畢業(yè)論文--通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器(含外文翻譯）

1、<p>　　通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器</p><p>　　Dual-Band Filter with Tunable Upper Passband </p><p>　　2011 年 6 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　近年來(lái)，隨著全球定位系統(tǒng)和無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，微

2、波系統(tǒng)對(duì)雙頻操作的需求正在與日俱增。雙通帶帶通濾波器作為微波系統(tǒng)的重要部件，已經(jīng)變得越來(lái)越有研究?jī)r(jià)值。最初的雙通帶濾波器是由兩個(gè)工作頻率不同的單通帶濾波器并聯(lián)而成的。這種雙通帶濾波器的兩個(gè)通帶，不論是中心頻率還是帶寬都容易調(diào)節(jié)。但是這種結(jié)構(gòu)增加了電路的插入損耗和尺寸。最終基于雙通帶濾波器設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了一種通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器。它由一對(duì)方形開(kāi)環(huán)諧振器和一個(gè)對(duì)稱(chēng)的階梯形諧振器互相耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)，此濾波器工作頻率為1.57GHz和2.45G

3、Hz。第一通帶的中心頻率取決于方形開(kāi)環(huán)諧振器的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度，第二通帶的中心頻率和帶寬取決于階梯形諧振器的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度。同時(shí)，第二通帶的頻率和帶寬能被自由的調(diào)節(jié)而第一通帶的頻率和帶寬是固定不變的。而且測(cè)試結(jié)果顯示出所設(shè)計(jì)的雙通帶濾波器性能很好。</p><p>　　關(guān)鍵詞：帶通濾波器；雙帶；階梯形諧振器；開(kāi)環(huán)諧振器</p><p><b>　　ABSTRACT</b

4、></p><p>　　Recently, with development of global positioning system and wireless local-area network, systems demand of radio frequency circuits with a dual-band operation. Dual-band bandpass filters (BPFs)

5、, as one the most important circuit blocks in these systems, have become more and more attractive.In general, two filters with different passbands connected together can implement the initial type of a dual-band filter.

6、The center frequencies and bandwidth have been obtained to meet performance requirement</p><p>　　Key Words：Bandpass filter；dual-band；adder shaped resonator；pen-loop resonator</p><p><b>　　

7、目 錄</b></p><p><b>　　1 緒論1</b></p><p>　　1.1微波濾波器的發(fā)展1</p><p>　　1.2 濾波器在微波通信的作用5</p><p>　　1.3 本論文研究的內(nèi)容6</p><p><b>　　2 微帶線(xiàn)8</

8、b></p><p>　　2.1介質(zhì)微帶線(xiàn)和微耦合帶線(xiàn)8</p><p>　　2.1.1 介質(zhì)微帶線(xiàn)8</p><p>　　2.1.2微帶耦合線(xiàn)10</p><p>　　2.2 微帶諧振電路13</p><p>　　2.2.1 諧振原理13</p><p>　　2.2.2 半波長(zhǎng)

9、短路諧振器14</p><p>　　2.2.3 1/4 波長(zhǎng)短路諧振器16</p><p>　　2.2.4 開(kāi)路諧振器18</p><p>　　3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)理論20</p><p>　　3.1 濾波器網(wǎng)絡(luò)的散射參量20</p><p>　　3.2 帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)22</p>&

10、lt;p>　　3.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理23</p><p>　　3.4 帶通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程26</p><p>　　4 通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器27</p><p>　　4.1 HFSS的介紹27</p><p>　　4.2雙通帶濾波器設(shè)計(jì)29</p><p>　　5 測(cè)量結(jié)果33</

11、p><p><b>　　結(jié) 論38</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)38</b></p><p><b>　　致 謝40</b></p><p><b>　　緒論</b></p><p>　　對(duì)于無(wú)線(xiàn)通信電

12、路來(lái)說(shuō)，濾波器是一種關(guān)鍵的射頻器件。濾去鏡頻干擾、衰減噪聲、頻分復(fù)用，在高性能的振蕩、放大、倍頻、混頻電路中，無(wú)不需要濾波器來(lái)實(shí)現(xiàn)。另外，有效的寬頻帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和耦合結(jié)構(gòu)也要使用濾波器結(jié)構(gòu)。隨著無(wú)線(xiàn)通信的個(gè)人化、寬帶化，越來(lái)越要求人性化以及高性能的終端結(jié)構(gòu)，促使了包括濾波器在內(nèi)的射頻元器件的微型化和可集成化，同時(shí)也產(chǎn)生了各種結(jié)構(gòu)和性能的射頻濾波器從而進(jìn)一步滿(mǎn)足了小體積、輕重量微波系統(tǒng)的要求。 </p><p>

13、　　1.1微波濾波器的發(fā)展</p><p><b>　　一、發(fā)展歷史</b></p><p>　　1915年，德國(guó)科學(xué)家K．W．Wagner開(kāi)創(chuàng)了一種以“瓦格納濾波器” 聞名于世的濾波器設(shè)計(jì)方法，與此同時(shí)，在美國(guó) G．A．Canbell則發(fā)明了另一種以圖像參數(shù)法而知名的設(shè)計(jì)方法。l9l7年，兩國(guó)的科學(xué)家分別發(fā)明了LC濾波器，次年美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)面世。從此許多科研

14、人員開(kāi)始積極和系統(tǒng)地對(duì)采用集總元件電感和電容的濾波器設(shè)計(jì)理論的研究。隨著濾波器設(shè)計(jì)理論的深入研究、材料領(lǐng)域的不斷進(jìn)步及工作頻率的日益升高，濾波器設(shè)計(jì)由原先的集總參數(shù)元件濾波器逐漸擴(kuò)展到分布參數(shù)元件濾波器。1939年，P．D．Richtmever報(bào)道了介電濾波器，由于當(dāng)時(shí)材料的溫度穩(wěn)定性不高使該種濾波器不足以得到實(shí)際應(yīng)用。2O世紀(jì)70年代以來(lái)，隨著陶瓷材料的發(fā)展，介電濾波器的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。近年來(lái)，小型化的趨勢(shì)促進(jìn)了各種類(lèi)型微帶線(xiàn)濾波

15、器的發(fā)展。20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了高臨界溫度超導(dǎo)材料，被認(rèn)為極有可能用于設(shè)計(jì)出極低損耗和極小尺寸的新穎微波濾波器。目前，高溫超導(dǎo)濾波器已逐步使用在軍事和商業(yè)領(lǐng)域。</p><p>　　二、微波濾波器的現(xiàn)狀</p><p>　　從頻率通帶范圍分類(lèi)，可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通5種類(lèi)別；按低通原型的函數(shù)模型可分為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓函數(shù)濾波器等。下面，著重從物理概念上談?wù)?/p>

16、射頻與微波段常用的濾波器。</p><p><b>　　1、 微帶線(xiàn)濾波器</b></p><p>　　在射頻和微波電路中最常用的便是微帶線(xiàn)濾波器。由于微帶線(xiàn)濾波器具有小尺寸，用光刻技術(shù)易于加工，易與其他有源電路元件(如MMIC)集成在一起；另外，能通過(guò)采用不同襯底的材料在很大的頻率范圍內(nèi)(從幾百M(fèi)Hz到幾十GHz)應(yīng)用。</p><p>　　

17、(1)平行耦合微帶線(xiàn)濾波器</p><p>　　圖1-1所示，半波長(zhǎng)平行耦合微帶線(xiàn)帶通濾波器是微波集成電路中廣為應(yīng)用的帶通濾波器形式。其結(jié)構(gòu)緊湊、第二寄生通帶的中心頻率位于主通帶中心頻率的3倍處、適應(yīng)頻率范圍較大、適用于寬帶濾波器時(shí)相對(duì)帶寬可達(dá)20％。其缺點(diǎn)為插損較大，同時(shí)，諧振器在一個(gè)方向依次擺開(kāi)，造成濾波器在一個(gè)方向上占用了較大空間。人們?cè)诖嘶A(chǔ)上，又引伸和發(fā)展了多種變形結(jié)構(gòu)，如平行耦合線(xiàn)分裂環(huán)濾波器、應(yīng)用階

