《矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析毕业设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析毕业设计（75页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、矩形杆宽带交指型带通滤波器设计与仿真分析毕业设计目 录摘要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题背景11.2 HFSS软件简介11.3 国外滤波器的发展状况21.4 论文章节安排2第2章 带通滤波器的设计原理32.1 带通滤波器的分类32.2 带通滤波器工作原理32.3交指型带通滤波器设计原理及方案42.4本章小结6第3章 带通滤波器的设计过程73.1 交指型带通滤波器3D模型的设计73.1.1设置工具选项73.1.2在窗口建立新的项目83.1.3设置求解类型93.1.4建立滤波器的模型93.2 设计模型参数213.2.1边界显示213.2.2设计分析设置的参数223.2.3建立一个
2、扫描频率233.2.4模型确认243.3本章小结25第4章 带通滤波器的仿真分析274.1仿真分析274.1.1对模型进行仿真分析274.1.2解析数据274.1.3建立仿真报告284.1.4创建电磁场覆盖图304.2本章小结32结论33参考文献34致谢35 .专业.专注. 附录137附录243附录349附录455 .专业.专注. 第1章 绪论1.1 课题背景微波滤波器是雷达系统，通信系统，测量系统必不可少的组成部分，同时也是最为重要，技术含量较高的微波无源器件，一般被用来分开或整合不同频段的信号。电磁波谱是有限的，且需按应用加以分配。微波滤波器具有选频功能，可以分隔频率，即通过所需的频率信号
3、，而抑制不需要的频率信号。 微波滤波器有许多种类，其中交指型带通滤波器是微波滤波器中一种比较常用的结构形。交指型带通滤波器的适用围非常广泛，其相对带宽可以从窄带的1%一直变化到带宽的7%以上甚至更宽，其频带的变化围可以从UHF到C波段。 交指型滤波器是指由平行耦合线谐振器阵交叉组成的结构，结构多用做慢波系统，但近来研究表明，它具有优良的带通特性，具有如下优点： （1）结构紧凑、可靠性高； （2）由于每个谐振器间的间隔较大，故公差要求较低，容易制造； （3）由于谐振杆长近似等于1/4,所以第二通带中心在3以上，其间不会有寄生响应； （4）既可以作成印刷电路形式，又可以作成腔体结构，用较粗的杆作成
4、自行支撑，而不用介质。 因此，交指型滤波器在电子系统，尤其是在通信技术及近代航空航天领域中被广泛使用。同时近年来随着计算机技术突飞猛进的发展，出现了一些实用的三维高频电磁场仿真软件，如美国Ansoft的HFSS。这些实用的仿真软件对于设计出的参数可以进行进一步的仿真、优化，以达到在实际加工中的准确性和一致性。 1.2 HFSS软件简介 HFSS（High Frequency Structure Simulator）是由美国Ansoft公司开发的三维电磁场仿真系统。采用切向分量的有限元方法，自适应网格剖分，可以求解任意三维射频、微波器件电磁场分布，计算辐射材料损耗。可直接得到微波传输系统特征阻抗
5、、传播系数和S参数等，也可直接得到天线辐射方向图和特定吸收率等结果。广泛地应用于电磁场分析和微波、天线系统设计，是一种在电磁工程设计中常用的软件。本设计的主要容是藉助于HFSS，设计、分析矩形杆宽带交指型带通滤波器，主要分析带宽和结构之间的关系。1.3 国外滤波器的发展状况 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。2
6、0世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和廉价方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为70年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对于滤波器本身的研究仍不断进行。 我国广泛使用滤波器是50年代后期的事2，
7、当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门验资机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多性型滤波器的研制应用与国际发展有一定距离。1.4 论文章节安排 第1章为绪论部分，主要介绍课题具体背景及课题意义，HFSS软件简介和国外滤波器的发展状况。 第2章先总体介绍了带通滤波器的分类和带通滤波器的工作原理，然后介绍交指型带通滤波器的设计原理及方案。第3章为设计交指型带通滤波器的过程，利用HFSS软件设计矩形杆交指型带通滤波器的3D模型，然后设置模型参数，完成模型的设计。第4章主要介绍了仿真的结果及其分析，对模型进行仿真
