微带带通滤波器设计.docx

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微带带通滤波器设计

微带带通滤波器设计

姓名:

杨凯学号:

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姓名:

黄子宸学号:

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姓名:

钱铖学号:

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2014年5月

摘要

本文首先介绍了微波滤波器的应用和当前的研究情况。

然后介绍了滤波器的理论基础和重要参数。

之后该论文基于仿真软件HFSS和ADS及公式的基础上，介绍了微带线带通滤波器的设计方法，同时借助HFSS和ADS软件分别对所设计的微带线滤波器进行了仿真和优化，最终得到比较理想的微带线滤波器。

在进行原理图设计、仿真和优化的过程中，重点内容是原理图的绘制和S参数的优化。

在已知公式和表格的基础上，能够计算出滤波器的各种参数，利用这些参数能够绘制原理图；S参数的优化主要是优化范围的修改和一个不断重复的过程。

本次设计所完成的滤波器如下：

通带8－10GHz，带内波纹0.5dB，7.2GHz以下及10.8GHz以上衰减大于40dB。

结果表明，基于微波仿真软件HFSS和ADS的微带线带通滤波器能够顺利实现，并且重要参数能够较好的控制在所要求的范围内。

关键词：

微带线微带带通滤波器电磁仿真

Abstract

Atfirst,thispaperintroducestheapplicationofmicrowavefilters,andthecurrentstateofstudyingthefilters.Thenintroducesthetheorybasisandimportantparameter.WiththesoftwareHFSS,ADSandtheformula,thispaperalsowelldesignamicrostripband-passfilter.AtthesametimealsodothesimulationandoptiminationwiththehelpofHFSSandADS.Finallywegetarelativelyidealmicrostripfilter.Intheprocessofdesigningtheschematicdiagram,simulatingandoptimizing,thepointistodrawtheelementarydiagramandoptimizeparameterS.Basedontheformulaanddiagramknown,wecancalculatealltheparametersofthefilter.Withthat,wecandrawtheschematicdiagram.TheoptimizingoftheparameterSmainlyincludesthemodificationoftheoptimization’ssphereanditsrepetition.Thefiltersthisdesigncontainsareasfollows:

Passband8-10GHz,thebandripple0.5dB,7.2GHzand10.8GHzweakensisbiggerthan40dB.

Theresultshowsthatmicrostripband-passfilterbasedonmicrowavecircuitsimulationsoftwareHFSSandADSiseffective,andtheimportantparametercanbecontrolledintherequiredlimits.

Keywords:

microstrip,band-passfilter,electromagneticsimulation

第1章引言

§1.1课题背景和意义

科学技术的发展使得人类社会进入了信息时代，信息时代的主要标志之一就是信息的快速广泛的传递。

信息传递必须通过两种方式：

有线传输方式和无线传输方式。

目前的固定电话、有线电视、有线互联网络都属于有线传输。

移动通信、卫星通信属于无线通信。

随着科学技术的进一步发展，人类对通信的需求越来越高，无线通信技术将发挥越来越重要的作用。

图1-1是一种典型的移动电话射频电路方框图，图中的虚线部分表示在该无线通信设备中的滤波元件。

从图中可以看出，信号的接收和发射都离不开滤波器，它们的尺寸以及工作性能直接影响整个无线通信设备的体积以及工作性能。

图1-1一种典型的移动电话射频方框图

无线通信技术和集成电路技术的迅猛发展，对无线通信电子设备提出了更高的要求，集成化、小型化、高可靠性已经成为无线通信系统发展的必然趋势，这就要求电路在满足电气性能的同时，尽可能减少电路占用空间。

为适应这一发展趋势，近年来出现了多芯片组件（MCM）、片上系统（SOC）、封装系统（SOP）等新的封装形式。

这些新的封装形式，通过将不同信号的集成电路高密度地混合集成在一起，能够有效地减小系统的体积，从而实现了无线通信系统的小型化。

目前，随着半导体技术的发展，无线通信系统中的有源电路已经实现了微型化并且能够有效地采用现代封装技术进行集成。

而系统中的天线、滤波器、耦合器等无源电路尽管可以在一定程度上集成在现代封装系统中，但是，由于其工作性能的特殊要求及其特定的工作原理，还不能从设计上完全实现小型化，仍然面临着小型化、高性能化的关键技术难题。

