)，(2)DSP设计，(3)通信系统的设计，(4)电磁矩量仿真。
其通常的设计流程如下:
(1)输入电路。将电路划分为不同的元件的组合，建立相应的数据文件。
(2)仿真优化。利用软件的相关功能，对输入的电路进行仿真或者优化计算。
(3)显示结果。ADS可以方便地显示仿真优化的结果，随时根据需要，查看计算结果。这对分析设计成功和失败的原因，加快设计过程以及检查设计结果是非常重要的。
(4)工艺图的生成。软件工艺图的自动生成，它不仅为设计者实现电路提供了便捷的设计工具，而且机器生成的工艺图通常会和软件的模型有很好的一致性，这能够回避部分失误。
本文将采用ADS 2008 Update 2对滤波器进行仿真设计。
1.4 本文研究内容
微带线带通滤波器的设计是日前极引注意的课题。本课题于前人研究的基础上， 在厚度0.635 mm，介电常数10.2的介质板上，对中心频率2GHz的半波长开路枝节加载带通滤波器进行仿真与设计。通过本课题的研究，掌握带通滤波器的基本参数和模型，提高应用软件和电路设计的能力。
2 滤波器的基本原理及设计方法
2.1 微波滤波器的基本概念
微波滤波器是一种选择性装置，能够根据需要通过或者阻止某一频段内的信号，现在已经成为一种非常重要的微波元件，按传输线的类型可分为有波导、同轴线、带状线与微带线等类型滤波器；按其通过或阻止信号的频率大小来分，有低通、高通、带通和带阻滤波器。
5）矩形系数 SF ：60dB带宽与3dB带宽的比值，该值描述了滤波器引发带外信号的衰减程度，其中 、 分别为滤波器在60dB衰减处的上下边频。
微带线主要由附在介质基片一面上的导体带和另一面的接地金属板构成，如图2-7 所示，它的主要构成部分是金属和介质。对于金属而言，要求其导电性能良好（目前常用的金属为铜箔，厚度主要分为 35μm和 18μm）；而对介质而言，要求介电常数适当，介质损耗小，此外还要考虑到介质材料的制造成本和系统性能。
(3-2)
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