2021年度微波滤波器的设计与仿真设计

目录
摘要—————————————————————————————2序言—————————————————————————————2一、微波概论—————————————————————————31.微波————————————————————————————32.微波特点和应用——————————————————————42.1 微波波长段易于实现定向辐射————————————————42.2 频率高、频带宽、信号容量大————————————————52.3 视距传输能穿透电离层———————————————————52.4 微波热效应和微波能应用————————————————6二、滤波器原理———————————————————————61.滤波器基础概念——————————————————————6

2.滤波器设计两种出发点——————————————————10

3.滤波器原型 ————————————————————————11

3.1最平坦低通原型滤波器———————————————————11

3.2 切比雪夫低通原型滤波器—————————————————12

3.3椭圆函数低通原型 ————————————————————13三、微波传输线———————————————————————141.微波传输线—————————————————————————142.微带线———————————————————————————142.1微带传输线组成——————————————————————142.2微带线特征阻抗——————————————————————153.微带线特点和应用—————————————————————18四、直接耦合短截线带通滤波器设计和仿真———————————191.两种短截线滤波器——————————————————————192.设计步骤——————————————————————————21

3.仿真运行和优化———————————————————————24

五、总结 ———————————————————————————28

六、参考文件 —————————————————————————29[摘要]本文对微波理论及微波滤波器作了具体介绍。其中有微波技术发展和滤波器分类、特点和应用。直接耦合短截线带通滤波器设计方法和参数计算,并对计算结果进行仿真验证。经过仿真符合设计要求,表明此设计方案正确。

关键词: 微波带通滤波器直接耦合短截线带通滤波器HFSS软件仿真

Microwavetape the clear design of wave filter

[Abstract] This paper for microwave theoretical and microwave wave filter havemade detailed introduction. In which, there are the development ofmicrowave technology as well as the classfication of wave filter ,characteristic and application. Parallel couple line microwave tapethe clear design method and parameter calculation of wave filter, andverify as calculating result to carry out emulation. Throughemulating , accord with design requirement, it is correct to showthis design scheme.

Keyword: Microwave tape clear wave filter HFSSmulate

前言

而基于多媒体全球个人通信系统中无线通信将得到更大发展。作为关键射频器件滤波器作用越来越关键,对性能要求也越来越高。

可利用它们来分开或组合不一样频率,如在变频器、倍频器和多路通信中。

而滤波器既可用来限定大功率发射机在要求频带内辐射,反过来又能够用来预防接收机受到工作频带以外干扰。在阻抗匹配中也有象滤波器网络,如在两个不一样特征阻抗传输线之间,

或在有内阻发生器于电抗负载（如参量放大器中二极管）之间。有时需要得到一定相位（或时延）特征,如脉冲压缩或展宽,或赔偿其它滤波器或色散结构（如通常波导）所产生相位失真等,也需要滤波器。

此论文从微波基础知识入手,逐步扩展到微波滤波器部分设计方法。其中关键介绍了微波部分基础概念和微波应用,滤波器分类和设计原理,微带线理论、分类及应用和微波带通滤波器参数计算和软件设计及仿真。

最终对这次设计一个总结。

因为学习能力有限,在设计过程中难免出现了部分错误,还请谅解,期望能给部分好指导,十分感谢!

一、微波概论

1.微波
微波是电磁波谱中介于一般无线电波（长波,中波,短波,超短波）和红外线之间波段。它是属于无线电波中波长最短,即频率最高波段。

微波和一般无线电波、可见和不可见光波、χ射线、γ射线一样,本质上全部是随时间和空间改变呈波动状态电磁场即电磁波。尽管它们表现各不相同,比如,可见光能够被人眼所感觉而其它波段则不能;χ射线和γ射线含有穿透导体能力而其它波段则不含有这种能力;无线电波能够穿透浓厚云雾而光波则不能等等,但她们全部是电磁波。

之所以出现这么多不一样表现归根结底是因为它们频率不一样波长不一样。

微波波段区分于其它波段关键特点是其波长可同常见电路或元件尺寸相比拟,即为分米、厘米、毫米量级。其它多波段全部不含有这个特点。一般无线电波波长大于或远大于电路或元件尺寸,电路或元件内部波过程可忽略不计,所以可用路方法进行研究。光波、χ射线、γ射线波长则远小于常见元件尺寸,

