【正文】 .......................................................... 41 參考文獻(xiàn) .............................................................................................................................................. 42 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 1 第一章 緒論 目前， 隨著 現(xiàn)代無線通信事業(yè) 的 飛速發(fā)展，頻譜 資源的 占用越來越密集，導(dǎo)致頻譜擁擠的問題日益突出。然后， 聯(lián)合 運(yùn)用 ADS 和 IE3D仿真軟件對電調(diào)濾波器進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了該電路的可行性，并通過對仿真數(shù)據(jù)的分析得到了可變電容對濾波器頻率特性的影響。近年來， 具有電可調(diào)特性的濾波器逐漸 成為了研究熱點(diǎn)。 I 南京郵電大學(xué) 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文） 題 目 電可調(diào)帶通濾波器設(shè)計(jì) 專 業(yè) 電磁場與無線技術(shù) 學(xué)生姓名 張茜茜 班級學(xué)號 B10020403 指導(dǎo)教師 黃曉東 指導(dǎo)單位 電子科學(xué)與工程學(xué)院 日期： 20xx年 3月 10日至 20xx年 6月 13日 II 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）原創(chuàng)性聲明 本人鄭重聲明：所提交的畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文），是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。 論文作者簽名： 日期： 年 月 日 I 摘 要 濾波器作為無線通信系統(tǒng)、衛(wèi)星通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)以及遙感系統(tǒng)中廣泛使用的關(guān)鍵無源器件之一，它的性能優(yōu)劣將直接影響到整個系統(tǒng)的指標(biāo)，其技術(shù)的發(fā)展始終受到人們的高度關(guān)注。 在此基礎(chǔ)上， 設(shè)計(jì)出電可調(diào)帶通濾波器 的電路原型 ，電調(diào)功能通過變?nèi)荻O管實(shí)現(xiàn)。結(jié)果表明，這一設(shè)計(jì)思路的電可調(diào)帶通濾波器能夠很好的實(shí)現(xiàn)頻率的電調(diào)特性，且 仿真與實(shí)測 具有良好的一致性，滿足設(shè)計(jì)要求。 在實(shí)際的應(yīng)用中，濾波器在發(fā)射機(jī)中位于天線之前起到后級濾波的作用，在接收機(jī)中 位于 天線的后端起到選頻的作用，將有用的信號頻率從天線接收的大量頻譜中選擇出來。此外，雷達(dá)系統(tǒng)為了保證不被敵方截獲，在避免被敵方干擾的情況下，要求收發(fā)機(jī)的中心頻率能夠迅速改變。此外變?nèi)荻O管的反向電流小，幾乎沒有直流功耗。這些濾波器的可調(diào)特性主要通過微機(jī)電系統(tǒng)（ MEMS） ]2][1[ 、鐵電體元件 ]4][3[ 、壓電轉(zhuǎn)換器（ PETs） ]6][5[ 、 PIN二極管 ]11[]7[ ? 、變?nèi)荻O管 ]24[]12[ ? 等可變有源器件來實(shí)現(xiàn) 。在文獻(xiàn) ]8[ 中，采用平行耦合可變延長線來獲得高的工作功率和線性度。 為了能夠同時(shí)獲得中心頻率和帶寬的可調(diào)性，第三類濾波器采用了引入耦合衰減器的微帶梳狀線 ]19[ 、變?nèi)萜骺烧{(diào)梳狀線 ]20[ 、具有可調(diào)傾斜度的諧振器 ]21[ 等結(jié)構(gòu)來提供一個帶寬可調(diào)性的附加自由度。文獻(xiàn) ]28[ 展現(xiàn)了，環(huán)形諧振器的簡并模式可由 擾動元件在微帶帶通濾波器的兩個通帶邊緣引入兩個傳輸零點(diǎn)來激發(fā)。 