用微波仿真软件设计一个集总(或分布)参数 滤波器
绪论
微波（Microwave）是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段，其频率范围从300MHz（波长1m）至3000GHz（波长0.1mm）。通常又将微波段划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个分波阶段，在通信和雷达工程上还使用拉丁字母来表示微波更细的分波段。表1给出了常用微波分波段的划分。
表1 常用微波分波段的划分
波段符号频率/GHz 波段符号频率/GHz
UHF 0.3--1.12 Ka 26.5--40.0
L 1.12--1.7 Q 33.0--50.0
LS 1.7--2.6 U 40.0--60.0
S 2.6--3.95 M 50.0--75.0
C 3.95--5.85 E 60.0--90.0
XC 5.85--8.2 F 90.0--140.0
X 8.2--12.4 G 140.0--220.0
Ku 12.4--18.0 R 220.0--325.0
K 18.0--26.5
对于低于微波频率的无线电波，其波长远大于电系统的实际尺寸，可用集总参数电路的理论进行分析，即为电路分析法；频率高于微波波段的光波、X射线、γ射线等，其波长远小于电系统的实际尺寸，甚至与分子、原子的尺寸相比拟，因此可用光学理论进行分析，即为光学分析法；而微波则由于其波长与电系统的实际尺寸相当，不能用普通电子学中电路的方法研究或用光学的方法直接去研究，而必须用场的观点去研究，即由麦克斯韦尔方程组出发，结合边界条件来研究系统内部的结构，这就是场分析法。
正因为微波波长的特殊性，所以它具有以下特点。
（1)似光性
微波具有类似光一样的特性，主要表现在反射性、直接传播性及集束性等几方面，即：由于微波的波长与地球上的一般物体（如飞机、轮船、汽车等）的尺寸相比要小得多，或在同一量级，因此当微波照射到这些物体上时会产生强烈的反射，基于此特性人们发明了雷达系统；微波如同光一样在空间直线传播，如同光可聚焦成光束一样，微波也可通过天线装置形成定向辐射，从而可以定向传输或接收由空间传来的微弱信号以实现微波通信或探测。
（2）穿透性
微波照射到介质时具有穿透性，主要表现在云、雾、雪等对微波传播的影响较小，这为全天候微波通信和遥感打下了基础，同时微波能穿透生物体的特点也为微波生物医学打下了基础；另一方面，微波具有穿越电离层的透射性，实验证明：微波波段的几个分波段，如1--10GHz、20--30GHz及91GHz附近受电离层的影响较小，可以较为容易的由地面向外层空间传播，从而成为人类探索外层空间的“无线电窗口”，它为空间通信、卫星通信、卫星遥感和射电天文学的研究提供了难得的无线电通道。
（3）宽频带特性
我们知道，任何通信系统为了传递一定的信息必须占有一定的频带，为传输某信息所需的频
带宽度叫做带宽。例如，电话信道的带宽为4kHz，广播的带宽为16kHz，而一路电视频道的带宽为8MHz。显然，要传输的信息越多，所用的频带就越宽。一般一个传输信道的相对带宽（即频带宽度与中心频率之比）不能超过百分之几，所以为了使多路电视、电话能同时在一条线路上传送，就必须使信道中心频率比所要传递的信息总带宽高几十至几百倍。而微波具有较宽的频带特性，其携带信息的能力远远超过中短波及超短波，因此现代多路无线通信几乎都工作在微波波段。随着数字技术的发展，单位频带所能携带的信息更多，这为微波通信提供了更广阔的前景。
（4）热效应特性
当微波电磁能量传送到有耗物体的内部时，就会使物体的分子互相碰撞、摩擦，从而使物体发热，这就是微波的热效应特性。利用微波的热效应特性可以进行微波加热，由于微波加热具有内外同热、效率高、加热速度快等特点，因而被日益广泛应用于粮食、茶叶、卷烟、木材、纸张、皮革、食品等各种行业中，另外，微波对生物体的热效应也是微波生物医学的基础。
（5）散射特性
当电磁波入射到某物体上时，会在除入射波方向外的其他反方向上产生散射。散射是入射波和该物体相互作用的结果，所以散射波携带了大量关于散射体的信息。打个比方：早晨，当太阳还没有升起来的时候，我们虽然无法直接看到太阳，但当我们看到天空被染成鱼肚白或云被染成红色时，我们就知道太阳在地平线下不远的地方了，这个信息就是通过大气或云对阳光的散射作用而传递给我们的。由于微波具有频域信息、相位信息、极化信息，时域信息等多种信息，人们通过对不同物体的散射特性检测，从中提取目标特征信息，从而进行目标识别，这是微波遥感、雷达成像等的基础。另一方面，还可利用大气对流层的散射实现远距离微波散射通信。
（6）抗低频干扰特性
地球周围充斥着各种各样噪声和干扰，主要归纳为：由宇宙和大气在传输信道上产生的自然噪声，由各种电器设备工作时产生的人为噪声。由于这些噪声一般在中低频区域，与微波波段的频率成分差别较大，它们在微波滤波器的阻隔下，基本不能影响微波通信的正常进行。这就是微波的抗低频干扰特性。
微波除了具有以上一些特性外，还有以下几个特点：
（1）视距传播特性
各波段电磁波的传播特性是不一样的，长波可沿地表传播，短波可利用电离层反射实现天波传播，而超短波和微波只能在视距内直线传播，这就是微波的视距传播特性。但由于地球表面的弯曲和障碍物（高山、建筑物等）的阻拦，微波不能直接传播到很远的地方去（一般不超过50km)，因此在地面上利用微波进行远距离通信时，必须建立中继站，并使站与站之间的距离不超过视距，微波信号就像接力棒一样一站一站的传递下去。这样显然增加了通信的复杂程度。
（2）分布参数的不确定性
在低频情况下，电系统的元器件尺寸远远小于电波的波长，因此稳定状态的电压和电源的效应可以被认为是在整个系统各处同时建立起来的，系统各种不同的元件可用即不随时间、也不随空间变化的参量来表征，这就是集总参数元件。而微波的频率很高，电磁振荡周期极短，与微波电路中从一点到另一点的电效应的传播时间相比是可比拟的，因此就必须用随时间，空间变化的参量，即分布参量来表征。由于分布参量明显的不确定性，增加了微波理论与技术的难度，从而增加了微波设备的成本。另外，随着电子设备主频越来越高，高速电路间的分布效应越来越明显，因此高速电路设计业越来越依赖于微波理论。
（3）电磁兼容与电磁环境污染
随着无线电技术的发展，越来越多的无线电设备在相同的区域同时工作，势必会引起相互干扰，尤其是在飞行器、舰船上不同通信设备之间的距离极小就会产生相互干扰，另外在十分拥挤的公共场所，众多的移动用户之间的相互影响也是显而易见的，这就必须考虑电磁兼容的问题；另一方面，越来越多的无线信号充斥于人们的生活空间，必然对人体产生影响。因此从某种意义上说，电磁环境污染已成为新的污染源。这方面已引起各国政府和科技界的广泛重视。
第一章Microwave Office软件介绍
1.1Microwave Office的引言
从八十年代开始,国际上微波电路技术已经从传统的波导及同轴线元器件和系统转移到采用微波平面电路(又称微波集成电路或微波印刷电路), 其特点是把电路印制在介质基片平面上。体积,重量和成本都大大减小。除了微带,共面波导,槽线,悬置线等无源电路以外, 微波半导体器件也可以集成在平面电路上, 构成混合微波集成电路。目前除了某些大功率和高极化纯度的场合,微波平面电路已经几乎取代了在通信,电子战,雷达和武器系统中的各种常规形式的微波电路。
