開題報(bào)告--腔體濾波器

1、<p><b>　　腔體濾波器 </b></p><p><b>　　1、研究背景及意義</b></p><p>　　近些年來隨著毫米波、微波技術(shù)的迅速發(fā)展，無線通信得到了空前的發(fā)展，微波頻帶出現(xiàn)了相對(duì)擁擠的狀況。所以，能夠選頻的微波濾波器越來越受到研究者的重視。而微波濾波器作為一種頻率選擇裝置，是現(xiàn)代毫米波、微波通信系統(tǒng)中一個(gè)非常重要

2、的組成部分，是微波、毫米波系統(tǒng)中不可缺少的器件之一，其性能的優(yōu)劣可以影響到整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量。</p><p>　　微波濾波器是無線通訊系統(tǒng)的重要組成部分，可以用于過濾或分離不同頻率信號(hào)的一種元器件；其主要功能是只讓需要的信號(hào)通過，抑制不需要的信號(hào)，使其不能通過濾波器。從而有效地解決了當(dāng)前急劇發(fā)展的無線通信信號(hào)所帶來的有限頻譜資源不足和緊缺的問題。對(duì)于這些濾波器我們的要求也越來越苛刻。差損小、功率大、體積小、重量輕等

3、，另外在實(shí)際應(yīng)用中，濾波器的生產(chǎn)周期也變得非常短，這就需要設(shè)計(jì)人員迅速而精確的設(shè)計(jì)出相應(yīng)的濾波器。</p><p>　　濾波器種類很多，不同的場(chǎng)景和頻段使用的濾波器不同。腔體濾波器就是眾多濾波器的一種。它具有性能穩(wěn)定、Q值高、功率大等特點(diǎn)，往往是同類型中最優(yōu)秀的，所以具有非常高的研究?jī)r(jià)值。濾波器設(shè)計(jì)的方法很多，可以概括如下：</p><p><b>　　分布參數(shù)法</b&g

4、t;</p><p><b>　　影像參數(shù)法</b></p><p><b>　　集總參數(shù)法</b></p><p><b>　　網(wǎng)絡(luò)綜合法</b></p><p>　　分析參數(shù)法，是根據(jù)插入相移函數(shù)和插入衰減函數(shù)，再應(yīng)用波導(dǎo)或傳輸線理論，從而就可以得到微波濾波器的元件結(jié)構(gòu)。但

5、我們使用最多的還是集總參數(shù)法，其中，影像參數(shù)法是以影像參數(shù)為基礎(chǔ)，通過微波結(jié)構(gòu)來模擬等效電路中的各個(gè)元件；網(wǎng)絡(luò)綜合法是以相移和衰減函數(shù)為基礎(chǔ)，利用網(wǎng)絡(luò)綜合理論，先得出集總元件低通原型電路，再將集總元件原型電路中的各元件用微波結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在主要采用網(wǎng)絡(luò)綜合法，使濾波器的設(shè)計(jì)流程得到了簡(jiǎn)化。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們也可以通過電磁仿真軟件進(jìn)行仿真。電磁仿真軟件使設(shè)計(jì)濾波器的網(wǎng)絡(luò)綜合法得到不斷的改進(jìn)，這也極大的促進(jìn)了濾波器設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展。&

6、lt;/p><p>　　2、腔體濾波器的發(fā)展歷史</p><p>　　1901年，馬可尼使用800kHz中波信號(hào)進(jìn)行了橫跨大西洋的無線電報(bào)試驗(yàn)，開創(chuàng)了人類通信的新紀(jì)元。1915年，德國(guó)的K. W. Wagner提出設(shè)計(jì)“瓦格納濾波器”的方法而享譽(yù)國(guó)內(nèi)外；美國(guó)的G A.Canbell于同一年研究出了以圖像參數(shù)法而知名的一種設(shè)計(jì)方法；直到1917年，LC濾波器才被美、德兩國(guó)科學(xué)家同時(shí)研究了出來被公

