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微带线带通滤波器仿真设计.doc

上传人:非学无以广才 12/8/2022 文件大小:2.08 MB

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微带线带通滤波器仿真设计.doc

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1绪论
微波滤波器是现代社会中常用的一种选频装置。它的重要作用是对信号进行解决,根据设立的一定频率选择出有用的信号,滤除不需要的信号。微波滤波器采用最重要的元件之一是一种用微带线作为传播线的微带电路,微带电路具有体积小、频带宽、重量轻和可靠性高等特性。这是由于这些长处,近年来微带电路被广泛用于微波电路中,对微波电路的发展具有较大的意义。固然,滤波器的性能会影响电路的性能指标,因此,我们需要设计出一种高性能的滤波器,这样更有助于对微波电路系统的设计。老式滤波器制作的工作量大,计算措施比较复杂,并且效果较差,但是随着软件技术飞速的发展,如今在设计滤波器的措施上也变得更多、更快、更好。本设计便是采用微带电路的这些特性,设计出微带线带通滤波器,该滤波器采用先进设计系统(ADS)进行仿真设计,不仅提高了工作效率,同步也有助于进一步对微带滤波器的优化。

1958年,,该构造是通过平行的微带线之间形成耦合电路,从而在平面构造下实现了滤波,-1所示为平行耦合传播线滤波器。平行耦合传播线滤波器的长处在于它可以对滤波器阶数和极点的个数进行控制,从而提高了滤波器的带宽,插入损耗以及稳定性。平行耦合传播线滤波器具有微带线耦合性质,在当时具有较大意义。
-1平行耦合传播线滤波器
随后浮现了介质谐振器,,但是这种滤波器在实际使用中却没有得到推广,因素是这种材料的温度稳定性很低。20世纪60年代,具有良好的温度稳定性和高Q值的陶瓷材料的浮现使介质滤波器在使用中逐渐被承认。这一种滤波的发展随着陶瓷材料的发展得到了迅速的进步,这也使得介质滤波器在已有的微波和射频通信材料中已成为不可缺少的元件之一。随后,第一对交指型滤波器构造浮现,-2所示为交指型滤波器构造。1962年,,随后又发现了一种可以用来设计低损耗和小尺寸的新型微波滤波器的材料。
-2交指型滤波器
1971年,。--4分别为发夹型滤波器和混合型滤波器的构造图。此构造即在平行耦合传播线滤波器上加入发夹形状构造设计,使其性能和集成性均有所提高。
-3发夹型滤波器
-4混合型滤波器
1979年,。将抽头应用在发夹型滤波器中,其意义在于可以增长百分之二十以上的带宽,打破了老式微带滤波器在带宽和体积局限性,并且使得成果便于预测。此构造也是当今大多数发夹型滤波器使用的馈电方式。-5所示。
-5抽头式发夹滤波器
上文所简介的多种滤波器构造和理论的提出均具有各自不同的意义。随着科学技术的发展,混合型滤波器的理论在不断完善,基于磁性材料上的滤波器设计也相继提出,
在通信领域的发展历程中具有里程碑的意义。大量的科研人员在她们的研发过程中做出了巨大奉献。
[3]
微波滤波器作为滤波器的一种,在移动通信中有着广泛的应用。在射频端有源电路中输入输出各级之间普遍存在,各滤波器均有不同的功能和特性规定。-1所示,为典型的发射机接受机原理框图模型,滤波器在该系统中各位置起着举足轻重的作用。接受端带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接受器前端饱和;除去如镜频一类的干扰信号;减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。因此接受端带通滤波器的最佳性能涉及衰减以除去干扰,同步减少将直接影响接受端敏捷度的通带插损。发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其她无线通信系统的干扰,这些无用的信号的重要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。另一种重要的功能是衰减掉发射信号中接受频段内的噪声,克制它到接受机的敏捷度之下。因此,发射端带通滤波器必须保持一种宽的阻带以克制杂散信号,同步能维持低的通带插损和在输出端解决大电平信号。
-1接受发射机原理框图模型
[10]
先进设计系统(AdvancedDesignSystem)是一种电子设计自动化软件系统,简称ADS。该软件为安捷伦有限公司为应对日趋剧烈的形式,同步提高产品研究制作速度而设计开发的一款EDA软件,它可以设计射频设计师给出所有类型的设计,从体积较小的微波模块到体积庞大用于通信和航空航天的集成MMIC。
ADS具有强大的电子设计自动化功能,它涉及频域电路仿真(谐波平衡,线性分析)、时域电路仿真(SPICE模拟)、数字信号解决仿真设计(DSP)、三维电磁仿真(EMSimulation)、通信系统仿真等;ADS支持射频设计师给出所有类型的射频设计,从射频/微波模块到用于航空航天事业的集成MMIC,是当今国内各大学和研究院使用最多的微波/RF电路和通信系统仿真软件。
2微带线的基本原理

