【正文】 度的陶瓷濾波器。 聲表面波 (SAW)濾波器 SAW濾波器的體積小，質(zhì)量輕，一致性好，便于批量生 產(chǎn)，性能價格比較合理，品質(zhì)因數(shù)和帶阻高，可廣泛用于射頻前端和中頻系統(tǒng)，并可滿足多模、多頻段移動終端的 SAW雙工器或多工器。在小信號電平上，它基本上是用在 8～ 100GHz的頻率范圍。同時，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜 的無載 Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時又具有較低的插損，前景誘人。交指型濾波器有終端短路和終端開路兩種基本形式，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 3 前者 適于窄帶，后者適于寬帶，既可做成印刷電路形式，又可做成圓桿或矩形自 撐式，還可人為地加載電容來減小體積。 ?21 圖 11 半波長平行耦合線濾波器 （ 2)發(fā)夾型濾波器 圖 12示，發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成的。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 2 (1)平行耦合微帶線濾波器 圖 11 所示，半波長平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應(yīng)用的帶通濾波器形式。 二、 微波濾波器的現(xiàn)狀 從頻率通帶范圍分類，可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通 5種類別；按低通原型的函數(shù)模型可分為 巴特沃斯濾波器、切比雪夫濾波器、橢圓函數(shù)濾波器等。 2O世紀(jì) 70年代以來，隨著陶瓷材料的發(fā)展，介電濾波器的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。 l9l7年，兩國的科學(xué)家分別發(fā)明了 LC濾波器，次年美國第一個多路復(fù)用系統(tǒng)面世。濾去鏡頻干擾、衰減噪聲、頻分復(fù)用，在高性能的振蕩、放大、倍頻、混頻電路中，無不需要濾波器來實現(xiàn)。 第一通帶的中心頻率取決于方形開環(huán)諧振器的傳輸線長度和寬度，第二通帶的中心頻率和帶寬取決于階梯形諧振器的傳輸線長度和寬度。這種雙通帶濾波器的兩個通帶，不論是中心頻率還是帶寬都容易調(diào)節(jié)。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) Tianjin University of Technology and Education 畢 業(yè) 設(shè) 計 專 業(yè)： 通信工程 班級學(xué)號： 0702 班 16 號 學(xué)生姓名： 孫秀月 指導(dǎo)教師： 馮立營 講師 二〇一一年六月 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計 通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器 DualBand Filter with Tunable Upper Passband 專業(yè)班級：通信 0702 學(xué)生姓名：孫秀月 指導(dǎo)教師：馮立營 講師 系 別：電子工程學(xué)院 2021 年 6 月 I 摘 要 近年來，隨著全球定位系統(tǒng)和無線局域網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，微波系統(tǒng)對雙頻操作的需求正在與日俱增。但是這種結(jié)構(gòu)增加了電路的插入損耗和尺寸。同時，第二通帶的頻率和帶寬能被自由的調(diào)節(jié)而第一通帶的頻率和帶寬是固定不變的。另外，有效的寬頻帶阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)和耦合結(jié)構(gòu)也要使用濾波器結(jié)構(gòu)。從此許多科研人員開始積極和系統(tǒng)地對采用集總元件電感和電容的濾波器設(shè)計理論的研究。近年來，小型化的趨勢促進(jìn)了各種類型微帶線濾波器的發(fā)展。