7、布于世。1918年第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)在美國(guó)的應(yīng)運(yùn)而生。隨后越來越多的知名科學(xué)家如J.Zobel、R.M.Foster、W.Cauer和E. L. Norton等開始研究這個(gè)領(lǐng)域， 從而掀起了濾波器研究的浪潮。1937年，R.A.Sykes和W.P.Mason利用ABCD參數(shù)公式推導(dǎo)出了大量的阻抗相位和衰減函數(shù)，為濾波器的研究奠定了理論基礎(chǔ)；同年，現(xiàn)代濾波器綜合法的奠基人W.Cauer設(shè)計(jì)出了切比雪夫?yàn)V波器。而到1940年一種精確的濾波器

8、設(shè)計(jì)方法才形成:第一步確定符合特定要求的傳遞函數(shù);第二步由傳遞函數(shù)所估計(jì)的頻率響應(yīng)來綜合出濾波器電路。這種方法不但準(zhǔn)確而且效率高，因此現(xiàn)在許多濾波器設(shè)計(jì)方法都來源于此。到50年代，無源濾波器的設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成熟，從50年代開始，由于集成</p><p>　　1957年，S.B.Cohn在集總元件低通原型濾波器的基礎(chǔ)上提出了耦合空腔濾波器理論，這是腔體濾波器發(fā)展的雛形。1964年，G.L.Matthew、L.Youn

9、g和E.M.T.Jones在他們的論著中對(duì)微波濾波器的經(jīng)典設(shè)計(jì)方法和耦合結(jié)構(gòu)作了系統(tǒng)、全面的總結(jié)，甚至在現(xiàn)在仍具有很好的參考價(jià)值，被譽(yù)為微波濾波器設(shè)計(jì)的圣經(jīng)。到上世紀(jì)60年代后期，衛(wèi)星通信技術(shù)的快速發(fā)展也加速了交叉耦合結(jié)構(gòu)的發(fā)展，并逐步走向成熟; 1967年R.Levy建立了集總參數(shù)濾波器和分布參數(shù)濾波器的元件之間的聯(lián)系，并給出了低通原型濾波器的綜合方法和常用濾波器函數(shù)的計(jì)算公式;在上世紀(jì)的七十年代初期，我國(guó)的老一代微波專家甘本祓、李嗣

10、范、林為干、吳萬春等，在前人研究的基礎(chǔ)上，等微波專家補(bǔ)充和完善了微波濾波器的理論以及設(shè)計(jì)方法，開創(chuàng)了國(guó)內(nèi)濾波器研究的先河，為我國(guó)后期研究提供了一個(gè)很好的平臺(tái)。在1980年，極點(diǎn)提取技術(shù)被R.J.Cameron所提出，他通過在濾波器網(wǎng)絡(luò)的并聯(lián)分支中引入串聯(lián)諧振器，以此來實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。他先在濾波器兩端分別提取一段單位阻抗移相段，然后再進(jìn)行極點(diǎn)諧振器的提取，重復(fù)上述過程直到所需虛數(shù)零點(diǎn)全部被提取，其余電</p><p>

11、;　　近些年不斷涌現(xiàn)的新材料和新技術(shù)也加速了濾波器技術(shù)的發(fā)展。其中包括:高溫超導(dǎo)(HTS）、低溫共燒陶瓷（LTCC)、微波單片集成電路(MMIC）、顯微機(jī)械技術(shù)和微機(jī)電系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)也從傳統(tǒng)的微帶、帶線向共面波導(dǎo)(CPW）、基片集成波導(dǎo)(SIW)等方向拓展;而光子晶體(PBG)材料，左手材料也日漸成為研究的熱點(diǎn);而多模濾波器的設(shè)計(jì)也開始有所發(fā)展和運(yùn)用。</p><p>　　此外，計(jì)算機(jī)電磁仿真技術(shù)的發(fā)展為微波濾波器設(shè)

