基于SIR的雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、 1基于基于 sirsir 的雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真的雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真學(xué)生：* 指導(dǎo)老師：*摘要 隨著無線通信的迅猛發(fā)展及需求的不斷增加，雙頻便攜式電話和無線局域網(wǎng)被廣泛應(yīng)用，雙頻段濾波器也就成為這些通信系統(tǒng)前端的重要器件。本論文所研究的利用階梯阻抗諧振器實(shí)現(xiàn)雙頻濾波的方法，與傳統(tǒng)的濾波器組合、零極點(diǎn)綜合等方法相比，具有結(jié)構(gòu)緊湊、設(shè)計(jì)靈活等優(yōu)勢(shì)，由此設(shè)計(jì)的雙頻濾波器其第二通帶的頻點(diǎn)位置可通過阻抗比rz及諧振器的長(zhǎng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)。文中介紹并分析了階梯阻抗諧振器(steppedimpedanceresonators，sir)的結(jié)構(gòu)和特性，著重闡述了半波長(zhǎng)階梯阻抗諧振器的基本特性，并分析了

2、這種結(jié)構(gòu)諧振器的優(yōu)越性及其實(shí)現(xiàn)雙頻的原理。在此基礎(chǔ)上采用半波長(zhǎng)sir諧振器設(shè)計(jì)了應(yīng)用于wlan(無線局域網(wǎng)ieee.802.1la/b/g)系統(tǒng)的帶寬可控的雙頻段帶通濾波器。關(guān)鍵詞 雙頻帶通濾波器，階梯阻抗諧振器，阻抗比design of dual-band bandpass filter using sirabstract with the high development and the need of wireless communications, and the dual-band portable telephones and wlan (wireless local area n

3、etwork) are quite popular, and the dual-band filters become the key components in the front of these communications systems. using the method of stepped-impedance-resonator to realize dual-passband filters is researched in this dissertation, comparing to the traditional methods that combination filt

4、ers, he synthesis of zeros and poles and so on, they have advantages of compact structure and convenient design, and the second resonant frequency of the designed dual-band filter can be controlled by the impedance ratio rz and the length of the resonator. the structure and characteristic of stepped

5、-impedance-resonators are presented in this paper, with an emphasis on the half-wavelength stepped-impedance-resonators, the advantages of the sir and the principle to realize dual-band are researched too. and four dual-passband filters with controllable bandwidths ale proposed for wlan (ieee.802.1l

6、a/b/g) using half-wavelength resonators. key words dual-band filter, sir, impedance ratio 2目 錄摘要 .1目錄 .2第一章 緒 論.31.1 雙頻帶通濾波器的研究背景 .31.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 .4第二章 微波濾波器的基本理論.42.1 概述 .42.2 微波濾波器的基本理論 .52.3 耦合諧振帶通濾波器的理論 .62.4 微波濾波器的基本設(shè)計(jì)參數(shù) .6第三章 階梯阻抗諧振器(sir) .83.1 sir 的基本結(jié)構(gòu) .83.2 型 sir 的基本結(jié)構(gòu)和特性 .92/g3.3 型 sir 的電長(zhǎng)度

7、 .112/g3.4 型 sir 實(shí)現(xiàn)雙頻的原理 .122/g第四章 基于 sir 的雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真.134.1 引言 .134.2 sir 雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 .144.3 變形后的 sir 雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真.164.4 兩種設(shè)計(jì)的比較與總結(jié).17第五章 總結(jié)和展望.175.1 總結(jié) .175.2 展望.18致 謝.19參考文獻(xiàn).20 3第一章 緒論1.1 雙頻帶通濾波器的研究背景濾波器在每個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都有不同的要求，高選擇性、寬帶波導(dǎo)濾波器，同軸諧振器和懸置多工器，以及電子可調(diào)濾波器滿足了軍事應(yīng)用對(duì)器件的寬帶、可調(diào)性要求，衛(wèi)星通訊工業(yè)要求濾波器規(guī)模小、低損耗、

8、帶寬窄，且在幅度選擇性和相位線性度上有非常嚴(yán)格的要求，多模波導(dǎo)介質(zhì)諧振器濾波器就是在這樣的需求下發(fā)展起來的；移動(dòng)通訊基站設(shè)備需要小型化、低損耗、高功率傳輸?shù)挠羞x擇性濾波器，而且成本低，達(dá)到規(guī)?；a(chǎn)的要求，同軸諧振器，介質(zhì)諧振器，超導(dǎo)濾波器以及諸如降低損耗的方法就是伴隨著這一需要而產(chǎn)生的；與移動(dòng)通訊基站相比，移動(dòng)通訊手持設(shè)備需要尺寸更小、成本更低、損耗低、高選擇性和能夠大規(guī)模生產(chǎn)的濾波器，從而驅(qū)動(dòng)了表面聲波濾波器和微機(jī)電系統(tǒng)濾波器的發(fā)展。近年來，相比與其它領(lǐng)域，移動(dòng)通訊技術(shù)得到了飛速發(fā)展，不但增大了射頻濾波器的需求，同時(shí)也對(duì)其提出了更高的要求高性能、小型化、輕型化、低成本。新近涌現(xiàn)的新技術(shù)和新

