《高低通级联超宽带带通滤波器--论文》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高低通级联超宽带带通滤波器--论文（28页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、高低通级联超宽带带通滤波器的设计摘 要随着移动智能终端的快速发展，用户对无线通信带宽的要求越来越高，超宽带(UWB)技术成为解决此矛盾的主要技术之一。超宽带滤波器在此背景下应运而生，微波滤波器性能的好坏往往直接影响到整个无线通信系统的质量。本文针对超宽带滤波器的设计而展开，设计了两款高低通级联超宽带滤波器。本文首先对微波滤波器设计的基本理论进行分析，以及滤波器的技术指标。本文依据高低通级联超宽带带通滤波器的特性，采用微带多谐振荡器设计了两种多谐振荡器实现微波高低通级联的超宽带滤波器，并给出了滤波器设计的结构参数和材料属性。借助仿真软件HFSS对两种高低通级联超宽带滤波器进行仿真，通过对仿真结果
2、中正向传输系数S21和回波损耗S11进行了分析，结果表明由开槽谐振子组成的滤波器和由一对谐振子组成滤波器可使高频段或低频段的微波信号通过滤波器，且通带频段较宽实现高低通级联超宽带滤波。关键字： 超宽带(UWB)技术；微波滤波器；超宽带滤波器AbstractWith the rapid development of mobile intelligent terminal, the demand of wireless communication bandwidth demand has been increasing, Ultra-wideband (UWB) technology to bec
3、ome one of the key technologies to resolve this contradiction. Ultra-wideband filter in this context came into being, the performance of microwave filter will often directly affect the quality of the wireless communication system. This thesis designed for two high-low pass cascade ultra-wideband fil
4、ter.The thesis firstly analyzed the basic theory of microwave filter, and technical specifications of the filter. Based on the characteristics of high and low pass cascaded ultra-wideband bandpass filter, microstrip multivibrator designed two multivibrator realize microwave high and low pass filter
5、cascade of ultra-wideband, and gives structural parameters and material properties of the filters. With simulation software HFSS for both high and low pass filter cascade ultra-wideband simulation, the simulation results of the forward transmission coefficient S21 and return Loss S11 were analyzed,
6、the results show that the filter consists of slotted resonator and composed by a composition of the resonator filter allows high frequency or low frequency microwave signal through the filter, and Achieve a wider passband band cascade ultra-wideband filter.Key words：Ultra-wideband technology, microw
7、ave filter, ultra-wideband filter目 录第一章 绪 论1第一节 研究背景及意义1第二节 研究现状2第三节 论文的主要工作及结构安排6第二章 滤波器设计的基本原理8第一节 微波滤波器基本理论8第二节 滤波器的技术指标92.2.1 通带频段92.2.2 插入损耗92.2.3 带外抑制102.2.4 端口驻波比102.2.5 其他指标10第三节 本章小结11第三章 高低通级联超宽带滤波器的设计12第一节 超宽带滤波器的设计方法12第二节 基于开槽多模谐振器设计的超宽带滤波器13第三节 基于一对多模谐振器设计的超宽带滤波器15第四节 本章小结16第四章 超宽带滤波器的仿
8、真与分析17第一节 HFSS简介17第二节 基于开槽多模谐振器的滤波器仿真与分析17第三节 基于一对多模谐振器的滤波器仿真与分析19第四节 本章小结21结 论22致 谢23参考文献24第一章 绪 论第一节 研究背景及意义随着移动智能终端的快速发展，用户对无线通信带宽的要求越来越高，超宽带(UWB)技术成为解决此矛盾的主要技术之一，因此越来越多研究学者对其进行研究。超宽带以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干扰能力强等优点，具有非常广泛的应用前景和相当巨大的市场价值。虽然美国军方以及航空界对于开放超宽带频段民用仍然存在着意见分歧，但是由于超宽带技术潜在的诱人的应用前景，美国联邦通讯委员会(FCC)
