微波滤波器课程设计要点.docx

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1、湖南工业大学课程设计资料袋计算机学院（系、部）20162017 学年第 二 学期课程名称微波通信 指导教师 职称.学生姓名 专业班级 学号.题 目 微波滤波器设计及其测量.成 绩 起止日期 2017 年 4 月25 日2017 年5 月上 日目 录清单序号材料名称资料数量备注1课程设计任务书12课程设计说明书13课程设计图纸张456课程设计任务书2016 2017学年第 二 学期计算机 学院（系、部）通信工程专业 班级课程名称：微波通信设计题目：微波滤波器设计及其测量完成期限：自 成17 年 4 月 25 日至 2017 年 5月 7 日共 1 周内 容 及 任 务设计内容与任务1）设计低通和

2、带通滤波器的参数2）测试低通和带通滤波器的工作频率3）对所设计的滤波器进行分析4）掌握设计相关的仿真软件5）设计总结，撰写报告进 度 安 排起止日期工作内容4.25-4.28复习相关理论、分析与设计系统4.29- 5.3滤波器的实现5.4 5.7测量数据并完成课程设计报告主 要 参 考 资 料1、王新稳.微波技术与天线.电子工业出版社。2、吴方春.现代微波滤波器的结构与设计.科学出版社。3、田加胜.微波技术基础.华中科技大学出版社。4、Richard J.Cameron 、Chandra M.Kudsia、Raafat R.Mansour.通信系统微波滤波器一一基础设计与应用.电子工业出版社指

3、导教师（签字）：年 月日系（教研室）主任（签字）：年 月日（微波通信）设计说明书微波滤波器设计及其测量起止日期：2017-4.25至2017-5.7日学 生 姓 名班级学号成绩指导教师（签字）计算机学院（部）2017年5月7日课题名称微波滤波器设计及其测量人 数组 长同组人员课 题 的 主 要 内 容 和 要 求设计内容与任务1 .了解基本低通及带通滤波器之设计方法。2 .了解常见经典的微波滤波器。3 .利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。4 .学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真，并分析结果。具 体 任 务XXX到图书馆查询图文资料和利用网络查找微波滤波器相关的资料XXX利用微

4、波软件完成切比雪夫微波低通带通滤波器的设计XXX利用硬件进行数据的测量并对课程设计进行总结时 问 安 排 与兀 成 情 况4.25-4.28复习相关理论、分析与设计系统4.29- 5.3滤波器的实现5.4- 5.7测量数据并完成课程设计报告一、设计目的二、预习内容三、设计所用设备四、设计理论分析五、测量方框图六、硬件测量七、附加知识八、实例分析九、总结与心得一、设计目的1 .了解基本低通及带通滤波器之设计方法。2 .利用实验模组实际测量以了解滤波器的特性。3 .学会使用微波软件对低通和高通滤波器的设计和仿真，并分析结果。二、预习内容1 .熟悉滤波器的相关原理等理论知识。2 .熟悉滤波器设计的相

5、关理论知识。三、设计所用设备项次设备名称数量备注1扫频仪1套亦可用网络分析仪2示波器及同轴微波检波器1组3同轴腔带通滤波器1组450 a bnc连接线2条51M Q bnc连接线2条6微波软件RFSim99软件1套微波软件四、设计理论分析1、滤波器的种类以信号被滤掉的频率范围来区分，可分为低通( Lowpass)、高通(Highpass)、带通 (Bandpass)及带阻(Bandstop)四种。若以滤波器的频率响应来分，则常见的有巴特渥兹 型(Butter-worth)、切比雪夫 I 型(Tchebeshev Type-I)、切比雪夫 n 型(T chebeshev Type-n )及 椭圆

6、型(Elliptic)等，若按使用元件来分，则可分为有源型及无源型两类。其中无源型又可分 为L-C型(L-C Lumped)及传输线型(Transmission line)。而传输线型以其结构不同又可分为平 行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及发针型(Hairpin-line) 等等不同结构。本实验以较常用的巴特渥兹型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)为例，说明其设计方法。首先了解Butter-worth及Tchebeshev Type-I低通滤波器的响应图。(1)Butt

7、erowrthBlp(N, )=rAnif -0, B(N, ) =10 时)|11 (2)Tchebyshev TypeTlp(P,N,)=112Tn2()T(rp,N, ) = 10 10ggrpN W其中2 rp /10 rp(dB)通带纹波(passband ripple), ；=101N元件级数数 0 order of element for lowpass prototype )w截通比 (stopband-to-passband ratio),w = fc / fx (for lowpass)=B Wp / BWx (for bandpass)其中fc-3 dB 截止频率(3 d