9、材料推動(dòng)了射頻濾波器的快速發(fā)展，這些新技術(shù)和新材料包括：高溫超導(dǎo)技術(shù)、低溫共燒技術(shù)、微波單片集成電路、微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)和顯微機(jī)械技術(shù)12。現(xiàn)代信息社會(huì)中不斷膨脹的巨大信息量要求通信技術(shù)向著高速、寬帶、大容量方向發(fā)展，這就意味著信息的傳播媒體一電磁波的使用頻率不斷向更高的頻段方向拓展。同時(shí)單頻段通信系統(tǒng)已顯得陳舊，不能很好地滿足無線通信的需求。隨著無線通信的迅猛發(fā)展，單頻段通信系統(tǒng)越來越顯示出它的局限性，促進(jìn)雙頻段及多頻段通信系統(tǒng)相關(guān)方面的研究3。為了充分利用現(xiàn)有的頻譜和基礎(chǔ)設(shè)備資源，在通信系統(tǒng)中設(shè)置能同時(shí)工作的多個(gè)通信頻段，有效途徑之一就是研究和開發(fā)高性能的雙頻段微波濾波器。濾波器作為現(xiàn)代通信設(shè)

10、備中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，它能有效地濾除各種無用信號(hào)及噪聲信號(hào)，降低各通信頻道間的信號(hào)干擾，從而保障通信設(shè)備的正常工作，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的通信，進(jìn)而達(dá)到頻譜資源的有效利用4-6?，F(xiàn)代通信的快速發(fā)展需要有效利用越來越多的頻率信道，為了減小通信電路設(shè)備體積和重量，雙頻段器件的研究越來越引起重視。因此，對(duì)雙頻帶濾波器的研究具有重要的意義和實(shí)用價(jià)值。雙頻段微波濾波器，可以同時(shí)工作在無線通信兩個(gè)不同頻段。這種濾波器是用一個(gè)雙頻段單元來處理兩個(gè)波段的信號(hào)。這種設(shè)計(jì)概念提供了容易實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施和高性能的產(chǎn)品。傳統(tǒng)設(shè)計(jì)雙頻通信系統(tǒng)，每一個(gè)通信系統(tǒng)都有其獨(dú)立的天線，濾波器，低噪聲放大器等元器件，因此體積大，功耗大。

11、因此通信設(shè)備中雙頻段濾波器已經(jīng)成為微波頻段的無線通信設(shè)備中的重要元件3。 41.2 國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 本世紀(jì)以來，在歐、美、日等國(guó)，對(duì)于雙頻段濾波器等器件的研究與設(shè)計(jì)一直受到極大的重視，迄今已開發(fā)了多種形式的雙頻段濾波器。特別是從近幾年開始，采用了微波雙頻段濾波器的雙頻通信系統(tǒng)前端已經(jīng)研制成功，微波雙頻濾波器件已逐步進(jìn)入實(shí)用化階段。國(guó)內(nèi)對(duì)于雙頻段通信系統(tǒng)研究和應(yīng)用也一直非常重視，但對(duì)雙頻段濾波器設(shè)計(jì)理論研究，特別是在應(yīng)用研究與開發(fā)上，國(guó)內(nèi)還處在起步階段，與歐美同等國(guó)相比仍有一定差距。無線通信中雙頻段濾波器的常用設(shè)計(jì)方法主要有：1濾波器組合。將兩個(gè)中心頻率不同的帶通濾波器并聯(lián)，但由于兩個(gè)帶通濾波

12、器共有兩個(gè)輸入端口和兩個(gè)輸出端口，為了得到單端口輸入和單端口輸出，需將兩濾波器的輸入和輸出端口分別相連接，由此引起的阻抗失配問題須外加匹配電路得以解決，這將會(huì)增大濾波器的體積和附加損耗；2零點(diǎn)和極點(diǎn)綜合。此方法通常適用于兩個(gè)通帶頻率相差較小的場(chǎng)合；3利用耦合諧振濾波器的寄生通帶。此方法較適用于兩個(gè)通帶頻率相差較大的場(chǎng)合。階梯阻抗雙頻段濾波器即利用耦合諧振濾波器的寄生通帶來實(shí)現(xiàn)雙頻濾波器，其在雙頻段濾波器設(shè)計(jì)中的應(yīng)用一直就受到重視78。2003年，a.a.a.anak等人利用發(fā)夾型耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雙頻段帶通濾波器3，2004年，t.j.tuo等人提出垂直堆棧形式的sir雙頻段帶通濾波器，諧振器之間水

