梳状带通滤波器的仿真与设计
梳状带通滤波器的仿真与设计[20200101170801]
摘要 现代电子系统特别是近代航天、航空技术中，体积小、重量轻和可靠性高等特点的滤波器得到广泛应用。随着当今无线通信技术日新月异的发展，射频微波频段的频率资源变得越来越紧张。为了使有限的频率资源充分利用，微波电路的性能要求变得越来越高。滤波器能够对信号起到选频的作用，它对信号的处理能力决定着收发机性能的优差。 论文介绍了滤波器的分类和主要技术参数，并着重介绍了梳型带通滤波器及其滤波响应特点，借助仿真软件 ADS 对其进行设计与仿真。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:滤波器,梳状带通滤波器,仿真设计
目录
1 引言 2
1、1 课题研究背景 2
1、2 国内外研究现状 3
1、3 课题研究的目的和意义 4
2 滤波器的基本理论 4
2、1 滤波器的作用 4
2、2 滤波器的分类 6
2、3 滤波器的特性指标 6
2、4 滤波器的参数指标 8
2、5 带通滤波器的工作原理 10
3 梳状带通滤波器的设计与仿真 11
3、1 滤波器和可调元件的确定 11
3、2 梳状滤波器的结构 11
3、3 梳状滤波器的设计 12
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 引言
滤波器是一个二端口无源微波网络，通过在特定的频率范围内使无线电波信号无损耗地传输过去，同时在一定的频率范围内使无线电波信号有较大的衰减特性，实现对频率的选择和确定系统是否在所允许的频率范围内工作。通常有能力来进行信号处理的装置都可以称为滤波器[1]。在近代电信设备和各种控制系统中，滤波器应用极为遍及；在所有的电子部件中，应用最多，技术最为繁复的要算滤波器了。滤波器的好坏直接影响产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产从来为各国所重视。
梳状滤波器它是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过。梳状滤波器其特性曲线象梳子一样，故称为梳状滤波器。
1、1 课题研究背景
随着当今无线通信技术日新月异的发展，频率资源变得越来越紧张，为了使有限的频率资源充分利用，滤波器电路的性能要求变得越来越高。滤波器能够对信号起到选频的作用，主要作用是允许有用频率的信号顺利通过，而其余部分的频率则受到很大的抑制，它对信号的处理能力决定着收发机性能的优差。近年来，军事电子对抗、卫星通信、遥测遥控、雷达探测等科技领域都普遍使用着微波滤波器，并且对其要求逐渐提升。阻带要求衰减高、频带要求要宽、功率要求要高、寄生的通带要离通带的频率远和通带内的群时延性还要小等这些指标参数已成为用户的主选，与此同时，研究小型化、稳定性强的滤波器更成为了人们关注的议题。由频率响应可以将滤波器分为巴特沃思型、切比雪夫型和考尔型等[4]。巴特沃思滤波器通带内最大平坦，切比雪夫型滤波器通带会有波纹，考尔型通带和阻带都具有波纹。近年来，通信系统已成为高度集成化的电路，使得传统的滤波器已经不能再满足信息领域的性能需求。但是利用这些传统滤波器的特点，用于设计微带形式的滤波器将是很好的选择。
带通滤波器(BPF)在通讯领域中使用最多的一种滤波器，但也是较难设计的一种。微波集成电路是一种体积小、重量轻和性能可靠的电路，因此微带带通滤波器器被广泛用于通信领域。滤波器技术的日益发展，设计的种类也在逐年增多，它们性能各异，设计方法也有所不同。耦合微带滤波器结构小巧、易于设计，能够作民商用，具有很高的实用价值。
1、2 国内外研究现状在当代信号处理和电子应用技术领域滤波器作为一种十分重要的组成部分处在了一个必不可少的位置, 并日趋显示出其巨大的使用价值。虽然滤波技术的发展到如今只有七十多年的历史, 但它的出现与发展已经历了诸多变化, 作为一种信号处理的技术已十分完善, 并不断发挥着其重要的作用[1]。探究滤波器的发展过程有助于增强对科学发展规律的认识, 从而在科学研究中遵循此规律, 迅速地取得结果。