18、躍阻抗諧振器的平行耦合微帶線(xiàn)濾波器等。</p><p>　　圖1-1 半波長(zhǎng)平行耦合線(xiàn)濾波器</p><p><b>　?。?)發(fā)夾型濾波器</b></p><p>　　圖1-2示，發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成的。和平行耦合帶通濾波器相比，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，在電路尺寸較嚴(yán)格的場(chǎng)合，發(fā)夾型濾波器得到較為廣泛的應(yīng)用，其信號(hào)輸入輸出方式

19、可采用抽頭式和平行耦合方式。</p><p>　　圖1-2 發(fā)夾型濾波器</p><p><b>　　(3)交指型濾波器</b></p><p>　　圖1-3示，交指型濾波器是由2個(gè)平行耦合線(xiàn)諧振器陣相互交叉組成的結(jié)構(gòu)，具有良好的帶通濾波器特性：它的諧振器波長(zhǎng)近似等于1/4λ0，第二通帶中心在3w0，其間不會(huì)有寄生響應(yīng)。交指型濾波器在w=0和w

20、=w0的偶數(shù)倍上具有高次衰減極點(diǎn)，因而阻帶衰減和截止率都比較大。交指型濾波器有終端短路和終端開(kāi)路兩種基本形式，前者適于窄帶，后者適于寬帶，既可做成印刷電路形式，又可做成圓桿或矩形自撐式，還可人為地加載電容來(lái)減小體積。</p><p>　　圖1-3 交指型濾波器</p><p>　　(4)微帶類(lèi)橢圓函數(shù)濾波器</p><p>　　到目前為止，平行耦合線(xiàn)濾波器、交指型濾

21、波器等，最多只能實(shí)現(xiàn)切比雪夫特性，獲得在帶內(nèi)較平坦的幅頻特性，但帶外抑制特性較差。如圖1-4所示，微帶類(lèi)橢圓函數(shù)濾波器，通過(guò)在帶外引入衰減極點(diǎn)，能明顯改善濾波器的帶外特性，比平行耦合線(xiàn)濾波器、交指型濾波器有更好的電特性。由于類(lèi)橢圓函數(shù)諧振器是一個(gè)方形，而非在一個(gè)方向展開(kāi)，因而縮小了體積。同時(shí)，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜的無(wú)載Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時(shí)又具有較低的插損，前景誘人。</p><p>　

22、　圖1-4 4階微帶類(lèi)橢圓函數(shù)濾波器</p><p><b>　　2、同軸濾波器</b></p><p>　　同軸帶通濾波器廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，按腔體結(jié)構(gòu)不同，一般分為標(biāo)準(zhǔn)同軸、方腔同軸等。同軸腔體具有高Q值、電磁屏蔽、低損耗特性和小尺寸等優(yōu)異特</p><p>　　點(diǎn)，但要在10GHz以上使用時(shí)，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難達(dá)到

23、。</p><p><b>　　3、波導(dǎo)濾波器</b></p><p>　　波導(dǎo)帶通濾波器是一種選頻電路，應(yīng)用在通信、電子戰(zhàn)、雷達(dá)、自動(dòng)測(cè)量設(shè)備等的微波設(shè)備中，它易于與波導(dǎo)天線(xiàn)的饋電裝置連接，適于高功率的應(yīng)用，并且性能良好。在小信號(hào)電平上，它基本上是用在8～100GHz的頻率范圍。波導(dǎo)濾波器的主要功能是在通帶插入損耗和失真很小的前提下，提供足夠的阻帶選擇性。例如，在微

24、波接收機(jī)中，波導(dǎo)帶通濾波器濾掉不需要的帶外信號(hào)，保持前端噪聲特性；在微波發(fā)射機(jī)中，減小不需要的頻譜，抑制發(fā)射機(jī)噪聲傳到接收機(jī)。波導(dǎo)帶通濾波器還應(yīng)用在各種微波多工器上，但其最大缺點(diǎn)是尺寸明顯比其他可應(yīng)用在微波段的諧振器大。</p><p>　　4、聲表面波(SAW)濾波器</p><p>　　SAW濾波器的體積小，質(zhì)量輕，一致性好，便于批量生產(chǎn)，性能價(jià)格比較合理，品質(zhì)因數(shù)和帶阻高，可廣泛用于

25、射頻前端和中頻系統(tǒng)，并可滿(mǎn)足多模、多頻段移動(dòng)終端的SAW雙工器或多工器。然而，SAW器件的插損一般較大(1～2dB)難于集成，同時(shí)在高頻下難以處理大功率，一般只能用于2GHz以下的無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中。</p><p><b>　　5、陶瓷介質(zhì)濾波器</b></p><p>　　陶瓷介質(zhì)濾波器是用微波陶瓷介質(zhì)按照TM010 、TEM等模式要求制成的圓柱、圓環(huán)等形狀的介質(zhì)諧振

26、器，再按微波網(wǎng)絡(luò)傳輸原理用電容集總參數(shù)或分布參數(shù)耦合而成。壓電陶瓷振子是制作陶瓷濾波器的核心元件，而壓電陶瓷材料是制作壓電陶瓷振子的關(guān)鍵材料。當(dāng)材料和具體工藝確定后，采用不同的電路結(jié)構(gòu)，可得到不同通帶寬度的陶瓷濾波器。陶瓷介質(zhì)濾波器的性能優(yōu)良，插損小，有較高的功率承受能力，并可與天線(xiàn)、開(kāi)關(guān)集成，原則上可用于很高頻率，且價(jià)格低廉。但是，陶瓷濾波器的體積大，形狀因子與品質(zhì)因數(shù)較小，較難用于多帶多功能3G移動(dòng)通信系統(tǒng)。</p>

27、<p>　　三、微波濾波器的發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　1、SIR(階躍阻抗諧振器)濾波器</p><p>　　階躍阻抗結(jié)構(gòu)的傳輸線(xiàn)諧振器久為人知，但一般用作阻抗變換器，直到近年才用于微帶濾波器。SIR是由兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線(xiàn)組合而成的橫向電磁場(chǎng)或準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)模式的諧振器。根據(jù)SIR原理設(shè)計(jì)的帶通濾波器比一般的發(fā)夾線(xiàn)微帶濾波器尺寸小一半以上，同時(shí)顯示了極大的優(yōu)越性。

28、此外，通過(guò)調(diào)節(jié)耦合線(xiàn)段與非耦合線(xiàn)段的阻抗比，還可以控制寄生通帶在頻率軸上的位置，從而具有較好的抑制諧波性能。另外，SIR與已知的平行耦合線(xiàn)、發(fā)夾型、交指型等結(jié)構(gòu)相結(jié)合，又能設(shè)計(jì)出滿(mǎn)足不同性能要求的濾波器。在基于多媒體的全球個(gè)人通信系統(tǒng)中將表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。</p><p><b>　　2、有源微波濾波器</b></p><p>　　蜂窩通信、GPS和電視廣播等微波系

29、統(tǒng)，一般要求使用低價(jià)格、高性能、全集成的商用收發(fā)設(shè)備。但該頻段的集成諧振器的值較低、損耗較高。利用有源器件的負(fù)阻特性去抵消諧振電路的損耗來(lái)改善Q值，是微波有源濾波器的基本原理，Q值的改善降低了濾波器的通帶損耗，提高了阻帶抑制，使矩形系數(shù)得到明顯改善。微波有源濾波器的目的是不失真地通過(guò)所要求的通帶信號(hào)，同時(shí)盡可能大地抑制不需要的阻帶信號(hào)。因此，研究和發(fā)展微波有源濾波器是實(shí)現(xiàn)該頻段低損耗和高性能微波集成濾波器的重要手段，具有很大的市場(chǎng)潛力。