然而设计微波平面电路一直是一项困难的工作。近年来设计工作变得更为复杂: 对电路的指标要求越来越高, 电路的功能越来越多, 电路的尺寸要求越做越小, 而设计周期却越来越短。为了应付这一挑战, 美国加州的Applied Wave Research公司花费了十年时间研究出一种叫做“Microwave Office”(微波办公室)的软件, 据称这种软件为微波平面电路设计提供了最完整, 最快速和最精确的解答。这种软件可以在Windows 95/98/NT操作系统下工作, 采用了面向对象的程序技术, 使用方便。一个具有普通电脑操作水平和大学英语程度的微波工程师, 通常可以在三至四周时间内, 通过学习该软件提供的有关帮助文件, 掌握该软件最基本的使用技术。然而, 要全面地掌握该软件的使用技术并不容易, 需要3~6个月或更多的时间。该公司声称, 该软件价格不贵, 其目的是使各微波公司可以把它象工具一样安装在每个工程师的计算机桌面上。据笔者所知, 该公司索要的$30,000的价位对国内大多数用户来说并不轻松, 但因为允许在网络上复制和共享, 所以对计算机很多, 并且内部联网的大公司还是可以接受。为了推广, AWR公司在它的因特网网址上提供了“ Microwave Office (2.5版本)”软件的试用本, 通过下载和索取密码, 可以得到一个月的免费试用权。也可以向该公司在中国的代理商史泰普电子公司申请试用或购买。
该软件目前在国际上已有一定的著名度, 例如英国有名的Queen's大学高频研究组, 在它的因特网网页上介绍该校的高频电子学CAD设备时, 把"Microwave Office"和"HP-ADS","HP-MDS","HP-HFSS", "Sonnet", "Mathcad", "Matlab" 等软件并列为最有用的CAD计算软件。
1.2软件的功能和两个模拟器
众所周知,微波工程问题通常可以通过电路的方法或者场的方法来加以研究。“Microwave Office”软件是通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的。对于由集总元件构成的电路, 用电路的方法来处理较为简便。该软件设有一个叫”V oltaireXL”的模拟器来处理集总元件构成的微波平面电路问题。而对于由具体的微带几何图形构成的分布参数微波平面电路则采用场的方法较为有效, 该软件采用的是一个叫”EMSight”的模拟器来处理任何多层平面结构的三维电磁场的问题。
”V oltaireXL”模拟器实质上是一个威力强大的谐波平衡和V olterra模拟引擎,它采用单频和多频谐波平衡V olterra级数来进行非线性电路的模拟, 混频器分析, 高速线性电路分析,高速噪声分析。它处理难度较大的微波电路问题的速度和精度优于其它品种的模拟器。实际上V olterra级数分析法要比普通的多频谐波平衡法快10~100倍, 是分析近线性电路的交调的最快方法。据称它是近十年来出现的最激动人心的电路模拟器。模拟器内设一个元件库, 在
建立电路模型时, 可以很方便地调出微波电路所用的一切元件,其中无源器件有电感,电阻,电容, 谐振电路, 微带线, 带状线, 同轴线等等, 非线性器件有双极晶体管, 场效应晶体管,二极管等等。特别是该元件库收集了国际上三十余家家著名公司的微波有源器件和参数, 对于电路设计和计算非常有用。
值得提出的是“V oltaireXL”模拟器具有实时调谐功能。在设计计算中, 经常需要调整电路的某些元件的参数, 以求获得最佳性能。这个模拟器与其它软件不同之处在于它调整电路元件的参数并不需要重新从头开始计算, 而是打开一个叫做“可变调谐器” 的视窗, 选择需调谐的元件的名称, 参数调谐的范围。通过移动视窗上的滑杆, 就可以使参数值从最小变化到最大。模拟器的图表视窗就马上把参数的变化对于整个电路性能的影响表现出来。这一优点是因为模拟器采用了一种叫做“增量计算”的先进分析技术, 避免了软件的许多重复计算。”EMSight”模拟器是一个完整的三维电磁场模拟程序包, 它可用于平面高频电路和天线结构的分析。方法的特点是把一种威力强大的修正谱域矩量法与直观的视窗图形用户界面(GUI)技术结合起来。该模拟器可以精确地确定平面结构的等效多端口网络散射参量。”EMSight”模拟器除了能进行常用的点频逐点计算之外, 还安装了快速扫频(FFS)算法。所以这种模拟器计算三维电磁场的精度与其它在工业上常用的方法相同, 而计算速度却快得多。它可以分析下列电路的电气特性: 射频集成电路(RFIC), 微波单片集成电路(MMIC), 微带贴片天线和高速印制电路(PCB)。”EMSight”模拟器分析的电路都安装在一个矩形的金属包装盒内, 对于电路的层数和端口数并没有限制。分析时模拟器自动地对所计算的对象进行分割, 在电流密度变化大的地方, 网格分得细, 即单元尺寸取得小。而在电流密度变化小的地方, 单元尺寸取得大。用户也可以根据需要自行调节网格密度。”EMSight”模拟器还具有显示微波平面电路内金属上电流和空间电场力线的能力。电流或电场均可以以三维或二维的形式来显示, 箭头表示电流的流向或电场的指向, 而力线颜色的深浅表示电流或电场的强弱。”EMSight”模拟器可以对微波平面电路进行许多种类的计算, (在该软件中称计算为测量)。除了可以计算电路的阻抗参量,导纳参量,散射参量,传输参量, 混合参量之外, 对于线性电路,它能计算辅助稳定因子,输入电容,群延迟, 偶/奇模传输常数/阻抗/导纳, 电压驻波比, 端口输入阻抗/导纳, 增益等。”EMSight”模拟器具有计算各种线/圆极化微带天线的电场方向图和功率方向图的能力, 在计算天线时矩形的金属包装盒边界可以改变, 顶部和底部可以改为自由空间阻抗,而侧壁可以拉远。方向图可以用直角坐标或极坐标显示, 用线性显示或对数显示。
在”EMSight”模拟器内也设有一个元件库, 其特点是列入了大量的微带元件的资料如各种弯头, 开路线, 短截线, 耦合器, 阶梯, T形接头等。还包括了许多传输线的资料。
安装“Microwave Office”软件对于计算机的硬件的基本要求是: 主频200+MHz奔腾II中央处理器(或等效的微处理机系统), 128 MB RAM内存, Windows 95,Windows 98 或Windows NT操作系统。对于复杂的电磁结构和电路则推荐使用256 MB 以上内存的工作站。
1.3 使用情况介绍
笔者在HP公司Kayak XA小型工作站上对该软件从主要功能, 解决平面电路问题的能力, 计算的精度, 使用的方便与否等几个方面进行了考察。笔者计算了两个典型的平面电路问题: (1)矩形微带贴片天线; (2)微带耦合器。工作站采用奔腾II中央处理器,主频为300MHz, 内存RAM为64MB, 硬盘容量为4000MB。
在工程设计的起始阶段, 往往需要确定微带线的基本尺寸。软件给微带线的设计提供了方便的使用环境。软件中设有一个"传输线计算器", 对于五种常用的传输线, 即: 微带线, 带状线, 共面波导, 接地共面波导和槽线, 进行极其方便的分析和综合。该计算器实际上是一
个表格。例如对于微带线的分析。只要在表格内填上微带线和基片的几何尺寸,基片的介电常数和损耗角, 工作频率, 然后按一下视窗内的"分析"按钮, 马上可以得到该微带线的电气参数包括阻抗, 有效介电常数, 传播常数, 衰减和电长度。而对于微带线的综合, 只要在表格内填上所设计的微带线的工作频率, 阻抗和电长度, (基片的尺寸和介电常数已选定), 则按一下视窗内的"综合"按钮, 马上可以得到该微带线的导体宽度和长度。
两个实例的计算情况如下:
(1)矩形微带贴片天线