早期见到的滤波器都是一些具有选频特性的电路或系统。如串联或并联谐振回路。串联谐振时, 回路中的电流达到最大值,且与电压同相。而并联谐振时, 回路两端的电压达到最大值, 且与电流同相。利用这个特点, 可以帮我们选出所需要的特定频率的信号, 而不是该频率的信号将被滤除。当需要选择的是某个波长的无线电信号时,人们发现广播电台发出的信号不是单一频率的信号, 而是占具了一定的频率范围, 为了清晰的收听电台的广播, 人们希望在这个频率范围内的所有信号的衰减，和范围以外的信号的频率将被完全过滤掉[4]。而前述的串、并联谐振回路的通频带较窄, 且衰减特性也不够陡峭。因此，需要找到新的方法来解决新问题。由此出现了变压器双调谐藕合滤波器, 该滤波器的通频带接近长方形, 于是能够很好的满足这个特定的要求。
滤波器可以在现代通信、航天技术和雷达探测等系统中用于选频，从而得到广泛应用。上世纪初，科学家 K.W.Wagner 开创了滤波器的理论研究的先河。同时期，科学家 G.A.Campbell 发明了镜像参量法设计低通滤波器，被用于无线电当中。二战前，科学家 Darlington，Mason，Sykes，Richard，Fano 和 Lawson 率先对微波滤波器理论进行研究，成为该领域的先驱。其中科学家 Fano 和 Lawson 所研究的映像参数法对微波滤波器做了详细的介绍，他们的成果影响了近半个世纪。我国虽然在滤波器研究方面开始是比较较晚，但是也取得了不错的成果。我国学者和专家通过借鉴国外研究的先进技术，将滤波器的设计理论进行完善和补充，为我国滤波器的发展做出了重大贡献。
通信行业的空前发展，人们研究各种滤波器的激情也越来越高涨。但是频率资源的拥挤成为了不得不面临的问题，怎样利用有限的频率资源开发稳定性高、性能优越的滤波器成为设计者首要面临的问题[3]。分布参数的滤波器电路紧凑，性能稳定，能够满足工程要求。分布参数滤波的种类也非常之多，如波导波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带滤波器等[1]。考虑到同轴线和波导在体积、重量、加工量、成本等方面不利的因素，从五、六十年代无线电技术就要求设计要小型化。微带线滤波器能够印刷成平面电路，结构非常紧凑，并且传输线采用介电常数很高的介质基片能够大大缩短线上波长，同时微带线面上为是自由的，十分便利连接微波器件连接。随着微带滤波器工艺技术的不断发展，高温超导材料的出现也慢慢应用在微带滤波器的设计当中，像微波固体倍频器，微波固体混频器等也被做成了微带集成电路，这也给微带滤波器带来了巨大发展。
1、3 课题研究的目的和意义
传统的滤波器设计方法是要用设计参数要求，通过计算或者查表来确定各原件的具体参数，从而完成滤波器的设计过程。传统方法的工作量大，计算量庞大琐碎，容易出现错误，设计难度相当大。不过利用Ads软件能够很方便的设计出符合参数要求的滤波器，极大地简化了设计工作，缩短了设计的时间，大幅提高工作效率。
随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求逐渐升高，功能也越来越齐全，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器生产和研发与上面要求相差甚远[2]，为了缩短这个差距，电子工程的科技人员肩负有重大的历史责任。
我国现有滤波器的种类和它覆盖的频率已差不多能够满足现有各种电信设备。从整体上而言，我国有源滤波器的发展比无源滤波器缓慢，还没有大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看得出来我国各类滤波器的使用情况：陶瓷和声表面滤波器各占1%；机械滤波器占15%；LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；其余各种类型滤波器一共占13%[4]。从这些应用比例看来，我国电子产品要想实现大规模得集成，滤波器集成化还是个重要课题。
2 滤波器的基本理论
2、1 滤波器的作用
滤波器，很明显，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量的取值随时间起伏变化的过程 。该过程通过各类传感器 的作用，被转换为电压 或电流的时间函数，称之为各种物理量的时间波形，或者称之为信号。因为自变量时间‘是连续取值的，所以称之为连续时间信号 ，又习惯地称之为模拟信号(Analog Signal) [5]。随着数字式电子计算机 (一般简称计算机)技术的产生和飞速发展，为了便于计算机对信号进行处理，产生了在抽样定理指导下将连续时间信号变换成离散时间信号 的完整的理论和方法。也就是说，可以只用原模拟信号在一系列离散时间坐标 点上的样本值表达原始信号而不丢失任何信息，波、波形、信号这些概念既然表达的是客观世界中各种物理量的变化，自然就是现代社会赖以生存的各种信息的载体。信息需要传播，靠的就是波形信号的传递。信号在它的产生、转换、传输的每一个环节都可能由于环境和干扰的存在而畸变，甚至是在相当多的情况下，这种畸变还很严重，以致于信号及其所携带的信息被深深地埋在噪声 当中了[1]。