8、B cutoff frequency )fx截止频率(stopband frequency)BWp通带频宽(passband bandwidth)BWx截止频宽(stopband bandwidth )Tn()为柴比雪夫多项式(Tchebyshey polynom als)co sN co 1(“二 V if 0 一1 -1Tn()二L11co sIN cosh (- ；： )J if 工 - - 1其中,1 媪 12rp/10 = co shy coshJ, s =10，-1图1(a)(b)即是三级巴特渥兹型 B (3, 3)与三种不同纹波和级数的切比雪夫型的截通比响应的比较图。理论上，在通

9、带内巴特渥兹型是无衰减的( Maximun flat ),而切 比雪夫型较同级数的巴特渥兹型有较大的衰减量。实际应用上，除非在通带内要求必须 是平坦响应(flat response )外，大多允许通带内少量衰减，因而一般采用切比雪夫型 以获得较大的截通效应或减少元件级数。0.1.1巴特渥兹型与切比雪夫型通带响应比较图100 10020B(3 . )30T(0.25 3)-40 50T(a55).60* I I F ST(1 7 . .)7011010巴特渥兹型与切比雪夫型截通带响应比较图 其中：B (3, 3)三级巴特渥兹型的衰减响应T(0. 25, 3, 3)纹波为0.25dB的三级切比雪夫

10、型的衰减响应T (0. 5, 5, 3)纹波为 0.5dB的五级切比雪夫型的衰减响应T (1, 7, 3)指纹波为1dB的七级切比雪夫型的衰减响应2、低通滤波器设计方法：11)巴特渥兹型(Butterworth Lowpass Filter )步骤一：确定参数。电路阻抗(Impedance) : Z0 (ohmD截止频率(Cutoff Frequency) : fc(Hz)截通频率(Stopband Frequency) : fc(Hz)通带衰减量阻带衰减量步骤二：计算元件级数(Order of elements,N) 10Ax/10-1 0.5 10g 110Ap/10 _ 1N取最接近的整

11、数。N -f10gh计算原型元件值( Prototype Element Values , gD ：gK-sin(2KK2NK = 1,2,.,N步骤四:(a)先选择串 L并C型或并C串L型，再根据公式计算实际电感电容值: 串L并C型Loddgodd ZoC evengeven2 fc Zoc(b)并C串L型Coddgodd2 fc ZoI =evenge v e nZo2 二 fc2二 Zoc(2)切比雪夫 I 型(Tchebyshev Type-I Lowpass Filter) 步骤一：确定参数。电路阻抗(Impedance): Zo(ohm) 截止频率(Cutoff Frequency

12、): fc(Hz) 阻带频率(Stopband Frequency): fx(Hz) 通带纹波量(Maximum Ripple at passband): rp(dB) 阻带衰减量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB)步骤二：计算元件级数 (Order of elements,N).1 - M agN Mag 2Mag2 = 10-Ax/10fxx，其中 24cp/10/a r c c o4)=10- 1fcN取最接近的奇整数。采用奇整数是为了避免切比雪夫低通原型在偶数级时，其输入与输出阻抗不相等。步骤三：计算原型元件值(Prototype Elem

13、ent Values,gk):2Alg1 二gK = 44吸 ,k = 2,3,.,N gK -1 BK -1其中仃 3 J” =cosh，cosh ,i !)N hl=si nh-2Nrp- =ln coth_17.37(2K -1)二A-1.5DB W 50MHzMOD-6B(PASSBAND) S11 10dB 210MHZ(PASSBAND)Record Fpl S21=-3.0dBRecord Fph S21=-3.0dB(STOPBAND)Record Fxl Attn.=-18dBFxh Attn.=-18dB5、微波系统实验箱简图(接收设备)输入c 微波三同轴腔七、附加知识经典

14、原型滤波器有：最大平坦滤波器(巴特沃斯低通原型滤波器)，切比雪夫滤波器，椭圆函数滤波器，奇数阶椭圆函数滤波器， 偶数阶椭圆函数滤波器，包含传输零点的最大平坦通带的滤波器，线性相位滤波器等。在此只列举两例说明。1、最大平坦滤波器巴特沃斯低通滤波器又叫最大平坦低通滤波器，它的原型滤波器函数为= 101Og(l 力其对应的频率响应曲线如图 7所示n为元件数目，阶数 n由带外衰减决定。幅度因子 是由通带内最大衰减，小( = 1)所决定的，通常选择为3dB即： = 1OL*X/10 . 1而元件数n可由带外最小衰减确定，即-3) = 101(1 + E 加片)则滤波器阶数n可以用下式来确定，即n 加式处