13、平方向距離和垂直方向距離的變化用來改變諧振器在兩個(gè)頻段的耦合大小，從而達(dá)到控制雙頻帶通濾波器帶寬的目的。第二章 微波濾波器的基本理論2.1 概述微波濾波器是微波工程應(yīng)用中重要的器件之一，理想的微波濾波器應(yīng)該是這樣的一種二端口網(wǎng)絡(luò),在通帶范圍內(nèi)能夠使微波信號(hào)完全的傳輸，而在阻帶范圍微波信號(hào)則完全被截止。然而具有這樣理想特性的濾波器是不存在的，濾波器的設(shè)計(jì)目標(biāo)是：在盡可能允許的范圍內(nèi)近似的達(dá)到理想濾波器的要求，它對(duì)所有要求的通帶頻率范圍內(nèi)的信號(hào)提供盡可能的傳輸，而對(duì)通帶外的頻率信號(hào)盡可能的抑制9。在低頻時(shí)，濾波器的“組成元件”是理想的電感器和電容器，這些元件具有很簡(jiǎn)單的頻率特性。與低頻段濾波器相比

14、較，微波濾波器的主要特點(diǎn)之一就是其物理尺寸可與波長(zhǎng)相比擬，因而當(dāng)其波長(zhǎng)發(fā)生變化時(shí)，它必然會(huì)表現(xiàn)出周期特性，即濾波器除基頻響應(yīng)外，還有周期性的雜散響應(yīng)。在微波頻段下，必需采用分布參數(shù)來設(shè)計(jì)微波濾波器，它比低頻時(shí)要復(fù)雜的多。近幾年來隨著微波集成電路的 5迅速發(fā)展，電子電路的構(gòu)成完全改變了，電子設(shè)備已日趨小型化，有源濾波器和陶瓷濾波器將逐步取代原來在低頻部分必不可少的lc型濾波器,同時(shí)在高頻部分也出現(xiàn)了許多新型的濾波器，如微帶濾波器、介質(zhì)濾波器和腔體濾波器等等。 濾波器的特性用其頻率響應(yīng)來描述，我們按其特性的不同，可分為低通濾波器(lpf)、高通濾波器(hpf)、帶通濾波器(bpf)、帶阻濾波器(b

15、ef)和全通濾波器(apf)。2.2 微波濾波器的基本理論 集總元件構(gòu)成的低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計(jì)微波濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通、帶阻類型的微波濾波器，其傳輸特性基本都是根據(jù)此原型特性推導(dǎo)出來的，正因如此才使微波濾波器的設(shè)計(jì)得以簡(jiǎn)化，精度得以提高10。低通濾波器的理想化衰減頻率特性如圖2.1所示。圖中縱坐標(biāo)表示衰減，橫坐標(biāo)為角頻率。從圖2.1中我們可以看到，在=01 范圍內(nèi)濾波器的衰減為零，稱之為“通帶” ，在1后濾波器的衰減為無限大，故稱之為“阻帶” 。以1稱為“截止頻率”或“帶邊頻率” 。然而實(shí)現(xiàn)這種理想頻率響應(yīng)濾波器需要無數(shù)多個(gè)元件，這在實(shí)際中是不可能辦到的。因此，如此

16、理想特性的濾波器是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。在具體的實(shí)現(xiàn)過程中是采用特性函數(shù)來逼近它，所選函數(shù)的不同，會(huì)有不同的頻率響應(yīng)1。圖 2.1 低通原型濾波器衰減頻率特性 （a）butterworth 響應(yīng) （b）chebyshev 響應(yīng)圖 2.2 常見濾波器的響應(yīng) 兩種最常見濾波器的響應(yīng)如圖 2.2 所示。圖 2.2(a)所示的響應(yīng)通帶內(nèi)頂部最平坦，故稱為“最平 6坦響應(yīng)” ，通常也叫做“巴特沃思(butterworth)響應(yīng)” ，圖 2.2(b)所示的響應(yīng)通帶和衰減均有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，稱為“等波紋響應(yīng)” ，也常叫做“切比雪夫(chebyshev)響應(yīng)”1。 在圖 2.2 中，lar是“通帶內(nèi)的最大衰

17、減”值；1是通帶邊緣上衰減為 lar時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率值，稱之為“帶邊頻率”或“截止頻率” ，即認(rèn)為 01 為通帶，1 以上為阻帶，las是阻帶內(nèi)指定頻率點(diǎn)1處的衰減值，它是阻帶內(nèi)的最小衰減值。lar、las都是在設(shè)計(jì)濾波器前要預(yù)先給定的設(shè)計(jì)指標(biāo)參數(shù)1。2.3 耦合諧振帶通濾波器的理論 當(dāng)兩個(gè)諧振器靠近時(shí)，它們之間便會(huì)有電磁場(chǎng)耦合。諧振器間的耦合特性可使用高頻電磁場(chǎng)仿真軟件(hfss)得到，通過采用弱耦合到兩個(gè)相互耦合的諧振器，在諧振器諧振點(diǎn)附件將出現(xiàn)兩個(gè)諧振峰，這兩個(gè)諧振頻率峰是由諧振器的原始諧振峰分離而成的。而對(duì)于雙頻段諧振器，需要同時(shí)考慮諧振器的基頻和第一雜散頻率。因此諧振器間的耦合會(huì)使諧振器

