【正文】 通過 分布參數(shù)濾波電路實現(xiàn)，并且當信號 頻率較 低時， 濾波器 也可以用集總參數(shù)電路。但微帶線能更容易地 構(gòu)造 分布參數(shù)濾波器的 濾波 電路結(jié)構(gòu)。因此，微帶發(fā)夾帶通濾波器在微波集成電路具有非常廣泛的應(yīng)用 ]7[ 。 射頻 (RF)從廣義方面說是可以向外輻射電磁信號的頻率 ，而在電路設(shè)計中 ，當頻率較高、電路的尺寸可以與波長相比擬的時候，電路就成為射頻電路。微波也稱為“超高頻電磁波”是包含分米波、厘米波、毫米波和亞毫米波的電磁波，其頻率范圍為 300MHz300GH，波長 在 1m1mm之間 ]8[ 。微波的低頻段與射頻頻率相重合，目前還沒有定義出明確的射頻頻率與微波頻率的分隔點。 隨著通信技術(shù)的不斷進步發(fā)展，通信設(shè)備所用頻率逐日增高，射頻 (RF)和微波 (MW)電路得到業(yè)陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 2 頁 共 43 頁 界的特別關(guān)注而在通信系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。微波濾波器是一種頻率選擇器件裝置，它的性能的好壞對整個系統(tǒng)的通信質(zhì)量有著非常明顯的影響。其作用是提取、分離有用信號而抑制不需要的信號，在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，是電子通信等領(lǐng)域里不可缺少的器件之一。近些年，由于電磁環(huán)境的復(fù)雜化及頻率擁擠現(xiàn)象的嚴重化，對微波濾波器的技術(shù)指標有了更進一步的要求，因此，研制性能更佳、體積更小的濾波器以達到降低系統(tǒng)對有用信號的減弱，更好地使所需要的信號通過，阻止各種不需要的干擾信號的目的，已經(jīng)變?yōu)橐粋€深受關(guān)心的問題。這 也是未來微波濾波器發(fā)展的趨勢及重要的研究方向。 由于微帶線本身體積小、質(zhì)量輕、加工簡單容易、制版方便快捷，另外還可以根據(jù)不同的應(yīng)用場合與應(yīng)用需求來選用不同的介質(zhì)材料，這樣就使得濾波器的應(yīng)用范圍得到了擴大加寬，倍受設(shè)計師們的青睞。微帶濾波器的電路圖僅僅由用一些導(dǎo)體帶級聯(lián)構(gòu)成的，這樣的話便使得它的結(jié)構(gòu)變得更加緊湊，體積將會大大減小，這又成為它的一個優(yōu)點?，F(xiàn)實生活中的一些微波系統(tǒng)，例如 GPS、蜂窩通信、電視等，使用的通信設(shè)備要求不僅要價錢便宜還要性能高。但工作在這些頻段的集成濾波器卻朝著與期望的濾波器的性能相反的 方面發(fā)展，所以需要研究使用在這些微波系統(tǒng)中低損耗、低價錢高性能的物美價廉的濾波器。這方面的研究具有很大的市場前景?，F(xiàn)代微波濾波器性能各異，種類繁多，有平行禍合型、階梯阻抗型、發(fā)夾型以及交指型等，但是每種濾波器都有自己的優(yōu)點和不足，因此必須根據(jù)濾波器的實際應(yīng)用場合和工程應(yīng)用目的來選擇不同類型的濾波器。 ADS 仿真軟件介紹 本文采用 ADS軟件 ,通過 ADS進行仿真和優(yōu)化， 驗證所設(shè)計的 微波帶通 濾波器的準確性。 ADS(Advanced Design system)高級系統(tǒng)設(shè)計是一種支持模塊到系統(tǒng)的由美國安捷 倫公司開發(fā)的一種微波仿真軟件，由于其仿真手段強大且仿真功能豐富多樣，是當今通信系統(tǒng)中設(shè)計射頻和微波電路的第一個選擇軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)包括時域頻域、數(shù)字模擬、線性和非線性等很多方面的計算及仿真，并能夠優(yōu)化設(shè)計結(jié)果，設(shè)計的版圖轉(zhuǎn)化成品的性能分析等，采用 ADS 軟件可以使復(fù)雜電路變得簡單化，提高設(shè)計效率，縮短設(shè)計時間。 