9、于2002年2月批准了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用1。这为超宽带技术产品的商业化应用打开了大门，促进了超宽带系统及其器件研究的进展。由于超宽带技术可适用的领域十分广泛，为了便于管理，FCC将超宽带系统分为3类：(1)成像系统，包括地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统和医疗成像系统；(2)车载雷达系统；(3)室内超宽带系统。对于不同的通信系统，FCC都划分了不同的使用频带范围。当前，各大研究机构最为关注的是室内超宽带系统的商业价值。根据FCC的规定，室内超宽带通信系统2使用的频带范围是3.1GHz10.6GHz。随着科学技术的发展，现代移动通信基站及移动通信终端都正
10、在朝着小型化，集成化的方向发展，越来越多的通信系统和功能都集成在一种通信设备或终端上，例如，现在的手机中不仅可以同时支持GSM和CDMA通信制式，而且兼容GPS和WLAN等其他通信制式。而随着无线通信系统的不断增多的同时，频率资源也日渐紧张，如何合理的利用频率资源，在朝着更高频段发展的同时兼容好现阶段的各种通信频段资源的通信系统是无线通信发展的一个关键。多通带和超宽带滤波器在此背景下应运而生，它可以根据通信系统要求同时工作于两个或多个所需频段，在兼容现有通信频段的同时，滤除掉其他频段的干扰信号。其中，微带谐振结果非常适合于制作通信频段的高低通级联超宽带滤波器，因为从综合应用和集成化的角度出发，
11、微带谐振结果非常紧凑，并且易于与基站中的射频前端结合，便于应用。基于微带谐振结果，DGS、SIR等结构和一些新的结构也随之广泛的应用于多通带和超宽带滤波器设计中。基于微带谐振结果的高低通级联超宽带滤波器的研究，在最近十年内越来越受到学者们的重视。随着技术的成熟，高低通级联超宽带滤波器技术在无线通信系统中的应用将会越来越广，因此，研究高低通级联超宽带滤波器的新的实现形式和方法就显得特别有意义3。作为无线通信系统中不可或缺的器件之一，特别是在日益拥挤的无线频谱资源和复杂的电磁环境下，滤波器成为无线电技术中许多设计问题的中心，可以利用它来组合或分开不同的频率。滤波器既可以用来限定大功率发射机在规定的
12、频带内辐射，又可以反过来防止接收机受到工作频带以外的干扰。从超长波到微波，直至光波以上的所有频段都需要有滤波器。因此，微波滤波器是无线通信系统、雷达系统、测量系统中最常见的器件之一，其性能的好坏往往直接影响到整个无线通信系统的质量。随着微波器件集成度的日益提高，滤波器的小型化显得迫在眉睫。因此，研究具有高性能、小型化、易集成的微带滤波器有着重要的意义4。针对以上背景，利用超宽带的高保密性和抗干扰能力、多通带在频谱资源的利用率和频段兼容性方面的优势，使得它们成为近些年来的研究热点。本文针对超宽带滤波器的设计展开的，设计了两款高低通级联超宽带滤波器。第二节 研究现状超宽带技术的发展，促使新型超宽带
13、滤波器也必须不断地诞生和发展。新技术、新工艺的出现使得超宽带滤波器的设计理论也不断丰富和完善。超宽带滤波器首先是由A.Saito及H.Harada等人在2003年提出来的5。他们将微带线设计在一种特殊材料表面，而这种材料对高频信号有较大的衰减。导致这种滤波器的插入损耗较大，远远满足不了现代超宽带系统的要求。在2004年H.Ishida等人提出了一种微带环形结构的超宽带滤波器6，其相对带宽虽然可以达到83%，但是仍然满足不了超宽带系统的要求。其中，该微带环采用的是阶梯阻抗结构，其周长为一个波长，利用并联在微带环上的支节的微扰作用，可以形成双模的环形谐振器。目前国内外超宽带滤波器设计的主要方法7,
14、8有：(1)多模谐振器（MMR）技术；(2)混合微带共面波导（CPW）技术；(3)最优短路端技术；(4)电磁带隙(EBG)结构负载技术；(5)级联高低通滤波技术；(6)多层板耦合技术（新材料技术，如液晶聚合物LCP或低温共烧陶瓷LTCC）。其中，多模谐振器技术最先由L. Zhu等人提出9，后来经过很多研究和设计得到发展。该技术目的是利用多模谐振器的谐振模式去设计超宽带滤波器。图1.1 多模谐振器的超宽带滤波器结构和特性曲线图1.1所示，一个典型的多模谐振器实现的超宽带滤波器和特性曲线。可以看出，多模谐振器是一个中心为低阻抗线段而两端为等长的高阻抗线段，通过调节高低阻抗微带传输线段的阻抗比，使多
15、模谐振器的三个谐振模式在超宽带通带内。通过合适的输入/输出耦合，即可实现超宽带滤波器。值得注意的是，合适的输入/输出耦合还可以形成另外的传输极点。图1.2 复合微带共面波导结构和S参数曲线参见图1.2，采用复合微带共面波导结构10，可以设计出结构紧凑的超宽带滤波器。该结构采用微带转共面波导结构的过渡结构和共面波导短路端，作为准集总参数的电路元件实现高通滤波器。通过该高通滤波器的输入/输出端口引入交叉耦合电容，适当地设计耦合开路端，即可设计具有两个靠近通带边缘的传输零点的超宽带滤波器。为了进一步提高选择性，两个微带短路端被集成到输入/输出端口，由此设计出一个五极点的超宽带滤波器。图1.3 最优短
16、路端技术的电路模型图1.3表示最优短路端技术的电路模型。该技术的输入输出端口没有耦合，且有超过100%的相对带宽，可以实现更多的传输极点，级数较多，增加了尺寸和损耗。该电路模型有五个分支短路端，连接的电长度是端长度的两倍。通常端长度选为超宽带中心频率对应电长度的四分之一。由于连接线是非相邻的，对滤波器的选择性起到作用。因此，这种滤波器在通带边缘呈现高选择性，这等效于九阶契比雪夫滤波器。为了进一步提高选择性，改进型最优短路端的超宽带滤波器引入了输入/输出端口的交叉耦合10。不仅减小了尺寸，而且增加了传输零点，进而提高了选择性。图1.4为改进型最优短路端技术的超宽带滤波器结构和S参数曲线。图1.4 最优短路