結(jié)束語 總 結(jié) 了 本 文 的 主 要 工 作 ， 分 析 了 設(shè) 計(jì) 過 程 中 存 在 的 問 題 ， 展 望 本 課 題 未 來 的 工 作 。微波固體器件的應(yīng)用對濾波器的發(fā)展也有推動作用，因?yàn)橄駞⒘糠糯笃?、微波固體倍頻器、微波固體混頻器等一類電路元件都是多頻率工作的，需要有相應(yīng)的濾波器；又由于這些微波固體器件相當(dāng)大部分是做成微帶集成電路的形式，因此微帶濾波器就迅速發(fā)展起來。 圖 四種基本濾波器 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 4 按傳遞函數(shù)分類 根據(jù)濾波器實(shí)現(xiàn)的傳遞函數(shù)一般可分為巴特沃茲、切比雪夫、橢圓、高斯、貝塞爾等類型，其中前三種較為常用，圖 分別給出了理想、巴特沃茲、切比雪夫和橢圓函數(shù)四種響應(yīng)的低通濾波器的頻率響應(yīng)。 “ 橢圓函數(shù)濾波器 ”的參數(shù)須用橢圓函數(shù)來進(jìn)行計(jì)算，又叫 “ 考爾濾波器 ” ，它的幅度衰減函數(shù)在通帶和阻帶內(nèi)都具有切比雪夫波紋，能實(shí)現(xiàn)最陡 峭的過渡帶，因而它的帶外抑制能力最強(qiáng)。然而， 受高成本和現(xiàn)在的加工技術(shù)的限制，它的使用范圍被限制在50GHz 以下。圖 一種經(jīng)典的通過十字孔耦合的三階波導(dǎo)腔體濾波器。 圖 同軸濾波器示意圖 （ 4）微帶濾波器 微帶線諧振器和帶狀線諧振器具有尺寸小、通過光刻技術(shù)易于加工、與其它有源電路元件易于集成等優(yōu)點(diǎn)，許多電路更傾向于此類諧振器。 因?yàn)楸疚闹械臑V波器設(shè)計(jì)主要基于微帶結(jié)構(gòu)，所以在這里著重介紹一些微帶結(jié)構(gòu)的濾波南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 6 器。 由于采用光刻工藝加工，微帶濾波器多采用兩維 （ 2D）平面結(jié)構(gòu)的半開放諧振器，相比波導(dǎo)和同軸等封閉三維（ 3D）腔體結(jié)構(gòu)，在設(shè)計(jì)上少了一維自由度，且品質(zhì)因數(shù)相對較低，從而其插入損耗相對較大。平行線濾波器是由若干個 平行耦合節(jié)依次級聯(lián)而成的，其中單節(jié)四分之波長平行耦合微帶線是構(gòu)成這種濾波器的基本單元，對它們的設(shè)計(jì)構(gòu)成了整個濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ) 。特別的，由于 LTCC（ 低 溫退火共燒結(jié)陶瓷）技術(shù)的出現(xiàn)，使得多層微帶濾波器的加工更為簡便易行，為設(shè)計(jì)提供了非常大的自由度，已有許多全新結(jié)構(gòu)和新特性的微帶濾波器被設(shè)計(jì)出來 。對阻帶衰減的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，一般認(rèn)為至少大于 15dB。同樣，為了方便起見，也常用 || 11S 參數(shù)來表示。為了描述濾波器接近矩形的程度，定義一個指標(biāo)為矩形系數(shù)，其定義式為 dBBWBWK 3 ? （ ） 即濾波器的傳輸系數(shù)下降到中心頻率最大傳輸系數(shù)的 倍時(shí)的帶寬 與其 3dB 帶寬之比。 0Q 是濾波器性能的最為關(guān)鍵的參數(shù)。 （ 7）端口特性阻抗。插入相移 ?? 是頻率的函數(shù)，插入相移頻率特性曲線的斜率就稱為群時(shí)延，定義為 ??? ??? ?D （ ） 當(dāng)通帶內(nèi)的相移是線性時(shí)，群時(shí)延為一固定值；否則信號就會產(chǎn)生畸變。 （ 10）傳輸零點(diǎn)。然而在實(shí)際工程中，我們只能設(shè)計(jì)一個盡可能接近理想濾波特性的濾波器。它是以濾波網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在特性作為根據(jù)的，這種方法的特點(diǎn)是：根據(jù)濾波網(wǎng)絡(luò)的具體電路，用分析的方法推算出變換器損耗的特性。 另一種方法從插入損耗入手，是近年來應(yīng)用很多的設(shè)計(jì)方法。整個設(shè)計(jì)流程如圖 所示，圖 給出一個集總參數(shù)低通濾波器用分布參數(shù) 來 實(shí)現(xiàn)的例子，由 LC 網(wǎng)絡(luò)變?yōu)?