30、</p><p>　　3、薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù)</p><p>　　近年來(lái)，薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù)(FBAR)給射頻前端濾波器小型化和集成化帶來(lái)一線(xiàn)曙光。當(dāng)然，許多問(wèn)題涉及工藝控制與封裝過(guò)程有待解決。典型(FBAR)測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)BAR技術(shù)帶來(lái)的高Q值和高耦合系數(shù)，可與高級(jí)的陶瓷和聲表面波振子相媲美。目前達(dá)到的Q值已超過(guò)1000，與基于陶瓷的產(chǎn)品相比，F(xiàn)BAR技術(shù)在小型化方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)

31、，可實(shí)現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品l0％的產(chǎn)品。FBAR的電特性已達(dá)到目前CDMA和PCS陶瓷雙工器的性能標(biāo)準(zhǔn)。</p><p><b>　　4、高溫超導(dǎo)材料</b></p><p>　　微波、毫米波通信，雷達(dá)、測(cè)量?jī)x表等系統(tǒng)和設(shè)備，要求微波器件與電路達(dá)到更高、更新的水平，超導(dǎo)材料的出現(xiàn)為微波技術(shù)的發(fā)展帶來(lái)新的推動(dòng)力。高溫超導(dǎo)材料在微波頻段的表面電阻接近于零，因此，用這

32、種材料制備的濾波器具有理想的濾波性能，是常規(guī)金屬濾波器無(wú)法比擬的。超導(dǎo)濾波器具有很高的Q值，插損小、帶邊陡峭、帶外抑制好，可以充分利用信號(hào)頻帶，增加互不干擾的信道數(shù)量，并能避免信號(hào)傳輸失真。超導(dǎo)濾波器不僅帶內(nèi)衰減低，而且相位延時(shí)和色散特性也大為改善。用由超導(dǎo)濾波器、低噪聲前置放大器、小型制冷機(jī)和電子控制系統(tǒng)組成的超導(dǎo)濾波器系統(tǒng)代替現(xiàn)有移動(dòng)通信基站中由普通金屬濾波器組成的常規(guī)濾波器系統(tǒng)，可較大幅度地提高通話(huà)質(zhì)量，增加通話(huà)容量，擴(kuò)大基站的覆

33、蓋面積，增強(qiáng)基站的抗干擾能力，降低手機(jī)發(fā)射功率，具有誘人的發(fā)展前景。</p><p>　　1.2 濾波器在微波通信的作用</p><p>　　微波濾波器作為濾波器的一種，在移動(dòng)通信中有著廣泛的應(yīng)用。在射頻端有源電路中輸入輸出各級(jí)之間普遍存在，各濾波器都有不同的功能和特性要求。</p><p>　　如圖1-5所示，為典型的發(fā)射機(jī)接受機(jī)原理框圖模型，濾波器在該系統(tǒng)中各位

34、置起著舉足輕重的作用。接受端帶通濾波器的必要功能是避免由于發(fā)射端輸出信號(hào)泄漏而使接收器前端飽和；除去如鏡頻一類(lèi)的干擾信號(hào)；減少來(lái)自天線(xiàn)端的本機(jī)振蕩器的功率泄漏。所以接收端帶通濾波器的最佳性能包括衰減以除去干擾，同時(shí)減少將直接影響接收端靈敏度的通帶插損。發(fā)射端帶通濾波器的基本功能是從發(fā)射端減少雜散輻射功率以避免對(duì)其他無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的干擾，這些無(wú)用的信號(hào)的主要成分是發(fā)射信號(hào)頻率的二、三次諧波和本級(jí)振蕩。另一個(gè)重要的功能是衰減掉發(fā)射信號(hào)中接受頻

35、段內(nèi)的噪聲，把它抑制在接收機(jī)的靈敏度之下。因此，發(fā)射端帶通濾波器必須保持一個(gè)寬的阻帶以抑制雜散信號(hào)，同時(shí)能維持低的通帶插損和在輸出端處理的大電平信號(hào)。</p><p>　　圖1-5 典型接受發(fā)射機(jī)原理模型</p><p>　　1.3 本論文研究的內(nèi)容</p><p>　　隨著通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)往往需要通過(guò)一個(gè)波束發(fā)射多個(gè)不連續(xù)信道的頻率信號(hào)，這就需要雙通帶甚至

36、多通帶濾波器。過(guò)去的單頻段通信系統(tǒng)已顯得陳舊，不能很好地滿(mǎn)足通信系統(tǒng)的小型化、集成化等要求。為了提高頻譜利用率，在通信系統(tǒng)中設(shè)置能同時(shí)工作的多個(gè)通信頻段顯得十分必要。在這種背景下，利用傳統(tǒng)設(shè)計(jì)形式設(shè)計(jì)的單通帶濾波器已不能適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，盡管可在無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中單獨(dú)設(shè)計(jì)多個(gè)獨(dú)立頻段的單通帶濾波器來(lái)滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，但這樣的設(shè)計(jì)方式無(wú)疑會(huì)增大無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的面積及體積，不利于系統(tǒng)的小型化 。此外，這樣的設(shè)計(jì)方式由于在電路中引入了多個(gè)濾波器，不僅會(huì)增加

37、加工成本,且會(huì)增加電路損耗，從而最終影響無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)的整體工作性能。因此，需設(shè)計(jì)出一種新型的濾波器，使其能工作在兩個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的頻段。</p><p>　　本論文的具體研究問(wèn)題按章數(shù)安排如下：</p><p>　　第一章是緒論：本章主要介紹了微波濾波器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及本文擬開(kāi)展的研究工作。</p><p><b>　　第二章：微帶線(xiàn)</

38、b></p><p>　　本章主要介紹了介質(zhì)微帶線(xiàn)及耦合微帶線(xiàn)的理論，并對(duì)微帶諧振電路方面的內(nèi)容進(jìn)行了理論分析。</p><p>　　第三章：帶通濾波器的設(shè)計(jì)</p><p>　　本章主要介紹了帶通濾波器的散射參量，以及帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)過(guò)程。 </p><p>　　第四章：通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)</p>

39、<p>　　本章主要介紹了通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器的理論推導(dǎo)知識(shí)，HFSS軟件的簡(jiǎn)單介紹，以及利用HFSS軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器。</p><p><b>　　第五章：測(cè)量結(jié)果</b></p><p>　　本章主要介紹了用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)照。仿真和測(cè)量結(jié)果保持了良好的一致性。</p><p>&l

40、t;b>　　微帶線(xiàn)</b></p><p>　　2.1介質(zhì)微帶線(xiàn)和微耦合帶線(xiàn)</p><p>　　2.1.1 介質(zhì)微帶線(xiàn)</p><p>　　微帶線(xiàn)是微波集成電路(MIC)中使用最多的一種傳輸線(xiàn)，隨著MIC的日益的進(jìn)步，微帶電路在微波中的地位也越來(lái)顯著。微帶線(xiàn)可印制在很薄的介質(zhì)基片上(可以薄到lmm以下)，故其橫截面尺寸比波導(dǎo)、同軸線(xiàn)要小得多。其

41、縱向尺寸雖和工作波長(zhǎng)可以比擬，也可以方便地解決匹配問(wèn)題。</p><p>　　微帶線(xiàn)的結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，厚度為的介質(zhì)基片上時(shí)寬度為、厚度為的中心導(dǎo)帶，下面為接地板，介質(zhì)基片一般采用高介電常數(shù)(取值在2～20之間)，高頻損耗小的陶瓷、石英、藍(lán)寶石及高分子材料等。</p><p>　　圖2-1 微帶線(xiàn)橫截面</p><p>　　微帶線(xiàn)的主要傳輸性參數(shù)為：</p&

42、gt;<p><b>　　(2-1a)</b></p><p><b>　　(2-1b)</b></p><p><b>　　(2-1c)</b></p><p><b>　　(2-1d)</b></p><p><b>　　一、微

43、帶線(xiàn)基本特性</b></p><p>　　在實(shí)際應(yīng)用中，要解決電路匹配問(wèn)題時(shí)，阻抗特性是一個(gè)重要參量。基片內(nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)為時(shí)微帶線(xiàn)的阻抗特性采用施瓦茲-克里斯托費(fèi)保角變換法求得為：</p><p><b>　　(2-2)</b></p><p>　　其中有效介電常數(shù)與介電填充系數(shù)q的關(guān)系為：</p><p>