采用传统方法设计的滤波器尺寸一般比较大，在工作性能上也存在着一定的局限性，往往不能够满足现代无线通信系统的要求，急需从小型化和高性能设计两个方面进行改进。

目前，国内外针对这一研究热点进行了广泛的研究，提出了一些新的设计方法，并且取得了一定的成效。

从设计上实现滤波器小型化，不仅可以减小滤波器自身的尺寸面积，而且更加有利于系统的封装集成，进一步实现无线通信系统的小型化。

因此，性能优良、高集成度的微波滤波器研究成为现代无线通信系统研究中一个十分关键的工作。

微带滤波器因为重量轻、体积小、制造成本低且易于与其他微波电路集成等优点而广泛应用在无线通信系统中。

§1.2微带滤波器国内外研究情况

移动通信产业惊人的成长速度超出了人们的想象，促进了滤波器的飞速发展，特别是固态化滤波器的发展，如晶体滤波器、陶瓷滤波器、SAW滤波器、介质滤波器等。

市场需求的巨大动力促使各类滤波器不断扬长避短、改进提高，在很大程度上已突破了早期的多种性能、功能或成本局限。

近年来，薄膜声学体波共振技术（FBAR）给射频前端滤波器小型化和集成化带来一线曙光。

当然，许多问题涉及工艺控制与封装过程，有待解决。

典型的FBAR测试结果显示，FBAR技术带来的高Q值和高耦合系数可与高级的陶瓷的和声表面波振子相媲美，目前达到的Q值己超过1000，与基于陶瓷的产品相比，FBAR技术在小型化方面占有绝对的优势，可实现体积小于目前基于陶瓷产品10%的产品。

FBAR的电特性己经达到目前CDMA和PCS陶瓷双工器的性能标准。

为了减小体积，村田公司开发出MB型片式介质滤波器，它是由2-3个同轴谐振器整块连体构成，而无需电路基板、耦合器、外罩等。

PHS1900用最小的2级带通滤波器仅3.8×4.3×2.0（mm），而相对应的2级耦合型介质滤波器只能达7.0×8.0×3.7（mm）。

西门子公司研制的3级整块联体型片式介质滤波器，尺寸规格仅8.8×7.45×2.75（mm）—5.75×4.0×2.95（mm），适用于ISM915、GPS1500、PCN/PCS1800、PHS1900。

W-LAN2450的最小型仅为3.25×5.0×1.9（mm）。

1990年日本住友公司提出低温共烧多层介质平面型滤波器的构想。

此后，松下、日本、飞利浦、双信、NGK、JTI等公司先后开发出适合于表面贴装的同类新产品。

根据IEEE521-2002标准，X波段是指频率在8-12GHz的无线电波波段，在电磁波谱中属于微波。

而在某些场合中，X波段的频率范围则为7-11.2GHz。

通俗而言，X波段中的X即英语中的“extended”，表示“扩展的”调幅广播。

X波段通常的下行频率为7.25-7.75GHz，上行频率为7.9-8.4GHz，也常被称为7/8GHz波段（英语：

8/7GHzX-band）[1]。

而NASA和欧洲空间局的深空站通用的X波段通信频率范围则为上行7145-7235MHz，下行8400-8500MHz。

根据国际电信联盟无线电规则第8条，X频段在空间应用方面有空间研究、广播卫星、固定通讯业务卫星、地球探测卫星、气象卫星等用途。

雨衰减对X频段的信号传输有一定的影响。

我国移动通信发展迅速，一方面用户数量不断增长，另一方面用户要求的业务种类也不断的增加，从话音业务到短消息和数据业务，以及将来的移动多媒体业务。

由于用户超常规发展。

现在移动通信系统从GSM到GPRS直至CDMA，频率从原来的几百赫兹到了现在的9OOMHz、1.8GHz、2.4GHz、5.8GHz甚至更高。

与此同时对于器件的小型化和高性能的要求也在不断提高。

在微波波段，滤波器由于其具有小型化、易集成、设计灵活等优点而越来越受到重视。

制作的微带滤波器的插损小、带边陡峭度高、带外抑制大、具有高灵敏度和高选择性，在移动通信领域具有广阔的应用前景。

为了在移动设备等器件上获得更广泛的应用，器件小型化已经是非常重要的要求，在应用新型材料制作的同时，我们也利用了微波技术的各种理论通过都对微带滤波器的结构进行优化设计。

