1、电磁场与电磁波研究型教学1电磁场与电磁波课程研究性学习报告姓名 周亚洲 学号 09211049 指导教师 王国栋 时间 2011.5 电磁场与电磁波研究型教学2目录目录微波滤波器的理论与仿真 .3一、摘要 .3二、正文 .31 引言 32 理论分析 .43、计算机仿真 .74、结论 .9三、附录 .9四、参考文献 .10电磁场与电磁波研究型教学3微波滤波器的理论与仿真一、摘要本次研究型教学的主要目的是加深对电磁场基础理论的理解，扩展电磁场的学习范围，并可融汇数字信号处理、电路分析的基础知识。通过查阅文献，学习滤波器的设计及软件的应用，培养学术研究兴趣，培养独立的研究和实践能力。本次研究主要是基
2、于插入损耗法设计滤波器，并计算相关的参数,然后用相关的仿真软件得到滤波器的微带线实现图。二、正文1 引言在无线通信系统中, 高性能的低通滤波器起着非常重要的作用, 它常被用来抑制系统的谐波输出。阻抗阶跃低通微带滤波电路是一种结构简洁的电路, 非常便于电路的设计和实现, 然而阶跃阻抗结构在接头处由于相邻耦合线节的线宽不同会产生不连续性, 传统的阶跃阻抗低通滤波器所提供的响应在通带内的插入损耗较大, 不满足一些微波通信应用的要求; 随着无线通信技术的飞速发展, 无论是军事通信系统还是民用通信系统, 都对通信设备小型化提出了更高的要求, 人们希望它体积更小、重量更轻、性能价格比高。为了适应这种需求,
3、 献 1 采用电磁带隙结构与高低阻抗线结合的方法, 虽然通带性能有所改善, 但体积增大了, 阻带性能变差了; 采用DGS 电磁场与电磁波研究型教学4技术和增加电抗元件的方法取得一定效果, 但这种结构增加了制作的复杂性, 且由于不连续性还会带来场的泄漏问题; 若采用微细加工技术, 在基片上制作高低阻抗低通滤波器, 实现的成本和复杂度大大提高。本文引入分形结构, 把低阻抗线制作成岛Koch 形状, 利用其成阶梯锯齿状分布的线宽来改善滤波器的通带特性, 而又几乎不影响滤波器的阻带特性; 并且采用分形结构不需增加任何集总参数元件, 传统的设计方法继续适用。研究的问题：2） 设计一个阶跃阻抗低通（Ste
4、pped low）滤波器，其截至频率为3G，用5阶0.5dB等波纹响应。假定R0 = 50，Zl = 15，Zh = 120.（a）计算各设计阶段理论值，求出所需5节的电长度。（b）应用软件画出插入损耗与频率的关系曲线。（c）应用软件画出在FR4基片上画出滤波器的微带线布线图。FR4基片特性有 ，d = 0.079；铜的电导率为5.8107 S/m；铜导体厚度0.0127mm。2 理论分析LC滤波器设计的一般步骤：1、低通滤波器原型设计；2、将低通滤波器原型转换到要求设计的低通、高通、带通、带阻滤波器；3、用集总参数元件实现所设计的滤波器。电磁场与电磁波研究型教学5归一化低通滤波器原型变换原理
5、 为了将集总参数元件变换成分布参数元件，提出了一种独特的变换，该变换可将一段开路（短路）传输线等效于分布的电感（电容）元件由传输线理论知，一段特性阻抗为的终端短路传输线具有纯电抗性输入阻抗：Zin:Zin=JZ0tan(l)=jZ0tan（）其中为电长度，为了使它与频率的关系更加明显，它也可以用以下方法来表式若传输线的长度为，而相应的工作频率为，则电长度可表示： 08 4 0 4同理，电容性集总参数元件也可以用一段开路传输线来实现。微带短截线低通滤波器的设计：电磁场与电磁波研究型教学61、根据设计要求进行低通滤波器原型设计；2、采用Richard变换将低通滤波器原型中的电感和电容转换为等效的/
6、8串联和并联短截线；3、应用Kuroda规则将串联短截线转换为并联短截线；4、阻抗和频率定标。Richard变换：1、电感L可等效为长为/8，特性阻抗为L的短路线；2、电容C可等效为长为/8，特性阻抗为1/C的开路线。根据设计要求，查表得到低通滤波器原型。电磁场与电磁波研究型教学7阻抗阶跃低通微带滤波电路使用高特征阻抗ZH 和低特征阻抗ZL 的无耗传输线交替出现, 构成滤波电路的基本结构。由微波网络基本理论可知:一段高阻抗短传输线可以等效为一个串联电感, 一段低阻抗短传输线可以等效为一个并联电容 4 。在低通滤波电路频率变换和阻抗变换时, 对于串联电感和并联电容存在如下关系=l ， =l (1
