34GHz梳状线腔体滤波器的设计要点Word文档格式.docx
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1.1课题来源与意义1
1.2国内外发展状况1
1.3课题的研究内容、方法及手段1
二梳状线滤波器的综合介绍3
2.1梳状线滤波器的特点3
2.2梳状线滤波器的结构3
2.3梳状线滤波器的工作原理3
三梳状线滤波器的设计4
3.1梳状线滤波器设计思路4
3.2梳状线滤波器的技术指标4
3.3梳状线滤波器的归一化原型4
3.4频率变换5
3.5相关的理论计算过程5
四运用AnsoftHFSS进行仿真设计7
4.1单腔模型及仿真结果7
4.2双腔模型及仿真结果8
五梳状线滤波器的实物制作与测试11
六总结与结论13
参考文献14
一绪论
1.1课题来源与意义
本课题来源于科研生产。
微波滤波器被广泛应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星接力、导航制导、测试仪表等系统中。
由于信息产业和无线通信系统的蓬勃发展，微波频段出现相对拥挤的状态频带资源划分更加精细，分配到各类通信系统的频率间隔越来越密，对滤波器的性能提出了更高的要求
。
具有低成本，高性能，稳定可靠的滤波器越来越成为市场的宠儿，各公司对滤波器的性能、指标的要求更为严格。
因此，设计高性能，小体积的滤波器，缩短滤波器的研制周期，是目前微波和毫米波通信领域的关键环节之一
在实际工程应用中，从滤波器的技术指标的给定到加工成品所求的时间将越来越短，快速准确的设计出所必需的滤波器变得十分重要。
而且由于新材料、新工艺的不断出现，以及半导体技术的迅速发展，各种新型射频（RF）模块层出不穷，使得微波毫米波RF有源电路的研发周期不断缩短，且电路高度集成体积越来越小。
根据目前所调研的相关资料，以及深入工厂的实习发现，梳状线滤波器是微波和毫米波系统中不可缺少的部件，其性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能
1.2国内外发展状况
上世纪60年代，Matthaei在其专著中对微波滤波器的经典设计方法做出了较全面、系统的介绍，但主要针对最平坦型和契比雪夫型，未涉及椭圆函数型和广义契比雪夫型[5]。
70年代初，Williams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器
1999年，RichardJ．Cameron把广义契比雪夫滤波器的传输零点由实数扩展到复数，从而将传输零点和时延结合起来研究，提出用循环递归的方法构成广义契比雪夫的传输和反射函数多项式，根据导纳矩阵和部分分式展开求取留数，再利用施密特正交变换的方法综合耦合矩阵，其矩阵综合和消零计算量较大
在国内，上世纪七十年代初期，我国的老一辈微波专家甘本拔、吴万春、李嗣范、林为干等，在国外研究成果的基础上，对滤波器的设计理论和方法进行了补充和完善，
为我国微波滤波器的研究奠定了良好的基础。
近年来，随着军事、科研、通信的发展，市场对微波滤波器在性能方面的需求不断地提升。
在微波滤波器的研究方面又有了新的突破，一些学者相继提出了滤波器的综合设计方法，并将这些方法应用于滤波器的工程设计，取得了良好的效果
1.3课题的研究内容、方法及手段
1.查阅梳状线腔体滤波器方面的相关资料，掌握相关的滤波器的设计方法；
2.通过理论分析计算得到梳状线带通滤波器的单腔模型参数；
3.借助高频电磁场仿真软件AnsoftHFSS对梳状线腔体带通滤波器进行仿真；
算腔体直接耦合窗口参数、馈电点高度等；
4.实物加工与测试，整理实验所得数据，分析和总结。
二梳状线滤波器的综合介绍
2.1梳状线滤波器的特点
其结构更为紧凑，在许多方面，它与电容载入滤波器很相似，但他的所加电容都加在同一边，谐振器长度取决于加载电容的大小。
梳状线带通滤波器的谐振器即可以用矩形杆，也可以用圆杆，还可以用集总电容加载的办法增加阻带宽度，并有适宜于各种带宽和不同精度的设计方法。
其衰减特性不对称,
故适于需要宽阻带应用的场所。
在
和
处有衰减极点，但现用的设计方法只适于窄带设计
2.2梳状线滤波器的结构
梳状线滤波器是一种能够得到宽阻带的带通结构，只让特定频率范围的信号通过。
外部是由金属整体切割而成，结构牢固，内部是由规则排列的谐振杆组成，谐振杆之间具有不同的耦合系数