贴片的尺寸为a=11.43 cm,b=7.62 cm, 基片h=1.60 mm, εr=2.62, 工作频率F=1187MHz,馈电方式采用边馈。贴片所在的XY平面剖分的基本单元尺寸选为dx=dy=2 mm, 基片的X 方向尺寸为150mm, Y方向尺寸为100mm。这是一个由具体的微带尺寸构成的"场"问题, 用这些几何尺寸可以建立一个EMSight电磁结构, 如图1(d)所示。结构分成两层,上层是空气层,其顶板是开放的自由空间,取阻抗为377欧姆; 下层是介质基片层, 底板是金属接地平面。在空气与介质交界面上建立微带天线的几何图形。使用软件中的EMSight模拟器, 可以很方便地算得天线的E面和H面功率方向图, 圆锥切割方向图以及天线的散射参数S11如图1所示。在文献[2]的图1-12有用腔体理论计算的这个例子的E面和H面的电场方向图。比较可见二者基本上是一致的。但是本软件较腔体理论计算的优点在于用矩量法计算方向图时, 能把馈线对方向图的影响考虑在内。因为"边馈"是一种不对称, 所以图1(b)的圆锥切割方向图也出现不对称情况, 这符合物理概念和实验测量。
(2)微带线定向耦合器:
在文献[3]的第九章举出了微带线定向耦合器的一些设计实例。该书第355页的一个实例中, 基片的参数是h=1.58 mm, εr=4.8, 微带线的宽度w=2.7 mm, 耦合部分的长度L=7.5 mm, 耦合部分主副线的距离为S=0.3 mm。主副线的四个端口都连有90°切角弯头。这个问题用本软件的两个模拟器都可以求解。但使用”VoltaireXL”模拟器更为方便, 因为在软件的元件库中有现成的各种耦合器和弯头的数据可以调用, 只要输入尺寸, 其电气性能即已知。然后建立一个由集总元件构成的电路图(Schematic), 如图2(b)所示。注意电路的四个端口也作为四个元件,根据实际使用情况,又分为"源端口"和"负载端口"。另外, 整个基片也作为一个元件,要输入其电参数和几何参数。在建立电路后, 选择要计算的参数, ”V oltaireXL”模拟器在几秒钟内即可求出该微带线定向耦合器在1到9GHz的性能(见图2(a))。把图2(a)与L.A.Trinogga书中的图9.5(C)的实验测量结果相比较,二者符合得很好。
1.4 结论
(1) 从上述分析和使用情况介绍可知, "微波办公室"软件是计算微波平面电路的强有力工具。其计算精度完全能满足工程设计的要求。HP公司的HFSS软件在计算封闭的波导元件方面是强有力的工具, 但是计算微带电路, 微带天线, 半导体微波器件方面则力不从心。因此"微波办公室"软件可以补充HFSS软件之不足。
(2) 在用”EMSight”模拟器分析复杂微波平面电路问题时, 对计算机的内存往往要求很高。导致计算时间非常长。甚至无法得出正确结果。如果选择尺寸较大的计算单元, 可以减少单元总数,缩短计算时间。但是计算精度往往太差, 在工程上无法接受。因此对于复杂的微波平面电路问题, 应该采用大型工作站或超级工作站。目前计算机技术所能提供的资源, 并不足以解决一切复杂的电磁场问题。矩量法和有限单元法所需的计算机内存与被研究对象的单元总数的平方成正比。近年来, 国际上趋向于采用时域有限差分法(FDTD)来研究电磁场问题, 因为FDTD所需的计算机内存仅与被研究对象的单元总数的一次方成正比。也就是说, 在同样的内存等计算资源条件下, FDTD软件能解决更为复杂的电磁场问题。
(3) 本软件的绘图工具功能过于简单。因此对一些复杂的图形, 要建立提供计算用的EM 结构有一定困难。这时可以在其它的软件上建立图形, 然后输入到"EMSight"模拟器中。"EMSight"模拟器对于AutoCAD的DXF格式, Sonnet 的GEO格式和GDSII格式都是兼容的。
(4) 尽管本软件提供了丰富的元件库, 但是还是有不少器件是元件库中所没有的。这时可以人工建立一个元件或一个子电路, 其数据可以是由实验测量所得的散射参数或其它参数。这就使计算的结果更加符合实际情况。
(5) 所有的电磁场计算软件均有其局限性, 本软件的一个明显的局限性就是只能计算制作在多层介质上的平面电路(多层介质板构成一个矩形立方体, 立方体的外面是金属外壳板)。无法计算空间平面立体电路(例如矩形波导内的鳍线电路)。另外, 虽然层与层之间的金属贴片可以互连或接地, 但是在立方体内垂直于层平面的方向不能建立接地平面。这也限制了某些平面电路,例如由多个单偶极子构成的对数周期天线的计算。尽管如此,本软件仍然不失为计算微波平面电路的一个强有力的工具。
第二章 滤波器的原理
2.1 滤波器的网络分析
大部分微波滤波器和滤波元件可通过一个二端口网络来表示，如下图3。
图3 二端口网络
其中V ，I 是端口电流（在微波频段很难测量）；，a ，b 表示归一化的入射波与反射波（容易测量）。其关系为：
这个二端口网络的传输特性可用散射矩阵（S 矩阵）表示为
参数S11、S22即为反射系数；S12、S21为传输系数。而S 参数一般是复数，可用幅值与相位来表示：
它们的幅值一般以单位dB 给出：)(lg 20dB S m n
，滤波器特性参数中LA ，LR ，分别并
表示为：
其中：LA 表示在由端口n 到端口m 的插入损耗（即设计要求中的增益相关）；LR 表示由端口n 返回损耗（即设计要求中的反射系数相关）。
2.2 微波滤波器设计
滤波器的响应是用传递函数来描述的。对于一个无源无耗的二端口滤波器网络其传递函数是S21，即有：
)
(11)(22221Ω+=Ωn F j S ε 式中：ε是波纹常数，)(ΩF 是特性函数，Ω是频率变量（单位为rad/s ）。式中，如果是取截止频率1=Ωc ，就是一个低通原型滤波器。滤波器设计思路：按照给定的技术指标设计得到低通原型滤波器，然后通过频率变换，把它变成实际低通、高通、带通或带阻滤波器。
2.3 微带电容和微带电感
利用微带传输线导体的宽度变化，可以直接在微带电路中形成等效微带电容或等效微带电感。
图3用串联微带传输线构成的串联微带电感，左为实际电路，右为等效电路。
图23中间导体变窄，是一段高阻串联微带线。由终端方程的阻抗表达式，在传输线长度d 小于工作波长时，可计算其输入阻抗i Z ：
由于'c Z 大于c Z ，可知X 大于0。可见，这段串联的高阻微带线等效为一个串联电感。
图4是由并联开路微带传输线构成的等效微带电容
微带线滤波器设计时要根据需要选取元件及其基板材料。图4就是用微带线设计的一款低通滤波器。
图5分布参数低通滤波器
第三章集总参数滤波器实验
3.1实验目的
微波技术与应用实训是通信类课程中为微波技术与应用开设的一门实践课。本课程强调以实践教学为主，在软件分析实践教学过程中要求学生把在微波技术课程中学到的基础内容贯穿起来，以软件方式实现微波器件的性能参数设置和分析。使学生通过实践能较好地掌握基本微波器件的设计和应用，更深层地掌握微波技术教材的内容。
3.2实验内容
设计一个七级集总参数低通滤波器
1）截止频率：200MHz；
2）通带增益大于-5dB；
3）阻带内300MHz以上增益：小于-35dB；
4）通带内反射系数：小于-20dB。
分布参数：设计分布参数的低通滤波器，使用微带线或者线状电路实现。
技术要求：截止频率：3GHz；通带增益大于-5dB;阻带增益：在4.5GHz以上小于-50dB;通带反射系数：小于-35dB。
3.3实验步骤及结果
1、按照原型滤波器给出滤波器的电路拓扑结构初始值；
2、利用MWO，通过给定的S参数范围来优化滤波器，把它变成实际的低通、高通、带通或带阻滤波器。
具体操作：
1）打开Wicrowave office软件，单击菜单栏上的按钮，新建一个文件并保存为"Low pass filter".在左侧的列表中双击Design Notes,输入设计实验的相关信息，方便日后查询，例如如图6所示.