所以根本不可能用电磁方法或一般电子学方法来产生和研究它们,它们是同分子、原子或核行为相联络。

因

为

微

波

波

长

能

够

同

元

件

或

电

路

相

比

拟

,

所以电磁波在电路内甚至元件内传输时间就不再是微不足道,我们在一般无线电电子技术中集总参数概念和方法就不那么有效了。在频率较低电路中,我们往往能够区分出电路某一部分是电容,另一部分是电感或电阻,而连接它们导线则既没有电容、电感,也没有电阻,这就组成集总参数电路。不过到了微波波段,元件中电场和磁场已组成了一个整体——交变电磁场或电磁波,使用元件成为传输线、波导、谐振腔等,所以,集总参数电路方法就失效了。在微波领域中以麦克斯韦方程为基础宏观电磁理论得到了最充足最成功利用。当深入过分到亚毫米波、红外线以至可见光或频率更高电磁波谱时,因为波长逐步同分子或原子尺寸相比拟,宏观电磁理论又不是那么有效了,不那么完善,这时就必需利用量子理论方法。当然,以上划分不是绝正确,比如,在研究一般无线电波辐射和传输问题时必需舍弃路方法而采取场方法;在研究原子或分子精细能级结构微波发射和吸收时必需舍弃宏观方法而采取量子方法。不过,在研究光学一些问题如反射、折射、衍射等时宏观方法也是行之有效。

总而言之,微波波段范围是由所应用独特元件、技术和研究方法所决定。正确划分出微波波段范围是没有什么实际意义。只能说波长从几米量级到十分之几毫米量级属于微波波段,通常把波长一米到一毫米（即频率300M至300GHz）之间波段称为微波,波长从1毫米到0.01毫米亚毫米波段是微波和红外过分波段,有时把其中波长较长部分归入微波领域。

2.微波特点和应用

自20世纪初无线电技术发展以来,使用波段不停扩展。从最初使用长波和中波一直扩展到超长波,其次尤为快速地向短波方向扩展,经过短波、超短波,在20世纪40到50年代扩展到分米波和厘米波,在20世纪60到70年代又扩展到毫米波和亚毫米波。

而微波实际利用则是同微波特点亲密相关。微波含有以下四个关键特点:

2.1微波波长段易于实现定向辐射

大家在实践中就认识到能够利用无线电波反射测定目标物位置,这就是雷达原理。为了正确,则必需让无线电波定向发射,也就是聚成一个窄束,不这么就无法判定反射波到底是从哪个方向反射回来。实际上在微波历史发展早期（20世纪40年代）,微波技术几乎是和雷达一起发展起来。现在雷达种类和用途已是多个多样,如远程或超远程警戒雷达、炮火控制和瞄准雷达,火箭或航天器制导及轨道警戒雷达、导航雷达、气象雷达、

汽车防撞雷达等等。它们所使用几乎无例外地是微波波段。

微波易于实现定向辐射特点还有利于点对点通信及定向广播。

现代多路通信、卫星通信、卫星电视广播等全部使用微波波段。

2.2频率高、频带宽、信号容量大
任何通信系统为了传输一定信息必需占有一定频带,纯粹单频正弦波并不携带任何信息。为传输某种信息必需频带宽度叫信道。比如,人耳所能听到声音频带范围大约是在20至0Hz,但为了能听懂对方语言,大约只需传输300至3400Hz这一段频率信号就够了,也就是说,一个语言信道最少要有3000Hz频带,一般电话就是这么设计。

所以电话能够听懂但不悦耳,也就是不够逼真。

为了相当逼真地传送语言和音乐,则需要占6至15KHz频带,这就是广播所要求频带。为了传送电视图象,则需要更宽频带,对于中国电视制式,一路黑白或彩色电视加上伴音要占据8MHz频带。