12、計(jì)帶來了革命性的變化。目前，應(yīng)用最廣泛仿真軟件有HFSS、CST Microwave Studio 、IE3D 、EMPro等，這些仿真軟件具有了豐富的優(yōu)化算法，可以提供準(zhǔn)確的頻域和時(shí)域仿真和精確的本征模計(jì)算，能夠快速完成濾波器的設(shè)計(jì)仿真，在軟件中可以很方便的對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)，利用三維電磁仿真軟件和二維電路仿真軟件進(jìn)行協(xié)同仿真，通過空間映射法或端口調(diào)試法可以快速的調(diào)試出理想的濾波器響應(yīng);并且這些電磁仿真軟件提供了豐富的編程軟件接

13、口，利用VB、MATLAB等編程軟件，可以完成濾波器的建模、仿真和優(yōu)化。這些促進(jìn)了微波濾波器的發(fā)展。</p><p><b>　　3、檢索方法</b></p><p>　　數(shù)據(jù)庫(kù)選用 中國(guó)知網(wǎng)（www.cnki.net）</p><p>　　檢索式為：濾波器、腔體濾波器、</p><p>　　首先在知網(wǎng)直接搜索 濾波器，

14、文章數(shù)量很多，有用的很少。</p><p>　　主要搜索文獻(xiàn)方法如下：</p><p>　　（1）選擇高級(jí)檢索，</p><p>　?。?）在左側(cè)導(dǎo)航欄進(jìn)行學(xué)科勾選</p><p>　　如不清楚學(xué)科可以通過指數(shù)檢索來查看學(xué)科分</p><p>　?。?）所檢索的范圍將僅限于某個(gè)關(guān)鍵詞。</p><p

15、>　　這樣搜索到的論文大大減少，有效數(shù)據(jù)的比例大大增大。然后可以直接在線閱讀，從中再甄選貼合濾波器的文章。</p><p>　　外文文獻(xiàn)同樣適合上面的方法。</p><p>　　還可以通過指數(shù)檢索查看濾波器研究近年的發(fā)展態(tài)勢(shì)</p><p><b>　　4、檢索結(jié)果及分析</b></p><p>　　我國(guó)現(xiàn)有濾波器

16、的種類和所覆蓋的頻率已基本上滿足現(xiàn)有各種電信設(shè)備。從整體而言，我國(guó)有源濾波器發(fā)展比無源濾波器緩慢，尚未大量生產(chǎn)和應(yīng)用。從下面的生產(chǎn)應(yīng)用比例可以看出我國(guó)各類濾波器的應(yīng)用情況：LC濾波器占50%；晶體濾波器占20%；機(jī)械濾波器占15%；陶瓷和聲表面濾波器各占1%；其余各類濾波器共占13%。從這些應(yīng)用比例來看，我國(guó)電子產(chǎn)品要想實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，濾波器集成化仍然是個(gè)重要課題。</p><p>　　隨著電子工業(yè)的發(fā)展，對(duì)濾波

17、器的性能要求越來越高，功能也越來越多，并且要求它們向集成方向發(fā)展。我國(guó)濾波器研制和生產(chǎn)與上述要求相差甚遠(yuǎn)，為縮短這個(gè)差距，電子工程和科技人員負(fù)有重大的歷史責(zé)任。</p><p>　　濾波器的學(xué)術(shù)發(fā)展趨勢(shì)如下圖：</p><p>　　石墨烯的其他相關(guān)統(tǒng)計(jì)：</p><p>　　最終下載的文獻(xiàn)和參考書籍均列在后面的參考文獻(xiàn)中。</p><p>　

18、　5、結(jié)論：腔體濾波器的研究現(xiàn)狀及展望</p><p>　　進(jìn)入21世紀(jì)以來，人類信息化的進(jìn)程不斷加快，無線通信系統(tǒng)的發(fā)展極為快速，比如雷達(dá)系統(tǒng)、微波通信、遠(yuǎn)程遙測(cè)等技術(shù)的應(yīng)用越來越普遍。同時(shí)，各種新興的通信系統(tǒng)也不斷涌現(xiàn)，包括GPS、WLAN、3G、LTE等。這些也促發(fā)了微波有源和無源器件發(fā)展。而對(duì)于通信系統(tǒng)來說，微波濾波器是不可或缺的器件。其發(fā)展更是面臨著前所未有的機(jī)遇和挑戰(zhàn)?，F(xiàn)如今，我們對(duì)微波濾波器的要求主