图6 设计注释图7频率范围设置
2)双击Project Option,选择Global Units选项,将频率单位改成"MHZ";同样在Frequency Values选项中将单位也改成"MHZ" ，频率范围设置为从0到1000MHZ，步长为10MHZ，按"Apply"按钮应用设置，如图7所示。
3)画原理图，选择优化变量。在左侧列表栏右键单击"Circurt Schematic"添加新的原理图。想图内添加端口和元器件。最后结果如图8所示。接着选择优化变量，将L设为变量L1，再对L1赋初值40，C为40.以此类推。运行后得到未优化的结果，如图9所示
图8 原理图图9 未优化前结果图
4)添加输出图型参量.测量的为S21的参量（如图10），单位为DB，添加到列表中，再改变测量参量为S11参量（如图11）
图10 设定测量的参数为S21 图11 改变测量的参数为S11
5)添加选择优化目标，使S21参量的截止频率为200MHz，通带内增益大于-5dB设置过程如图12，优化结果如图13所示：
图12 优化目标一图13 优化目标一的结果
6）阻带内300MHz以上增益小于-35dB，设置过程如图14，优化结果如图15所示：
图14 添加优化目标二图15 优化目标二的结果
7）参量S11的通带内反射系数要求小于-20dB，设置过程如图16，优化结果如图17所示。
图16 添加优化目标三图17 优化目标三的结果
6)将其设置为可协调优化，如图18所示，这时变量会变成蓝色，如图19所示：
图 18设置可协调化
图19 变量值和颜色的变化
7)单击菜单栏Simulate/Opimize,设置优化点数为5000，按"Start"按钮开始优化.最终优化结果如图20所示。
图20 最终优化结果
第四章心得体会
通过一周的实训，才深深感到自己微波知识的匮乏，有一种书到用时方恨少的感觉。现在用它来设计滤波器，才知道知识的欠缺。所以这次的微波课程设计，我很用心的去完成。从这次课程设计中，我真正学到了很多有用的知识。
拿到课题后，我首先将《微波技术与天线》中有关本次设计的内容复习了一遍，然后根据设计要求，找了些相关资料，从而对整体框架做了个初步的了解。做完准备工作后就开始设计。
通过这次对微波的课程设计，让我受益非浅。首先深入的了解了微波的相关知识。当我们接手一个课题或项目的时候，不是马上就动手做。而是应该先进行可行性论证。首先提出几套方案，然后对各个方案进行对比。最后找出最适合的设计方案。将书本上面学到的知识和实际应用相结合。
经过这次的设计与让我收获很多：一、让我明白了“三个臭皮匠顶一个诸葛亮”和“团结就是力量”等名言名句的道理，让我明白只要我们团结协作没有什么困难是战胜不了的，团结让我们成功，团结让我们胜利，团结让我们的力量更大；二、增进我和老师同学之间的友谊情感，在与老师互动学习的过程中使我体会了老师解决问题的方法与思路，让我领会了解决问题精髓，使我们学习更有活力更有信心更有自信，培养了我们的协助合作能力；三、培养了我们的动手能力和独立解决问题的能力；四、培养了我们的自主学习能力和利用网上这个广阔平台的学习能力。
所以这次的学习，我获得了双丰收，一是加深我和老师同学的友谊，即做人方面的；二是使我获得了更多的知识，即学习方面的。总之，让我对一些电路有了大概的了解，但是由于时间方面的原因，还有很多知识我们没有接触到。这对我们来说是一个遗憾吧。所以说，坐而言不如立而行，对于这些电路还是应该自己动手实际操作才会有深刻理解。
参考文献
【1】鲍家善等，微波原理【M】。北京：高等教育出版社，1985。
【2】廖承恩，微波技术基础【M]。西安：西安电子科技大学出版社，1994。
【3】顾茂章等，微波技术【M】。北京：清华大学出版社，1989。
【4】吴万春，梁昌洪，微波网络及其应用【M】。北京：国防工业出版社，1980。【5】王元坤，电波传播概论【M】。北京：国防工业出版社，1984。
【6】R.E.柯林，微波工程基础【M】，吕继尧译。北京：人民邮电出版社，1981。【7】傅海阳，SDH数字微波传输系统【M】。北京：人民邮电出版社，1998。
【8】李宗谦，佘京兆，高葆新，微波工程基础【M】。北京：清华大学出版社，2004.
用微波仿真软件设计一个集总(或分布)参数 滤波器
绪论 微波（Microwave）是电磁波谱中介于超短波与红外线之间的波段，它属于无线电波中波长最短（即频率最高）的波段，其频率范围从300MHz（波长1m）至3000GHz（波长0.1mm）。通常又将微波段划分为分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波四个分波阶段，在通信和雷达工程上还使用拉丁字母来表示微波更细的分波段。表1给出了常用微波分波段的划分。 表1 常用微波分波段的划分 波段符号频率/GHz 波段符号频率/GHz UHF 0.3--1.12 Ka 26.5--40.0 L 1.12--1.7 Q 33.0--50.0 LS 1.7--2.6 U 40.0--60.0 S 2.6--3.95 M 50.0--75.0 C 3.95--5.85 E 60.0--90.0 XC 5.85--8.2 F 90.0--140.0 X 8.2--12.4 G 140.0--220.0 Ku 12.4--18.0 R 220.0--325.0 K 18.0--26.5 对于低于微波频率的无线电波，其波长远大于电系统的实际尺寸，可用集总参数电路的理论进行分析，即为电路分析法；频率高于微波波段的光波、X射线、γ射线等，其波长远小于电系统的实际尺寸，甚至与分子、原子的尺寸相比拟，因此可用光学理论进行分析，即为光学分析法；而微波则由于其波长与电系统的实际尺寸相当，不能用普通电子学中电路的方法研究或用光学的方法直接去研究，而必须用场的观点去研究，即由麦克斯韦尔方程组出发，结合边界条件来研究系统内部的结构，这就是场分析法。 正因为微波波长的特殊性，所以它具有以下特点。 （1)似光性 微波具有类似光一样的特性，主要表现在反射性、直接传播性及集束性等几方面，即：由于微波的波长与地球上的一般物体（如飞机、轮船、汽车等）的尺寸相比要小得多，或在同一量级，因此当微波照射到这些物体上时会产生强烈的反射，基于此特性人们发明了雷达系统；微波如同光一样在空间直线传播，如同光可聚焦成光束一样，微波也可通过天线装置形成定向辐射，从而可以定向传输或接收由空间传来的微弱信号以实现微波通信或探测。 （2）穿透性 微波照射到介质时具有穿透性，主要表现在云、雾、雪等对微波传播的影响较小，这为全天候微波通信和遥感打下了基础，同时微波能穿透生物体的特点也为微波生物医学打下了基础；另一方面，微波具有穿越电离层的透射性，实验证明：微波波段的几个分波段，如1--10GHz、20--30GHz及91GHz附近受电离层的影响较小，可以较为容易的由地面向外层空间传播，从而成为人类探索外层空间的“无线电窗口”，它为空间通信、卫星通信、卫星遥感和射电天文学的研究提供了难得的无线电通道。 （3）宽频带特性 我们知道，任何通信系统为了传递一定的信息必须占有一定的频带，为传输某信息所需的频
阶有源带通滤波器设计及参数计算
滤波器是一种只传输指定频段信号，抑制其它频段信号的电路。 滤波器分为无源滤波器与有源滤波器两种： ①无源滤波器: 由电感L、电容C及电阻R等无源元件组成 ②有源滤波器: 一般由集成运放与RC网络构成，它具有体积小、性能稳定等优点，同时，由于集成运放的增益和输入阻抗都很高，输出阻抗很低，故有源滤波器还兼有放大与缓冲作用。 利用有源滤波器可以突出有用频率的信号，衰减无用频率的信号，抑制干扰和噪声，以达到提高信噪比或选频的目的，因而有源滤波器被广泛应用于通信、测量及控制技术中的小信号处理。 从功能来上有源滤波器分为： 低通滤波器（LPF）、高通滤波器（HPF）、 带通滤波器（BPF）、带阻滤波器（BEF）、 全通滤波器（APF）。 其中前四种滤波器间互有联系，LPF与HPF间互为对偶关系。当LPF的通带截止频率高于HPF的通带截止频率时，将LPF与HPF相串联，就构成了BPF，而LPF与HPF并联，就构成BEF。在实用电子电路中，还可能同时采用几种不同型式的滤波电路。滤波电路的主要性能指标有通带电压放大倍数AVP、通带截止频率fP及阻尼系数Q等。 带通滤波器（BPF） （a）电路图(b)幅频特性 图1 压控电压源二阶带通滤波器 工作原理：这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制。典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成。如图1（a）所示。 电路性能参数 通带增益 中心频率 通带宽度 选择性 此电路的优点是改变Rf和R4的比例就可改变频宽而不影响中心频率。 例．要求设计一个有源二阶带通滤波器，指标要求为： 通带中心频率 通带中心频率处的电压放大倍数： 带宽： 设计步骤： 1）选用图2电路。 2）该电路的传输函数： 品质因数： 通带的中心角频率： 通带中心角频率处的电压放大倍数： 取，则：
微波带通滤波器设计
