交叉耦合濾波器設(shè)計畢業(yè)論文(已修改)
2025-07-05 15:57 本頁面
【正文】 第一章 濾波器簡介和設(shè)計思想濾波器概念和簡介濾波器是通信工程中常用的重要器件，它對信號具有頻率選擇性，在通信系統(tǒng)中通過或阻斷、分開或合成某些頻率的信號。雖然濾波器的物理實現(xiàn)形式多種多樣，但其等效電路網(wǎng)絡的拓撲結(jié)構(gòu)是相同的。顯然，濾波器的設(shè)計要根據(jù)各種因素綜合考慮。通常的，濾波器設(shè)計中考慮的主要因素有：l 體積和重量l 品質(zhì)因數(shù)Ql 帶寬l 調(diào)諧范圍l 耦合結(jié)構(gòu)l 功率容量l 造價根據(jù)不同的波段和應用。 濾波器工程應用頻段UHFL/SCX/KuKa工藝SAW螺旋介質(zhì)梳狀平面波導梳狀SAW介質(zhì)平面高溫超導波導介質(zhì)波導高溫超導平面梳狀介質(zhì)波導平面波導介質(zhì)平面應用移動通信衛(wèi)星通信PCS衛(wèi)星通信MMDS衛(wèi)星通信衛(wèi)星通信鏈接LMDS衛(wèi)星 不同形式的濾波器實物照片綜合，還是優(yōu)化傳統(tǒng)的濾波器設(shè)計，采用網(wǎng)絡綜合的方法。所謂網(wǎng)絡綜合，是預先規(guī)定元器件特性而用網(wǎng)絡去實現(xiàn)的一個過程。它大致包括三個步驟：提出目標，即理想響應；選用可能的函數(shù)去逼近理想響應；設(shè)法實現(xiàn)具有逼近函數(shù)特性的網(wǎng)絡。由于采用的逼近函數(shù)不同，一般有Butterworth綜合、Chebyshev綜合、橢圓函數(shù)綜合等濾波器設(shè)計方法。計算機技術(shù)的不斷發(fā)展為濾波器優(yōu)化設(shè)計提供了可能。是采用綜合的方法，還是采用優(yōu)化的方法完成濾波器設(shè)計呢？。 綜合與優(yōu)化設(shè)計方法的比較綜 合優(yōu) 化明確的數(shù)學和物理意義可能是最優(yōu)的有效的需要特定的函數(shù)有時是困難和耗時的理論較少，更實際公式簡單適應市場需要非特定規(guī)劃的可能是低效率、耗時和非唯一的近年來，隨著計算機計算能力的急劇提高和全波電磁仿真軟件（如Ansoft）的大力發(fā)展，優(yōu)化的方法好像越來越有效和簡單。但是，無論計算能力多么巨大，仿真軟件如何優(yōu)秀，單純地依賴優(yōu)化的方法仍然有其固有的局限性。首先，優(yōu)化的方法需要確定優(yōu)化的變量和代價函數(shù)，通常代價函數(shù)可以采用實際響應和理想響應的差距，而優(yōu)化變量的確定就復雜得多，實際中常常是已確定網(wǎng)絡的拓撲，優(yōu)化元件值；或者已確定基本的結(jié)構(gòu)優(yōu)化物理尺寸等等。也就是說，無法憑空優(yōu)化，而如何得到優(yōu)化前預先確定的部分呢？其次，優(yōu)化的代價可以分為兩個部分：一是優(yōu)化算法的代價；二是每次疊代計算代價函數(shù)的代價。采用全波電磁仿真軟件雖然可以得到實際模型的響應，進而得到代價函數(shù)，但該過程常常是費時費力的。優(yōu)化過程中需要做全波仿真的次數(shù)越多，全波仿真的復雜度越大，設(shè)計工程的時間和復雜度就會越大。另外，即使假定可以優(yōu)化得到最優(yōu)解（在預先確定部分，比如拓撲結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上），如何保證其最優(yōu)解滿足設(shè)計指標呢？結(jié)合綜合和優(yōu)化的方法可以快速有效的完成濾波器設(shè)計。首先，采用綜合的方法得到原理電路和網(wǎng)絡拓撲，可以保證設(shè)計的可成功性；并且，根據(jù)原理電路得到的實際濾波器結(jié)構(gòu)可以明確優(yōu)化的變量和合理的初值（減少了優(yōu)化次數(shù)）；繼而，采用優(yōu)化的方法可以修正實際結(jié)構(gòu)響應函數(shù)與綜合函數(shù)的差距，完成濾波器設(shè)計。在整個設(shè)計過程中，全波電磁仿真是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，Ansoft軟件優(yōu)秀的電磁全波仿真計算為我們提供了很好的選擇。第二章 傳統(tǒng)濾波器綜合Butterworth濾波器綜合1930年，Butterworth提出了一類響應函數(shù)： （2－1）當，時。令，由于在和是，該響應有最大平滑特性，所以Butterworth響應也稱為最大平坦響應。 Butterworth響應曲線Butterworth響應中參數(shù)的選擇非常重要，它表示所要綜合的集總元件的數(shù)目，它是根據(jù)帶外要求來決定的，即 （2－2）其中，表示取內(nèi)的整數(shù)部分，要求時，插入損耗，此時已經(jīng)考慮到。Chebyshev濾波器綜合Chebyshev逼近是微波工程中最為常用的一類函數(shù)。其增益函數(shù)定義是 （2－3）階第一類Chebyshev多項式的定義為： （2－4）其遞推公式是 （2－5）前5階的具體表示式如下： （2－6）。可以證明Chebyshev多項式具有最優(yōu)特性，即：對任何階多項式，Chebyshev多項式斜率最陡，其物理意義是Chebyshev增益函數(shù)帶外下降最快，或者說過渡帶最短。同樣的，若要求時，所對應的帶外衰減，此時確定的參數(shù)為 （27）式中，表示帶內(nèi)分貝波紋。 Chebyshev多項式曲線 Chebyshev響應曲線微波濾波器設(shè)計無論是Butterworth綜合，還是Chebyshev綜合，（a）所示的低通原型響應，然后通過簡單的變換，將低通原型變?yōu)楦咄?、帶通或者帶阻響應等，（b）所示。（a）（b） 低通原型響應曲線及其對應的帶通響應曲線。，這種結(jié)構(gòu)在微波波段難以實現(xiàn)。在該電路中，僅有一種諧振形式，并且由阻抗變換器（）相連；實際中，并聯(lián)或串聯(lián)諧振電路是一個諧振腔，而阻抗變換器即是腔間的耦合，所以綜合得到的實際濾波器通常稱為諧振腔級聯(lián)形濾波器。
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