19、要圍繞低功耗、高精度、小體積、多功能以及低成本、高效等這些方面。</p><p>　　濾波器可以大致分為三大類: 腔體濾波器、LC濾波器、微帶濾波器。</p><p>　　其中，腔體濾波器采用是諧振腔體結(jié)構(gòu)，即一個(gè)腔體可以等效成電感和電容并聯(lián)，就能形成一個(gè)具有濾波功能諧振器。相比其他濾波器，腔體濾波器、體積小、結(jié)構(gòu)牢固、Q值適中，而且散熱性好。發(fā)展的速度非?？臁Ｍㄟ^引入負(fù)載耦合，可以使得實(shí)

20、現(xiàn)的零點(diǎn)增加到N個(gè)。還有一種設(shè)計(jì)方法—非諧振節(jié)點(diǎn)，也可以在有限頻點(diǎn)內(nèi)實(shí)現(xiàn)傳輸零點(diǎn)。這種方法設(shè)計(jì)的濾波器具有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢(shì)。</p><p>　　但是腔體濾波器也有笨重、體積大的缺點(diǎn)，所以研發(fā)合適尺寸的腔體濾波器是業(yè)內(nèi)的一個(gè)棘手的問題?，F(xiàn)代的軍事通信設(shè)備，如導(dǎo)彈制導(dǎo)系統(tǒng)、飛機(jī)雷達(dá)等都采用的是毫米波頻段來收發(fā)信息。在此波段下，LC和微帶濾波器的功率容量低、插損大的缺點(diǎn)極為突出。此時(shí)，雖可以采取設(shè)計(jì)成多?；蚪^緣腔體濾波器的

21、方法，但其重量重、體積輕。所以，需要權(quán)衡多方面，合理設(shè)計(jì)腔體濾波器的尺寸，這是目前面臨的重大難題。</p><p>　　目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)腔體濾波器的研究主要從以下幾方面著手：</p><p>　　腔體濾波器小型化的研究</p><p>　　如今，傳輸信息的主要方式為無線通信。在很多通信系統(tǒng)中，留給濾波器的空間很小，這就對(duì)濾波器的尺寸、重量等要求就變得相對(duì)苛刻，小型化的

22、濾波器已經(jīng)引起業(yè)內(nèi)人士的廣泛關(guān)注，目前常用的小型化方案有：</p><p><b>　　通過加載技術(shù)。</b></p><p>　　如脊波導(dǎo)的加載技術(shù)，可以增強(qiáng)諧振器之間的耦合，從而縮短濾波器的長(zhǎng)度。</p><p>　　文獻(xiàn)[7-9]就通過加載脊的方式來設(shè)計(jì)濾波器。對(duì)加載脊波導(dǎo)腔使用模式匹配的方法對(duì)場(chǎng)進(jìn)行詳細(xì)分析，從而達(dá)到減小體積、增強(qiáng)諧振腔

23、的耦合。此外，這種方法還使基次膜和二次膜的截止頻率的差值增大，使得設(shè)計(jì)出的濾波器的工作頻帶更寬。在這三篇文獻(xiàn)中，加載脊的方法和方式各不相同，但設(shè)計(jì)出的腔體濾波器的結(jié)構(gòu)均十分緊湊。</p><p>　?。?）新型諧振器技術(shù)。</p><p>　　文獻(xiàn)[10-11]中采用的是新型多階諧振器結(jié)構(gòu)，這類諧振器的無載Q值極高，可以實(shí)現(xiàn)高帶外抑制、高選擇性，并且在較高溫環(huán)境下，也同樣適用。相比其他同類

24、型的濾波器，尺寸明顯減少。此外，高溫超導(dǎo)材料的使用使諧振器的無載Q值更高，這樣可以減少諧振器使用的階數(shù)。進(jìn)一步提高性能指標(biāo)，減小濾波器尺寸，實(shí)現(xiàn)小型化。</p><p>　　（3）利用不同的濾波器結(jié)構(gòu)技術(shù)，如短路枝節(jié)結(jié)構(gòu)技術(shù)，通過把一個(gè)四分之一波長(zhǎng)的短路枝節(jié)串聯(lián)在傳輸線上，就可以得到一個(gè)傳輸零點(diǎn)，也能實(shí)現(xiàn)小型化。</p><p>　　以上的方案各有優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)具體的情況選擇合適的