文章编号：1009-8119（2005）12-0036-02 基于SERENADE软件的微波带通滤波器的设计和仿真 张磊夏永祥 （北京理工大学信息科学技术学院，北京 100081） 摘要论述了应用Ansoft 公司的Serenade 8.7 微波仿真软件设计微波带通滤波器的方法，并给出了优化仿真结果。试验结果表明，利用此软件的优化结果设计出的滤波器具有良好的滤波性能，而且无需调试，一致性好，适用于工程设计。 关键词带通滤波器，Ansoft, 耦合微带线 Design and Simulation of Microwave Band-pass Filter Based on SERENADE Zhang Lei Xia Yongxiang （School of Information and Science，Beijing Institute of Technology，Beijing 100081） Abstract In this paper，the method of design and simulation of microwave band-pass filter based on Serenade8.7 was introduced，and one specific design and simulation is given too. Through the result of the test, we can see that the filter designed based on Serenade8.7 has very good performance and consistency. Keywords Microwave filter，Ansoft， Microstrip line 1 引言 在设计模拟电路时，对高频信号在特定频率或频段内的频率分量做加重或衰减处理是个十分重要的任务，因此，微波带通滤波器便成为现代电子系统中的一种关键部件，它的好坏直接决定系统的整体性能。微带平行耦合带通滤波器是工程上较为常见的一种微波带通滤波器，它是根据反对称原型滤波器设计的，这样构成的平行耦合滤波器是关于其中心对称的。它由N节平行耦合微带线组成，两个微带线之间通过平行耦合线进行耦合，这些耦合线的两端开路，长度在中心频率上为半个波长，这种滤波器可看作由N+1个平行耦合节组合而成，这些耦合节在中心频率上是1/4波长。它的输入、输出由微带T型接头与之相连接，输入、输出阻抗为50欧姆。具有结构简单，易于实现微波部件和系统的集成化等优点。 传统的滤波器设计计算方法比较复杂，而且工作量十分大，而由于现在软件技术的飞速发展，设计手段也变得越来越多，工作效率也越来越高。本设计就是利用ANSOFT公司的SERENADE软件来进行设计和优化。 2 设计步骤 本文所述的微波带通滤波器的设计方法主要包括两个部分： 1．将标准切比雪夫低通滤波器变换为符合要求的特定带通滤波器。 ①首先建立归一化低通切比雪夫滤波器的结构； ②利用频率变换将其低通频率特性变换为带通滤波器频率特性。 2．根据将集总参数元件变为分布参数元件的Richards变换和Kuroda规则用分布参数元件实现这些滤波器。 3 设计实例 滤波器设计要求如下。 信号带宽：1638～1658MHz。 插入损耗：小于1.5dB。 带内波动：小于±0.2dB。
各种滤波器
设计一个九级集总参数低通滤波器，电路结构如图所示，要求截止频率为450MHz，通带内增益大于－1dB，阻带内650M以上增益小于－50dB。通带内反射系数要求小于－15dB。要求优化参数Cost<0.5(最佳为 5（波长线长为相对值）。计算线长Z为2.5和3.5两处的输入阻抗、反射系数。并画出Z为2.5时的阻抗与导纳圆图。 低通滤波器===== 设计具体要求 ====== 通带频率范围：0MHz-300MHz 增益参数S21：通带内0MHz-300MHz S21>－0.5dB ；阻带内420MHZ以上 S21<－50dB 反射系数S11：通带内0MHz-300MHz S11<－10dB ； 2、为了节省成本，计划将该滤波器设计为7级结构。你能把它设计出来吗？根据你的优化仿真结果，探讨滤波器级数与其性能的关系。 低通滤波器===== 设计具体要求 ====== 通带频率范围：0MHz-350MHz 增益参数S21：通带内 S21>－1dB 阻带内550MHZ以上 S21<－45dB 反射系数S11：通带内 S11<－15dB 2、简述功分器的基本技术要求及其主要特性参数。
通带频率范围：0MHz-400MHz 增益参数S21：通带内0MHz-400MHz S21>－0.2dB 阻带内600MHZ以上 S21<－50dB 反射系数S11：通带内0MHz-400MHz S11<－10dB 要求优化参数 2、简述HFSS的特点及其主要应用的范围。 IVCURVEI来测量非线性器件——三极管GBJT3的特性曲线并加入调谐，分析其变化。 高通滤波器===== 设计具体要求 ====== 通带频率范围：550MHz以上 增益参数S21：通带内S21>－2dB ；阻带内0-400MHz，S21<－50dB 反射系数S11：通带内S11<－20dB； 2、你会添加Marker吗？试在S21曲线上，添加一横坐标为600MHz的Marker。添加后需请老师签字。 3、使用TXLine工具计算微带线εr＝12.9，t/h=0.1，分别计算W/h=2.5，3.0以及3.5时的特性阻高通滤波器 ===== 设计具体要求 ====== 设计一个九级集总参数高通滤波器，电路结构如图所示，要求截止频率为550MHz，通带内增益大于－1dB，阻带内0-350MHz增益小于－45dB。通带内反射系数要求小于－15dB。 2、如果要设计低通滤波器，与前面相比，有哪些步骤需要变化？并画出结构简图。 MicrowaveOffice的Optimize功能选择框中的优化算法，并画出优化算法框图。
微带滤波器的设计复习过程
微带滤波器的设计
解析微带滤波器的设计 微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。 滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。 1 微带滤波器的原理 微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。 微带滤波器是在印刷电路板上，根据电路的要求以及频率的分布参数印刷在电路板上的各种不同的线条形成的LC分布参数的滤波器。 2 滤波器的分类 最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1给出了这四种滤波器的特性曲线。
低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。 巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。 切比雪夫滤波器，又名"车比雪夫滤波器",是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。切比雪夫滤波器来自切比雪夫分布，以"切比雪夫"命名，是用以纪念俄罗斯数学家巴夫尼提·列波维其·切比雪夫（ПафнутийЛьвовичЧебышёв）。 3 微带滤波器的设计指标 微带滤波器的设计指标主要包括： 1绝对衰减（Absolute attenuation）：阻带中最大衰减（dB）。 2带宽（band width）：通带的3dB带宽（flow-fhigh）。
射频分布参数滤波器的仿真
实验4 分布参数滤波器的仿真 实验目的： 通过仿真理解和掌握微带滤波器的实现方法。 实验原理： 1．理查德（Richards）变换 通过理查德（Richards）变换，可以将集总元器件的电感和电容用一段终端短路或终端开路的传输线等效。终端短路和终端开路传输线的输入阻抗具有纯电抗性，利用传输线的这一特性，可以实现集总元器件到分布参数元器件的变换。2．科洛达（Kuroda）规则 科洛达（Kuroda）规则是利用附加的传输线段，得到在实际上更容易实现的滤波器。例如，利用科洛达规则即可以将串联短截线变换为并联短截线，又可以将短截线在物理上分开。在科洛达规则中附加的传输线段称为单位元器件，单位 。 元器件是一段传输线，当f = f0时这段传输线长为8 3．设计步骤： 1.根据设计要求选择归一化滤波器参数 2.用λ/8传输线替换电感和电容 3.根据Kuroda规则将串联短线变换为并联短线 4.反归一化并选择等效微带线 实验内容： 1.设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。 实验步骤： 微带短截线低通滤波器设计举例 下面设计一个微带短截线低通滤波器，该滤波器的截止频率为4GHz，通带内波纹为3dB，滤波器采用3阶，系统阻抗为50Ω。设计微带短截线低通滤波器的步骤如下。 （1）滤波器为3阶、带内波纹为3dB的切比雪夫低通滤波器原型的元器件值为 集总参数低通原型电路如图11.29所示。 （2）利用理查德变换，将集总元器件变换成短截线，如图11.30（a）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。 （3）增添单位元器件，然后利用科洛达规则将串联短截线变换为并联短截线，如图11.30（b）所示，图中短截线的特性阻抗为归一化值。
集总参数带通滤波器
课程设计Ⅳ报告 题目集总参数带通滤波器的设计 所在院（系） 学生姓名学号 指导教师 完成地点 年月日
基于ADS的集总参数带通滤波器的设计 摘要：滤波器在通信系统中应用较为广泛，利用滤波器的选频作用，可以滤除通信中的干扰噪声或测试中进行频谱分析。本文利用ADS软件设计一款带通滤波器，并对其进行优化和瞬态仿真分析。经过分析得出，在满足其他各项设计指标要求的前提下，优化后的滤波器选频特性得到明显提高。 关键词：带通滤波器；ADS；优化仿真；瞬时仿真