18、特性中出現(xiàn)四個(gè)諧振峰，峰值點(diǎn)分別為f11、f12、f21、f22，其中f11和f12在諧振器的基頻附近，它們是由諧振器的基頻f1分離得到；f21和f22在諧振器的第一雜散頻率附近，它們是由諧振器的第一雜散頻率f2分離得到11。當(dāng)基頻和第一雜散頻率相同的兩個(gè)諧振器之間耦合時(shí)，在第一頻段和第二頻段的耦合系數(shù)分別為12： (2-3)2112122112121ffffk (2-4)2112222112222ffffk 其中：“+ ”表示磁耦合， “-”表示電耦合。利用仿真軟件求出相鄰諧振器對(duì)應(yīng)的耦合系數(shù)，然后采用曲線擬合的方式求出耦合間距的大小，通過hfss仿真軟件，提取得到諧振器間的耦合系數(shù)。對(duì)于相

19、鄰諧振器間的每一個(gè)間距s，都可以通過式(2-3)和(2-4)和仿真軟件得到兩諧振器的耦合系數(shù)值，改變諧振器間的耦合間距s，可得到兩個(gè)諧振器間距離和耦合系數(shù)的關(guān)系曲線，諧振器間的距離和耦合系數(shù)關(guān)系曲線可用來確定諧振器間的相對(duì)位置。2.4 微波濾波器的基本設(shè)計(jì)參數(shù) (1)中心頻率、截止頻率、歸一化頻率：對(duì)于低通濾波電路和高通濾波電路，c表示截止頻率；對(duì)于帶通濾波電路和帶阻電路，c表示中心頻率，歸一化的頻率 是一個(gè)量綱的量， (2-5)c 對(duì)于低通濾波電路和高通濾波電路，歸一化截止頻率為1；對(duì)于帶通或者帶阻濾波電路，歸一化中 7心頻率為1。采用歸一化頻率可以簡(jiǎn)化對(duì)濾波器電路的設(shè)計(jì)過程。 (2)插入損

20、耗：在理想情況下，處于射頻電路中的理想濾波器，在其工作的通帶內(nèi)不會(huì)引入任何的損耗。然而，這在實(shí)際應(yīng)用中，我們是沒有辦法消除濾波器固有損耗的。插入損耗定量地描述了功率響應(yīng)幅度與0db基準(zhǔn)的差值，其數(shù)學(xué)表達(dá)為： （2-6）210101log10log10inlinppil 其中，pin是濾波器從信號(hào)源得到的輸入功率，pl是濾波器向負(fù)載輸出的功率，是從信號(hào)源向in濾波器看進(jìn)去的反射系數(shù)。 (3)波紋系數(shù)：波紋系數(shù)表示在通帶內(nèi)信號(hào)響應(yīng)的最大值和最小值的差值，單位通常為db或奈培(napier)。 (4)頻帶帶寬：對(duì)于帶通濾波器，定義為濾波電路的通帶內(nèi)達(dá)到10db衰減對(duì)應(yīng)的高端截止頻率和低端截止頻率的差

21、值。可表示為： (2-7)dbldbhdbffbw101010其相對(duì)帶寬 fbw 定義為 10db 帶寬與通帶中心頻率的比值，可表示為： (2-8)010/ fbwfbwdb (5)矩形系數(shù)：定義為 60db 帶寬與 3db 帶寬的比值，它描述了濾波器在截止頻率附近響應(yīng)曲線變化的陡峭程度。理想濾波器的矩形系數(shù)，在實(shí)際應(yīng)用中，這種濾波器是不可能實(shí)現(xiàn)的，因而要1sf求矩形系數(shù)越接近于 1 越好。 （2-9）dbldbhdbldbhdbdbffffbwbwsf336060360 (6)阻帶抑制：在理想情況下，希望濾波器在阻帶頻段內(nèi)具有無窮大的衰減量。但在實(shí)際的應(yīng)用中，我們只能得到與濾波器元件數(shù)目相關(guān)

22、的有限的衰減量。所以需要定義阻帶抑制參數(shù)，在實(shí)際情況中，為了使阻帶抑制與矩形系數(shù)建立聯(lián)系，定義阻帶抑制為60db。 (7)品質(zhì)因數(shù)：定義為在諧振頻率下，平均儲(chǔ)能和一個(gè)周期內(nèi)的平均消耗能量之比。濾波電路的品質(zhì)因數(shù)q可以用公式表示為: (2-10)0lossstoredpwq 其中0為濾波器的諧振頻率，wstored為一個(gè)周期內(nèi)的平均儲(chǔ)能，ploss為單位時(shí)間內(nèi)的平均耗能。功 8率損耗通常被定義為是外接負(fù)載上的和濾波器本身的功率損耗之和，有載品質(zhì)因數(shù)qld即以此來定義，表示為： (2-11)efldqqq111式中，qf濾波器的固有品質(zhì)因數(shù)，qe為濾波器的外界品質(zhì)因數(shù)。第3章 階梯阻抗諧振器（si

23、r）3.1 sir的基本結(jié)構(gòu)sir是由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線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。sir常用的有三種基本結(jié)構(gòu)，它們分別對(duì)應(yīng)的是 g/4型、 g/2型和 g型sir。這三種結(jié)構(gòu)都包括了由開路端、短路端和它們之間的階躍結(jié)合面，g/4型、 g/2型和 g型sir能分別被看成是由1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)基本單元組成13。其基本結(jié)構(gòu)如圖所示。 (a) g/4型 (b) g/2型 (c) g型-開路面 短路面圖3.1 sir的基本結(jié)構(gòu)圖3.1中，在傳輸線開路端和短路端之間的特性阻抗和等效電長(zhǎng)度分別為z1、z2和1、2。表征sir的電學(xué)參數(shù)的是兩段傳輸線阻抗z2 和zl 的

