1、南京邮电大学毕 业 设 计 （ 论 文 ）题 目 电可调带通滤波器设计专 业 电磁场与无线技术学生姓名 张茜茜班级学号 B10020403指导教师 黄晓东指导单位 电子科学与工程学院日期：2014 年 3 月 10 日至 2014 年 6 月 13 日I毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文） ，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。论文作者签名：日期： 年 月 日摘 要滤波器作为无线通信系
2、统、卫星通信系统、雷达系统以及遥感系统中广泛使用的关键无源器件之一，它的性能优劣将直接影响到整个系统的指标，其技术的发展始终受到人们的高度关注。近年来，具有电可调特性的滤波器逐渐成为了研究热点。本论文设计了一种电可调带通滤波器，该滤波器以平面环形双模带通滤波器为基础，利用变容二极管的电特性，实现滤波器中心频率和带宽的可调性。本文首先分析了微带环形双模滤波器相对于其他类型滤波器的优点，介绍了微带双模滤波器的结构、原理及其实现方法。在此基础上，设计出电可调带通滤波器的电路原型，电调功能通过变容二极管实现。然后，联合运用 ADS 和 IE3D 仿真软件对电调滤波器进行仿真，验证了该电路的可行性，并通
3、过对仿真数据的分析得到了可变电容对滤波器频率特性的影响。接着，根据滤波器的仿真结果和变容二极管的性能，选择 SMV1236-074 来设计可变电容的等效电路。最后，设计出实际电路的版图，并对其进行加工和实测，将实测结果与仿真结果进行对比分析。结果表明，这一设计思路的电可调带通滤波器能够很好的实现频率的电调特性，且仿真与实测具有良好的一致性，满足设计要求。关键词: 带通滤波器，微带线，双模谐振器，变容二极管，可调滤波器IABSTRACTMicrowave filter is one of the passive devices widely used in wireless communicat
4、ion systems, satellite communication systems, radar systems and remote sensing systems. Its performance will influence the whole system to a great extent. Thus the technology development of microwave filter always gets considerable attention. In recent years, the tunable filters have been attracting
5、 much attention.In this paper, a kind of tunable bandpass filter based on the planar dual-mode ring bandpass filter is investigated. Frequency tunable function is realized by changing voltage on varactors.First, in this paper, the microstrip dual-mode ring filter is compared to other types of filter
6、s, after that the dual-mode ring filter is chosen to realized the tunable filter due to its advantages. Then the structure and the design theory of microstrip dual-mode filter are introduced. On the basis of these, tunable function is realized by varators and the tunable bandpass filter is investiga
7、ted. Then, the filter is simulated by EDA tools like ADS and IE3D. Through the analysis of simulation data, the effects of variable capacitance on the frequency characteristics of the filter are obtained. Based on these, the SMV1236-074 is chosen to realized the variable capacitor. After that, the a
8、ctual layout of the circuit is designed. At last, the microstrip tunable filter is fabricated and tested. Both simulation and experiment show that the new tunable filter has a good performance and the measurement is in good agreement with the simulation.Key words: bandpass filter, microstrip line, d
9、ual-mode resonator, varactor, tunable filterII目 录摘 要 .IABSTRACT.II第一章 绪论 .11.1 课题的研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .11.3 论文的主要内容 .2第二章 微波滤波器的基础知识 .32.1 微波滤波器的分类 .32.1.1 按工作特性分类 .32.1.2 按传递函数分类 .42.1.3 按所用谐振器的类型分类 .42.2 微波滤波器的技术指标 .72.3 微带滤波器的设计方法 .92.4 仿真软件与测量仪简介 .102.4.1 ADS 仿真软件 .102.4.2 Zeland IE3D 仿真软件 .10
10、2.4.3 HP8270 矢量网络分析仪 .112.5 本章小结 .11第三章 微带双模滤波器 .123.1 微波谐振器 .123.2 微带双模滤波器 .133.2.1 基本原理 .133.2.2 实现方法 .143.2.3 两种不同响应的双模滤波器 .163.3 本章小结 .17第四章 电可调双模带通滤波器设计 .184.1 滤波器电可调部分的设计基础 .184.1.1 变容二极管 .184.1.2 滤波器的电调原理 .204.2 电可调带通滤波器的仿真与分析 .204.2.1ADS 仿真分析 .214.2.2 IE3D 仿真分析 .244.3 本章小结 .28第五章 滤波器的加工与测量 .