摘要 现代电子系统特别是近代航天、航空技术中，体积小、重量轻和可靠性高等特点的滤波器得到广泛应用。随着当今无线通信技术日新月异的发展，射频微波频段的频率资源变得越来越紧张。为了使有限的频率资源充分利用，微波电路的性能要求变得越来越高。滤波器能够对信号起到选频的作用，它对信号的处理能力决定着收发机性能的优差。 论文介绍了滤波器的分类和主要技术参数，并着重介绍了梳型带通滤波器及其滤波响应特点，借助仿真软件 ADS 对其进行设计与仿真。 *查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:滤波器,梳状带通滤波器,仿真设计
目录
1 引言 2
1、1 课题研究背景 2
1、2 国内外研究现状 3
1、3 课题研究的目的和意义 4
2 滤波器的基本理论 4
2、1 滤波器的作用 4
2、2 滤波器的分类 6
2、3 滤波器的特性指标 6
2、4 滤波器的参数指标 8
2、5 带通滤波器的工作原理 10
3 梳状带通滤波器的设计与仿真 11
3、1 滤波器和可调元件的确定 11
3、2 梳状滤波器的结构 11
3、3 梳状滤波器的设计 12
结论 17
致谢 18
参考文献 19
1 引言
滤波器是一个二端口无源微波网络，通过在特定的频率范围内使无线电波信号无损耗地传输过去，同时在一定的频率范围内使无线电波信号有较大的衰减特性，实现对频率的选择和确定系统是否在所允许的频率范围内工作。通常有能力来进行信号处理的装置都可以称为滤波器[1]。在近代电信设备和各种控制系统中，滤波器应用极为遍及；在所有的电子部件中，应用最多，技术最为繁复的要算滤波器了。滤波器的好坏直接影响产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产从来为各国所重视。
梳状滤波器它是由许多按一定频率间隔相同排列的通带和阻带，只让某些特定频率范围的信号通过。梳状滤波器其特性曲线象梳子一样，故称为梳状滤波器。
1、1 课题研究背景
随着当今无线通信技术日新月异的发展，频率资源变得越来越紧张，为了使有限的频率资源充分利用，滤波器电路的性能要求变得越来越高。滤波器能够对信号起到选频的作用，主要作用是允许有用频率的信号顺利通过，而其余部分的频率则受到很大的抑制，它对信号的处理能力决定着收发机性能的优差。近年来，军事电子对抗、卫星通信、遥测遥控、雷达探测等科技领域都普遍使用着微波滤波器，并且对其要求逐渐提升。阻带要求衰减高、频带要求要宽、功率要求要高、寄生的通带要离通带的频率远和通带内的群时延性还要小等这些指标参数已成为用户的主选，与此同时，研究小型化、稳定性强的滤波器更成为了人们关注的议题。由频率响应可以将滤波器分为巴特沃思型、切比雪夫型和考尔型等[4]。巴特沃思滤波器通带内最大平坦，切比雪夫型滤波器通带会有波纹，考尔型通带和阻带都具有波纹。近年来，通信系统已成为高度集成化的电路，使得传统的滤波器已经不能再满足信息领域的性能需求。但是利用这些传统滤波器的特点，用于设计微带形式的滤波器将是很好的选择。
带通滤波器(BPF)在通讯领域中使用最多的一种滤波器，但也是较难设计的一种。微波集成电路是一种体积小、重量轻和性能可靠的电路，因此微带带通滤波器器被广泛用于通信领域。滤波器技术的日益发展，设计的种类也在逐年增多，它们性能各异，设计方法也有所不同。耦合微带滤波器结构小巧、易于设计，能够作民商用，具有很高的实用价值。
1、2 国内外研究现状在当代信号处理和电子应用技术领域滤波器作为一种十分重要的组成部分处在了一个必不可少的位置, 并日趋显示出其巨大的使用价值。虽然滤波技术的发展到如今只有七十多年的历史, 但它的出现与发展已经历了诸多变化, 作为一种信号处理的技术已十分完善, 并不断发挥着其重要的作用[1]。探究滤波器的发展过程有助于增强对科学发展规律的认识, 从而在科学研究中遵循此规律, 迅速地取得结果。