利用ADS软件设计一个集总参数带通滤波器，集总参数带通滤波器设计指标如下。 带通滤波器的中心频率为150MHz。 通带频率范围为140MHz到160MHz。 通带内最大衰减为3dB。 在100MHz和200MHz时衰减大于30dB。 特性阻抗选为50Ω。
引言.............................................................................................................................. - 1 - 一．创建原理图......................................................................................................... - 2 - 二．利用设计向导生成集总参数带通滤波器原理图........................................... - 2 - 三．观察原理图的仿真结果 .................................................................................... - 4 - 四．实现集总参数带通滤波器的原理图 ............................................................... - 7 - 1．创建新设计.................................................................................................... - 7 - 2．设计原理图.................................................................................................... - 7 - 3．原理图仿真与优化..................................................................................... - 11 - 参考文献.................................................................................................................... - 17 -
微波滤波器设计的新观点
传统的微波滤波器设计方法从滤波器特性曲线入手，通过网络综合得到集总参数元件的组成模型，进而再用分布参数元件逼近集总参数元件，从而将电路结构由集总参数变为分布参数[1-2]。对于初次接触滤波器设计的人员来说，这种方法具有直观易懂的优点，但是其缺点在于由集总参数模型向分布参数模型转变的过程中，因为分布参数元件频率特性复杂，建模难度较大。现有的文献中只有少数几种分布参数的电路形式有完整的建模分析过程，对于不同的情况下的工程设计有一定的缺憾。近年来复合左右手传输线等新型结构因其能大幅缩短电路尺寸，而在微波电路中展现了良好的应用前景，将复合传输线应用到微波滤波器设计中，成了滤波器设计的一个发展的新趋势[3-4]。 随着计算机性能的提高和电路设计软件功能的完善[5-6]，本文提出了一种滤波器设计的新观点。从滤波器的频率特性曲线出发，尝试直接进行分步参数滤波器的设计，去掉了集总参数模型的建模环节，改用软件分析代替。 理想的滤波器频率特性曲线，可用一个门函数表示。对其做傅里叶级数展开，可将原函数用在区间内的无穷多项三角函数进行逼近。在实际应用中，取该级数的前若干项，逼近后的新函数和原函数相比，通带不再是理想的平坦特性，通带和阻带之间也有一定的过渡带，过渡带的长度由所取的项数决定；另一个不同之处是新函数比原函数多了寄生通带， 原因在于选用的逼近函数是周期性的，三角函数的周期性和微带线的周期性十分相近，因此可以考虑利用不同微带线的组合来逼近滤波器频率特性曲线。 1微带线单元模型的频率特性分析 一个微波滤波器可以看作是如下单元的某种组合。 1） 单段微带线 ，如图1所示。 阻抗匹配的微带线在很宽的频段内近似为一条直线，随着频率增加，损耗略有增大。这是由于微带线本身是有耗的，波数中的阻抗系数随频率增加而增大。非阻抗匹配的微带线为近似正弦曲线，且微带线特性阻抗偏离匹配阻抗值越大时，正弦曲线的幅值越大。 将若干段微带线直接级联，可以组成近似的滤波器特性曲线，这种方式需要多节微带线，电路尺寸较大。 2）窄边耦合的微带线，如图2所示。 图2窄边耦合的微带线 Fig.2Narrow -coupled microstrip line 微波滤波器设计的新观点 白志强，丁君，郭陈江 （西北工业大学电子信息学院，陕西西安710129） 摘要：根据三角级数展开理论，将理想滤波器特性曲线做级数展开，然后用单节微带线逼近展开式中的一项或多项，级联后逼近理想的滤波器特性曲线。该方法避免了传统滤波器设计方法中的微带线建模分析的困难，在设计出的电路形式中，各单元的作用更易理解，给滤波器的调节也带来了方便。最后给出了该方法的设计实例，具有较好的频率特性曲线。 关键词：级数展开；微带线；单元分解；波形叠加中图分类号：O453 文献标识码：A 文章编号：1674－6236（2012）21-0153-03 A new viewpoint on microwave filter design BAI Zhi -qiang ，DING Jun ，GUO Chen -jiang （Electronic and Information School ，Northwestern Polytechnical University ，Xi ’an 710129，China ） Abstract:According to the theory of expansion of series ，decompose microwave filter frequency response in series ，use single microstrip line to approximate the items and combine them ，consequently get the approximate ideal frequency response.This method avoid the difficulties of microstip line modeling ，and get a easy approach to the benefits of filter elements ，which makes the adjustment work easier.In the end ，produce an example which shows good frequency response.Key words:expansion of series ；microstrip line ；cell decomposition ；fusion of waves 收稿日期：2012-06-07稿件编号：201206045 作者简介：白志强（1988—），男，湖北黄石人，硕士研究生。研究方向：微波电路设计。 电子设计工程 Electronic Design Engineering 第20卷 Vol.20 第21期No.212012年11月Nov.2012 图1单段微带线 Fig.1Single microstrip line －153－
微波滤波器的设计与仿真开题报告
毕业论文开题报告 题目微波滤波器的设计与仿真 学生姓名薛新月学号 1113024098 所在院(系) 物理与电信工程学院 专业班级通信 1103 班 指导教师薛转花 2015 年 3 月 7 日
题目微波滤波器的设计与仿真 一、选题的目的及研究意义 随着科技不断进步，无线通信前所未有的融入到生活中，尤其是贴近日常应用的短距离无线数据业务更是迅猛发展。例如WLAN、WIFI、蓝牙等短距离无线的广泛应用。极大的推动了滤波器技术的发展，也对滤波器的性能提出了更高的要求。微波滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统中必不可少的组成部分。微波滤波技术广泛应用于卫星通信、移动通信、雷达系统、导航系统等，可谓无处不在。微波滤波技术的发展经历了半个多世纪，可谓品种繁多，性能各异。可按频率响应特性分为低通、高通、带通、带阻；也可按网络函数分为最大平坦型、切比雪夫型、线性相位型和椭圆函数型；还可按工作模式、频带、频段等进行划分。面对现代通信系统对滤波器性能要求日趋严格，微波滤波技术朝着体积小、重量轻、低损耗、高可靠性、高温补性能等的综合性滤波器发展。 随着无线通信的个人化、宽带化，越来越需要人性化和高性能的终端设备，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器来满足体积小、重量轻的系统要求。 二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等 研究现状：微带滤波器在通信、信号处理、雷达等各种电路系统中具有广泛用途。随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善提出了更高的要求。发达国家都在利用新材料和新技术来提高器件性能和集成度，同时，尽可能地降低成本，减小器件尺寸和降低功耗。与国外相比，我国的微带滤波器的发展还有一定的差距。 目前，国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件，比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。他们生产的各种微波介质陶瓷滤波器、双工器、谐振器、介质天线等产品已用于微波基地站、手机及无绳电话等产品中，取得了显著的经济和社会效益。 发展趋势：随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透，新材料和制造工艺技术的发展，如单片集成电路、MEMS、LTCC等工艺，极大地带动了微带和其他类型滤波器的飞速发展。全国固态化的各类片式高频、微带滤波器和中频滤波器，向着高性能、低成本、小型化、高频化等各方面飞快发展。 研究方法：微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。 工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通