15、言2)/?】明式中表示取整。若 明1 ,则以产可以近似表示为：=lOlogf + 20n log wJf因此，在阻带频率上，n越大，阻带衰减越大；而越小，阻带衰减则越小。图72、切比雪夫滤波器切比雪夫低通原型滤波器函数为：以3)10闻1 +M生6其中，乙今是n阶第一类切比雪夫多项式，即T az 日(s2(n eos1 W). 1Q )= 3h气 dr) 一之1由上式可以看出43)布二oi之间是余弦函数，在oi之间的衰减是一个余弦曲线的等波纹变化，他的最大值为lU,即%= iOJg(i + 0,于是当储（丁）在仃1时，禽是一个随b增大而单调增加的双曲余弦函数。所以其 阻带区域的衰减特性也是随3增

16、大而单调增加。设在阻带频率3、上，阻带衰减 为忆则有：LAs - 10 logl + fch2（nch-1tur）J由此可求得阻抗元件数目n为：eft*1n - ch-a/j通过与巴特沃斯原型比较可以知道，当 心31、n的值都一样时，切比雪夫响应的阻带衰减比巴特沃斯响应的阻带衰减大， 这就说明切比雪夫低原型通滤波器 在阻带衰减上的效果要好于巴特沃斯低原型通滤波器。已知&和n后，应用与巴特沃斯网络类似的方法，可以得出对应的归一化元 件化仕=2,3,速)1（帅为奇数） tm5/4)5为偶数)其中by = y2 sin2(kn/n)其衰减特性响应曲线如图8所示图8INDID=L1INDID=L2PO

17、RTP=1八、实例分析设计一个切比雪夫微波低通滤波器，技术指标为：截止频率fc=2.2GHz,在通带内最大波纹LAr=0.2dB, S11小于-16dB;在阻带频率 fs=4GHz处，阻带衰减 Las不小于30dB。输入、输出端特性阻抗 Zo=50 Ohm。1.确定原型滤波器启动软件中 Wizard模块的 AWRFilter Synthesis Wizard (AM砒波器综合向导)功能,9所示:输入各项技术指标，即自动生成原型滤波器的原理图。具体电路如图2、计算滤波器的实际尺寸(1)微带线结构高阻抗线先计算高阻抗线的宽度。已知条件:r =9.0fo=1.1GHz, H=800um T=10um

18、,阻抗 Zoh =1060,计算得 W,%；再计算高阻抗线的长度:lL1 = l L2L0 v ZohphL0*10-9 3*1014* ；um106re低阻抗线先计算低阻抗线的宽度。已知条件:8r =9.0, fo= 1.1GHz, H=800um T=10um,阻抗Zoh =10C,计算得W,%；再计算低阻抗线的长度:1c1 =lC3 =z01vpica =10*_143*10*_12Ca*10 umlC2ZoiVpiCb =10Cb*102um得到各个参数后，即可得到微带线结构滤波器原理图:MLINMLINMLINMLINMLINPORTID=TL1ID=TL2ID=TL3ID=TL4I

19、D=TL5P=1W=1000 umW=1000 umW=1000 umW=1000 umW=1000 umZ=50OhmL=10000 umL=10000 umL=10000 umL=10000 umL=10000 umPORTP=2MSUBZ=50 OhmEr=9H=800 um.T=10 um厂 IRho=1,二Tand=0 / Z /.J，ErNom=9 /Name=SUB1 .图103、实验数据记录(1)确定原型滤波器表1原型滤波器参数元件IDC1(pF)C1(pF)C1(pF)L1(nH)L2(nH)元件变量CaCbCaL0L0优化值1.6642.881.6644.9394.939图

20、11原形滤波器未经过优化图12原形滤波器优化后优化后数据：Ca=1.664, Cb=2.88, L0=4.939。(2)计算滤波器的实际尺寸表2微带线结构参数W（um）Erel L1、l L2（um）l C1、l C3（um）l c2（um）高阻抗线93.13865.3916016.9193低阻抗线8433.587.8371783.1983086.305图13优化前的图像FnE quen s； Grz;图14优化后的测量图4、结果分析首先对原型滤波器进行仿真结果分析，图3中，当f2.2GHz 时， Sii-0.2dB ; f4GHz 时，S11 =-31.19dB-30dB ,其仿真结果基本符

21、合 要求。而在自行绘制的原理图中，即图 4z中，我们可以清楚地看到，其实际指标与所要求的 指标均有较大差距，当 f-16dB, S12 =-0.5188dB4GHz 时, Si2=-28.48dB-30dB ,也就是说，在误差允许的范围内，结果成立。九、总结与心得这次的课程设计，我去图书馆查找了相关的文献，对微波技术有了更为深入的了解，从之前电磁场课程上的抽象概念到实验中较为具体的实际电路分析。自己对其中涉及到的概念都有了更加清楚的了解。 虽然我在此次课程设计后，对微 波电路和微波传输有一定感性的理性认识。 但仍然有不足之处，虽然知道这部分 实验是干什么的，但是理论知识还没学过，理论计算时不知所云。总的来说，这次设计让我受益匪浅。在以后的学习工作中，我认为自己还需要加强动手能力和理解能力，来弥补自己的欠缺