高 低阻抗變換微帶線的形式。但是，這個缺點(diǎn)是可以彌補(bǔ)的，因?yàn)橹灰坏┌褲M足各種要求的低通原型濾波器設(shè)計(jì)出來以后，后來的設(shè)計(jì)手續(xù)就變成了簡單的查表、讀圖和應(yīng)用淺顯數(shù)學(xué)方法換算數(shù)據(jù)。 另外在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，有 —種快速設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法。要實(shí) 現(xiàn)寬帶或?qū)捵鑾У臑V波器，一般通過特殊的結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)方法。 ADS電子設(shè)計(jì)自動化功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域 電路仿真 （ SPICElike Simulation） 、頻域電路仿真 （ Harmonic Balance、 Linear Analysis） 、三維電磁仿真 （ EM Simulation） 、通信系統(tǒng)仿真 （ Communication System Simulation） 、 數(shù)字信號處理 仿真設(shè)計(jì)（ DSP）； ADS支持射頻和 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工程師開發(fā)所有類型的 RF設(shè) 計(jì)，從簡單到復(fù)雜，從離散的射頻 /微波模塊到用于通信和航天 /國防的集成MMIC，是當(dāng)今國內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波 /射頻電路和通信系統(tǒng) 仿真軟件 軟件。 IE3D集成了全波電磁仿真和最優(yōu)化包，可用于分析和設(shè)計(jì)三維微帶天線和高頻印刷電路和數(shù)字電路。 HP8270 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 Agilent 8720ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可進(jìn)行全面的射頻和微波元件測評。 Agilent 8720ES 系列包括 3 種 T/R 和 3 種 S 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀 ,覆蓋范圍分別為 、 20GHz 和40GHz。 本章介紹了微波濾波器的基礎(chǔ)知識。但是隨著尺寸的不斷減小，微帶濾波器的性能則不可避免地出現(xiàn)下降，比如輻射損耗增加和匹配不穩(wěn)定。（ b）儲能變小。微波諧振器在微波電路中起著與低頻電路中 LC 諧振回路相同的作用 ，是一種儲能和選頻特性的諧振器件，兩者的諧振原理也大致相同。這種現(xiàn)象稱為諧振器的多諧性。這就是多諧性。微帶濾波器的固有優(yōu)勢在于尺寸小，便于加工，但是對于 RF 濾波器和振蕩器等含有諧振器的電路的尺寸縮小的優(yōu)化方面還存在許多有待解決的 問題。本文的研究范圍只限于雙模濾波器，其它類型的可以在文 獻(xiàn) ]34[ 中找到。在由理想導(dǎo)電壁圍成的簡單幾何結(jié)構(gòu)（也就是諧振器）中的無限多個模式中存在著正交關(guān)系，故在這些模式中沒有能量變換。換句話說，這些模式應(yīng)是簡并 模。由于其優(yōu)勢明顯，吸引了大 量 研究人員的注意，隨后逐漸在微帶濾波南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 14 器的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。 圖 Wollf 1972年提出的環(huán)形雙模濾波器 微帶雙模濾波器的損耗主要有兩個原因 ： 由較細(xì)的微帶線易引起較大的導(dǎo)體損耗和由濾波器的半開放性的場結(jié)構(gòu)引起的輻射 損耗。也可以給濾波器加屏蔽盒，但是這樣增加了重量與尺寸，而且屏蔽盒的不當(dāng)設(shè)置會激起高次的寄生模式。 圖 出了幾種常見的雙模微帶諧振器及其微擾的結(jié)構(gòu)示意圖。微擾的引入使得兩種正交模式相互耦合 ， 再加上合適的饋電方式就能以雙模方式工作。 