7、)R1R式中, gN 为归一化滤波电路的参数。阶跃阻抗低通滤波电路的传输线的长度满足 = , = (2)0 0式中, LH 和LL 分别代表高低阻抗微带线的长度。使用式( 2) 可以计算得到5 阶契比雪夫低通滤波电路各微带传输线的结构参数如表 1 所示。3、计算机仿真接下来用 ADS 软件对所设计滤波器进行仿真。将各段短传输线的长度和宽度均设为变量, 以理论计算的参数作为初值在一定范围内仿真、优化, 在两端口处各增加两段传输线作为匹配, 电路原理及其仿真结果如图 1 所示。可以看出经过优化仿真与电路匹配后电路仿电磁场与电磁波研究型教学8真结果达到了目标。插入损耗与频率的关系曲线如下图所示其在
8、FR4 基片上画出滤波器的微带线布线图如下图所示原理图的仿真是在完全理想的状态下进行的,而实际电路板的制作往往和理论有较大差距, 需要考虑干扰、耦合等因素的影响。因此, 需要在 ADS 中进一步对版图仿真。上图所示的滤波器原理图对应的版图结构及其仿真结果如图 2 所示。仿真结果表明: 滤波器的带宽小于 3 GH z, 且在 3 GHz 时滤波器的反射损耗很大 , 约为-0.87 dB。由以上结果看出版图仿真结果与电路仿真结果相差很远, 电磁场与电磁波研究型教学9仔细分析产生这种现象的原因, 发现是 4、5、6、7、8 这几段微带线特性阻抗相差太大, 表现为相邻耦合微带线节的宽度相差太大。从以上
9、的仿真结果来看计算的参数与仿真出来的参数有较大的差距，这可能是低通滤波器的选择上有问题，还有就是在计算上可能存在较大的误差。但总体来说误差还是可以接受的所以整个的仿真应该算是比较成功的。4、结论阶跃阻抗微带线在接头处由于相邻耦合线节线宽不同会产生不连续性, 在线宽相差很大时这种不连续性会使得版图仿真与电路原理图仿真结果相差很远。为此, 论文先对高低阻抗线的结构参数进行预处理, 然后再引入分形技术对低阻抗微带线的版图作进一步优化。以一个 5 阶契比雪夫型阶跃阻抗微带低通滤波器设计为例, 仿真结果表明: 滤波器通带内的最大反射损耗从- 0.87 dB 降低到- 15.22 dB。与直接采用分形结构
10、滤波器设计方法相比, 本文提出的方法还有利于减少分形结构的迭代次数, 降低加工精度要求, 在加工精度受限制的情况下, 本文提出的设计优化方法更具有实际意义; 另一方面, 基于 ADS 软件平台设计阶跃阻抗微带低通滤波器, 是对基于 HFSS 软件平台设计方法的补充, 而且论文给出的设计与优化方法对于微带带通滤波器或微带天线的设计与优化也具有借鉴意义。电磁场与电磁波研究型教学10三、附录通过此次的研究型教学，我学会了使用 ansoft designer 这个软件，并且通过自学学会了如何去设计一个阶跃低通滤波器，通过这部分内容的学习，我明白了即使是初看起来一件比较简单的事情或者一个简单的器件，当你
11、深入的去研究他时，就会有很多意想不到的事情出现，解决问题的过程中我们就慢慢的成长了起来。谁对问题研究的越深，谁就会提出更多的问题或者说解决更多的问题。微波滤波器的实例就能很好的说明这个问题。在研究过程中我们把整个问题化整为零，然后逐个的加以解决，最后再把他们和在一起，也就解决了大问题。四、参考文献陈文灵, 王光明, 齐谊娜, 等. 基于分形理论的高低阻抗线低通滤波器J . 电波科学学报, 2008刘海文, 孙晓玮, 李征帆, 等. 周期性缺陷接地结构的微带线J . 电波科学学报, 2007杨金伟基于 Richards 变换与 Kuroda 规则的射频波器设计J ，台州学院学报，2006Reinhold Ludwing ,Pavel Bretchko射频电路设计:理论与应用 王子宇，张肇仪，徐承和等，译北京：电子工业出版社，2002