能用于制作微波集成电路的平面构造传播线有多种,涉及微带线、共面线、槽线和带状线,此中微带线应用最为普遍。微带线是一根位于接地层上由电介质隔开的带状导线。与金属波导相比,它具有体积小、频带宽、制导致本低等特点。-1所示由一种介质基板和两侧的带状导体和地面构成。导体带的宽度为W,厚度为t,置于厚度为h,相对介电常数为且地面接地的电介质上。导体应具有高导电性,稳定性好的特点,与基石结合力强。
-1微带线构造

微带线厚度t一般很薄,其对等效介电常数以及特性阻抗的影响可如下表述:
若,
(-1)
若,
(-2)
其中,
(-3)
(-4)
我们懂得,微带线的厚度t对其导电损耗有很大的影响。上式(-4)中,是当t=0时的等效电介质常数,我们不难发现,t/h的值在足够小的状况下,微带线厚度t对等效介电常数和特性阻抗不会产生什么影响。也就是说,要在满足导体带厚度t与电介质的厚度h的比值很小的状况下才成立,否则,微带线的厚度t对等效介电常数和特性阻抗也会产生影响。

在准TEM模中,等效介电常数和特性阻抗都可以描述微带传播线的特性。若微带线的介质的介电常数为均匀的,准TEM模为纯TEM模。上面所描述的两个微带线参数等效介电常数和特性阻抗可以从如下两个公式得出:
(-1)
为用空气取代介质后每单位长度的电抗,为电介质基底每单位长度的电抗,为电磁波在真空中传播的速度()。
对于厚度极小的导体(即时),近视体现式有1%以上的精度,可表达为:
若,
(-2)
(-3)
其中欧姆,为自用空间的波阻抗。
若,
(-4)
(-5)
Hammerstad和Jensen在报告中提出了对等效介电常数和特性阻抗的更精确体现式,%以上:
(-6)
其中,
(-7)
(-8)

平行耦合微带线,就是两条微带线处在平行状态且同步位于一种电介质材料基底上面,微带线之间相隔一定的距离,微带线带有相似或不同的电势构成耦合电路。-1为相对介电常数为的电介质材料基底上耦合微带线的构造图。其中基底上两条微带线的宽度均为W,微带线之间的距离为S,电介质材料基底厚度为h。大多数的耦合器采用纯TEM模或准TEM模的带状线或微带线,一般而言,耦合的TEM线能支持奇偶模的传播。在奇模或者偶模这两种模式下,两条微带线具有相似的电势。-2所示为平行耦合线奇偶两种鼓励模式。
-1平行耦合微带线构造
-2(a)中可以看出,两条微带线间对称的平面为磁场墙,磁场对称的分布在墙的两侧。-2(b)所示,在奇模鼓励的状况下,两条平行微带线具有相反的电势,携带不同的电荷,微带线对称的平面为电场墙。两种鼓励模式可以同步发生。但这两种模式分别以不同的相速度传播,由于它们并不是纯TEM模。因此,平行耦合微带线的等效介电常数和特性阻抗有两种不同的表述方式。
-2平行耦合微带线的奇偶模式

在微带线构成滤波器的电路中,我们可以提成四种构造,即宽度阶跃、终端开路、空隙、弯曲等。四种构造都可以等效LC构造。下面重要简介这四种构造及其等效LC构造。

对于宽度阶跃构造,我们可以看出是有两条宽度分别为W1和W2微带线所构成,-1所示为对宽度阶跃构造及其等效的LC电路,其中电容和电感可通过如下公式计算得出:
(-1)
(-2)
在上面两式中,
(-3)
(-4)
其中,i=1,2,为宽度分别为W1和W2微带线单位长度的电感;和分别表达微带线的等效介电常数和特性阻抗,其宽度为Wi;c为光在真空中传播的速度();h为以基底的厚度,其单位为微米(um)。
-1微带线构造

-1所示为终端开路图及等效LC构造。宽度为W的微带线被忽然终结,但由于边沿效应使得其场强继续向外延伸。这种效应可以等效为两种构造,一种为分流电容,另一种为长度为l的传播线。为了更加以便,我们在设计在滤波器时,大多数状况都使用等效延伸的传播线。上面所述两种等效参数的关系可以表述为:
(-1)
其中c为光在真空中的传播速度()。我们可以用一种更精确表述措施如下:
(-2)
其中,