梳状线滤波器内部结构图如图2-1所示：
图2-1梳状线滤波器内部结构图
2.3梳状线滤波器的工作原理
在梳状线腔体滤波器的内部通过谐振杆之间的耦合传输特定频率的能量，使滤波
器只能通过特定频率的微波，从而达到滤波的目的。
梳状线腔体滤波器具有多个谐振腔，每个谐振腔内均有螺钉可调节谐振频率，谐振器之间通过耦合窗相互耦合，并可以通过调节耦合窗内的螺钉调节滤波器性能。
通过调节影响谐振频率和耦合量的螺钉深度，可以达到该梳状线腔体滤波器的技术指标
三梳状线滤波器的设计
3.1梳状线滤波器设计思路
当前，滤波器的设计方法有两种：
镜像参数法和插入损耗法。
前者是以滤波网络的内在特性为根据，根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出变换器损耗的特性，然后再将这些具体电路拼凑起来，使总的
特性满足所需要的技术要求。
这是一种滤波器设计的老办法，下面我着重介绍第二种办法。
插入损耗法又称综合法，也是近年来使用较多的方法。
根据所提出的技术要求，决定插入损耗Li与频率w的函数关系，然后根据这个函数关系，应用网络理论综合出具体的电路结构。
这种方法要用到比较难的网络理论，但有可以弥补的方法，就是把满足各种要求的母型滤波器设计出来以后，后来的设计手续变成了简单的查表读图和应用浅近数学方法换算数据。
相对第一种的方法，还是简单得多
梳状线滤波器的设计思路如图3-1所示：
图3-1梳状线滤波器设计流程图
3.2梳状线滤波器的技术指标
工作频段：
3300～3400MHz
带外抑制：
≤-30dB@3000～3100MHz
≤-30dB@3600～3700MHz
带内波动：
0.1dB
插入损耗：
1.5dB
3.3梳状线滤波器的归一化原型
集总元件低通原型滤波器是用现代网络综合法设计微波滤波器的基础，后面要讨论的各种低通、高通、带通、带阻微波滤波器，其传输特性大都是根据此理想原型特
性推导出来。
事实上，如此理想的特性是无法实现的，只不过试图逼近此曲线而已。
根据所选逼近函数的不同，而有不同的响应，分别为最平坦响应和切比雪夫响应
3.4频率变换
将低通原型滤波器衰减特性的频率变量经过适当的变换，那么，就有可能得到以新的频率w为变量的衰减特性，用它们来表示高通、带通、带阻等类型滤波器。
这种方叫做频率变换，
与w的关系式叫做变换式
由于仅对横坐标的自变量
进行变换，故对纵坐标的衰减值并无影响。
因此，当低通原型滤波器变换为其他类型滤波器时，幅度波特性仍保持不变。
选取某一变换式，必须使其对衰减特性的影响直接表示为实现这种特性的低通原型滤波器元件数值的变化，这样，可以避免再去求其他类型滤波器的衰减函数，以及实现这种函数约一系列的复杂计算。
下面分别说明从低通到高通、带通以及带阻滤波器的频率变换。
从原型低通滤波器映射到实际带通滤波器要用到下面的变换关系：
（3.1）
式中
、
分别为中心频率,可变频率和频带宽度。
分别为频带两端的频率。
3.5相关的理论计算过程
1.通过查表3-1获得低通原型值（带内波动0.1dB）
表3-10.1dB波纹
1
0.3052
1.000
2
0.8430
0.6220
1.3554
3
1.0315
1.1474
4
1.1088
1.3061
1.7703
0.8180
5
1.1468
1.3712
1.9750
6
1.1681
1.4039
2.0562
1.5170
1.9029
0.8618
7
1.1811
1.4228
2.0966
1.5733
8
1.1897
1.4346
2.1199
1.6010
2.1699
1.5640
1.9444
0.8778
9
1.1956
1.4425
2.1345
1.6167
2.2053
得到
2.用低通原型归一化值求解各耦合系数
（3.2）
（3.3）
（3.4）
（3.5）
（3.6）
分别得到耦合系数：
=0.024805
=0.019631
=0.0248053
=37.14573
四运用AnsoftHFSS进行仿真设计
4.1单腔模型及仿真结果
建立单腔模型如下图4-1所示，单腔模型的尺寸为15mm×
13.5mm×
28mm，腔内圆柱体的外径为2.82mm,内径为1.82mm，上面小圆柱的半径为1mm。
图4-1单腔模型