早期见到的滤波器都是一些具有选频特性的电路或系统。如串联或并联谐振回路。串联谐振时, 回路中的电流达到最大值,且与电压同相。而并联谐振时, 回路两端的电压达到最大值, 且与电流同相。利用这个特点, 可以帮我们选出所需要的特定频率的信号, 而不是该频率的信号将被滤除。当需要选择的是某个波长的无线电信号时,人们发现广播电台发出的信号不是单一频率的信号, 而是占具了一定的频率范围, 为了清晰的收听电台的广播, 人们希望在这个频率范围内的所有信号的衰减，和范围以外的信号的频率将被完全过滤掉[4]。而前述的串、并联谐振回路的通频带较窄, 且衰减特性也不够陡峭。因此，需要找到新的方法来解决新问题。由此出现了变压器双调谐藕合滤波器, 该滤波器的通频带接近长方形, 于是能够很好的满足这个特定的要求。
滤波器可以在现代通信、航天技术和雷达探测等系统中用于选频，从而得到广泛应用。上世纪初，科学家 K.W.Wagner 开创了滤波器的理论研究的先河。同时期，科学家 G.A.Campbell 发明了镜像参量法设计低通滤波器，被用于无线电当中。二战前，科学家 Darlington，Mason，Sykes，Richard，Fano 和 Lawson 率先对微波滤波器理论进行研究，成为该领域的先驱。其中科学家 Fano 和 Lawson 所研究的映像参数法对微波滤波器做了详细的介绍，他们的成果影响了近半个世纪。我国虽然在滤波器研究方面开始是比较较晚，但是也取得了不错的成果。我国学者和专家通过借鉴国外研究的先进技术，将滤波器的设计理论进行完善和补充，为我国滤波器的发展做出了重大贡献。
通信行业的空前发展，人们研究各种滤波器的激情也越来越高涨。但是频率资源的拥挤成为了不得不面临的问题，怎样利用有限的频率资源开发稳定性高、性能优越的滤波器成为设计者首要面临的问题[3]。分布参数的滤波器电路紧凑，性能稳定，能够满足工程要求。分布参数滤波的种类也非常之多，如波导波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带滤波器等[1]。考虑到同轴线和波导在体积、重量、加工量、成本等方面不利的因素，从五、六十年代无线电技术就要求设计要小型化。微带线滤波器能够印刷成平面电路，结构非常紧凑，并且传输线采用介电常数很高的介质基片能够大大缩短线上波长，同时微带线面上为是自由的，十分便利连接微波器件连接。随着微带滤波器工艺技术的不断发展，高温超导材料的出现也慢慢应用在微带滤波器的设计当中，像微波固体倍频器，微波固体混频器等也被做成了微带集成电路，这也给微带滤波器带来了巨大发展。
1、3 课题研究的目的和意义
传统的滤波器设计方法是要用设计参数要求，通过计算或者查表来确定各原件的具体参数，从而完成滤波器的设计过程。传统方法的工作量大，计算量庞大琐碎，容易出现错误，设计难度相当大。不过利用Ads软件能够很方便的设计出符合参数要求的滤波器，极大地简化了设计工作，缩短了设计的时间，大幅提高工作效率。
随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求逐渐升高，功能也越来越齐全，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器生产和研发与上面要求相差甚远[2]，为了缩短这个差距，电子工程的科技人员肩负有重大的历史责任。
我国现有滤波器的种类和它覆盖的频率已差不多能够满足现有各种电信设备。从整体上而言，我国有源滤波器的发展比无源滤波器缓慢，还没有大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看得出来我国各类滤波器的使用情况：陶瓷和声表面滤波器各占1%；机械滤波器占15%；LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；其余各种类型滤波器一共占13%[4]。从这些应用比例看来，我国电子产品要想实现大规模得集成，滤波器集成化还是个重要课题。
2 滤波器的基本理论
2、1 滤波器的作用
滤波器，很明显，是对波进行过滤的器件。“波”是一个非常广泛的物理概念，在电子技术领域，“波”被狭义地局限于特指描述各种物理量
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