24、比值，定義如下：阻抗比。12/zzrz3.2 g/2型sir的基本結(jié)構(gòu)和特性 9本節(jié)將討論 g/2型sir的基本結(jié)構(gòu)和特性，在實(shí)際的應(yīng)用中 g/2型sir比 g/4型sir用于更多的射頻器件。這是由于 g/2型sir是由帶狀線和微帶線結(jié)構(gòu)組成，允許有更廣的集合結(jié)構(gòu)形式，且和有源器件有很好的兼容性。圖3.2 g/2型sir的一些結(jié)構(gòu)變化（a）直線型 （b）發(fā)夾型 （c）環(huán)型（d）具有內(nèi)部耦合的發(fā)夾型 （e）具有內(nèi)部耦合的環(huán)型 圖3.2是g/2型sir的幾種典型的不同結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)(a)、(b)、(c)雖然在幾何形狀上分別為線狀、u型(發(fā)夾)和環(huán)狀，但從電拓?fù)溆^點(diǎn)看，它們是等效的。(d）中的諧振器具有

25、和(b)相似的u型結(jié)構(gòu)，但它具有內(nèi)部耦合線，利用它們的開路端，使之微型化。圖(e)是圖(d）的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，為進(jìn)一步微型化，間距因素被明顯地?cái)U(kuò)大了。該圖顯示出g/2型sir的電路版圖和耦合電路集成化有很大的靈活性13。以g/2型sir諧振器為研究對(duì)象，由開路端看進(jìn)去的輸入導(dǎo)納yin，根據(jù)文獻(xiàn)11，可以表示為： (3-1)212221221212intantan)1 (2)tan1)(tan1 ()tantan)(tantan(2jzzzzrrrryy 取得諧振條件為： 0iny (3-2)2112ztantanzzr從式(3-1)，我們能理解sir的諧振條件取決于1、2和阻抗比rz。一般均勻阻抗諧

26、振器(uir)的諧振條件唯一地取決于傳輸線的長(zhǎng)度，而對(duì)sir則同時(shí)要計(jì)入長(zhǎng)度和阻抗比。因此sir比uir多了一個(gè)設(shè)計(jì)的自由度。 10圖3.3 微帶線g/2型sir 基本結(jié)構(gòu) 為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，設(shè)可通過采用較小的值來縮短sir諧振器的電長(zhǎng)度，即采用圖3.3(a)所21zr示的結(jié)構(gòu)。但最大sir長(zhǎng)度被限定于對(duì)應(yīng)uir長(zhǎng)度的兩倍。在上述條件下，輸入導(dǎo)納和諧振條件可以分別寫為： (3-3) (3-4) ）（z0arctanr對(duì)于g/2型sir而言，雜散響應(yīng)變得很關(guān)鍵14，這要求設(shè)計(jì)時(shí)考慮更高諧振模式的雜散響應(yīng)。設(shè)基本諧振頻率和雜散諧振頻率分別為f0、fs1、fs2、fs3，相應(yīng)的分別為0、s1、s2、s3

27、。諧振時(shí)式(3-4)等于0，可以得到： 2s1 （3-5）0s2)(arctanzr s3由式(3-5)得到各雜散頻率與基本頻率之比分別為： z0s10s1r2arctanff （3-6）0s10s30s30s10s20s2ff2ff1ff2ff從(3-6)式可以看出，各雜散頻率的位置由阻抗率rz決定，通過調(diào)節(jié)阻抗比rz可以很方便地控制各4z2z2zz2zz2intantan)1 (2tan)tan)(1 (2jrrrrrryy 11雜散頻率的位置，這是sir一個(gè)比較重要的特點(diǎn)。圖3.4是各雜散頻率與基本諧振頻率昀比值隨阻抗比的變化曲線，由曲線可知：zr圖3.4 阻抗比與歸一化雜散頻率的關(guān)系

28、(3-7)2ff12ff12ff10s1z0s1z0s1z時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)時(shí)，當(dāng)rrr 以上特點(diǎn)對(duì)利用sir作為諧振器來設(shè)計(jì)超寬帶濾波器非常重要，通過選擇合適的阻抗比rz的值，可以方便地將濾波器的工作頻段調(diào)到我們所需要的頻段。3.3 g/2型 sir 諧振器的電長(zhǎng)度 從圖3.3可以得到，g/2型sir總的電學(xué)長(zhǎng)度： (3-8) 結(jié)合基本諧振條件式(3-2)可以得到： （當(dāng)rz1時(shí)） (3-9) (當(dāng)rz=1時(shí)) (3-10) t 將式(3-9)對(duì)t 進(jìn)行求導(dǎo)得： 0csc)tan(1112z12zrr (3-11) 因此總的電學(xué)長(zhǎng)度取得極值的條件為： (3-12)2z1)(arctanrg/2型s