ADS軟件一個功能十分強大的射頻自動化設(shè)計軟件工具，該軟件便于與其他軟件連接，便于與測試設(shè)備連接，便于與廠商元器件模型之間的溝通，并提供豐富的仿真功能，實業(yè)界首選的視頻自動化軟件設(shè)計平臺。因此深受廣大 電子工程設(shè)計師們的喜愛。ADS 具有豐富的仿真分析功能，主要應(yīng)用在微波系統(tǒng)電路仿真設(shè)計、數(shù)字信號處理仿真設(shè)計、系統(tǒng)的仿真、電磁場的矩量仿真、二維或三維電磁仿真、頻域電路仿真等。 ADS 內(nèi)含矩量法，是一種對第三維度進行簡化的電磁場仿真器，非常適合仿真第三維度上均勻變化的結(jié)構(gòu)，例如 電路多 層板，如 PCB，陶 瓷等電路板， 常見無源電路， 如濾 波器等結(jié)構(gòu)。仿真速度極快，同時保證精度 很高 。因此在電磁場的數(shù)值計算中應(yīng)用十分廣泛。矩量法將激勵和加載分割成若干個部分，并將一個泛函方程化成矩陣方程，從而得到射頻電路電磁分 布的數(shù)值解，若激勵和加載分割的越細致 ， 矩量法的點此數(shù)值解就越精確 ]109[? 。 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 3 頁 共 43 頁 2微波濾波器基本原理 濾波器有低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器、帶阻濾波器 4 種基本類型 (如圖 )。理想濾波器的輸出在通帶內(nèi)與它的輸入相同，在阻帶內(nèi)為 0。 （ a）低通濾波器 （ b）高通濾波器 （ c）帶通濾波器 （ d）帶阻濾波器 圖 濾波器 但是理想濾波器是不存在的，實際濾波器與理想濾波器與理想濾波器有差異。實際濾波器既不能實現(xiàn)通帶內(nèi)信號無損耗地通過，也不能讓那個實現(xiàn)阻帶內(nèi)信號衰減無窮大。 微帶線 是 一 根 通過電介質(zhì) 隔離開的 印刷導(dǎo)體 線，其 位于 接地層上 ，是一個 帶狀導(dǎo)線 (信號線）。和 接地平面之間 被一種 電介質(zhì)隔離 開 。 而微帶線的特性阻抗是由 印刷線的厚度，寬 度，距離， 以及印刷導(dǎo)體電介質(zhì)層的介電常數(shù) 等來確定計算的 。如果 微帶 線 的 厚度， 寬度 和所接地平面之間的距離是可以變化的 ， 那么他的特性阻抗也就隨之變化 。 單位長度 的微帶線 它 的傳輸延遲時間 ， 僅取決于陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 4 頁 共 43 頁 介電常數(shù) 和 線路寬度或間距 無關(guān) ]1211[ ? 。 微帶線特性阻抗 (如式 )和模型 (如圖 所示 )， 其中 Z0是微帶線的特性阻抗 ,w是微帶線寬度， t是微帶線厚度， h是電介質(zhì)厚度， r? 是硬質(zhì) 電路板的相對介電常數(shù)。 ?????? ??? tw hεZ r （ ） 圖 表層微帶線模型 微帶線 具有 體積小，重量輕等特性與金屬波導(dǎo)相比較 。但 其 損耗 較 大，功率的容量 也較低 。 60年代初，微波低損耗的介電材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路，微帶線被廣泛使用，出現(xiàn)了各種類型的微帶線。一般用薄膜技術(shù)制造。 通常 介電常數(shù)高 的、 微波損耗 低的 材料 被選為 介質(zhì)基片。 所以，微帶線 導(dǎo)體具有 較 高的導(dǎo)電性， 且 穩(wěn)定性好，并且對基 片 的附著力 很強等 特性 ]13[ 。 在手機電路中，一條特殊的印刷銅線即構(gòu)成一個電感微帶線，在一定條件下，我們又稱其為微帶線。一般有兩個方面的作用：一是它把高頻信號能進行較有效地傳輸；二是與其他固體器件如電感、電容等構(gòu)成一個匹配網(wǎng)絡(luò)，使信號輸出端與負載很好地匹配。 圖 耦合微帶線基本單元 當兩個無屏蔽的傳輸線緊靠一起時，由于傳輸線 之間電磁場的相互作用，在傳輸線之間會有功率耦合，這種傳輸線稱為耦合傳輸線。耦合微帶傳輸線由靠得很近的 3個導(dǎo)體構(gòu)成 ， 如圖 。