25、方案?，F(xiàn)在，微波電路系統(tǒng)很多結(jié)構(gòu)都已實(shí)現(xiàn)了集成化，濾波器的小型化已成為必然趨勢(shì)，新材料也加快了其發(fā)展，但由于微加工條件和技術(shù)還不是很完善，小型化的濾波器的研制費(fèi)用相對(duì)昂貴，因此，還需要我們繼續(xù)努力。</p><p>　　可調(diào)腔體濾波器的研究</p><p>　　濾波器幾乎應(yīng)用于所有通信系統(tǒng)中，但很多時(shí)候我們只需要普通的濾波器，并不會(huì)花費(fèi)時(shí)間和精力去研制一款特定濾波器，可調(diào)濾波器就能較好的滿

26、足我們的需求，十分方便。最初可調(diào)濾波器的性能十分差，頻帶寬、調(diào)諧范圍窄，而且其插入損耗、帶外抑制隨頻率的微小變化差異很大。經(jīng)過國(guó)內(nèi)外的專家進(jìn)行長(zhǎng)期不懈的研究，今天可調(diào)濾波器的技術(shù)已經(jīng)十分成熟。通過實(shí)踐證明，把腔體濾波器的公共壁的矩形耦合窗作為耦合結(jié)構(gòu)，可以使頻率調(diào)節(jié)的范圍增寬，并且濾波器的技術(shù)參數(shù)并不會(huì)隨頻率的變化而變化。此外，從理論上說，由矩形和三角形耦合環(huán)組成的耦合結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)出可調(diào)腔體濾波器。</p><p&g

27、t;　　文獻(xiàn)[12]主要的工作是設(shè)計(jì)一款新型機(jī)械可調(diào)腔體濾波器，文中介紹了可調(diào)濾波器的相關(guān)理論，詳細(xì)敘述了側(cè)面耦合窗模型，并推導(dǎo)出了帶寬的計(jì)算公式。設(shè)計(jì)出的濾波器不但其中心頻率可以調(diào)節(jié)，而且就算頻率變化仍能保持很好的響應(yīng)特性。</p><p>　　腔體濾波器自動(dòng)裝配研究</p><p>　　腔體濾波器采用的是諧振腔體結(jié)構(gòu)，主要由蓋板、螺母、螺釘、腔體和諧振柱組成，結(jié)構(gòu)比較特殊。在裝配過程中

28、，調(diào)試步驟十分復(fù)雜。至今國(guó)內(nèi)采用的還是人工調(diào)試和組裝，但其質(zhì)量差、過程長(zhǎng)。很多要求苛刻的濾波器只能從其他區(qū)國(guó)家進(jìn)口。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)自動(dòng)裝配技術(shù)的研究很早就開始，一些技術(shù)已經(jīng)非常成熟，能用于生產(chǎn)中。但國(guó)內(nèi)仍有很長(zhǎng)的路要走。</p><p>　　文獻(xiàn)[13]介紹了濾波器自動(dòng)裝配技術(shù)的研究現(xiàn)狀，對(duì)傳統(tǒng)裝配方法和自動(dòng)裝配技術(shù)進(jìn)行了詳盡的分析，找到突破口，從而達(dá)到自動(dòng)組裝、調(diào)試技術(shù)的一體化。通過對(duì)相關(guān)理論的分析，設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)

29、裝配的系統(tǒng)，對(duì)各個(gè)子模塊進(jìn)行了詳盡的計(jì)算和仿真。并且最終進(jìn)行了物理樣機(jī)的試制。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：</b></p><p>　　[1] S.B.Cohn.Direct一couPled一resonator filters. Proc. of the IRE，vol.45，no.2，1957.187--196.</p><p>

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