44、;<b>　　(2-3)</b></p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　(2-4)</b></p><p>　　由于微帶線(xiàn)是由平行雙線(xiàn)演變而來(lái)，但因?qū)w之間加入了介質(zhì)基片，使情況復(fù)雜化。在TEM波傳輸線(xiàn)中，波的常數(shù)在忽略損耗時(shí)，其中</p><p&g

45、t;<b>　　(2-5)</b></p><p>　　式中，為自由空間波長(zhǎng)，為介質(zhì)波長(zhǎng)，兩者關(guān)系為：</p><p><b>　　(2-6)</b></p><p>　　同其它類(lèi)型的TEM波傳輸線(xiàn)一樣，微帶中波的傳輸速度也滿(mǎn)足下列關(guān)系式：</p><p><b>　　(2-7)</

46、b></p><p>　　將和式(2-5)代入（2-7）式得</p><p><b>　　(2-8)</b></p><p>　　由此可見(jiàn)，微帶線(xiàn)主模特性可以用兩個(gè)參數(shù)表示。通常取有效介電常數(shù)和。</p><p><b>　　二、微帶線(xiàn)損耗</b></p><p>　　

47、損耗是傳輸線(xiàn)的重要參量之一。微帶線(xiàn)與波導(dǎo)和同軸線(xiàn)相比傳輸線(xiàn)上的損耗要大得多，在構(gòu)成微帶電路元件時(shí)，其影響必須予以重視。微帶線(xiàn)的損耗分成三部分：</p><p>　　1、介質(zhì)損耗，當(dāng)電場(chǎng)通過(guò)介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格來(lái)回碰撞，而產(chǎn)生的熱損耗。為了減小這部分損耗，應(yīng)選擇性能良好的介質(zhì)如氫化鋁瓷、藍(lán)寶石、石英等，作為基片材料。</p><p>　　2、導(dǎo)體損耗，微帶線(xiàn)的導(dǎo)體帶條和接地板均

48、具有有限的電導(dǎo)率，電流通過(guò)時(shí)必然引起熱損耗。在高頻情況下，趨膚效應(yīng)減小了微帶導(dǎo)體的有效截面積，更增大了這部分損耗。由于微帶線(xiàn)橫截面尺寸遠(yuǎn)小于波導(dǎo)和同軸線(xiàn)，導(dǎo)體損耗也較大，這也是微帶線(xiàn)損耗的主要部分。</p><p>　　3、輻射損耗，由于微帶線(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)的半開(kāi)放性所引起。減小線(xiàn)的橫截面尺寸時(shí)，這部分損耗即很小，而只在微帶線(xiàn)的不均勻點(diǎn)才比較顯著。為避免輻射，減小衰減，并防止對(duì)其它電路的影響，一般的微帶線(xiàn)電路均裝在金屬屏

49、蔽盒中。</p><p>　　2.1.2微帶耦合線(xiàn)</p><p>　　在微波集成電路中，兩條相互靠近的微帶線(xiàn)就構(gòu)成耦合微帶線(xiàn)。耦合微帶線(xiàn)除了用它們來(lái)構(gòu)成振蕩回路、定向耦合器、移相器、阻抗變換器以及平衡不平衡變換器等基本元件外，微帶濾波器更是利用其特性來(lái)構(gòu)成不同結(jié)構(gòu)的各種種類(lèi)的濾波器。耦合微帶線(xiàn)的橫截面如圖2-2所示。</p><p>　　圖2-2 耦合微帶線(xiàn)橫截面

50、</p><p>　　與標(biāo)準(zhǔn)微帶一樣，由于耦合微帶線(xiàn)中的介質(zhì)是由基片和空氣的混合介質(zhì)，故耦合微帶中不存在純的TEM波，但因其縱向分量很小，可以看成是準(zhǔn)TEM波，即耦合微帶的傳輸波的主模是準(zhǔn)TEM波。</p><p>　　分析耦合微帶線(xiàn)的主模傳輸特性，常把任意激勵(lì)的耦合微帶線(xiàn)分成兩種對(duì)稱(chēng)激勵(lì)方式來(lái)計(jì)算，一種是用等幅同相電壓Ve激勵(lì)，稱(chēng)為偶模激勵(lì)；另一種是用等幅反相電壓Vo激勵(lì)，稱(chēng)為奇模激勵(lì)。

51、所以耦合微帶線(xiàn)的任何一種激勵(lì)就可以由這兩種激勵(lì)疊加而成。奇、偶模激勵(lì)時(shí)，耦合微帶中的電、磁場(chǎng)分布如圖2-3所示。偶模激勵(lì)時(shí)，中心對(duì)稱(chēng)面上只有垂直分量、電場(chǎng)切線(xiàn)分量，因而中心對(duì)稱(chēng)面為磁壁；奇模激勵(lì)時(shí)，中心對(duì)稱(chēng)面上只有電場(chǎng)垂直分量、磁場(chǎng)切線(xiàn)分量，因而中心對(duì)稱(chēng)面為電壁。由于場(chǎng)分布不同，故奇、偶模的參量也不同。</p><p>　　(a)偶模 （b）奇模</p>

52、<p>　　圖2-3 耦合微帶線(xiàn)奇、偶模磁、電場(chǎng)分布</p><p>　　仿標(biāo)準(zhǔn)微帶，引入奇、偶模有效介電常數(shù)</p><p><b>　　(2-9a)</b></p><p><b>　　(2-9b)</b></p><p>　　式中的和分別為奇、偶模介質(zhì)填充系數(shù)。于是耦合微帶的奇、

53、偶模特性阻抗為：</p><p><b>　　(2-10a)</b></p><p><b>　　(2-10b)</b></p><p>　　式中，和分別為空氣耦合微帶的奇、偶模特性阻抗。、分別代表耦合微帶(介質(zhì)基片相對(duì)介電常數(shù))的奇、偶模單位長(zhǎng)度分布電容。根據(jù)奇、偶模電場(chǎng)的分布狀態(tài)，我們可以將耦合微帶每根帶條單位長(zhǎng)度的分

54、布電容近似地看成由三部分組成，耦合微帶線(xiàn)的近似分布電容如圖2-4所示。</p><p>　　圖2-4 耦合微帶線(xiàn)的近似分布電容</p><p>　　所以我們可以得出其關(guān)系式是：</p><p>　　， (2-11)</p><p>　　關(guān)于耦合微帶的奇偶模特性阻抗的精確

55、求解的方法很多，這里不準(zhǔn)備詳細(xì)一一介紹。其實(shí)我們可以看出，實(shí)際設(shè)計(jì)中直接涉及的參量是，，和，他們均是耦合微帶幾何尺寸W，S，h和t的函數(shù)。在給出不同基片(即不同參數(shù))的耦合微帶以及在一定的耦合縫隙S時(shí)，特性阻抗與存在著一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。利用這層關(guān)系，根據(jù)不同的和，就可以繪制出不同的曲線(xiàn)。如圖2-5所示，是在給定的下，和對(duì)應(yīng)特性阻抗和的值來(lái)確定耦合微帶的實(shí)際尺寸比和，即介質(zhì)基片的厚度h選定后，就可求得我們所設(shè)計(jì)的微帶條尺寸W和S。當(dāng)在微帶結(jié)構(gòu)

56、中到帶的厚度不為零，就要使導(dǎo)帶的邊緣電容增大，相當(dāng)于導(dǎo)帶增寬。這個(gè)問(wèn)題的嚴(yán)格求解要用保角變換法來(lái)計(jì)算。但在微帶電路中，此厚度總是很小，實(shí)際影響并不大，只需對(duì)其寬度進(jìn)行修正，以補(bǔ)償帶厚的影響即可。修正的辦法是設(shè)實(shí)際厚度為W，增量寬度，有效寬度為，這樣則 。這個(gè)增量寬度是用來(lái)修正厚度t的影響的。它與W，h，t的關(guān)系可用近似公式來(lái)表示：</p><p>　　當(dāng)時(shí)： (2-

