董文庆21040208宽阻带滤波器设计.docx
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董文庆21040208宽阻带滤波器设计
首届微波电子科大研究生微波电路设计大赛
设计方案报告
参赛题目：
宽阻带滤波器设计
参赛队编号：
11
参赛队员姓名：
董文庆（负责人）、程少飞、侯丽华
一、参赛作品的功能及应用
1参赛作品功能简介
随着信息产业和无线通信系统的发展，频谱的利用越来越多，频带资源的划分更加精细，对滤波器的性能提出了更高的要求。
设计性能高，体积小的微波滤波器，缩短滤波器研发周期，是目前微波、毫米波通信领域的关键环节之一。
由于寄生通带的存在，解决干扰问题是当今通信所面对的难题，特别是对抗干扰要求较高时，具有很好带外抑制能力的宽阻带的滤波器是必不可少的。
因此，设计一款性能优异的宽阻带滤波器具有实际应用价值。
现代微波通信系统需要高性能的滤波器,要求它们具有低插入损耗、高频率选择性以及线性相位等特性。
同时对滤波器寄生通带也提出了严格地要求。
而在滤波器的寄生通带内尤其以寄生的谐波分量最为严重。
在频率复用的通信方式中或者存在较为严重的互调时,这些寄生的通带都将产生相当不利的影响。
宽阻带滤波器是一种能有效抑制寄生通带，以达到所要求的寄生通带和谐波分量的性能。
2参赛作品应用范围
滤波器在无线通信设备中相当重要，在射频有源电路中输入输出的各级之间普遍存在，可利用其频率选择的特性分开或组合不同频率，用于变频、倍频及多路通信中，满足多频率工作中对分割频率的要求。
接收端滤波器的必要功能是：
（1）避免由于发射端输出信号的泄漏而使接收器前端饱和；
（2）除去如镜频一类的干扰信号；（3）减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。
发射端滤波器的基本功能是：
从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰，这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。
另一个很重要的功能是衰减掉发射信号中接收频率段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏度以下。
由于寄生通带的存在，解决干扰问题是当今通信所面对的难题，特别是对抗干扰要求较高时，具有很好带外抑制能力的宽阻带滤波器是必不可少的。
二、系统设计与分析
1整体设计思路
2.1.1总体框图设计
2设计原理阐述
2.2.1设计结构的确定
参赛题目的设计指标如下（宽阻带滤波器设计）：
通带频率：
1242-1320MHz
带内插损：
<0.5dB
带外抑制：
>40dB@1332-6000MHz;
额定功率：
150W（CW）
VSWR（Max.）:
1.3：
1
输入输出接头：
N-FEMAL
根据本次设计题目所给出的指标，该滤波器工作的中心频率为1281MHZ，工作带宽78MHz，相对带宽为6.09%，属于窄带滤波器，可采用耦合谐振滤波器结构；滤波器的插入损耗IL<0.5dB，要求比较严格，同时，滤波器的输入功率较大，通过查阅文献，我们发现同轴腔体带通滤波器具有功率容量大，寄生通带远，插入损耗低等特点，故可采用同轴谐振腔来实现，而且同轴腔对滤波器的信号有较好的抑制，根据一个滤波器的设计软件CoupleFila-cr的综合仿真，可采用五腔或六腔Chebyshev滤波器来实现，并且可引入两个交叉耦合来实现良好的阻带性能。
2.2.2同轴谐振腔的分析
谐振腔是组成滤波器的基本元件，通过谐振腔的不同组合即可构成不同类型的滤波器。
同轴线工作在TEM模，由其构成的谐振腔具有工作频带宽、振荡模式简单和场结构简单等特点。
（1）谐振腔的谐振模式：
同轴谐振腔通常有二分之一波长谐振腔、四分之一波长谐振腔和电容加载谐振腔三种不同的工作模式，如图2.1所示，同时给出了谐振腔的谐振波长和无载品质因数Q的计算公式。
