【正文】 ................................................................................... 32 ........................................................................................................................ 33 ............................................................................................ 34 ...................................................................................................... 35 .................................................................................................................................. 39 IV 結(jié)束語 ................................................................................................................................................. 40 致 謝 ................................................................................................................................................. 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。 最后，設(shè)計(jì)出實(shí)際電路的版圖，并對其 進(jìn)行加工和實(shí)測，將實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比 分析。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。 本 文首先分析了微帶 環(huán)形雙模濾波器 相對于其他類型濾波器的優(yōu)點(diǎn)，介紹了微帶 雙模濾波器 的 結(jié)構(gòu) 、 原理 及 其 實(shí)現(xiàn)方法。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)。對本研究做 出過重要貢獻(xiàn)的個人和集體，均已在文中以明確方式標(biāo)明 并表示了謝意 。 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。除文中已注明引用的內(nèi)容外，本畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）不包含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。 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。 本論文設(shè)計(jì) 了 一種 電可調(diào)帶通濾波器， 該濾波器 以平面環(huán)形雙模帶通濾波器為基礎(chǔ) ，利用變?nèi)荻O管 的 電特性， 實(shí)現(xiàn)濾波器中心頻率和帶寬的可調(diào)性。 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)。接著，根據(jù)濾波器的仿真結(jié)果和變?nèi)荻O管 的性能，選擇 SMV1236074來設(shè)計(jì)可變電容的等效電路 。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。為了更高效地利用有限的頻譜資源，對系統(tǒng)中廣泛使用的微波濾波器的要求越來越高 ， 而 具有 頻率 可調(diào)特性的濾波器 也 逐漸成為了研究熱點(diǎn)。 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。 在軍事中，電子偵察系統(tǒng)需要收集和分類戰(zhàn)場上的所有的通訊和雷達(dá)信號，因此接收機(jī)必須要覆蓋很寬的頻段。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。 高性能的電調(diào)預(yù)選濾波器是寬帶接收機(jī)的關(guān)鍵部件，無論在民用還是軍用中都 非常重要。此外變?nèi)荻O管的反向電流小，幾乎沒有直流功耗。本文的工作都是針對基于變?nèi)荻O管的電可調(diào)濾波器展開的研究。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) 。 對于設(shè)計(jì)帶寬可重構(gòu)的第一類濾波器的方法有，利用 PIN二極管連接 或 隔離開環(huán)使諧振器 具有可變的傳輸極點(diǎn)數(shù)目 ]9[ ，利用變?nèi)荻O管協(xié)調(diào)開路 或 短路傳輸線使其具有可獨(dú)立移動的傳輸零點(diǎn) ]12[ ，或者利用 PIN二極管使可重構(gòu)耦合線具有三階可調(diào)帶寬 ]11[ 等。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。另外幾種方法，包括利用迂回線和變?nèi)萜鲾_動的雙模式環(huán)形諧振器 ]14[ 和具有變?nèi)萜髫?fù)載的雙模式開環(huán)諧振器 ]15[ ，被用來實(shí)現(xiàn)中心頻率的可調(diào)性。 為了能夠同時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。技術(shù)上來說， 雙模式環(huán)形諧振器，由于其高的選擇性、雙模諧振的緊湊性 ]15[ 和多級濾波器設(shè)計(jì)的易擴(kuò)展性 ]26][24[ 而被人所熟知。