例如多模微带滤波器，类交趾滤波器等。

在设计中，可以采用多个相互耦合的微带线以提高滤波器的耦合度，降低滤波器的面积，同时，从微带线的等效分布电感、电容出发，结合模拟和试验结果，提出滤波器的等效LC电路，分析结构参数，从而减小滤波器的尺寸。

§1.3滤波器的分类

最普通的滤波器有低通、高通、带通、带阻衰减特性（如图1-2所示）。

图1-2四个普通滤波器的特性曲线

可以从不同角度对滤波器进行分类：

（a）按功能分，有低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器，带阻滤波器，可调滤波器。

（b）按用的元件分，有集总参数滤波器，分布参数滤波器，无源滤波器，有源滤波器，晶体滤波器，声表面波滤波器，等等。

§1.4HFSS及ADS介绍

HFSS–HighFrequencyStructureSimulator,Ansoft公司推出的三维电磁仿真软件,HFSS提供了一简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。

HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。

先进设计系统（AdvancedDesignSystem），简称ADS，是安捷伦科技有限公司（Agilent）为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。

软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。

ADS是高频设计的工业领袖。

它支持系统和射频设计师开发所有类型的射频设计，从简单到最复杂，从射频∕微波模块到用于通信和航空航天∕国防的MMIC。

第2章带通滤波器设计理论

论文研究的是使用HFSS软件设计微带带通滤波器的解决方案，而带通滤波器是以低通滤波器为原型设计的。

当平行耦合微带线长度为λ/4时，有带通滤波器的特性，但其不能提供陡峭的通带到阻带过渡，如果将多个耦合微带线单元级联，级联后的网络可以具有良好的滤波特性。

§2.1带通滤波器的参数

（1）绝对衰减（Absoluteattenuation）：

阻带中最大衰减（dB）

（2）带宽（Bandwidth）：

通带的3dB带宽（flow—fhigh）

（3）中心频率：

fc或f0

（4）截止频率：

下降沿3dB点频率

（5）每倍频程衰减（dB/Octave）：

离开截止频率一个倍频程衰减（dB）

（6）微分时延（differentialdelay）：

两特定频率点群时延之差以ns计

（7）群时延（Groupdelay）：

任何离散信号经过滤波器的时延（ns）

（8）插入损耗（insertionloss）：

当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB

（9）带内波纹（passbandripple）：

在通带内幅度波动，以dB计

（10）相移（phaseshift）：

当信号经过滤波器引起的相移

（11）品质因数Q（qualityfactor）：

中心频率3dB带宽之比

（12）反射损耗（Returnloss）

（13）形状系数（shapefactor）：

定义为BW（60dB点）/BW（3dB点）

（14）止带（stopband或rejectband）：

对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如60dB点）的带宽。

§2.2带通滤波器的设计原型

低通滤波器是带通滤波器的特例，可作为带通滤波器设计基础。

两种常见的低通滤波器原型：

（1）平坦低通滤波器特性曲线（如图2-1所示）：

图2-1最大平坦低通滤波器特性曲线

数学表达式如（2-1）：

（2-1）

（2-1）中ε满足关系式（2-2）：

（2-2）

N对应于电路所需级数。

特点：

ω'=0处（2n-1）阶的导数=0,

ω1定义为衰减3dB的频带边缘点

（2）切比雪夫低通滤波器特性曲线（如图2-2所示）：

图2-2切比雪夫低通滤波器特性曲线

n仍旧是电路里电抗元件的数目。

特点：

带内衰减呈波纹特性

LAr定义为等波纹频带的边缘频率。

最大平坦衰减特性曲线与切比雪夫特性曲线比较可以看出：

1、若通带内允许的衰减量LAr和电抗元件的数n为一定，则切比雪夫滤波器的截止速率更快。

因为其截止陡削，所以常常宁可选择切比雪夫特性曲线而不取其他的特性曲线。