57、12a)</p><p>　　當(dāng)時(shí)： (2-12b)</p><p>　　圖2-5 微帶線(xiàn)奇模、偶模的特性阻抗</p><p>　　圖2-5 微帶線(xiàn)奇模、偶模的特性阻抗</p><p>　　2.2 微帶諧振電路</p><p>　　2.2.1 諧振原理</p&g

58、t;<p>　　微帶傳輸線(xiàn)諧振器是由一段開(kāi)路或短路微帶線(xiàn)構(gòu)成，其電路圖如圖2-6所示。</p><p>　?。╝）終端短路 （b）終端開(kāi)路</p><p>　　圖2-6 微帶諧振電路</p><p>　　計(jì)算傳輸線(xiàn)上某點(diǎn)的反射系數(shù)公式為：</p><p>　　(2-13)

59、 式（2-13）中，和分別是我們研究傳輸線(xiàn)上的反射電壓和入射電壓。指數(shù)項(xiàng)表示經(jīng)傳輸一段距離后在相位上引起的滯后，是終端負(fù)載。顯然在終端即時(shí)，當(dāng)滿(mǎn)足，則有，此時(shí)電磁波在開(kāi)路端或短路端上全反射，在微帶線(xiàn)上形成駐波，從而發(fā)生諧振。理想的微帶線(xiàn)諧振器如圖（2-6）所示，圖2-6(a)是終端短路式，圖2-6(b)終端開(kāi)路式。兩者互為對(duì)偶，所以我們可以只討論其中的一種，按照對(duì)偶定理另一種即可推得來(lái)。</p>

60、<p><b>　　輸入阻抗為：</b></p><p>　?。?，為諧振器電長(zhǎng)度） (2-14)</p><p>　　由式（2-14）可見(jiàn)，隨著微帶線(xiàn)諧振器的長(zhǎng)度不同，輸入阻抗特性就不一樣，這里有兩個(gè)極端情況。</p><p>　　一、當(dāng)（n=1,2,3,……

61、.）時(shí)，則輸入阻抗變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2-15a)</b></p><p>　　二、當(dāng)（n=1,2,3,……）時(shí)，則輸入阻抗變?yōu)椋?lt;/p><p><b>　　(2-15b)</b></p><p>　　同理可得到，故此時(shí)的輸入阻抗，形成并聯(lián)諧振。</p><p

62、>　　2.2.2 半波長(zhǎng)短路諧振器</p><p>　　微帶的半波長(zhǎng)諧振器是指?jìng)鬏斁€(xiàn)長(zhǎng)度為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)的諧振電路。即（n=1，2，3，……）所以，滿(mǎn)足上面第一種諧振情況。此時(shí)諧振器與等效電路間對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2-7所示：</p><p>　　(a) (b)</p><p>　　圖2-7 半波長(zhǎng)短路諧振等效電路圖</p

63、><p>　　要使集總參數(shù)電路和分布參數(shù)諧振電路建立起等效關(guān)系，諧振支路的電抗斜率參量（電納斜率參量）和輸入阻抗（導(dǎo)納）必須在諧振中心頻率處相等。</p><p><b>　　等效滿(mǎn)足關(guān)系為：</b></p><p>　　一、兩者諧振時(shí)的輸入阻抗相等，即：</p><p><b>　　(2-16)</b>

64、;</p><p>　　得出 </p><p><b>　　(2-17)</b></p><p>　　二、兩者諧振時(shí)的電抗斜率參數(shù)相等</p><p>　　對(duì)于圖2-7(a)中的等效電路來(lái)分析，其電抗為</p><p><b>　　(2-18)</b><

65、;/p><p>　　故其電抗斜率參數(shù)是：</p><p><b>　　(2-19)</b></p><p><b>　　顯然當(dāng)電路諧振時(shí)，</b></p><p>　　故， (2-20)</p>&l

66、t;p>　　對(duì)于圖2-7(a)來(lái)說(shuō)，其電抗X是：</p><p><b>　　(2-21)</b></p><p>　　所以我們可以計(jì)算其電抗斜率參數(shù)是：</p><p><b>　　(2-22)</b></p><p>　　比較式（2-20）和（2-22）可以得出：</p>&

67、lt;p><b>　　(2-23)</b></p><p>　　由此式可知，微帶線(xiàn)諧振器特性就可以計(jì)算出等效集總元件L和C，反之，已知L和C即可設(shè)計(jì)出微帶線(xiàn)諧振器來(lái)。微帶線(xiàn)諧振器的無(wú)載Q值可按通常低頻電路來(lái)定義，即</p><p><b>　　(2-24)</b></p><p>　　綜上所述，微帶半波長(zhǎng)串聯(lián)諧振器的

68、集總等效電路的元件值與其本身參數(shù)的關(guān)系為：</p><p><b>　　(2-25)</b></p><p>　　2.2.3 1/4 波長(zhǎng)短路諧振器</p><p>　　微帶的1/4波長(zhǎng)諧振器是指?jìng)鬏斁€(xiàn)長(zhǎng)度為1/4波長(zhǎng)的奇數(shù)倍時(shí)的諧振電路。即（1,2,3,……）所以，滿(mǎn)足上面第二種并聯(lián)諧振情況。</p><p>　　此時(shí)

69、諧振器與等效電路間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖2-8所示</p><p>　　(2-8a) (2-8b)</p><p>　　圖2-8 1/4波長(zhǎng)短路諧振等效電路圖</p><p><b>　　等效滿(mǎn)足關(guān)系為：</b></p><p>　　(1)兩者諧振時(shí)的輸入導(dǎo)納相等，即

70、：</p><p><b>　　(2-26)</b></p><p><b>　　所以 </b></p><p><b>　　(2-27)</b></p><p>　　(2)兩者諧振時(shí)的電納斜率參數(shù)相等（注意：此時(shí)是對(duì)電納微分） </p><p>　

71、　對(duì)于圖2-8(b)中，電納，則其電納率參數(shù)是</p><p><b>　　(2-28)</b></p><p><b>　　顯然當(dāng)電路諧振時(shí)，</b></p><p><b>　　(2-29a)</b></p><p>　　所以此時(shí) </p><

72、;p><b>　　(2-29b)</b></p><p>　　對(duì)于圖2-8(a)中，其電納B為：，所以其電納斜率參數(shù)是：</p><p><b>　　(2-30)</b></p><p>　　比較（2-28）和（2-30）式我們可以得到：</p><p><b>　　(2-31)&l

73、t;/b></p><p>　　由此式可知，微帶線(xiàn)諧振器特性就可以計(jì)算出等效集總元件L和C，反之，已知L和C即可設(shè)計(jì)出微帶線(xiàn)諧振器來(lái)，微帶線(xiàn)諧振器的無(wú)載Q值可按通常低頻電路來(lái)定義，即</p><p><b>　　(2-32)</b></p><p>　　綜上所述，微帶半波長(zhǎng)串聯(lián)諧振器的集中元件等效電路的元件值與其本身參數(shù)的關(guān)系為：<

74、/p><p><b>　　(2-33)</b></p><p>　　2.2.4 開(kāi)路諧振器</p><p>　　以上兩諧振電路都是終端短路式微帶線(xiàn)諧振器，關(guān)于終端開(kāi)路式微帶線(xiàn)諧振器，因?yàn)槠渑c終端短路式微帶線(xiàn)諧振器互為對(duì)偶電路，所以可根據(jù)對(duì)偶定理求解相關(guān)參數(shù)。其對(duì)偶關(guān)系為：</p><p>　　因此，半波長(zhǎng)開(kāi)路諧振器與半波長(zhǎng)短

75、路諧振器互為對(duì)偶，其等效的集總元件電路是個(gè)并聯(lián)諧振電路，它的特性與集總元件之間關(guān)系是：</p><p><b>　　(2-31a)</b></p><p>　　1/4 波長(zhǎng)開(kāi)路線(xiàn)諧振器與1/4波長(zhǎng)短路線(xiàn)諧振器互為對(duì)偶，它的等效集總元件電路是個(gè)串聯(lián)諧振電路，它的特性與集總元件值間關(guān)系是:</p><p>　　(2-31b) </p>