在文獻(xiàn) ]33[ 中， 作者提出了雙模濾波器的一個設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，直到目前為止出現(xiàn)的雙模濾波器都遵循這一準(zhǔn)則。 圖 雙模濾波器的一般構(gòu)成 如圖 所示，為了獲得一個最簡單的一階雙模帶通 濾波器，需要對雙模諧振器進(jìn)行正交饋電。 兩種不同響應(yīng)的雙模濾波器 在上一小節(jié)中，我們曾提到由于 21 dd? 而造成了諧振腔的兩個簡并主模 01TM 與 10TM 之間產(chǎn)生了耦合。這樣我們就可以通過簡單的控制一個參數(shù) 2d 而達(dá)到自由選擇傳輸函數(shù)的目的。這樣，我們就可以精確的獲得其諧振特性。本章介紹了微波諧振器 在高頻段的應(yīng)用及其基本特性，重點(diǎn)講解了微波諧振器的多諧性。由于材料、加工工藝、環(huán)境等方面的影響，使得加工出來的濾波器與設(shè)計(jì)的結(jié)果有一定的出入，對于一般的濾波器，這種差別是不好調(diào)節(jié)的。同時(shí)，諧振器與 饋 線間的耦合程度是通過控制間隙 g 與長度 l 來實(shí)現(xiàn)的。變?nèi)莨転榉蔷€性可變電抗器件，為了獲得可調(diào)的濾波器，我們可以利用變?nèi)莨艿倪@一電特性。因此等效電路可簡化為 （ b） 所示的形式。參考圖 （ a） 所示的等效電路， Q值的計(jì)算公式為 RCRCQ TST ?? /11?? （ ） 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 20 當(dāng) 頻段較低時(shí)，并聯(lián)電阻可以忽略。如圖 (a)所示，它和電容串聯(lián)，在一個合適的頻率，就可以形成串聯(lián)諧振電路。 （ 5）泄漏電容，擊穿電壓 當(dāng)反向偏壓加到二極管上，這兩個參數(shù)表征二極管的直流特性，擊穿電壓定義為反向電流超過某值時(shí)的反偏電壓。所以，我們也可以用變?nèi)荻O管來代替小貼片 1d 和 2d ，從而改變?yōu)V波器的帶寬和中心頻率。 圖 電可調(diào)濾波器的 ADS 仿 真電路圖 在 ADS 中運(yùn)用微帶線進(jìn)行仿真，設(shè)置基板的厚度為 ，介電常數(shù)為 ，微帶線的寬度為 ，總長度為 。根據(jù)對該電路進(jìn)行調(diào)諧的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際變?nèi)荻O管的電容范圍，將電容的調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為 。此仿真結(jié)果與上一章所討論的 1d 與 2d 的關(guān)系對 S參數(shù)的影響是相同的。根據(jù) || 11S 與 || 21S 曲線的變化可知， Cp 越大，耦合越強(qiáng)；當(dāng) Cp=，濾波器處于臨界耦合狀態(tài)；當(dāng) Cp，濾波器處于過耦合狀態(tài)；當(dāng) Cp，濾波器處于欠耦合狀態(tài)。 如何 解決駐波比與帶外抑制這一矛盾， 增加低頻方向的帶外衰減是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)之一。 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 24 （ 4）電容 C2 的影響 令 Cp=， C1=，改變電容 C2 的值，觀察頻率響應(yīng)的變化。對于不同的頻率和帶寬，要注意調(diào)節(jié) Cp 使濾波器工作于臨界耦合的狀態(tài)。端口 2是輸入 /輸出端口，輸入 /輸出端口的微帶線寬度 W2=（ 50歐的輸入 /輸出阻抗）。 （ 1）可調(diào) 的 中心頻率 （ a）不同中心頻率下的 || 11S 參數(shù)曲線 （ b）不同中心頻率下的 || 21S 參數(shù)曲線 圖 可調(diào)中心頻率的 S參數(shù)（ wf =100MHz，電容單位為 pF） 從圖 ，當(dāng)濾波器的帶寬固定為 100MHz時(shí)，中心頻率的調(diào)節(jié)范圍為 到 。電可調(diào)微帶雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)主要研究了變?nèi)荻O管對濾波器電可調(diào)特性的作用。如果在仿真中考慮的都是理想化的狀態(tài)，最終會導(dǎo)致與實(shí)際性能相差較大，這也就使仿真失去了意義