下 面，著重從物理概念上談?wù)勆漕l與微波段常用的濾波器。其結(jié)構(gòu)緊湊、第二寄生通帶的中心頻率位于主通帶中心頻率的 3 倍處、適應(yīng)頻率范圍較大、適用于寬帶濾波器時相對帶 寬可達(dá) 20％。和平行耦合帶通濾波器相比，其結(jié)構(gòu)更為緊湊，在電路尺寸較嚴(yán)格的場合，發(fā)夾型濾波器得到較為廣泛的應(yīng)用，其信號輸入輸出方式 可采用抽頭式和平行耦合方式。 圖 13 交指型濾波器 (4)微帶類橢圓函數(shù)濾波器 到目前為止，平行耦合線濾波器、交指型濾波器等，最多只能實現(xiàn)切比雪夫特性，獲得在帶內(nèi)較平坦的幅頻特性，但帶外抑制特性較差。 圖 14 4階微帶類橢圓函數(shù)濾波器 同軸濾波器 同軸帶通濾波器廣泛應(yīng)用于通信、雷達(dá)等系統(tǒng)，按腔體結(jié)構(gòu)不同，一般分為標(biāo)準(zhǔn)同軸、方腔同軸等。波導(dǎo)濾波器的主要功能是在通帶插入損耗和失真很小的前提下，提供足夠的阻帶選擇性。然而， SAW器件的插損一般較大 (1～ 2dB)難于集成，同時在高頻下難以處理大功率，一般只能用于 2GHz以下的無線通信系統(tǒng)中。陶瓷介質(zhì)濾波器的性能優(yōu)良，插損小，有較高的功率承受能力，并可與天線、開關(guān)集成，原則上可用于很高頻率，且價格低廉。根據(jù) SIR原理設(shè)計的帶通濾波器比一般的發(fā)夾線微帶濾波器尺寸小一半以上，同時顯示了極大的優(yōu)越性。 有源微波濾波器 蜂窩通信、 GPS和電視廣播等微波系統(tǒng)，一般要求使用低價格、高性能、全集成的商用收發(fā)設(shè)備。因此，研究和發(fā)展微波有源濾波器是實現(xiàn)該頻段低損耗和高性能微波集成濾波器的重要手段，具有很大的市場潛力。目前達(dá)到的 Q值已超過 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的優(yōu)勢，可實現(xiàn)體積小于目前基于陶瓷產(chǎn)品 l0％的產(chǎn)品。超導(dǎo)濾波器具有很高的 Q值，插損小、帶邊陡峭、帶外抑制好，可以充分利用信號頻帶，增加互不干擾的信道數(shù)量，并能避免信號傳輸失真。在射頻端有源電路中輸入輸出各級之間普遍存在，各濾波器都有不同的功能和特性要求。發(fā)射端帶通濾波器的基本功能是從發(fā)射端減少雜散輻射功 率以避免對其他無線通信系統(tǒng)的干擾，這些無用的信號的主要成分是發(fā)射信號頻天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 6 率的二、三次諧波和本級振蕩。過去的單頻段通信系統(tǒng)已顯得陳舊，不能很好地滿 足通信系統(tǒng)的小型化、集成化等要求。因此，需設(shè)計出一種新型的濾波器，使其能工作在兩個或多個獨立的頻 段。 第四章：通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器的設(shè)計 本章主要介紹了通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器的理論推導(dǎo)知識， HFSS 軟件的簡單介紹，以及利用 HFSS 軟件設(shè)計了一個通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波 器 。微帶線可印制在很薄的介質(zhì)基片上 (可以薄到 lmm 以下 )，故其橫截面尺寸比波導(dǎo)、同軸線要小得多 ?；瑑?nèi)介質(zhì)的介電常數(shù)為 r? 時微帶線的阻抗特性采用施瓦茲 克里斯托費保角變換法求得為： 10 21ln12120??????? ?????? ?????? ???? hWhWZ e ??? ? (22) 其中有效介電常數(shù) e? 與介電填充系數(shù) q 的關(guān)系為： ? ?qre ?? ??? 11 (23) 其中 (24) 由于微帶線是由平行雙線演變而來，但因?qū)w之間加入了介質(zhì)基片，使情況復(fù)雜化。微帶線與波導(dǎo)和同軸線相 比傳輸線上的損耗要大得多，在構(gòu)成微帶電路元件時，其影響必須予以重視。在高頻情況下，趨膚效應(yīng)減小了微帶導(dǎo)體的有效截面積，更增大了這部分損耗。為避免輻射，減小衰減，并防止對其它電路的影響，一般的微帶線電路均裝在金屬屏蔽盒中。 