2、假如滤波器中的电抗元件的损耗较大，那么无论那种滤波器的通带响应的形状与无耗时的比较，都将发生变化，而在切比雪夫滤波器中这种影响尤其严重。

3、理论证明了最大平坦滤波器的延迟畸变要比切比雪夫滤波器小。

§2.3原型滤波器的元件值的归一化及其计算

目的：

提高设计通用性

归一化定义：

g0=R’0=1或g0=G’0=1

=1

对于两端带有电阻终端的最大平坦滤波器，给定LAr=3dB、g0=1和

=1，则其原型元件值可以按下式计算：

k=1,2,…n（2-6）

g0=1、gn+1=1

对于两端具有电阻终端的切比雪夫滤波器，当其通带波纹为LArdB、g0=1和

=1，它的原型元件值可按以下各式计算：

（2-7）

（2-8）

k=1,2,…n（2-9）

k=1,2,…n（2-10）

（2-11）

（2-12）

当n为奇数时，

=1（2-13）

当n为偶数时，

（2-14） 

第3章微带带通滤波器的设计与优化

微带带通滤波器是一种被广泛研究的微波滤波器类型，它的品种繁多，性能各异，是现代电子系统中的关键部件之一。

微带线带通滤波器是一种分布参数滤波器，它是由微带线或耦合微带线组成，具有体积小、重量轻、价格低、性能稳定可靠等优点，在微波工程中的应用相当广泛。

§3.1微带线和奇模、偶模特征阻抗

微带线是位于接地层上由电介质隔开的印制导线，它是一根带状导（信号线），与地平面之间用一种电介质隔离开。

印制导线的厚度、宽度、印制导线与地层的距离以及电介质的介电常数决定了微带线的特性阻抗。

如果线的厚度、宽度以及与地平面之间的距离是可控制的，则它的特性阻抗也是可以控制的。

单位长度微带线的传输延迟时间，仅仅取决于介电常数而与线的宽度或间隔无关带状线是介于两个接地层之间的印制导线，它是一条置于两层导电平面之间的电介质中间的铜带线。

它的特性阻抗和印制导线的宽度、厚度、电介质的介电常数以及两个接层的距离有关。

如果线的厚度和宽度、介质的介电常数以及两层导电平面间的距离是可控的，那么线的特性阻抗也是可控的。

微带线特性阻抗如式（3-2）和模型（如图3-2所示）：

（3-1）

图3-1表层微带线模型

其中Z0是微带线的特性阻抗，w是微带线宽度，t是微带线厚度，h是电介质厚度，εr是硬质电路板的相对介电常数。

与金属波导相比，微带线体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点；但损耗稍大，功率容量小。

60年代前期，由于微波低损耗介质材料和微波半导体器件的发展，形成了微波集成电路，使微带线得到广泛应用，相继出现了各种类型的微带线。

一般用薄膜工艺制造。

介质基片选用介电常数高、微波损耗低的材料。

导体应具有导电率高、稳定性好、与基片的粘附性强等特点。

当多根传输线相互之间靠得很近的时候,传输线之间的电场和磁场将互相交互作用的更为复杂,传输在线的信号切换（switching）状态决定了以何种模式的传输,这种相互作用的重要性在于会改变传输线有效的特性阻抗和传输速率,特别是当很多非常靠近的传输线同时切换,这种现象尤为严重,它会使总线出现特性阻抗和延迟时间产生变化,从而影响总线的传输效能。

因此,在系统设计中必须考虑到这些方面的影响。

当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同但相位相差180度的时候,就是一个奇模传输的模型。

此情况下,传输线的等效电容增大,但是等效电感变小。

当两根耦合的传输线相互之间的驱动信号振幅大小相同且相位也相同时,就是一个偶模传输的模型。

此情况下,传输线的等效电容减小,但是等效电感增大。

奇模和偶模传输模型如下图所示：

图3-2奇模和偶模模型图

可以将平行耦合微带线视为偶模激励和奇模激励的叠加，偶模和奇模有不同的特性阻抗，偶模的特性阻抗为Z0e,奇模特性阻抗为Z0o。

奇偶模的特性阻抗与微带线的尺寸和材料有关。

§3.2S参数

网络理论是一种非常普遍的处理问题的方法，它把系统用一个由若干端口对外的未知网络表示。

微波网络理论是微波工程强有力的工具，主要研究微波网络各端口的物理量之间的关系，实际的微波/射频滤波器也是用网络分析仪进行测量。

微波网络分为线性与非线性，有源与无源，有耗与无耗，互易与非互易。

双口元件是在微波工程中应用最多的一种元件，主要有滤波器、移相器、衰减器等。

与单口元件相似，双口元件一般采用网络理论进行分析，但是，值得指出的是元件的网络参数本身还是需要用场论方法求得，或者实际测量得到，从这个意义上讲，场论是问题的内部本质，而网络则是问题的外部特性。