非常好的滤波器基础知识
非常好的滤波器基础知识 滤波器是射频系统中必不可少的关键部件之一，主要是用来作频率选择----让需要的频率信号通过而反射不需要的干扰频率信号。经典的滤波器应用实例是接收机或发射机前端，如图1、图2所示： 从图1中可以看到，滤波器广泛应用在接收机中的射频、中频以及基带部分。虽然对这数字技术的发展，采用数字滤波器有取代基带部分甚至中频部分的模拟滤波器，但射频部分的滤波器任然不可替代。因此，滤波器是射频系统中必不可少的关键性部件之一。滤波器的分类有很多种方法。例如：按频率选择的特性可以分为：低通、高通、带通、带阻滤波器等； 按实现方式可以分为：LC滤波器、声表面波/体声波滤波器、螺旋滤波器、介质滤波器、腔体滤波器、高温超导滤波器、平面结构滤波器。 按不同的频率响应函数可以分为：切比雪夫、广义切比雪夫、巴特沃斯、高斯、贝塞尔函数、椭圆函数等。 对于不同的滤波器分类，主要是从不同的滤波器特性需求来描述滤波器的不同特征。 滤波器的这种众多分类方法所描述的滤波器不同的众多特征，集中体现出了实际工程应用中对滤波器的需求是需要综
合考量的，也就是说对于用户需求来做设计时，需要综合考虑用户需求。 滤波器选择时，首先需要确定的就是应该使用低通、高通、带通还是带阻的滤波器。 下面首先介绍一下按频率选择的特性分类的高通、低通、带通以及带阻的频率响应特性及其作用。 巴特沃斯切比雪夫带通滤波器 巴特沃斯切比雪夫高通滤波器 最常用的滤波器是低通跟带通。低通在混频器部分的镜像抑制、频率源部分的谐波抑制等有广泛应用。带通在接收机前端信号选择、发射机功放后杂散抑制、频率源杂散抑制等方面广泛使用。滤波器在微波射频系统中广泛应用，作为一功能性部件，必然有其对应的电性能指标用于描述系统对该部件的性能需求。对应不同的应用场合，对滤波器某些电器性能特性有不同的要求。描述滤波器电性能技术指标有： 阶数（级数） 绝对带宽/相对带宽 截止频率 驻波 带外抑制 纹波 损耗
f.i.r.滤波器设计报告
一、设计指标： ● 设计一个16阶低通线性相位FIR 滤波器； ● 要求采样频率Fs 为80KHz ； ● 截止频率Fc 为10KHz ； ● 采用函数窗法设计，且窗口类型为Kaiser ，Beta 为0.5； ● 输入序列位宽为10位的有符号数（最高位为符号位）； ● 输出序列位宽为10位的有符号数（最高位为符号位）。 二、线性相位fir 滤波器理论： 有限长脉冲响应（FIR ）滤波器的系统函数只有零点，除原点外，没有极点，因而FIR 滤波器总是稳定的。如果他的单位脉冲响应是非因果的，总能够方便的通过适当的移位得到因果的单位脉冲响应，所以FIR 滤波器不存在稳定性和是否可实现的问题。它的另一个突出的优点是在满足一定的对称条件时，可以实现严格的线性相位。由于线性相位滤波器不会改变输入信号的形状，而只是在时域上使信号延时，因此线性相位特性在工程实际中具有非常重要的意义，如在数据通信、图像处理等应用领域，往往要求信号在传输和处理过程中不能有明显的相位失真，因而线性相位FIR 滤波器得到了广泛的应用。 长度为M 的因果有限冲激响应滤波器由传输函数H （z ）描述： 1 0()()M k k H z h k z --==∑ （1） 它是次数为M-1的z -1的一个多项式。在时域中，上述有限冲激响应滤波器的输入输出关系为： 1 0()()()M k y n h k x n k -==-∑ （2） 其中y （n ）和x （n ）分别是输出和输入序列。 有限冲激响应滤波器的一种直接型实现，可由式（2）生成，M=5的情况如图2-1（a ）所示。其转置，如图2-1（b ）所示，是第二个直接型结构。通常一个长度为M 的有限冲激响应滤波器由M 个系数描述，并且需要M 个乘法器和(M-1)个双输入加法器来实现。
微波滤波器的设计及实例
滤波器（Filter ） （一）滤波器之种类 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。 若以滤波器原型之频率响应来分，则常见有「巴特沃斯型」（Butter-worth）、「切比雪夫I型」（Tchebeshev Type-I）、「切比雪夫II 型」（等几类。 Active）及「被动型」（Passive)型」（L-C Lumped）及「传输线型」（ （Interdigital）、「梳型」（）及「发针型」 ）、「柴比雪夫I 型」（
（二）「低通滤波器」设计方法 (A)「巴特沃斯型」（Butterworth Lowpass Filter） 步骤一：决定规格。 电路特性阻抗（Impedance）: Zo (ohm) 通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc (Hz) ）: Ap (dB) ）：Ax(dB) ≥ N ）。 1 、 1g1 = = + n g N K N K g K ,...., 2,1 , 2 )1 2 ( sin 2= - ? = π 步骤四：先选择「串L并C型」或「并C串L型」，再依公式计算实际电感电容值。 （a）「串L并C型」 Zo f g C f Zo g L c even even C odd odd? = ? = π π2 , 2 （b）「并C串L型」 c even even C odd odd f Zo g L Zo f g c π π2 , 2 ? = ? =
（B）「切比雪夫I型」（Tchebyshev Type-I Lowpass Filter） 步骤一：决定规格。 电路阻抗（Impedance）: Zo (ohm) 通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc (Hz) 阻带起始频率（Stopband Frequency）: fx (Hz) 通带涟波量（Maximum Ripple at passband）: rp (dB) ：Ax(dB) N≥ 1 10 10 10 / 10 / 2 - =- rp Ax N 步骤三：计算原型组件值（Prototype Element Values，g K）。 N K B g A A g A g K K K K K ,..., 3,2 , 4 2 1 1 2 1 1 1 = ? = = - - - α γ α 其中 N K ( sin B N ,..., 2,1 K , N 2 )1 K 2( sin A N 2 sinh , 37 . 17 rp coth ln 1 cosh N 1 cosh 2 2 K K 1 π + γ = = π - = β = γ ? ? ? ? ? ? = β ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ε = α-
微波滤波器的发展历史趋势及种类
微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。滤波器的主要技术指标有:中心频率,通带带宽,带内插损,带外抑制,通带波纹等。 微波滤波器的分类方法很多，根据通频带的不同，微波滤波器可分为低通、带通、带阻、高通滤波器；按滤波器的插入衰减地频响特性可分为最平坦型和等波纹型；根据工作频带的宽窄可分为窄带和宽带滤波器；按滤波器的传输线分类可分为微带滤波器、交指型滤波器、同轴滤波器、波导滤波器、梳状线腔滤波器、螺旋腔滤波器、小型集总参数滤波器、陶瓷介质滤波器、SIR(阶跃阻抗谐振器)滤波器、高温超导材料等。 发展历史： 在1937年，由W．P Mason和R．A．Sykes发表的文章中首先研究了微波滤波器，他们是利用了ABCD参数推导出了大量有用滤波器相位和衰减函数。应用映像参数方法当时主要在美国各大实验室中，例如在Mn’实验室里，他们重点研究波导滤波器，而在Harvard实验室重点研究宽带低通、带通同轴及窄带可调谐滤波器。映像参数方法的工作大多在MIT实验室由Fano和Lawson完成，他们的著作对于微波滤波器有比较清晰的介绍，甚至在40年后还有应用价值。在随后的微波滤波器理论的研究和发展过程中，许多专家和学者作出了重大的贡献。Cohn在集总元件低通滤波器原型机的基础上第一个提出了方便实用的直接耦合空腔滤波器理论。上世纪60年代，G．L．Matthaei在其专著中对微波滤波器的经典设计方法作出了较全面、系统的介绍，但主要针对最平坦型和契比雪夫型，未涉及椭圆函数型和广义契比雪夫型。70年代初，A．E．Williams和Kurzrok提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器。A．E．Atia,A．E．Williams和R．W．Newcomb对交叉耦合合展开研究，总结出传输零点对称分布时的偶模网络和相应的偶模矩阵的综合方法。Levy建立了集总和分布原型的元件公式间的联系，给出了推导原型元件的简单而准确的公式；Rhode建立起了线性相位滤波器理论。1999年Richard J．Cameron把广义契比雪夫滤波器的传输零点由实数扩展到复数，从而将传输零点和时延结合起来研究，提出用循环递归的方法构成广义契比雪夫的传输和反射函数多项式，根据导纳矩阵和部分分式展开求取留数，再利用施密特正交变换的方法综合耦合矩阵，其矩阵综合和消零计算量较大。如何将不可实现或不是最简的耦合元素消零成为研究热点，但目前国际上主要采用相似变换(矩阵旋转)尽可能多地消去非零元。这一系列贡献，都可以说是微波滤波器发展史上的重大突破。
