【正文】 式，通過將不同信號(hào)的集成電路高密度地混合集成在一起，能夠 有效地減小系統(tǒng)的體積，從而實(shí)現(xiàn)了無線通信系統(tǒng)的小型化。圖 11是一種典型的移動(dòng)電話射頻電路方框圖，圖中的虛線部分表示在該無線通信設(shè)備中的濾波元件。信息傳遞必須通過兩種方式：有線傳輸方式和無線傳輸方式。 原理圖仿真及優(yōu)化 ........................................... 19 167。 S 參數(shù) .................................................... 10 167。 帶通濾波器的設(shè)計(jì)原型 ...................................... 5 167。 課題背景和意義 .............................................. 1 167。在已知公式和表格的基礎(chǔ)上，能夠計(jì)算出濾波器的各種參數(shù)，利用這些參數(shù)能夠繪制原理圖； S 參數(shù)的優(yōu)化主要是優(yōu)化范圍的修改和一個(gè)不斷重復(fù)的過程。 本文首先介紹了 微波濾波器的應(yīng)用和當(dāng)前的研究情況。微帶帶通濾波器作為微波器件的一種也得到了大力的發(fā)展，尤其是在接收機(jī)前端。 本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)） \ 題目： 微帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 姓 名： 許小晶 學(xué)號(hào)： 20202004182 院（系） ： 機(jī)械與電子信息學(xué)院 專業(yè)： 電子信息工程 指導(dǎo)教師： 嚴(yán)彬 職稱： 講師 評(píng) 閱 人： 殷蔚明 職稱： 副教授 2020 年 6 月 本科生畢業(yè)論文（ 設(shè)計(jì)）原創(chuàng)性聲明 本人以信譽(yù)聲明：所呈交的畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）是在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果，論文中引用他人的文獻(xiàn)、數(shù)據(jù)、圖件、資料均已明確標(biāo)注出，論文中的結(jié)論和結(jié)果為本人獨(dú)立完成，不包含他人成果及為獲得中國(guó)地質(zhì)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。帶通濾波器即BPF（ bandpass filter） 是一個(gè)允許特定頻段的波通過同時(shí)屏蔽其他頻段的設(shè)備 ， 一個(gè)理想的 帶通 濾波器應(yīng)該有一個(gè)完全平坦的通帶 ， 另外，通帶外的轉(zhuǎn)換在極小的頻率范圍完成 。然后介紹了濾波器的理論基礎(chǔ)和重要參數(shù)。本次設(shè)計(jì)所完成的濾波器如下：通帶 － GHz，帶內(nèi) 衰減小于 2dB，起伏小于 1dB， 以下及 40dB。 微帶濾波器國(guó)內(nèi)外研究情況 ..................................... 2 第 2章 帶通濾波器設(shè)計(jì)理論 ............................................. 4 167。 原型濾波器的元件值的歸一化及其計(jì)算 ............................ 7 167。 ADS 介紹及優(yōu)化原則 .......................................... 12 第 4章 帶通濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化 ........................................ 13 167。 版圖仿真 .................................................. 25 167。目前的固定電話、有線電視、有線互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)都屬于有線傳輸。從圖中可以看出，信號(hào)的接收 和發(fā)射都離不開濾波器，它們的尺寸以及工作性能直接影響整個(gè)無線通信設(shè)備的體積以及工作性能。