29、ir總的電長(zhǎng)度如圖3.5所示。從圖中可以看出，當(dāng)0rz1時(shí)，總的電長(zhǎng)度取得極大值。同時(shí)，rz取得越小，總的電長(zhǎng)度越小。綜上所述，要使設(shè)計(jì)的濾波器能夠滿足小型化的要求，通常取較小的rz。 )(221t11zzttantan112tanrr 12圖3.5 sir總的電長(zhǎng)度 3.4 g/2型 sir 實(shí)現(xiàn)雙頻的原理 用g/2型階梯阻抗諧振器實(shí)現(xiàn)的雙頻段帶通濾波器，在其寬頻帶響應(yīng)中，有多個(gè)雜散頻率，并且雜散響應(yīng)的頻率位置可以通過阻抗比rz進(jìn)行調(diào)節(jié)，我們就想到可以用一次響應(yīng)雜散頻率來設(shè)計(jì)階梯阻抗雙頻濾波器。根據(jù)式（3-2） ，g/2型sir的諧振條件為： (3-13)0tantan21zr1ff (3-

30、14)0tantan12zr2ff 式子（3-13） 、 （3-14）中f1和f2分別為諧振器的基頻和第一雜散響應(yīng)頻率，sir諧振器可采用等電長(zhǎng)度（）或非等電長(zhǎng)度（）兩種形式，為了增加設(shè)計(jì)的靈活性，在本文的設(shè)計(jì)中，我們采用2121非等電長(zhǎng)度，令，由式（3-13） 、 （3-14）可得：212/u212t (3-15)02tan21tan21uurz1ff (3-16)021tan2tan1uruzt2ff 由式(3-15)和(3-16)可知，u和rz的值一旦確定，濾波器所對(duì)應(yīng)的的頻率f1和f2便可確定。在不同阻抗比rz的條件下，sir的第二個(gè)和第一個(gè)通帶頻率之比f2/f1和u值的關(guān)系曲線如圖3

31、.6(a)所示，諧振器總的電長(zhǎng)度和u值的關(guān)系曲線如圖3.6(b)所示。t 13圖3.6 不同rz下f2/f1及隨u值的變化曲線t 由圖3.6(b)可知，在0rzl時(shí)，l時(shí)，l80o，為減小濾波器的尺寸，在本文的所tt有設(shè)計(jì)中，我們都選用0rzl。在雙頻濾波器的設(shè)計(jì)中，首先確定所要設(shè)計(jì)的兩中心頻率，得出兩頻率之比f2/f1，然后選取rz的取值，從圖3.6(a)中得出u的值，再由圖3.6(b)得到的值，進(jìn)而推出、t1的值，諧振器的電學(xué)參數(shù)得到初步的確定。2第4章 基于sir的雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真4.1 引言 對(duì)于微波帶通濾波器，由于分布參數(shù)傳輸線頻響特性的周期性，使得在離開中心頻率的主通帶一

32、定頻率處會(huì)出現(xiàn)寄生通帶，最靠近主通帶的寄生通帶其中心頻率一般為基頻的2或3倍。makimoto m和yamashita s于1980年提出了應(yīng)用sir諧振器構(gòu)成微波帶通濾波電路的想法，通過調(diào)節(jié)耦合線段與非耦合線段的阻抗比，以控制寄生通帶在頻率軸上的位置。sir通常被用來移開或抑制倍頻于基本諧振模式的高次模，然而也可以用sir的高次模來產(chǎn)生第二個(gè)通帶。在本章中我們利用sir的高次模產(chǎn)生的第二個(gè)通帶設(shè)計(jì)了兩種應(yīng)用于無線局域網(wǎng)wlan系統(tǒng)(ieee.802.1la/b/g)的雙頻帶通濾波器，在設(shè)計(jì)中所有的sir諧振器采用相同的結(jié)構(gòu)。本章中的雙頻帶通濾波器均無需外加輸入輸出匹配電路，在結(jié)構(gòu)上更小巧緊湊

33、。本章首先從理論上分析sir的諧振結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定方法，其次給出了所設(shè)計(jì)雙頻濾波器的結(jié)構(gòu)模型以及在hfss仿真軟件15下所完成的該濾波器的優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，以及仿真結(jié)果。 144.2 sir雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 本節(jié)利用sir設(shè)計(jì)一個(gè)兩級(jí)的雙頻段濾波器，雙頻段濾波器工作于wlan中，其通帶中心頻率分別為2.4ghz和5.2ghz，兩中心頻率之為2.17，相對(duì)帶寬分別為10和8，該濾波器由兩個(gè)完全相同的sir諧振器構(gòu)成，兩個(gè)諧振器通過兩段低阻抗線耦合，其耦合系數(shù)通過結(jié)構(gòu)參數(shù)sl和s2調(diào)節(jié)，其結(jié)構(gòu)圖如圖4.1所示：圖4.1 設(shè)計(jì)一雙頻帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖 濾波器尺寸的確定：設(shè)計(jì)中取rz=0.8，z2