76、;<p>　　帶通濾波器的設(shè)計(jì)理論</p><p>　　3.1 濾波器網(wǎng)絡(luò)的散射參量</p><p>　　濾波器是一種二端口網(wǎng)絡(luò)，它具有選擇頻率的特性，即可以讓某些頻率順利通過(guò)，而對(duì)其它頻率加以阻攔。在微波工程的許多領(lǐng)域中，濾波網(wǎng)絡(luò)是濾波器的基本構(gòu)造單元，在微波許多系統(tǒng)和設(shè)備中，網(wǎng)絡(luò)被用作選擇或分離不同頻段的信號(hào)。</p><p>　　在大多數(shù)涉及射頻

77、微波系統(tǒng)的技術(shù)資料和電路設(shè)計(jì)中，經(jīng)常用到散射參數(shù)，因?yàn)閷?shí)際射頻系統(tǒng)的特性已不能再采用終端開(kāi)路、短路的測(cè)量方法，頻率達(dá)到500M以上后導(dǎo)線(xiàn)本身就存在電感，而且電感在高頻下非常大，此外開(kāi)路情況下在終端也會(huì)形成負(fù)載電容。利用S參數(shù)，射頻電路設(shè)計(jì)者可以在避開(kāi)不現(xiàn)實(shí)的終端條件以及避免造成待測(cè)器件損壞的前提下，用兩端口網(wǎng)絡(luò)的分析方法來(lái)確定幾乎所有射頻器件的特征。</p><p>　　簡(jiǎn)單的說(shuō)，S參量表達(dá)的是電壓波，它使我們可

78、以用入射電壓波和反射電壓波的方式定義網(wǎng)絡(luò)的輸入和輸出關(guān)系。根據(jù)圖3-1可以歸一化入射電壓波a和歸一化反射電壓波b如下: </p><p><b>　?。?-1a）</b></p><p><b>　　(3-1b)</b></p><p>　　圖

79、3-1 兩端口網(wǎng)絡(luò)</p><p>　　下標(biāo)n為端口編號(hào)1或2，為簡(jiǎn)化問(wèn)題，連接在網(wǎng)絡(luò)輸入、輸出端口的傳輸線(xiàn)特性阻抗都為Zn 。</p><p>　　變換式(3-1)可以得到以下電壓、電流表達(dá)式:</p><p><b>　?。?-2a）</b></p><p><b>　　(3-2b)</b>&l

80、t;/p><p>　　所以可以容易得到端口功率為:</p><p><b>　　(3-3)</b></p><p>　　根據(jù)圖3-1所示，關(guān)于電壓波方向的規(guī)定，就可以定義s參量</p><p><b>　　(3-4)</b></p><p>　　其中ak為k端口的入射波，bk為k

81、端口的反射波，</p><p><b>　　(3-5a)</b></p><p><b>　　(3-5b)</b></p><p>　　故S參數(shù)的物理意義為：</p><p>　　為端口2接匹配負(fù)載時(shí)（），端口1的反射系數(shù)；</p><p>　　為端口1接匹配負(fù)載時(shí)（），端口

82、2的反射系數(shù)；</p><p>　　為端口1接匹配負(fù)載時(shí)，端口2到端口1的電壓傳輸系數(shù)；</p><p>　　為端口2接匹配負(fù)載時(shí)，端口1到端口2的電壓傳輸系數(shù)。</p><p>　　可以看到，和的條件意味著1端口和2端口都沒(méi)有功率波返回網(wǎng)絡(luò),這個(gè)條件只能在兩端傳輸線(xiàn)都匹配時(shí)才成立。</p><p>　　由于s參量直接和功率有關(guān)，所以可以采用

83、時(shí)間平均功率來(lái)表示歸一化輸入輸出,即可得1端口的平均功率為: </p><p><b>　　(3-6)</b></p><p>　　式（3-6）中，所在當(dāng)輸出端口匹配時(shí)，輸入端口反射系數(shù)滿(mǎn)足如下關(guān)系:</p><p><b>　　(3-7)</b></p><p>　　由此我們可以用重新定義1端口的

84、駐波系數(shù)(VSWR)為:</p><p><b>　　(3-8)</b></p><p>　　聯(lián)合式(3-2)和(3-6)，可以推出1端口的入射功率為:</p><p><b>　　(3-9)</b></p><p>　　根據(jù)式(3-7)將式(3-3)改寫(xiě)成:</p><p>

85、;<b>　　(3-10)</b></p><p>　　顯然可以看出，當(dāng)反射系數(shù)為零時(shí)，所有資用功率都注入到網(wǎng)絡(luò)1端口。采用同樣的方法來(lái)分析2端口的情況，可得:</p><p><b>　　(3-11)</b></p><p>　　3.2 帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)</p><p>　　通帶截止頻率和通帶

86、內(nèi)允許的最大插入衰減</p><p>　　阻帶邊界頻率和阻帶內(nèi)最小插入衰減</p><p><b>　　中心頻率</b></p><p>　　通帶內(nèi)插入相移與群時(shí)延</p><p>　　插入相移是信號(hào)通過(guò)濾波器所引起的相位滯后，即網(wǎng)絡(luò)散射參量的相角。群時(shí)延是指網(wǎng)絡(luò)的相移隨頻率的變化率，定義為。群時(shí)延為常數(shù)時(shí)，信號(hào)網(wǎng)絡(luò)才不

87、會(huì)產(chǎn)生相位失真。</p><p><b>　　寄生通帶</b></p><p>　　寄生通帶是微波濾波器特有的指標(biāo)，是由分布參數(shù)傳輸線(xiàn)段周期性頻率響應(yīng)引起的，其結(jié)果是在設(shè)計(jì)通帶以外的某些頻率(通常是通帶中心頻率的整數(shù)倍)處產(chǎn)生通帶，即所謂寄生通帶。設(shè)計(jì)時(shí)要避免阻帶內(nèi)出現(xiàn)寄生通帶。 </p><p>　　下面給出其他幾個(gè)常見(jiàn)參數(shù)的定義。 <

88、/p><p>　　插入衰減(IL)：傳輸功率與輸入功率之比，以dB為單位，表示為：</p><p><b>　　(3-12)</b></p><p>　　式(3-12)中，是輸入端的反射系數(shù)。</p><p>　　波紋：表示相應(yīng)幅度的最大值與最小值之差，以dB為單位。</p><p>　　帶寬：對(duì)于帶

89、通濾波器，定義為通帶內(nèi)對(duì)應(yīng)于3dB衰減量的上變頻與下邊頻的頻率差，即</p><p><b>　　(3-13)</b></p><p>　　阻帶抑制：通常以60dB作為阻帶抑制的設(shè)計(jì)值。</p><p>　　3.3 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理 </p><p>　　根據(jù)濾波器的衰減特性，它可以分為低通、高通、帶通、帶阻四種。這

90、四種濾波器的特性都可以有低通原型特性變換而來(lái)。為了描述衰減特性與頻率的相關(guān)性，通常使用數(shù)學(xué)多項(xiàng)式來(lái)逼近濾波器特性。最平坦式用巴特沃斯（Butterworth），等波紋型用切比雪夫（Tchebeshev），陡峭型用橢圓函數(shù)型（Elliptic）。表3-1給出這三種類(lèi)型濾波器的基本特性。</p><p>　　濾波器的設(shè)計(jì)方法有經(jīng)典方法和軟件方法兩種。最常用的是經(jīng)典方法即低通原型綜合法，先由衰減特性綜合出低通原型，再進(jìn)