图2.1同轴谐振腔的种类
通过图2.1给出的计算公式可以求出同轴谐振腔的谐振频率，对于电容加载谐振腔，其谐振频率与加载电容的大小有关，其准确的计算比较复杂，工程中一般采用电磁仿真软件进行仿真分析。
建立模型，对其进行本征模仿真可得到谐振腔的电磁场分布，磁场主要分布在谐振杆的短路端，电场主要分布在谐振杆的开路端。
通过分析谐振腔的场分布可以感性的判断出谐振腔藕合的性质。
（2）谐振腔的耦合：
谐振腔的祸合一般指谐振腔之间能量的传递或者交换，图4.3给出了两个谐振腔之间的祸合示意图，祸合强弱可以用祸合系数k来表示，k越大，祸合越强。
祸合系数k是指两个谐振腔之间祸合的能量与存储的能量的比值，即：
在谐振时，腔内既有电场分布有用磁场分布，ke表示腔体间电耦合率，第二项km表示腔体间的磁耦合率。
由于在谐振腔中电场和磁场处于相互转化的动态平衡之中，即电场和磁场是此消彼长的关系，因此，一般假设km取正号，ke取负号，如果km>ke，那么k取正号，则该耦合可以认为是磁耦合；相反，则为电耦合；如果km=ke，那么该耦合性质为混合耦合
对于同轴谐振腔，常见有图2.2所示的4种耦合结构。
根据同轴腔内的场分布，可以初步断定：
图2.1=2（a）、（b）分别通过在同轴谐振腔开路端开窗和耦合杆来实现电祸合；图2.2（c）、（d）分别通过在同轴谐振腔短路端开窗和耦合环的形式实现磁祸合。
图2.2常见的耦合结构
（3）外部品质因数的计算
谐振腔只有与外界存在能量交换和传递才有实用价值。
图4.12给出了同轴谐振腔的常见的三种祸合结构，图2.3（a）同轴探针直接与谐振杆相连，耦合最强;图2.3（b）采用同轴探针顶端圆盘来增大探针与谐振杆之间的电容，属于电耦合;图2.3（c）中的同轴探针弯折与谐振腔外壁相连构成耦合环，属于磁耦合。
谐振腔与外界的耦合通常用外部品质因数Qe来表示，耦合越强，外部品质因数Qe越小，相反，耦合越弱，外部品质因数Qe越大。
图2.3同轴腔的输入输出耦合结构
三、仿真与设计
1软件仿真
3.1.1仿真模型
先通过仿真软件CoupleFila-cr对要设计的滤波器进行参数的综合。
根据所要求的指标，我们可以选择合适的结构，并得到滤波器各个腔体之间的耦合系数。
图3.1所选择的耦合结构
图3.2根据所选的耦合结构得到的耦合系数
我们在得到了理想情况下的耦合系数之后，对每个腔体进行耦合系数和谐振频率的仿真，得到所要求的耦合系数下的具体的尺寸。
图3.3单腔耦合系数和谐振频率的仿真
在得到每个单腔的尺寸之后，我们再对双腔进行耦合系数的扫参，得到具体的两个腔之间的间距和调耦合螺钉的深度。
根据之前用CoupleFila-cr软件综合所得到的耦合系数的大小，我们采取下面两种耦合方式来实现。
图3.4双腔耦合系数和谐振频率的仿真
图3.5双腔耦合系数和谐振频率的仿真
根据所得到的尺寸，大致的建立的模型图3.6所示。
图3.6仿真模型
3.1.2仿真结果
图3.7CoupleFila-cr综合出来的曲线图
图3.8双腔耦合系数
图3.9有载品质因数
四、仿真结果分析
通过CoupleFila-cr得到的结果上来看，题目给出的指标是可以实现的，在理论上是可行的。
同时，三维仿真中通过单腔仿真，双腔耦合结构仿真和输入输出耦合结构的仿真的结果基本可以确定单腔的尺寸以及实现软件CoupleFila-cr综合出的耦合系数和有载Q值的参数。
虽然目前所建立的模型的仿真结果还不太理想，但在接下来的时间内，我们将对该模型进行仿真优化，继续寻求最优的结果。
并寻求对结构进行改进，以达到我们所需要的指标。
【注】
1.对于仿真与设计部分，如果没有有源电路部分的设计就不用写电路设计
2.表序与表题为5号黑体，表文为小4号宋体，表注为小5号宋体；
3.图序与图题为5号黑体，图文、图注为小5号宋体。
4.正文为小4宋体
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