11、295.1 二极管的偏置电路 .295.1.1 偏置电路的设计 .295.1.2 变容二极管的选择 .305.1.3 实际电路的版图设计 .315.2 测量结果 .325.2.1 测量电路 .335.2.2 测量结果与仿真结果的比较 .345.2.3 滤波器的可调性分析 .355.3 本章小结 .39III结束语 .40致 谢 .41参考文献 .42南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文）0第一章 绪论1.1 课题的研究背景及意义目前，随着现代无线通信事业的飞速发展，频谱资源的占用越来越密集，导致频谱拥挤的问题日益突出。为了更高效地利用有限的频谱资源，对系统中广泛使用的微波滤波器的要求
12、越来越高，而具有频率可调特性的滤波器也逐渐成为了研究热点。可调滤波器大致可分为机械调谐、电调谐和磁调谐三种，机械调谐的功率容量大、Q 值高、插入损耗低；磁调谐的调谐频带宽、线性好、可靠性高；电调谐相对于机械调谐和磁调谐，具有响应时间短、易于控制、结构简单等优点，在现代通信系统中的应用越来越广泛。在实际的应用中，滤波器在发射机中位于天线之前起到后级滤波的作用，在接收机中位于天线的后端起到选频的作用，将有用的信号频率从天线接收的大量频谱中选择出来。由于电磁环境日益复杂，频谱拥挤导致的干扰频率大量增加，而具有电调特性的滤波器在收发信机中，可以有效地起到控制有用信号频率，抑制有害干扰频率，支持多信道通
13、信的作用。在军事中，电子侦察系统需要收集和分类战场上的所有的通讯和雷达信号，因此接收机必须要覆盖很宽的频段。在电子战中，为了有效地进行对抗，干扰发射机的频段也要覆盖很宽的频段。此外，雷达系统为了保证不被敌方截获，在避免被敌方干扰的情况下，要求收发机的中心频率能够迅速改变。而电调滤波器由于其调谐响应时间短，频率可连续跳变等特点，在这些军事系统中有着广泛的引用。高性能的电调预选滤波器是宽带接收机的关键部件，无论在民用还是军用中都非常重要。变容二极管的电容随着外加偏压的改变而变化，不存在磁滞效应，采用变容二极管的电调滤波器，响应速度较快，可以满足快速调谐的要求。此外变容二极管的反向电流小，几乎没有直
14、流功耗。所以，对采用变容二极管的电调滤波器的研究，有很大的实际意义和市场价值。本文的工作都是针对基于变容二极管的电可调滤波器展开的研究。1.2 国内外研究现状目前，国内外已出现了多种电调滤波器的形式，主要结构有微带线、悬置线、介质谐振器、介质集成波导（SIW）等形式。这些滤波器的可调特性主要通过微机电系统（MEMS）、铁电体元件 、压电转换器（PETs） 、PIN 二极管 、变容二极管 等可2143 6517241变有源器件来实现。根据滤波器的通带特性，目前所研究的电可调带通滤波器可分为三类：（1）具有固定中心频率和可控带宽的通带 ；129（2）具有可调中心频率和固定带宽的通带 ；83,（3）
15、中心频率和带宽都可调的通带 。2519南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文）1对于设计带宽可重构的第一类滤波器的方法有，利用 PIN 二极管连接或隔离开环使谐振器具有可变的传输极点数目 ，利用变容二极管协调开路或短路传输线使其具有可独立移动9的传输零点 ，或者利用 PIN 二极管使可重构耦合线具有三阶可调带宽 等。12 1对于第二类滤波器，其固定的带宽可通过负载集总 LC 谐振电路的变容器调谐微带梳状线来实现 ，恒定带宽与可控斜率参数有关。在文献 中，采用平行耦合可变延长线来获13 8得高的工作功率和线性度。然而，附加的宽带功率分配器使整个滤波器的体积庞大。另外几种方法，包括利用迂回
16、线和变容器扰动的双模式环形谐振器 和具有变容器负载的双模式14开环谐振器 ，被用来实现中心频率的可调性。另一方面，文献 和 中，主要展现了利15 617用在变容器调谐的微带传输线谐振器之间独立或混合的电磁耦合，来获得中心频率可调性的方案。为了能够同时获得中心频率和带宽的可调性，第三类滤波器采用了引入耦合衰减器的微带梳状线 、变容器可调梳状线 、具有可调倾斜度的谐振器 等结构来提供一个带宽可19 20 21调性的附加自由度。最近的技术，包括具有变容器的双模三角形贴片谐振器 和由变容器2扰动的微带双模环形谐振器 ，被用来实现可调滤波器。技术上来说，双模式环形谐振器，23由于其高的选择性、双模谐振的