为了避免相互干扰,一个地域或一条线路上各个信道所占频带必需错开,所以在一定频段内所能容纳信道是有限。即使采取数字通信,线路信息容量仍然取决于线路频带宽度。

依据现在技术水平,一条通信线路通常只有不超出百分之几相对带宽。所以,为了把很多路电视、电话或电报同时在一条线路上传送,

现代多路通信系统包含卫星通信系统几乎无例外地工作在微波波段。2.3视距传输能穿透电离层

各

波

段

无

线

电

波

传

输

特

征

是

不

一

样

,

长波能够沿着地球弯曲表面传输到很远,这种传输方法叫地波。从中波过渡到短波,地波衰减逐步增大,传输距离逐步减小。但短波能够借助60至300km高空电离层折射返回地面,这种方法叫天波。短波通信就是利用了天波,它可实现远距离通信,但不够稳定,因为电离层密度和高度随季节,昼夜和太阳活动而改变
到了超短波和微波波段,地波衰减更大,已无法利用。同时,这个波段电磁波通常不能被电离层折射返回地面,它能穿过电离层,所以也不能采取天波传输方法。超短波和微波只能在视距内沿直线传输,并能穿过电离层达成外层空间。这种传输称为空间波。

微波视距传输特征有它有利一面,也有不利一面。其有利方面是能够把作用范围在我们所需要区域内,以避免干扰。同时因为微波能够穿透电离层而不像频率较低电磁波那样被电离层折返或吸收,所以,地球和宇宙之间通信、卫星通信等必需使用微波。

2.4微波热效应和微波能应用
高频率感应加热和介质加热早已应用在很多工业部门。在微波波段,

材料介质损耗增大,尤其是含水份材料对微波能吸收很有效,从而使微波成为很好加热手段。微波加热含有效率高、透热深度大、

微波加热和微波烘干正日益广泛地应用于粮食、茶叶、卷烟、木材、纸张、

皮革、蚕丝、纺织、食品等工农业生产领域中。

微波理疗也日益广泛地被利用
微波替换原来所用煤、煤气或蒸汽进行加热或烘烤能够节省能源,提升产品质量,改善劳动条件,便于实现生产过程自动化。另外,家庭烹饪用微波炉也已得到了广泛应用。

微波在未来能源探索和开发中也起着关键作用。比如,在受控热核聚变研究中利用毫米波电子回旋共振效应加热等离子体,在空间太阳能发电站设计中用微波作为将能量送回地面手段等。

二、滤波器原理

滤波器是一个二端口网络。它含有选择频率特征,即能够让一些频率顺利经过,而对其它频率则加以阻拦,现在因为在雷达、微波、通讯等部门,多频率工作越来越普遍,对分隔频率要求也对应提升;所以需用大量滤波器。再则,微波固体器件应用对滤波器发展也有推进作用,像参数放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等一类器件全部是多频率工作,全部需用对应滤波器。更何况,伴随集成电路快速发展,近几年来,电子电路组成完全改变了,电子设备日趋小型化。原来为处理模拟信号所不可缺乏LC型滤波器,在低频部分,

在高频部分也出现了很多新型滤波器,比如:螺旋振子滤波器、微带滤波器、交指型滤波器等等。即使它们设计方法各有自己特殊之点,不过这些设计方法仍是以低频“综正当滤波器设计”为基础,再从中演变而成。

1.滤波器基础概念

图2.1虚线方框里面是一个由电抗元件L和C组成两端口。它输入端1-

二端口网络输出端2－'2和负载R2相接,当电源频率为零（直流）或较低时,

负载R2两端电压降E2比较大（当然这也就是说负载R2能够得到比较大功率）。

不过,当电流频率很高时,首先感抗Lwj
变得很大,其次容抗-j/wc却很小,电感L上有一个很大压降,电容C又几乎把R2短路,所以,纵然电源电动势Eg保持不变,负载R2两端压降E2也靠近于零。换句话说,R2不能从电源取得多少功率。网络会让低频信号顺利经过,抵达R2,但阻拦了高频信号,使R2不受它们作用,那些被网络A（或其它滤波器）顺利经过频率组成一个“通带”,