34、=45，計(jì)算得z1=56，從圖3.5.1(a)中可看出u=0.57，則由圖3.5.1(b)可得到t=168o，進(jìn)而推出1、2的值。仿真時(shí)選用介電常數(shù)為10.2，介質(zhì)層厚度為0.635mm，損耗角正切為0.0035的雙面敷銅板rogers r03010，利用計(jì)算公式得到電路中微帶線的初值，然后在仿真軟件中優(yōu)化調(diào)整使得濾波器的兩個(gè)諧振頻率點(diǎn)分別位于2.4ghz和5.2ghz，從而得到諧振器的各參數(shù)為：wi=0.45mm，w2=0.7mm，w3=0.6mm，ll=9mm，l2=6.6mm；對(duì)于兩級(jí)耦合諧振帶通濾波器，諧振器間的耦合系數(shù)由下式確定： （5-1） nnnnggfbwk2112圖4.2(a

35、)和(b)分別是在2.4ghz和5.2ghz時(shí)，以距離s1作為參數(shù)，距離s2與耦合系數(shù)k12的關(guān)系曲線。（a）在2.4ghz時(shí)的k12 （b）在5.2ghz時(shí)的k12 圖4.2 耦合系數(shù)與耦合距離s1和s2的關(guān)系曲線 15設(shè)濾波器的帶內(nèi)波紋為0.1db，查表可得gl=0.8430，g2=0.6220。此時(shí)，由式(5.1)計(jì)算得濾波器兩個(gè)頻段的耦合系數(shù)(k12)l和(k12)2分別為0.138和0.11，由圖4.2(a)和4.2(b)，可初步確定諧振器間的耦合間距s1=lmm，s2=0.55mm，用hfss建立模型，模型如圖4.3所示：圖4.3 設(shè)計(jì)一雙頻帶通濾波器的hfss模型 圖4.4 抽頭

36、位置t對(duì)濾波器的性能影響電路的各參數(shù)確定后，經(jīng)過仿真優(yōu)化確定濾波器的輸入輸出抽頭位置，圖4.4為抽頭位置t值的變化對(duì)濾波器性能的影響。由圖可見，隨著抽頭點(diǎn)位置t值的增大，濾波器的第一通帶的差入損耗值變大，而第二通帶的帶內(nèi)插入損耗值變小，兩通帶之間的插入零點(diǎn)向低頻偏移，從而使得第一通帶的帶寬變窄，第二通帶的帶寬變寬，優(yōu)化得抽頭點(diǎn)的位置t=1mm，如圖4.5所示：1.002.003.004.005.006.007.00freq ghz-60.00-50.00-40.00-30.00-20.00-10.000.00s-parameter(s11?s21)/dbansoft corporationhf

37、ssdesign1xy plot 5curve infodb(st(box1_t1,box1_t1)setup1 : sweep1db(st(box1_t2,box1_t1)setup1 : sweep1圖4.5 設(shè)計(jì)一的仿真結(jié)果.t=0.6mm_t=1mm. t=1.4mm 16 從圖中可以看出，在第一通帶內(nèi)，2.4ghz處插入損耗為0.55db，等波紋相對(duì)帶寬為9.17%，在第二通帶內(nèi)，5.2ghz處的插入損耗為0.51db，等波紋相對(duì)帶寬為12.8%。仿真得到在3.5ghz處有傳輸零點(diǎn)，使得兩個(gè)通帶間具有很好的隔離。4.3 變形后的sir雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)與仿真 將圖 4.1 中的諧振

38、器 2 放入諧振器 1 中，所設(shè)計(jì)的雙頻帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖所示，圖中，設(shè)計(jì)一種兩中心頻率分別為 2.4ghz 和 5.2ghz 的雙頻帶通濾波器，諧振器 1 與諧振器 2 通過兩段低阻抗線耦合，其耦合系數(shù)由 s1和 s2調(diào)節(jié)。圖4.6 設(shè)計(jì)二雙頻帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖濾波器的尺寸與4.2節(jié)相同，rz=0.8，z2=45，z1=56，u=0.57，t=168o。仿真時(shí)同樣選用介電常數(shù)為10.2，介質(zhì)層厚度為0.635mm，損耗角正切為0.0035的雙面敷銅板rogers r03010，在仿真軟件中優(yōu)化調(diào)整使得諧振頻率點(diǎn)分別位于2.4ghz和5.2ghz，用hfss建立模型，模型如圖所示：圖4.7 設(shè)

39、計(jì)二雙頻帶通濾波器的hfss模型1.002.003.004.005.006.007.00freq ghz-60.00-50.00-40.00-30.00-20.00-10.000.00s-parameter(s11 s21)/dbansoft corporationhfssdesign1xy plot 3curve infodb(s(waveport1,waveport1)setup1 : sweep1db(s(waveport2,waveport1)setup1 : sweep1圖4.8 設(shè)計(jì)二的仿真結(jié)果 17 仿真結(jié)果如圖4.8，從圖中可以看出，在第一通帶內(nèi)，2.4ghz處插入損耗為0.8