91、行頻率變換，最后用微波結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)電路元件。綜合數(shù)學(xué)計(jì)算軟件和微波仿真軟件可以得到滿(mǎn)意的結(jié)果。下面將介紹濾波器的低通原型和低通-帶通的頻率轉(zhuǎn)換。</p><p><b>　　一、低通原型濾波器</b></p><p>　　所謂低通原型濾波器，實(shí)際上是指低通濾波器的頻率對(duì)通帶截止頻率歸一化，各元件阻抗對(duì)信號(hào)源內(nèi)阻歸一化后的濾波器。根據(jù)表3-1所介紹的三種濾波器逼近函數(shù)相應(yīng)的

92、低通原型濾波器分為巴特沃斯、切比雪夫、橢圓函數(shù)型，當(dāng)給定濾波器得預(yù)定特性（如、、和）后，選定相應(yīng)的低通原型濾波器通過(guò)查相應(yīng)的圖表，可確定元件的數(shù)目n 及相應(yīng)的歸一化元件值。在通常的濾波器設(shè)計(jì)中經(jīng)常使用的低通原型是最平坦式和切比雪夫式，現(xiàn)接給出最平坦式和切比雪夫式低通原型濾波器所需要的表3-2和3-3。因橢圓函數(shù)較復(fù)雜，通常不會(huì)使用，如需要用到它的元件值表可查閱其它相關(guān)資料。</p><p>　　表3-1三種濾波器

93、函數(shù)</p><p>　　二、低通-帶通的頻率轉(zhuǎn)換</p><p>　　從低通原型濾波器到帶通時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系，從圖3-2中可以看到當(dāng)為上邊頻或下邊頻時(shí)，，而當(dāng)或者時(shí)，。</p><p>　　由此可以得到歸一化頻率到實(shí)際頻率的映射關(guān)系</p><p><b>　　(3-14)</b></p><p&g

94、t;　　其中為中心頻率，為相對(duì)帶寬</p><p>　　， (3-15)</p><p>　　圖3-2 低通原型濾波器到帶通時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率關(guān)系</p><p>　　表3-2巴特沃斯元件值</p><p>　　表3-3 切比雪夫元件值</p><p&g

95、t;　　3.4 帶通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程 </p><p>　　微波濾波器的綜合設(shè)計(jì)一般分為下面幾個(gè)環(huán)節(jié)，即根據(jù)預(yù)定的濾波器的工作特性，選取適當(dāng)?shù)谋平瘮?shù)表達(dá)式，確定濾波器的集總參數(shù)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，最后選擇合適的濾波器結(jié)構(gòu)加以實(shí)現(xiàn)。</p><p>　　微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程：</p><p>　　步驟1:根據(jù)給定的工作特性，確定所要設(shè)計(jì)的濾波器的參數(shù)；</p>

96、<p>　　步驟2:選定合適的逼近函數(shù)，通過(guò)查表可以得到相應(yīng)的低通原型濾波器的元件級(jí)數(shù) n 和元件值；</p><p>　　步驟3:根據(jù)變換，計(jì)算帶通濾波器的歸一化元件值；</p><p>　　步驟4:利用相關(guān)公式計(jì)算得到的歸一化特性導(dǎo)納和特性阻抗以及微帶線(xiàn)的尺寸，由于其計(jì)算較復(fù)雜，在相關(guān)的微波集成電路手冊(cè)中已經(jīng)給出微帶線(xiàn)的尺寸與特性阻抗的曲線(xiàn)，查閱便可直接得到；</p

97、><p>　　步驟5:根據(jù)所得到的微帶尺寸，通過(guò)微波軟件進(jìn)行濾波器的設(shè)計(jì),可以得到仿真結(jié)果。</p><p>　　通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器</p><p>　　4.1 HFSS的介紹</p><p>　　近些年來(lái)，微波技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，其現(xiàn)代應(yīng)用包括無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、射頻識(shí)別以及微波遙感系統(tǒng)。因此，微波工程方面涌現(xiàn)出了許多

98、具有挑戰(zhàn)性的課題。然而，微波工程中的分析設(shè)計(jì)工作是非常復(fù)雜的，經(jīng)典分析方法往往存在很多近似，無(wú)法得到精確的結(jié)果，這使得設(shè)計(jì)工作通常需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的設(shè)計(jì)、加工、調(diào)試過(guò)程才能得到令人滿(mǎn)意的結(jié)果。這樣的一個(gè)設(shè)計(jì)周期往往很長(zhǎng)，難以在當(dāng)今日趨激烈的競(jìng)爭(zhēng)中占有優(yōu)勢(shì)。因此，用以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA）軟件應(yīng)運(yùn)而生，在現(xiàn)今的微波工程設(shè)計(jì)中，EDA軟件具有無(wú)法替代的地位和作用[5]。</p><p>　　Ansoft

99、HFSS是Ansoft公司推出的基于電磁場(chǎng)有限元方法（FEM）的分析微波工程問(wèn)題的三維電磁仿真軟件。Ansoft HFSS　以其無(wú)以倫比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，穩(wěn)定成熟的自適應(yīng)網(wǎng)格剖分技術(shù)，使其成為高頻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的首選工具和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，并已廣泛應(yīng)用于航空、航天、電子、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)、通信等多個(gè)領(lǐng)域，幫助工程師們高效的設(shè)計(jì)了各種高頻結(jié)構(gòu)。</p><p>　　要應(yīng)用Ansoft HFSS

100、軟件來(lái)分析高頻電磁場(chǎng)問(wèn)題，首先要熟悉HFSS的工作環(huán)境。Ansoft HFSS軟件的典型工作界面如圖4-1所示。該工作界面由菜單欄、工具欄、狀態(tài)欄、工程管理窗口、特性窗口、進(jìn)度窗口、3D模型窗口和信息管理窗口等幾部份組成。</p><p>　　圖4-1 Ansoft HFSS軟件的典型工作界面</p><p>　　一、建立HFSS工程的一般過(guò)程如下所述：</p><p&

101、gt;　　1、運(yùn)行Ansoft HFSS；</p><p>　　2、點(diǎn)擊按鈕，在當(dāng)前工程中插入一個(gè)設(shè)計(jì)；</p><p><b>　　3、選擇求解類(lèi)型；</b></p><p>　　4、為模型設(shè)置合適的單位；</p><p>　　5、在3D窗口中建立模型；</p><p>　　6、設(shè)置需要的輻射邊

102、界；</p><p>　　7、如果選擇激勵(lì)求解或激勵(lì)終端求解，則需要為模型設(shè)置激勵(lì)；</p><p>　　8、設(shè)置求解頻率及掃頻等操作；</p><p>　　9、點(diǎn)擊按鈕，檢查當(dāng)前工程的有效性；</p><p>　　10、點(diǎn)擊按鈕，求解當(dāng)前工程；</p><p>　　二、HFSS軟件所要求解的微波問(wèn)題等效為N端口網(wǎng)絡(luò)結(jié)

103、構(gòu)的S矩陣，具體步驟如下：</p><p>　　1、將結(jié)構(gòu)劃分為有限元網(wǎng)格。</p><p>　　2、在每一個(gè)端口處計(jì)算與端口具有相同截面的傳輸線(xiàn)所支持的模式。</p><p>　　3、假設(shè)每次激勵(lì)一個(gè)模式，計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)部的全部電磁場(chǎng)模式。</p><p>　　4、由得到的反射和傳輸量計(jì)算廣義S矩陣。S矩陣的結(jié)果使得傳輸信號(hào)和反射信號(hào)的幅度可直

104、接由給定的一組輸入信號(hào)求得，這使得結(jié)構(gòu)的全部3D 電磁場(chǎng)特性成為一組高頻電路參數(shù)。</p><p>　　HFSS 求解微波問(wèn)題的流程圖如4-2所示。</p><p>　　圖4-2 HFSS 求解微波問(wèn)題的流程圖</p><p>　　4.2雙通帶濾波器設(shè)計(jì)</p><p>　　當(dāng)前濾波器的結(jié)構(gòu)如圖4-3所示。一對(duì)方形半波長(zhǎng)開(kāi)環(huán)諧振器以電場(chǎng)方式互