目前，隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)中的有源電路已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了微型化并且能夠有效地采用現(xiàn)代封裝技術(shù)進(jìn)行集成。從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)濾波器小型化，不僅可以減小濾波器自身的尺寸面積，而且更加有利于系統(tǒng)的封裝集成，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)無線通信系統(tǒng)的小型化。 微帶濾波器國(guó)內(nèi)外研究情況 移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)驚人的成長(zhǎng)速度超出了人們的想象，促進(jìn)了濾波器的 飛速發(fā)展，特別是固態(tài)化濾波器的發(fā)展，如晶體濾波器、陶瓷濾波器、 SAW 濾波器、介質(zhì)濾波器等。典型的 FBAR 測(cè)試結(jié)果顯示，F(xiàn)BAR技術(shù)帶來的高 Q值和高耦合系數(shù)可與高級(jí)的陶瓷的和聲表面波振子相媲美，目前達(dá)到的 Q值己超過 1000 ，與基于陶瓷的產(chǎn)品相比， FBAR 技術(shù)在小型化 方面占有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，可實(shí)現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品 10%的產(chǎn)品。西門子公司研制的 3 級(jí)整塊聯(lián)體型片式介質(zhì)濾波器，尺寸規(guī)格僅 ( mm )— ( mm ) ，適用于 ISM91 GPS1500 、 PCN / PCS1800 、PHS1900 。 隨著信息化浪潮的推進(jìn)，現(xiàn)代社會(huì)產(chǎn)生了巨大的信息要求，通信技術(shù)正在向高速、多頻段、大容量方向發(fā)展。這正是 S波段的應(yīng)用，因此如何研究出高性能，小型化的濾波器是目前電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。與此同時(shí)對(duì)于器件的小型化和高中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 3 性能的要求也在不斷提 高。例如多模微帶濾波器，類交趾濾波器等。 167。 167。兩種常見的低通濾波器原型： （ 1）平坦低通濾波器特性曲線 (如圖 22所示 )： 圖 22最大平坦低通濾波器特性曲線 數(shù)學(xué)表示式如（ 21） : ? ? ??????????????????naL239。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 6 特點(diǎn)： 39。139。39。 特點(diǎn)：帶內(nèi)衰減呈波紋特性 ArL 定義為等波紋頻帶的邊緣頻率。 理論證明了最大平坦濾波器的延遲畸變要比切比雪夫?yàn)V波器小。0G = 1 39。 微帶線 微帶線是位于接地層上由電介質(zhì)隔開的印制導(dǎo)線，它是一根帶狀導(dǎo) (信號(hào)線 ) [9] ，與地平面之間用一種電介質(zhì)隔離開。它的特性阻抗和印制導(dǎo)線的寬度、厚度、電介質(zhì)的介電常數(shù)以及兩個(gè)接層的距離有關(guān) [11] 。 60年代前期，由于微波低損耗介質(zhì)材料和微波半導(dǎo)體器件的發(fā)展，形成了微波集成電路 ，使微帶線得到廣泛應(yīng)用，相繼出現(xiàn)了各種類型的微帶線。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 9 第 3章 帶通 濾波器的重要 指標(biāo) 及優(yōu)化原則 在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，設(shè)計(jì)過程中的重要參數(shù)為奇模和偶模阻抗，這兩個(gè)參數(shù)決定了微帶線的尺寸，進(jìn)一步?jīng)Q定了濾波器的特性；體現(xiàn)濾波器特性的參數(shù)為 S參數(shù)，優(yōu)化時(shí)的對(duì)象即 S12，優(yōu)化時(shí)改變的參數(shù)為微帶線的尺寸，尺寸改變了 S 參數(shù)就變化了。 當(dāng)兩根耦合的傳輸線相互之間的驅(qū)動(dòng)信號(hào)振幅大小相同但相位相差 180 度的時(shí)候 ,就是一個(gè)奇模傳輸?shù)哪Ｐ?。 