滤波器设计流程
滤波器设计流程(TUMIC) 实验要求: 用 =9.6，h=0.5mm的基板设计一个微带耦合线型的带通滤 r 波器，指示如下：中心频率 f=5.5GHz； 实验步骤： 1．计算阶次： 按照教材P109的计算步骤，仍然选用0.1db波纹的切比雪夫低通原型。根据中心频率、相对带宽和要求的阻带衰减条件，我们可得出最后n＝4。 2．用TUMIC画出拓扑图： 因为TUMIC里没有对称耦合微带线，所以我们采用不对称耦合微带线 将两个宽度设为相同，即实现对称耦合微带线的作用。如图所示：
在每个耦合微带线的2、4两个端口，我们端接微带开路分支，将微带部分的长度设置为很小，而宽度设置为与端接的耦合微带线相同即可，即此部分微带基本不产生作用。如图： 因为n＝4，我们采用5个对称耦合微带线。可知它们是中心对称的，即1和5，2和4为相同的参数。在每两段耦合微带线连接处，因为它们的宽度都不相同，所以我们需要采用一个微带跳线来连接，如图：
注意：有小蓝点的一端为1端口，另一端为2端口。 参数设置如下图： 条件中，要我们设计两端均为50欧姆的微带线。我们用此软件本身带有的公式计算出它的设计值即可。不过要注意一点，我们需在设置好基片参数(见后面)的情况下再进行计算。如图：
最后在两端加上端口，并标注1，2端口。如图： 3．参数设置： ⑴基片设置：即按设计要求里的 和h进行设置。如图： r
⑵变量设置： 上面讲到我们实际上是使用三组耦合微带线，即有三组参数。考虑每个对称耦合微带线都有w(宽度)，s(间距)，l(长度)三个参数。我们进行设计的目的就是通过计算机优化得到我们需要的这些参数的值，所以在这里，我们要将这些参数设置为变量。如图：
逆变器滤波器参数设置
逆变器滤波器参数设置 Revised by Chen Zhen in 2021
1滤波特性分析 输出滤波方式通常可分为：L 型、LC 型和 LCL 型， 滤波方式的特点比较如下： (1)中的单 L 型滤波器为一阶环节，其结构简单，可以比较灵活地选择控制器且设计相对容易，并网控制策略不是很复杂，并网容易实现，是并网逆变器常用的滤波方式。缺点在于其滤波能力有限，比较依赖于控制器的性能。 (2)中的 LC 型滤波器为二阶环节， C 的引入可以兼顾逆变器独立、并网双模式运行的要求，有利于光伏系统功能的多样化。然而，滤波电容电流会对并网电流造成一定影响。 (3)中的 LCL 型滤波器在高频谐波抑制方面更具优势，在相同高频电流滤波效果下，其所需总电感值较小。但因为其为三阶环节，在系统中引入了谐振峰，必须引入适当的阻尼来削减谐振峰，这就导致了其控制策略复杂，系统稳定性容易受到影响。当三相光伏逆变器独立运行时，一般均采用 LC 型滤波方式。 并网逆变器的滤波器要在输出的低频段（工频 50Hz）时要尽量少的衰减，而要尽量衰减输出的高频段（主要是各次谐波）。 采用伯德图来分析各种滤波器的频域响应。[1] 一般并网逆变器滤波部分的电感为毫亨级，电容为微法级，这里电感值取 1m H,电容取 100u F，电感中的电阻取Ω，在研究 LCL滤波器时，取电感值为 L1=L2= H，电阻 R1=R2=Ω。
对于单电感滤波器，以输入电压和输出电流为变量，并且实际的电感中含有一定电阻，其传递函数为： 对于采用 LC 滤波器的并网逆变器，在并网运行时，电网电压直接加在滤波器中的电容两端，因此此时电容不起滤波作用，可以看作是一个负载，从滤波效果上来说，它等同于单电感滤波器。并且对于被控量选取为电感电流IL 的采用 LC滤波的并网逆变器，由于有电容的作用，其控制电流IL与实际输出电流Io 之间有如下图所示：上式中可以看出，电感电流LI 将受到电网电压gU 的变化与并网电流0I 的影响。所以在控制过程中要参照电网电压的有效值不断调整基准给定的幅值与相位。 对于 LCL 滤波电路，逆变器输出电流与输入电压之间的传递函数可以表示为： 对比可知,可以很清楚的看到，在低频时，单 L 型滤波器与 LCL 型滤波器的频域响应相同，都是以 20d B/dec 的斜率进行衰减。但在高频部分，单 L型滤波器仍然以 20d B/dec 进行衰减，但 LCL 型滤波器以 60d B/dec 的斜率进行衰减，表明相对于单 L 型滤波器，LCL 型滤波器能够更好地对高频谐波进行衰减。将式中的 s 用 jω代入后可以看出，低频时两式分母中含有ω的项都很小，特别是ω的高次方项，可以忽略不计。因此在低频时，表达式中主要起作用的是电阻部分。而随着ω的不断上升，两式分母中含有ω的项不断增大，特别是含有ω的高次方项，因此在高频段，其主要作用的是分母中含有ω的 3 次方项。因此在高频段，LCL 滤波器是以 60d B/dec 的斜率进行衰减。对单 L 型、LC 型及 LCL 型滤波器进行比较。 在低频时，三者的滤波效果相同，并且在并网运行时 LC 型滤波器中的电容只相当于负载，不起滤波作用。而 LCL 型滤波器对高频谐波的滤波效果要优于单 L 型与 LC 型滤波器。
射频集总参数滤波器的仿真
实验3 集总参数滤波器的仿真 实验目的： 掌握利用ADS仿真滤波器电路的方法，理解有关电路与设计原理。 实验原理： 滤波器是一个二端口网络，在设计射频系统时通常会加入滤波器，滤波器可以非常精确地实现预定的频率特性。滤波器有低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器四种基本类型。 滤波器常用插入损耗作为考察滤波器的指标，插入损耗可以选特定的函数，随所需的响应而定，常用的有通带内最平坦、通带内有等幅波纹起伏、通带和阻带内都有等幅波纹起伏和通带内有线性相位等响应，对应上述响应的滤波器称为巴特沃兹滤波器、切比雪夫滤波器、椭圆函数滤波器和线性相位滤波器等。 归一化低通滤波器是设计滤波器的基础，低通、高通、带通、带阻滤波器以及分布参数元器件滤波器，可以根据归一化低通滤波器变换而来。图3.1是归一化低通滤波器的两种基本结构。 低通滤波器由N个元器件构成，各元器件的取值依滤波器响应的不同而不同。实际滤波器N的取值不会太大，通常取N=1至N=10，N值越大，阻带内衰减随着频率增大的越快。设计低通滤波器时，对阻带内的衰减有数值上的要求，由此可以计算出N值。 图3.1 归一化低通滤波器的基本结构 通过阻抗变换和频率变换两个过程可以由归一化低通滤波器得到实际的滤波器。 实验内容： 1．设计如下指标的集总参数低通滤波器： 通带频率范围为0～0.1GHz。 滤波器响应为切比雪夫Chebyshev。 通带内波纹为0.5dB。 在0.2GHz时衰减大于40dB。 特性阻抗选为50Ω。
实验步骤： 1．创建项目 下面将创建一个集总参数滤波器项目，本章所有的设计都将保存在这个项目之中。创建项目的步骤如下。 （1）启动ADS软件，弹出主视窗。 （2）选择主视窗中【File】菜单→【New Project】，弹出【New Project】对话框，在【New Project】 对话框中，输入项目名称和这个项目默认的长度单位，这里项目名称定为LC_Filter，默认的长度单位选为millimeter。 （3）【New Project】对话框如图10.10所示，单击【New Project】对话框中的【OK】按钮，完成创建项目，同时一个未命名的原理图（untitled1）自动打开。2．创建原理图 创建原理图的方法很多，这里在前面自动打开的原理图上将原理图命名，完成原理图的创建工作。创建原理图的步骤如下。 （1）在未命名的原理图untitled1上，选择菜单【File】→【Save Design】，弹出【Save Design As】对话框。 （2）在【Save Design As】对话框中，输入文件名"Filter_Lowpass1"，然后单击"保存"，将原理图命名为Filter_Lowpass1。 3．利用设计向导生成集总参数低通滤波器原理图 （1）在原理图Filter_Lowpass1中，选择【Design Guide】菜单→【Filter】，弹出【Filter】对话框，在对话框中选择【Filter Control Window】项。【Filter】对话框如图10.11所示。 图10.10 创建集总参数滤波器项目 图10.11 Filter设计向导对话框 （2）单击【Filter】对话框中的【OK】按钮，关闭【Filter】对话框，同时将弹出滤波器设计向导初始窗口【Filter Design Guide】，如图10.12所示。