這種結(jié)構(gòu)介質(zhì)厚度為 d，介質(zhì)相對介電常數(shù)為 rε ，在介質(zhì)的下面為公共導(dǎo)體接地板，在介質(zhì)的上面為 2個寬度為 W 、相距為 S 的中心導(dǎo)體帶。 型 微波帶通 濾波器的理論基礎(chǔ)及設(shè)計流程 微帶發(fā)夾型帶通濾波器是是一種分布參數(shù)濾波器 ，它由連接在一起并排 排列的 幾個發(fā)夾諧振器耦合而成 。 它是一種結(jié)構(gòu)緊湊、終端開路無需通過過孔接地的濾波器。 該 濾波器 可以通過平行線耦陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 5 頁 共 43 頁 w w ?? )( 0012 01001,0 21 ggBπZJ W?1,...,3,2,21101,?????NiggBπZJiiWii 其中101, 21???NNWNN gg BπZJ合或半波長諧振器耦合轉(zhuǎn)換成 “ U” 字形成 。 它的輸入和輸出信號有兩種方式： 抽頭式和平行 耦合 式 ，并 由于平行耦合式濾波器具有以下缺點 ： 插入損耗和回波損耗較大 。帶寬大于 10%15%時，第一級耦合微帶線的間距過小，難以制造；但 抽頭濾波器可以克服這些困難，這 也就是本文為什么選擇采用抽頭 式發(fā) 夾型帶同濾波器了。而 濾波器性能 則是由 發(fā) 夾 臂長， 發(fā)夾 間距，發(fā)夾寬度， 和抽頭位置 決定的 ]14[ 。 ]1615[ ? 為了設(shè)計一個符合要求的帶通濾波器結(jié)構(gòu)，需要進行大量的數(shù)據(jù)計算。要將 所有 設(shè)計要求轉(zhuǎn)換成實際的濾波器 的 設(shè)計， 則 需要進行 如下操作 : （ 1） 選擇低通濾波器參數(shù)。利用帶通濾波器的頻率轉(zhuǎn)換公式，確定歸一化頻率。根據(jù)需要的衰減和波紋，選定采 用巴特沃斯或切比雪夫設(shè)計方法， 來 確定濾波器的階數(shù)和 相應(yīng) 的低通濾波器參數(shù)1g , 2g ,..., Ng , 1?Ng 。 頻率轉(zhuǎn)換公式 : () 歸一化帶寬： （ ) （ 2） 用 1g , 2g ,..., Ng , 1?Ng 和 WB 確定帶通濾波器電路中的設(shè)計參數(shù)耦合傳輸線的奇模和偶模的特性阻抗 : () ])(1[ 21,01,000 ?? ??? iiiie JZJZZZ ])(1[ 21,01,000 ?? ??? iiiie JZJZZZ 其中下標 i, i+1 表示耦合段單元 , 0Z 取 50Ω，是濾波器輸入、輸出端口的傳輸線特性阻抗 。 （ 3）抽頭位置的確定 抽頭線發(fā)夾諧振器如圖 (a)所示，當忽略發(fā)夾型諧振器兩臂間的自耦合的影響，可以得到其等效電路如圖 (b)所示 ]17[ 。 )2( 2100 12 w wwB W ????陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文 第 6 頁 共 43 頁 WBggZRππLl 100。2a rc s in2 ?? (a)抽頭線發(fā)夾型諧振器 (b)等效電路 對于抽頭位置 l ，可用計算公式 ()計算： () 式中， R 為源內(nèi)阻 , 4gλL? ； 濾波器發(fā)夾臂長為 4gλ ； reg ελλ 0? ； 0λ 為濾波器中心頻率的自由傳播波長 。 有效介電常數(shù)為 ： () 上 式中 ， rε 是指 基片的相對介電常數(shù) 。h 是指 基片 的 厚度 。w 是指 微帶線 的 線寬 。 根據(jù)微帶線的奇 、 偶膜阻抗，按照給定的微帶線路板的參數(shù)，借助 ADS自帶的傳輸線 LineCale計算工具，計算得到每級微帶線的幾何尺寸 W ,S ,L ]18[ 。 設(shè)計的 流程圖 否 達到指標要求 圖 平行耦合微帶線帶通濾波器的設(shè)計的流程圖 whrrre 12112121????? ???計算查 圖 得濾波器 階數(shù) N 并確定 低通原型 計算傳輸線奇偶模特性阻抗 確定 帶通濾波器 指標 計算微帶線尺寸 仿真（優(yōu)化） 得到最終 仿真 圖 陜西理工學(xué)院畢業(yè)論文