奇模和偶模傳輸模型如下圖所示： 圖 31 奇模和偶模模型圖 可以將平行耦合微帶線視為偶模激勵(lì)和奇模激勵(lì)的疊加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，偶模的特性阻抗為 Z0e,奇模特性阻抗為 關(guān)。微波網(wǎng)絡(luò)分為線性與非線性，有源與無源，有耗與無耗，互易與非互易。選擇參考面的原則是在該參考面以外的傳輸線上只傳輸主模。 圖 32 二端口網(wǎng)絡(luò)示意圖 S 參量是根據(jù)某端口上接匹配負(fù)載的情況下所得到的歸一化波來定義的。 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 12 167。 S 參數(shù)中的S11，和 S12 反映了輸入輸出端的駐波特性， S21 反映了電路的幅頻和相頻特性以及群時(shí)延特性， S12反映電路的隔離性能。 確定濾波器指標(biāo) 計(jì)算查表得濾波器階數(shù) N 確定標(biāo)準(zhǔn)低通濾波器參數(shù) 計(jì)算傳輸線基模、偶模特性阻抗 利用 ADS工具計(jì)算各節(jié)耦合線幾何尺寸 原理圖繪制 利用 ADS 進(jìn)行仿真得到波形 達(dá)到技術(shù)指標(biāo) 利用 ADS 優(yōu)化W、 L、 S N Y 得到最終 W、 S、 L 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 14 167。 原理圖設(shè)計(jì) 基板參數(shù)： H:基板厚度 ( mm) Er:基板相對(duì)介電常數(shù) () Mur:磁導(dǎo)率 (1) Cond:金屬電導(dǎo)率 (+7) Hu:封裝高度 (+33 mm) T:金屬層厚度 ( mm) TanD:損耗角正切 (1e4) Roungh:表面粗糙度 (0 mm) 主要關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)：通帶邊界頻率與通帶內(nèi)衰減、起伏；阻帶邊界頻率與阻帶衰減 。 S21(S12)是傳輸參數(shù)，濾波器通帶、阻帶的位置以及衰減、起伏全都表現(xiàn)在 S21(S12)隨頻率變化曲線的形狀上。139。 FBW是帶通濾波器的相對(duì)帶寬，012 f ffFBW ?? ， iJ 是 J變換的特性導(dǎo)納， Y是輸入輸出微帶線端的特性導(dǎo)納。因而，這種結(jié)構(gòu)形式的濾波器容易易用來制造帶通濾波器 。運(yùn)行中的窗口如圖 44所示： 圖 45 linecale計(jì)算微帶線尺寸 由此得到的各耦合段物理尺寸 ， 如 下 表所示 ： 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 18 表 42 各節(jié)物理尺寸數(shù)值 CL1 CL2 CL3 CL4 W S L 原理圖的繪制 首先建立濾波器的主要結(jié)構(gòu)，即 4個(gè)平行耦合微帶線，在選擇 2個(gè)普通微帶線插入，插入?yún)?shù)設(shè)置控件并修改為指定參數(shù)。 原理圖仿真及優(yōu)化 由于在原理圖中已經(jīng)放置了仿真控制器，故可直接運(yùn)行仿真，仿真結(jié)果如圖 46及圖47所示： 圖 47 s(1,2)參數(shù)曲線 中國(guó)地質(zhì)大學(xué) （武漢） 學(xué)士學(xué)位論文 20 圖 48 s(1,1)參數(shù)曲線 從圖可以看出， 中心頻率出現(xiàn)了明顯的偏移現(xiàn)象。以目標(biāo)控件 Goal1為例，設(shè)置完成的窗口如圖 410所示： 圖 411 優(yōu)化目標(biāo)控件設(shè)置 可以清楚的看到優(yōu)化范圍是 ，衰減最小值為 2dB。 觀察 S12和 S11 曲線是否滿足指標(biāo)要求 (包括優(yōu)化目標(biāo)中未設(shè)定的帶內(nèi)起伏小于 1dB 的要求 )，如果已經(jīng)達(dá)到指標(biāo)要求，就可以進(jìn)行版圖的仿真了，如果沒有達(dá)到指標(biāo)要求，那么就重新進(jìn)行優(yōu)化仿真。 版圖的仿真是采用矩量法直接對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算，其結(jié)果比在 原理圖中仿真要準(zhǔn)確，但是它的計(jì)算比較復(fù)雜，需要較長(zhǎng)的時(shí)間，在此作為對(duì)原理圖設(shè)計(jì)的驗(yàn)證。 后期需要改進(jìn)的地方