使用HFSS软件对调谐杆的高度h和中心频率f0的关系进行仿真，仿真结果分为两种形式分别如表4-1和图4-2所示。
论文前半部分提到过，由技术指标可以求出中心频率f0=3350MHz,那我们本次仿真的目的就是找到中心频率f0=3350MHz时所对应的调谐杆的高度h的值。
通过表4-1可以发现符合要求的调谐杆的高度h的范围应该是4mm至5mm之间，这仅仅知道h的大概范围。
再由图4-2，可以看出调谐杆的高度h=4.40mm。
表4-1h与f0关系表
图4-2f0与h的关系图
4.2双腔模型及仿真结果
建立双腔模型后，对调谐螺钉的高度h、中间隔板的宽度w分别进行仿真，通过仿真结果找到符合要求的w、h。
模型如图4-3所示：
图4-3双腔模型
双腔模型的外尺寸为29mm×
15mm×
28mm，中间隔板的宽度为3mm，左右两边的圆
柱的尺寸与单腔模型相同。
中间隔板的宽度w和耦合系数k的仿真结果分为两种形式，分别如图4-4和表4-2
所示：
图4-4k与w的关系图
表4-2k与w的关系表
由图4-4及表4-2的仿真结果，就可以确定梳状线滤波器的中间隔板尺寸，使相
应的的技术指标满足制作梳状线滤波器的要求。
通过仔细观察与分析得出中间隔板的的宽度w=4mm。
耦合系数k与调谐螺钉的高度h的仿真结果，分别如图4-5和表4-3所示：
图4-5k与h的关系图
表4-3k与h的关系表
由图4-5及表4-3的仿真结果，对比在理论计算中的耦合系数
=0.02480
=0.0248053我们可以选取各个窗口调谐螺钉的深度为20.5mm，
20mm，20.5mm。
虽然从图表中得到的不是准确数据，但是还是有后续工作，通过调节调谐螺钉的深度，进行调试，用相关仪器进行测试并分析，使之达到理论要求。
五梳状线滤波器的实物制作与测试
我们完成了各种前期工作，相关的理论计算及分析HFSS软件的仿真结果以后，就需要联系有装配能力的工厂，进行梳状线滤波器的加工与装配。
加工完成的实物如图5-1所示：
图5-1梳状线滤波器的实物图
完成了实物的加工，就需要进行对梳状线滤波器的性能进行测试，测试结果如下图5-2所示：
图5-2
图5-2中的红色线代表着输出端口接匹配负载时输入端口的反射系数，图中的蓝色线代表着输入端口到输出端口的传输系数，通过分析图中的曲线，可知加工出的梳状线滤波器满足理论要求。
六总结与结论
本次论文大约准备了五个月，前期工作主要是文献调研并确定论文的研究方向，准备开题报告的答辩。
中期进行了整理资料，撰写论文初稿的相关工作，完成中期答辩。
后期全面撰写毕业论文，并通过仿真结果制作实物并测试，完成毕业设计答辩。
通过完成本次论文的所有工作，熟悉掌握了毕业设计的详细流程，及相关注意事项，为以后撰写论文打下坚实的基础。
最重要的是，在完成论文的过程中，锻炼自己的独立动手能力，扩宽了自己的知识面，这必将成为人生旅途中必不可少且值得回味的一站。
另一方面，我从一开始对论文研究方向很是模糊，但通过自己的努力，慢慢掌握论文设计的相关知识，克服了诸多困难，最终完成了论文，这不仅仅是知识的扩展，更是对心灵的一次历练。
参考文献
[1]汤勇峰.测技术与质量检测[M].北京:
电子工艺技术出版社,2000.
[2]甘本祓,吴万春.现在微波滤波器的结构与设计[M].北京:
科学出版社,1974.
[3]李嗣范.微波组件原理与设计[M].北京:
人民邮电出版社,1982.
[4]邓贤进,李家胤,张健[N].微波学报,2006,22（4）:
53-56.
[5]王清芬,马延爽.耦合系数法设计微波带通滤波器[J].无线电通信技术,2008,34
（1）:
43-44.
[6]钱光第.P波段带通滤波器的设计和制作[D].成都:
电子科技大学,2008.
[7]梁卓联.微波网络及其应用[M].北京:
电子工业出版社,2010.
[8]吴万春.微波技术基础[M].北京:
中国广播电视出版社,1993.
[9]黄席椿.滤波器综合法设计原理[M].北京:
人民邮电出版社,2003.
[10]廖承恩.微波技术基础[M].西安:
西安电子科技大学出版社,1990.
[11]阎润卿,李英慧.微波技术基础[M].北京:
北京理工大学出版社,2002.
[12]顾其诤,微波集成电路设计[M].北京:
人民出版社,1978.
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