几乎所有的微波元件都可以由一个网络来代替，并且可以用网络端口参考面上的变量来描述其特性（在传输线上端口所在的位置，与能流方向垂直的横截面通常称为“参考面”）。

选择参考面的原则是在该参考面以外的传输线上只传输主模。

微波网络有不同的网络参量：

阻抗参量Z、导纳参量Y和A参量反映的是参考面上电压与电流的关系；散射参量S、传输参量T反映的是参考面上归一化入射波电压和归一化反射波电压之间的关系。

在微波频率下，阻抗参量Z、导纳参量Y和A参量不能直接测量，所以引入散射参量S和传输参量T。

利用S参量，射频电路设计者可以在避开不现实的终端条件以及避免造成待测器件损坏的前提下，用两端口网络的分析方法来确定几乎所有射频器件的特征，故S参量是微波网络中应用最多的一种主要参量。

图3-3二端口网络示意图

S参量是根据某端口上接匹配负载的情况下所得到的归一化波来定义的。

设an表示第n个端口的归一化入射波电压，bn表示第n个端口的反射波归一化电压。

所谓归一化波，就是各端口的波用其对应端口的参考阻抗进行归一化后得到的波，它们与同端口的电压的关系为

（3-2）

（3-3）

对于线性二端口网络（如图2-5所示），归一化入射波a和反射波b之间存在如下关系:

（3-4a）

（3-4b）

式（3-4）写成矩阵形式为

b=Sa（3-5）

矩阵S称为二端口网络的散射矩阵或S矩阵，表示为

（3-6）

式（3-6）中的矩阵元素称为网络的散射参量，各项矩阵参量的物理意义为：

S11=b1/a1|a2=0表示端口2匹配时，端口1的反射系数；

S22=b2/a2|a1=0表示端口1匹配时，端口2的反射系数；

S12=b1/a2|a1=0表示端口1匹配时，端口2到端口1的传输系数；

S21=b2/a1|a2=0表示端口2匹配时，端口1到端口2的传输系数；

ai=0表示第i个端口接匹配负载，该端口不存在反射波。

对S11的模取对数就可以得到以dB为单位的回波损耗：

ReturnLoss（dB）=-20log|S11|（3-7）

另外2端口的电压与信号源的电压有直接关系，所以S21可以用来表示网络的正向电压增益：

（3-8）

S参量是射频电路中最常用的参量，由于S参量很适合描述射频电路的相关性能参数，因此在射频电路中有着十分广泛的作用，是本次设计所要求的重要指标。

§3.3设计指标及流程图

（1）设计指标：

通带8－10GHz，带内波纹0.5dB。

7.2GHz以下及10.8GHz以上衰减大于40dB。

（2）下面是本人设计的滤波器的流程图：

图3-4设计流程图

L表示微带线长，W表示线宽，S表示微带线导体带的间隔。

§3.4原理图设计

基板参数：

H:

基板厚度（0.5mm）

Er:

基板相对介电常数（9.9）

Mur:

磁导率

（1）

Cond:

金属电导率（5.88e+7）

Hu:

封装高度（1.0e+33mm）

T:

金属层厚度（0.01mm）

TanD:

损耗角正切（1e-4）

Roungh:

表面粗糙度（0mm）

主要关注的技术指标：

通带边界频率与通带内衰减、起伏；阻带边界频率与阻带衰减。

这两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类（高通、低通、带通、带阻等）。

图3-5是一个微带带通滤波器及其等效电路，它由平行的耦合线节相连组成，并且是左右对称的，每一个耦合线节长度约为四分之一波长（对中心频率而言），构成谐振电路。

图3-5微带带通滤波器模型及其等效电路图

在进行设计时，主要是以滤波器的S参数作为优化目标进行优化仿真。

S21（S12）是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及衰减、起伏全都表现在S21（S12）随频率变化曲线的形状上。

S11（S22）参数是输入、输出端口的反射系数，由它可以换算出输入、输出端的电压驻波比。

如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，并且影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。

3.4.1低通滤波器原型的参数的计算

首先根据滤波器参数指标，计算出滤波器低通归一化频率

1.696

带内波纹为0.5分贝，，故选用0.5dB波纹的