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)。在文獻(xiàn) ]23[ 中，環(huán)形諧振器的奇偶模諧振被對角合并的平行變?nèi)萜鲾_動，從而獲得可調(diào)諧的中心頻率和可控的帶寬。 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 。 微波濾波器之所以得到廣泛的應(yīng)用，是由于它有選頻功能，可以分隔頻率，即通過所需頻率的信號，而抑制不需要頻率的信號。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糠糯笃鳌⑽⒉ü腆w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。 按工作特性分類 按照濾波器的工作特性分類，有低通、高通、帶通和帶阻四種基本類型，其衰減頻率特性如圖 所示。 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)。切比雪夫?yàn)V波器的設(shè)計(jì)是使用切比雪夫多項(xiàng)式來逼近濾波器的幅度衰減，其特點(diǎn)是在通帶內(nèi)有等波紋系數(shù)的幅度衰減曲線，因此 ，“ 切比雪夫響應(yīng) ” 也叫 “ 等波紋響應(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)。其中每一種諧振器都有自己的優(yōu)勢和不足，因此根據(jù)濾波器的實(shí)際應(yīng)用和目的來選擇不同類型的濾波器是很有必要的。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 介質(zhì)濾波器示意圖 （ 2） 波導(dǎo)濾波器 波導(dǎo)濾波器采用波導(dǎo)諧振腔設(shè)計(jì)制作，具有低損耗、功率容量大和可以實(shí)際應(yīng)用到100GHz等特點(diǎn)。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。但是，要在 10GHz以上使用，則由于其微小的物理尺寸，制作精度難以達(dá)到。 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。然而，和其它諧振器相比，其差損明顯比較大，使其很難在窄帶濾波器中得到應(yīng)用。 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。微帶線中導(dǎo)行的是準(zhǔn) TEM波，可以非常方便地與其它微波元器件集成，一直是研究的熱點(diǎn) 。 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。其中平行耦合線濾波器作為出現(xiàn)比較早的一種濾波器，由于其簡單易行的設(shè)計(jì)一直受到廣泛的關(guān)注，在實(shí)際中被大量使用。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) 。具體的設(shè)計(jì)方法請參閱文獻(xiàn) ]34[ 。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 。微波濾波器設(shè)計(jì)中所指的帶寬一般為 3dB 帶寬，即插入損耗達(dá)到最小衰減的 3dB時對應(yīng)的上下限截止頻率 1f 和 2f 之間的頻帶寬度， 1f 與 2f 的中心被稱之為中心頻率 0f ，相對帶寬定義為絕對帶寬與中心頻率 0f 的比值，表達(dá)式如下 012 || f ffFBW ?? （ ） （ 2） 插入損耗。對阻帶衰減的標(biāo)準(zhǔn)各不相同，一般認(rèn)為至少大于 15dB。 （ 3）回波損耗。同樣，為了方便起見，也常用 || 11S 參數(shù)來表示。描述濾波器對頻帶外信號的衰減程度，過渡帶越陡峭，選擇性越好。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 倍時的帶寬 與其 3dB 帶寬之比。 （ 5）品質(zhì)因數(shù) Q。 0Q 是濾波器性能的最為關(guān)鍵的參數(shù)。 （ 6）波紋系數(shù)。 （ 7）端口特性阻抗。 （ 8）群時延。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延，定義為 ??? ??? ?D （ ） 當(dāng)通帶內(nèi)的相移是線性時，群時延為一固定值；否則信號就會產(chǎn)生畸變。由于微波濾波器采用的是分布參數(shù)元件，頻率響應(yīng)具有周期性，隨著工作頻率的升高，這些元件的感性和容性將發(fā)生轉(zhuǎn)化，故在理想的阻帶中會出現(xiàn)不期望的通帶，這就是寄生通帶。 （ 10）傳輸零點(diǎn)。 圖 典型微波帶通濾波器的響應(yīng) 圖 中畫出了一個典型的兩階微波帶通濾波器響應(yīng)，可以對照理解濾波器的各個指標(biāo)的意義。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。 目前濾波器的設(shè)計(jì)有兩種不同的方法 ]30[ 。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。用這種方法設(shè)計(jì)出來的濾波器一般為 K式濾波器和 m式濾波器等。 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。首先根據(jù)給定指標(biāo)利用網(wǎng)絡(luò)綜合理論確定歸一化低通 原型濾波器的集總參數(shù)值，然后經(jīng)過阻抗變換實(shí)現(xiàn)與信號源和負(fù)載的匹配，再經(jīng)過頻率變換實(shí)現(xiàn)要求的通帶形式，這樣就得到了由集總參數(shù)元件實(shí)現(xiàn)的電路結(jié)構(gòu)。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