圖 22 耦合微帶線橫截面 與標(biāo)準(zhǔn)微帶 一樣，由于耦合微帶線中的介質(zhì)是由基片和空氣的混合介質(zhì)，故耦合微帶中不存在純的 TEM 波，但因其縱向分量很小，可以看成是準(zhǔn) TEM 波，即耦合微帶的傳輸波的主模是準(zhǔn) TEM 波 。偶模激勵時，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 11 中心對稱面上只有垂直分量、電場切線分量，因而中心 對稱面為磁壁；奇模激勵時，中心對稱面上只有電場垂直分量、磁場切線分量，因而中心對稱面為電壁。 ? ?0orC ? 、 ? ?0erC ? 分別代表耦合微帶 (介質(zhì)基片相對介電常數(shù) r? )的奇、偶模單位長度分布電容。在給出不同基片 (即不同 r? 參數(shù) )的耦合微帶以及在一定的耦合縫隙 S時，特性阻抗與 Wh存在著一一對應(yīng)關(guān)系 。這個問題的嚴(yán)格求解要用保角變換法來計算。它與 W， h， t的關(guān)系可用近似公式來表示： 當(dāng) ?21?hW 時： ?????? ???? thtW ??? (212a) 當(dāng) ?21?hW 時： ?????? ???? thhtW ? (212b) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 13 圖 25 微帶線奇模、偶模的特性阻抗 圖 25 微帶線奇模、偶模的特性阻抗 微帶諧振電路 諧振原理 微帶傳輸線諧振器是由一段開路或短路微帶線構(gòu)成，其電路圖如 圖 26所示。ll? 時，當(dāng)滿足 ??? ll ZZ 或者0 ，則有 1??l ，此時電磁波在開路端或短路端上 全反射，在微帶線上形成駐波，從而發(fā)生諧振。 一、 當(dāng) ?? n? （ n=1,2,3,…… .）時，則輸入阻抗變?yōu)椋? 022 )11( ZZ llin ?? ?? ??? ?? (215a) 二、 當(dāng) ? ?2 1 2n???? （ n=1,2,3,…… ）時，則輸入阻抗變?yōu)椋? 022 )_11( ZZ llin ?? ???? ?? (215b) 同理可得到 1?i?? ，故此時的輸入阻抗 ??inZ ，形成并聯(lián)諧振。 等效滿足關(guān)系為： 一、兩者諧振時的輸入阻抗相等， 即： 0220 11 ZRlZZllin ????? ?? ????? (216) 得出 00 21 ZnlZR e??? ?? (217) 二、 兩者諧振時的電抗斜率參數(shù)相等 對于圖 27(a)中的等效電路來分析，其電抗為 CLX ?? 1?? (218) 故其電抗斜率參數(shù)是： ???????? ?????????? ???? CLCLddXm 00200 12112200 ???????? (219) 顯然當(dāng)電路諧振時， 故， CLm 00 1?? ?? (220) 對于圖 27(a)來說，其電抗 X 是： ?? tantan 00 ZlZX ?? (221) 2/?n ?LCinZinZ0ZCL 00 1?? ?天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 16 所以我們可以計算其電抗斜率參數(shù)是： 2tan22 0000 00 ZnddZddXm ??? ????? ????? (222) 比較式（ 220）和（ 222）可以得出： (223) 由此式可知，微帶線諧振器特性就可以計算出等效集總元件 L 和 C，反之，已知L 和 C 即可設(shè)計出微帶線諧振器來。其對偶關(guān)系為： GR? 00 YZ? cL BX ? Lc BX? 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計 19 因此，半波長開路諧振器與半波長短路諧振器互為對偶，其等效的集總元件電路是個并聯(lián)諧振電路，它的特性與集總元件之間關(guān)系是： ???????????????00000211)12(21YnLCmYnGee????????? (231a) 1/4 波長開路線諧振器與 1/4波長短路線諧振器 互為對偶，它的等效集總元件電路是個串聯(lián)諧振電路，它的特性與集總元件值間關(guān)系是 : ? ?? ???????????????????41211241R00000ZnC