40、2db，等波紋相對(duì)帶寬為12%，在第二通帶內(nèi)，5.2ghz處的插入損耗為0.46db，等波紋相對(duì)帶寬為11.5%。仿真得到在3.23ghz處有傳輸零點(diǎn)，使得兩個(gè)通帶間具有很好的隔離。4.4 兩種設(shè)計(jì)的比較與總結(jié) 本節(jié)介紹了兩種雙頻帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法和仿真結(jié)果，表 4.1 列出了以上設(shè)計(jì)的兩種雙頻帶通濾波器的性能比較。 表 4.1 兩種濾波器結(jié)果的比較： 本章采用g/2型sir設(shè)計(jì)了三種用于無線局域網(wǎng)，頻點(diǎn)位置和頻帶帶寬均可控的雙頻帶通濾波器，頻點(diǎn)位置通過調(diào)節(jié)阻抗比rz和u值控制，帶寬取決于諧振器之間的耦合，而耦合特性可以通過改變諧振器間的距離來調(diào)節(jié)，因此雙頻段濾波器的帶寬在一定的范圍內(nèi)可調(diào)節(jié)

41、。選取合適的rz和u的值，使濾波器的兩中心頻率位于2.4/5.2ghz，合理調(diào)節(jié)各結(jié)構(gòu)參數(shù)，使濾波器的性能達(dá)到最優(yōu)。本章設(shè)計(jì)的雙頻濾波器均無外加的輸入輸出匹配電路，與傳統(tǒng)微帶雙頻濾波器相比其電路尺寸更小、結(jié)構(gòu)更緊湊。第5章 總結(jié)與展望5.1 總結(jié) 本文以無線通信中的雙頻帶通濾波器為研究對(duì)象，在如何用階梯阻抗諧振器實(shí)現(xiàn)雙頻段濾波器的設(shè)計(jì)理論方面進(jìn)行了一些探索性的工作。文中首先介紹了目前國(guó)內(nèi)濾波器的研究主要集中在單頻濾波器上這一事實(shí)，而對(duì)應(yīng)用越來越廣泛的雙頻濾波器的研究還很少的這一現(xiàn)狀，接著，介紹了階梯阻抗諧振器的基本結(jié)構(gòu)和特性，從階梯阻抗諧振器具有雜散響應(yīng)這一特性入手，分析了其實(shí)現(xiàn)雙頻濾波器設(shè)計(jì)

42、2.4/5.2ghz插入損耗（db）2.4/5.2ghz回波損耗（db）2.4/5.2ghz相對(duì)帶寬（%）階數(shù)尺寸（mm2）優(yōu)缺點(diǎn)設(shè)計(jì)一0.55/0.5118/179.2/12.8220.9*30優(yōu)點(diǎn)：通帶內(nèi)差損小，可控帶寬寬缺點(diǎn)：帶外抑制特性不好設(shè)計(jì)二0.82/0.4611.5/2112/11.5222.15*27優(yōu)點(diǎn)：通帶平穩(wěn)，缺點(diǎn)：帶外抑制性不好 18的原理，引出了設(shè)計(jì)階梯阻抗雙頻濾波器的理論依據(jù)；然后，根據(jù)階梯阻抗諧振器可通過調(diào)整其阻抗比來控制雜散響應(yīng)的特點(diǎn)，給出了用階梯阻抗諧振器設(shè)計(jì)雙頻濾波器的過程，并利用其設(shè)計(jì)兩種無需外加輸入輸出匹配電路的雙頻帶通濾波器，進(jìn)行仿真。5.2 展望 在

43、本文即將結(jié)束之際，本人認(rèn)為該領(lǐng)域的研究工作還可以在如下幾方面繼續(xù)深入：1由于sir諧振器是由兩個(gè)或兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的，因而其組合處存在非連續(xù)性的問題，這種非連續(xù)性在高低阻抗值相差越大時(shí)對(duì)諧振器的影響就越大。因此可嘗試用錐形線slr結(jié)構(gòu)諧振器，以減小阻抗結(jié)合處的非連續(xù)性問題。2本文提出的所有結(jié)構(gòu)的雙頻濾波器，兩通帶帶寬均不可分別控制，即很難得到兩通帶帶寬相同的雙頻濾波器。3進(jìn)一步分析階梯阻抗諧振器的特性，提出兩通帶帶寬可分別控制的，結(jié)構(gòu)更緊密、更適合雙頻濾波器設(shè)計(jì)的諧振器結(jié)構(gòu)。4采用其他種類的諧振器實(shí)現(xiàn)雙頻濾波器。致謝 本論文的順利完成，首先要感謝我的指導(dǎo)老師*老師。感謝韓老師在課題研究中對(duì)自己的不斷指導(dǎo)和教誨，特別是本課題的所有工作都是在韓老師的悉心指導(dǎo)下完成的。韓老師淵博的知識(shí)，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和勤奮的工作精神給我留下了深刻的印象，這幾個(gè)月以來的諄諄教誨，使我受益終身，在此向韓老師表示誠(chéng)摯的謝意。 感謝*，謝謝你們?cè)谘芯窟^程中給我的啟迪和寶貴的經(jīng)驗(yàn)，以及在我研究生學(xué)習(xí)期間給與我的幫助和支持，對(duì)我的諸多幫助，和他們一起度