105、相耦合。該結(jié)構(gòu)用來(lái)產(chǎn)生第一通帶，中心頻率是1.57GHz。同時(shí)，一個(gè)中心對(duì)稱(chēng)的階梯形半波長(zhǎng)諧振器被置于上述二開(kāi)環(huán)諧振器內(nèi)部。該結(jié)構(gòu)用來(lái)產(chǎn)生第二通帶，中心頻率是2.45GHz。</p><p>　　圖4-3第二通帶可調(diào)的雙通帶濾波器結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)方法的正確性，當(dāng)前濾波器在HFSS中進(jìn)行仿真?；宀捎肨ACONIC公司生產(chǎn)的RF60A型介質(zhì)板，相對(duì)介電常數(shù)為6.1

106、4，厚度為0.64mm。兩條50歐姆傳輸線(xiàn)以抽頭方式連接到兩個(gè)開(kāi)路環(huán)上作為輸入、輸出端口。從圖4-3可以看出，兩個(gè)開(kāi)路環(huán)分別與階梯形諧振器相耦合，構(gòu)成了對(duì)它的激勵(lì)。由于階梯形諧振器被置于開(kāi)路環(huán)內(nèi)部，并沒(méi)有占據(jù)額外電路面積，因而當(dāng)前濾波器結(jié)構(gòu)緊湊。</p><p>　　濾波器第二通帶中心頻率主要取決于階梯形諧振器的傳輸線(xiàn)總長(zhǎng)L，由圖4-3有L = 2 × L4 + 2 × L5 + L6 + W

107、3 (1)</p><p>　　由方程(1)知，當(dāng)L4變化時(shí)，L亦隨之變化。圖4-4顯示了L4變化而電路其他尺寸保持不變時(shí)，當(dāng)前濾波器的頻率響應(yīng)。如圖所示，當(dāng)L4由6.7增加到8.7mm時(shí)，當(dāng)前濾波器第二通帶中心頻率由2.64降低到2.34GHz，同時(shí)第一通帶幾乎未發(fā)生變化。圖4-5顯示了階梯形諧振器傳輸線(xiàn)線(xiàn)寬W3變化而L1 保持不變

108、時(shí)當(dāng)前濾波器的頻率響應(yīng)。我們發(fā)現(xiàn)W3的變化僅影響第二通帶的帶寬。當(dāng)W3從1增加到1.2mm時(shí)，第二通帶帶寬由2.75增加到3.89%，同時(shí)第一通帶保持不變。于是，通過(guò)適當(dāng)選取L4和W3，當(dāng)前濾波器的第二通帶中心頻率和帶寬可以獨(dú)立設(shè)定。</p><p>　　重復(fù)如上程序，我們得到該濾波器的一組優(yōu)化參數(shù)。當(dāng)前濾波器的尺寸示于表1。當(dāng)前濾波器被制作在是前述的RF60A基板上，照片示于圖4-6。</p>&

109、lt;p>　　濾波器的測(cè)量結(jié)果將在下一章討論。 </p><p>　　圖4-4第二通帶可調(diào)的雙通帶濾波器隨L4變化的頻率響應(yīng)</p><p>　　圖4-5第二通帶可調(diào)的雙通帶濾波器隨W3變化的頻率響應(yīng)</p><p>　　表1第二通帶可調(diào)的雙通帶濾波器物理尺寸(單位：mm)</p><p>　　圖4-6第二通帶可調(diào)的雙通帶濾波器實(shí)物圖&

110、lt;/p><p><b>　　測(cè)量結(jié)果</b></p><p>　　為了驗(yàn)證當(dāng)前設(shè)計(jì)方法的這確性，在實(shí)驗(yàn)室利用AV3620矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，對(duì)制作的當(dāng)前濾波器進(jìn)行了測(cè)量。圖5-1為當(dāng)前濾波器仿真和測(cè)量的頻率響應(yīng)。如圖所示，當(dāng)前濾波器的第一和第二通帶的中心頻率分別為1.57和2.45GHz。兩個(gè)通帶仿真/測(cè)量的最小插入損耗分別為0.62/1.28dB和0.97/1.98dB

111、。兩個(gè)通帶在各自中心頻率處仿真/測(cè)量的最大回波損耗均優(yōu)于15dB。測(cè)量結(jié)果還顯示，當(dāng)前濾波器在1.32、1.78和2.81分別存在3個(gè)傳輸零點(diǎn)。這些傳輸零點(diǎn)增強(qiáng)了濾波器的選擇性?？傊?，仿真和測(cè)量結(jié)果保持了良好的一致性。</p><p>　　圖5-1第二通帶可調(diào)的雙通帶濾波器仿真和測(cè)量頻率響應(yīng)</p><p><b>　　結(jié) 論</b></p><

112、;p>　　本文的研究主要是針對(duì)無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中的濾波器的高性能、小型化設(shè)計(jì)進(jìn)行的。提出了一種第二通帶可調(diào)的微帶雙通帶濾波器。兩個(gè)通帶的中心頻率分別為1.57GHz和2.45GHz，其中，第一通帶的中心頻率和帶寬取決于方形開(kāi)環(huán)諧振器的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度，第二通帶的中心頻率和帶寬取決于階梯形諧振器的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度。一個(gè)有益發(fā)現(xiàn)是當(dāng)通過(guò)改變階梯形諧振器的傳輸線(xiàn)長(zhǎng)度和寬度調(diào)節(jié)第二通帶的中心頻率和帶寬時(shí)，第一通帶的中心頻率和帶寬保持不變。利用這個(gè)特

113、性可以簡(jiǎn)化該類(lèi)雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)過(guò)程，提高設(shè)計(jì)效率。因此它具有尺寸小、重量輕、成本低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)精心合理的設(shè)計(jì)完全能夠具備良好的性能指標(biāo)。</p><p>　　本文介紹的通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器，通過(guò)仿真結(jié)果分析和驗(yàn)證了通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器理論的正確性。根據(jù)仿真優(yōu)化的最佳尺寸制作了實(shí)際電路，并進(jìn)行測(cè)量，最后對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。得出，仿真和測(cè)量結(jié)果保持了良好的一致性。</p><

114、p>　　現(xiàn)代無(wú)線(xiàn)通信系統(tǒng)中濾波器包括很多類(lèi)型，本文的研究工作只是針對(duì)通帶可調(diào)節(jié)的濾波器設(shè)計(jì)的。因此，對(duì)濾波器高性能、小型化設(shè)計(jì)的下一步工作還需要考慮到其它形式的設(shè)計(jì)，例如高性能的過(guò)渡、傳輸結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，小型化設(shè)計(jì)等都是值得探索的研究工作。</p><p>　　參 考 文 獻(xiàn)</p><p>　　[1] 彭沛夫.微波技術(shù)與實(shí)驗(yàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2007.</p&g

115、t;<p>　　[2] 高峻，唐晉生.微波濾波器的回顧與展望.《電子元件應(yīng)用》2005年.</p><p>　　[3] 朱永忠，倪大寧等.一種新型交叉耦合濾波器的設(shè)計(jì).《電子器件》.2007年2月第30卷第1期.</p><p>　　[4] 顧繼慧.微波技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2004.</p><p>　　[5] 丁榮林，李媛.微波技術(shù)與天線(xiàn)[

116、M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.</p><p>　　[6] Inder Bahl Prakash Bhartia 著. 鄭新，趙玉潔等譯.微波固態(tài)電路設(shè)計(jì)[M].電子工業(yè)出版社，2005.</p><p>　　[7] 謝擁軍，王鵬等.Ansoft HFSS 基礎(chǔ)及應(yīng)用[M].陜西：西安電子科技大學(xué)出版社，2007.</p><p>　　[8] 鮑家善.微波

117、原理.高等教育出版社，1965.</p><p>　　[9] 吳萬(wàn)春.微波網(wǎng)絡(luò)[M].西安:西北工程電訊工程學(xué)院出版社，1975.</p><p>　　[10] 徐曉東.微帶帶通濾波器的研究. 武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文.2007年.</p><p>　　[11] 陳琦.微波濾波器綜合技術(shù). 西安電子科技大學(xué)學(xué)位論文.2007年.</p><p&g