17、紧凑性 和多级滤波器设计的易扩展性 而被人所熟知。15 264双模式环形滤波，第一次由 Wollf 在文献 中提出。文献 展现了，环形谐振器的简并模2728式可由扰动元件在微带带通滤波器的两个通带边缘引入两个传输零点来激发。另外，文献中通过分析耦合矩阵验证了简并模式的耦合，并通过全波仿真获得元件值。在文献 中，2 23环形谐振器的奇偶模谐振被对角合并的平行变容器扰动，从而获得可调谐的中心频率和可控的带宽。1.3 论文的主要内容本文的主要工作和组织结构如下：第一章为绪论部分，简要地阐述了课题的研究背景和论文的主要安排；第二章介绍了微波滤波器的基础知识，包括微波滤波器的类型、技术指标，以及设计过程
18、中所用到的仿真软件和测量工具，并重点介绍了微带滤波器的设计方法及过程；第三章介绍了微波谐振器，给出了微波滤波器的频率特性以及微波滤波器各个类型之间的比较，重点介绍了微带双模带通滤波器的基本原理和实现方法，为后面电可调带通滤波器的设计打下基础；第四章分析了电可调双模带通滤波器的设计原理，详细描述了电调部分的设计过程，并给出了仿真结果和分析；第五章介绍了滤波器的实物设计、加工和测量的过程，重点介绍了变容二极管偏置电路的设计，并对测量结果与仿真结果进行了比较和分析。结束语总 结 了 本 文 的 主 要 工 作 ， 分 析 了 设 计 过 程 中 存 在 的 问 题 ， 展 望 本 课 题 未 来 的
19、 工 作。南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论文）2第二章 微波滤波器的基础知识微波滤波器现在已成为一种十分重要的微波元件，其种类繁多，仅按其所用的传输线的类型来分，就可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带滤波器等等。微波滤波器之所以得到广泛的应用，是由于它有选频功能，可以分隔频率，即通过所需频率的信号，而抑制不需要频率的信号。目前由于在雷达、微波通信等部门，多频率工作越来越普遍，对分隔频率的要求相应提高，所以需用大量的微波滤波器。微波固体器件的应用对滤波器的发展也有推动作用，因为像参量放大器、微波固体倍频器、微波固体混频器等一类电路元件都是多频率工作的，需要有相应的滤波器
20、；又由于这些微波固体器件相当大部分是做成微带集成电路的形式，因此微带滤波器就迅速发展起来。微带滤波器和波导、同轴线等微波滤波器的主要区别仅在于传输线形式的不同，在主要特点方面，例如釆用半集总参数或分布参数结构是相同的，因此有关微波滤波器的一些基本概念和基本设计方法对微带滤波器也适用。2.1 微波滤波器的分类2.1.1 按工作特性分类按照滤波器的工作特性分类，有低通、高通、带通和带阻四种基本类型，其衰减频率特性如图 2.1 所示。不同类型的滤波器具有不同的工作特性，它们的应用场合也不同，其中高通滤波器在实际应用中相对使用较少。图 2.1 四种基本滤波器南京邮电大学 2014 届本科生毕业设计（论
21、文）32.1.2 按传递函数分类根据滤波器实现的传递函数一般可分为巴特沃兹、切比雪夫、椭圆、高斯、贝塞尔等类型，其中前三种较为常用，图 2.2 分别给出了理想、巴特沃兹、切比雪夫和椭圆函数四种响应的低通滤波器的频率响应。“巴特沃兹响应”也称为“最平坦响应” ，这是因为滤波器在通带内的幅度衰减曲线非常的平滑，但是通带到阻带的过渡带很难做得陡峭。切比雪夫滤波器的设计是使用切比雪夫多项式来逼近滤波器的幅度衰减，其特点是在通带内有等波纹系数的幅度衰减曲线，因此，“切比雪夫响应”也叫“等波纹响应” 。由于切比雪夫滤波器的设计相对于巴特沃兹滤波器需要更多的部件，因而具有比较陡峭的通带到阻带的过渡带，即比较好的选择性。 “椭圆函数滤波器”的参数须用椭圆函数来进行计算，又叫“考尔滤波器” ，它的幅度衰减函数在通带和阻带内都具有切比雪夫波纹，能实现最陡峭的过渡带，因而它的带外抑制能力最强。图 2.2 低通原型滤波器的衰减频率特性2.1.3 按所用谐振器的类型分类微波滤波器一般使用分布参数来实现，而微波谐振器的种类繁多，按照所用谐振器的类型来分，可分为介质滤波器、波导滤波器、同轴线滤波器、微带线滤波器、带状线滤波器等结构的滤波器。其中每一种谐振器都有自己的优势和不足，因此根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器是很有必要的。