通带和止带相接频率称为截止频率。

什么机理使网络A含有阻止高频功率经过能力呢？网络A是由电抗元件组成,而电抗元件是不消耗功率,所以,高频功率并没有被网络A吸收,在图一所表示具体情况中,它有时贮存于电感L周围,作为磁能;在另部分时间,它又由电感L交还给电源。假如L和C全部是无损元件（即它们电阻等于零）,那么,高频功率就是这么在电感和电源之间往返交换,丝毫不受损耗,这就是电抗滤波器阻止部分频率经过物理基础。从这个意义来说,我们能够认为滤波器将止带频率功率发射回电源去,同时也是因为这个关系,在止带内滤波器输入阻抗是纯电抗性。

图2.1网络A是一个很简单滤波电路,它滤波效能是比较低,在很多场所下,往往不能满足技术上要求,而不得不采取更复杂电路结构。然而,不管电路结构怎样复杂,滤波作用物理根源还是和前面所说完全一样。

但滤波网络所能起到作用还受外界原因（电源内阻R1和负载电阻R2）影响。滤波效能首先决定于滤波器内在特征（这是关键）,同时还决定于滤波器外加阻抗（这也是不可忽略）。那么,滤波器效能是用什么来衡量呢？图2.2(a)表示一个电源,它电动势为Eg,内阻为R1。设负载为R2,则当负载直接和电源相接时,它所能吸收功率Po2为:

现在我们将滤波器A接于电源和负载之间,图2.2(b)所表示,因为滤波器特征,当电源频率改变时,出现于R2两端压降E2是不一样,即R2

从电源所取得功率 在不一样频率上是不等。

用分贝来表示Po2和R2比值称为插入损耗Li:

插入损耗Li是衡量滤波器效能一个参数。依据上面讨论,显然可见,一个良好滤波器插入损耗在通带内应该比较低,而在止带内应该比较高。理想滤波器插入损耗在通带内应该等于零,而在止带内应该是无穷大。

滤波网络含有阻抗变换特征不难使负载R2在整个通带内和电源达成匹配。这时,负荷所吸收功率将超出Po2,而使Li取得负值。依据R1和R2比值不一样,

Li这个负值也不一样。所以,插入损耗Li并不是一个很方便比较基准。为了避免这种困难,大家还提出另外一个参数,它以电源所能供给最大功率Po为基准。从电工基础我们知道:

P1和Po比值,如以分贝来表示,称为变换器损耗LA

依据以上给出种种关系,能够算出:

从上式显然可见,当R1=R2时,变换器损耗就是插入损耗。有些参考书上,这二者是混为一谈。

必需注意,在上式中,当频率改变时,P2是跟着改变。在理想情况下,滤波器变换器损耗LA在通带内应该是零,而在止带内则应该含有比较大数值。依据滤波器具体电路结构,变换器损耗和频率保持有多种不一样关系。图2.3给出四种经典关系,在这些图中,横坐标w表示频率,纵坐标表示变换器损耗LA。(a)表示相关器件顺利经过低于w1频率,而阻碍高于w1频率经过;这么器件称为低通滤波器（LP－LowPass）。(b)情况恰好相反,称为高通滤波器（HP－HighPass）。(c)

对于低于w1或高于w2频率全部阻碍它们经过;这么器件称为带通滤波器（BP-BandPass）。(d)是(c)对立面,它阻止w1至w2之间频率经过,称为带阻滤波器（BS－BandSuppress）。

各个元件数值是和变换器衰减频率特征和所接负载亲密联络着。

骤然看来,这四种电路结构是很不相同,似乎各自应有各自设计方法。其实不然,经过部分数学方法,大家能够把这四种滤波器电路结构完全统一起来,这里用到数学方法叫作“频率变换” 。应用频率变换法,其它三种滤波器全部能够看作低通滤波器;在设计时,先从它对应低通滤波器着手（因为这么简单得多）,在取得低通滤波器设计数据以后,再用频率变换法,求得所要设计滤波器数据。

满足设计技术要求低通滤波器称为“母型滤波器”或“原型滤波器”（prototype)。

图2.3

图2.4

上面提出了衡量滤波器效能参数－－变换器损耗LA,不过,