8、分析，解析数据，建立仿真报告，创建电磁场覆盖图。 .专业.专注. 第2章 带通滤波器的设计原理2.1 带通滤波器的分类 带通滤波器分为窄带和宽带两种类型，如果上截止频率与下截止频率的比超过一个倍频程，这个滤波器就认为是宽带型的。这时滤波器的设计指标可以被分为独立的低通和高通指标，并简单地看作低通滤波器和高通滤波器的级联。窄带滤波器的设计更困难些，必须恰当的选择电路结构，而且要运用合适的变换，以避免元件不符合实际。此外，当滤波器的窄带变窄时，元件的Q值要求增大，对元件的误差和稳定的要求也随之增加。2.2 带通滤波器工作原理 一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带没有增益或者衰减，并
9、且在通带之外所有频率都完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的围，这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示，通常，滤波器的设计尽量保证滚降围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近，然而，随着滚降围越来越小，通带就变得不再平坦一开始出现“波纹”。这种现象在通带边缘尤其明显，这种效应称为吉布斯效应。BPF的频率响应特性示意图如图1所示。根据特性，可定性给出一个二阶带通滤波器的传递函数如下： 上式中均与R、C相关联图2-1 幅频特
10、性当输人信号在时的模最大，称为特征频率，并将时的值即称为通带电压放大倍数；带通滤波电路输出电压与输入电压之比的模随频率变化下降到通带电压放大倍数的7O时所对应的频率用表示，称为通带截止频率；通带宽度是两个通带截止频率之差；Q值是特征频率与通带宽度之比。从图中可看出以下几点：在通带幅频特性基本是水平的通带外的电压放大倍数为零或近似为零：通带与阻带之间的频段称为过渡带，过渡带越窄说明滤波电路的选择性越好。由于输人信号时，传递函数的虚部为零的模最大即输出信号的幅值最大。故当输人信号的频率与相同时，通过滤波器输出信号的相位不变即输人输出信号之间的相移为零或为反相。这是带通滤波器最重要的特征。2.3交指
11、型带通滤波器设计原理及方案所谓“交指型”是指由两组平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的结构。有3 种结构形式,即终端短路式、终端开路式和电容加载式。其中,终端开路式交指型滤波器的结构如图2所示。图2-2 交指型滤波器示意图其结构是在两个平行接地板间放入两个交叉的矩形杆平行耦合线阵,每个矩形杆一端短路,一端开路,长约0/4,载TEM模。杆1 到杆n(包括两终端杆在)都是用作谐振器,因此对于n个电抗元件低通原型,只要n 个杆就能实现。对于这种结构,采用近似设计方法对于宽带滤波器最为实用, 若用来设计窄带滤波器,则会发现,两终端杆将有极高的阻抗值,因而难以实现。在交指型滤波器中,由于杆端分布电容的影响,
12、谐振器实际长度比0/4 略短。在这种形式滤波器中,谐振器之间的耦合是用谐振线之间的边缘场来得到的。谐振器之间的耦合主要是磁耦合效应。利用滤波器的设计公式求出滤波器所需的归一线电容后,再利用滤波器设计图表,在指定b (谐振腔的宽度)和t (谐振器的宽度)后,就可以算出每个谐振线与地的归一单位长自电容和相邻谐振线间的归一单位长互电容。由于在推导这种耦合圆杆的设计公式时,忽略了相邻以外的边缘电容的影响,因而可用两个沿结构传输的TEM 正交模来描述, 即奇模和偶模。这两个TEM 模具有不同的特性阻抗,它们与矩形杆对地的静电容有关,而静电容又与矩形杆的单位长自电容Cg和两杆间单位长互电容Cm有关。所以,
13、要用矩形杆结构来实现滤波器的设计,第一步是要计算出归一互电容Cm /= Ck, k+1/,然后把滤波器结构分成许多小节, 每个小节由归一自电容及其左右两边的归一互电容所组成。本设计方案是设计一个=1.5GHz,BW=0.7GHz，=0.1分贝的交指型带通滤波器。用准确设计理论可以求出交指型腔体滤波器的分布电容数据表，这期间会有大量繁琐的计算，现已有根据此设计理论计算出来的分布电容数据表，这样用少量的计算便可完成滤波器的设计。运用切比雪夫逼近方式计算阶数： 式中（=通带分贝波纹=0.1dB）。 =所需阻带衰减频率，对于本滤波器给出的指标，取N=6，YA=YB=0.02，选用空气介质，则，由于采用
14、终端开路式所以导体的杆数N=N+2=8。可根据相关的公式计算出滤波器的结构尺寸。腔体的部结构对于决定滤波器的带宽，中心频率以及通带特性起着非常关键的作用。要得到滤波器的部尺寸，首先确定腔体的高度h，本滤波器取，对矩形杆进行尺寸设计，矩形杆的长宽高分别为,矩形杆谐振器之间的距离分别为，。SMA接头的导体在腔体部的长度。2.4本章小结 主要介绍了带通滤波器的分类及工作原理，还有交指型带通滤波器的设计原理及方案，本设计方案是设计一个=1.5GHz,BW=0.7GHz，=0.1分贝的交指型带通滤波器。根据设计原理得出滤波器的结构尺寸。第3章 带通滤波器的设计过程3.1 交指型带通滤波器3D模型的设计3.1.1设置工具选项3.1.1.1进入Ansoft HFSS，选择菜单Tools（工具）选择Options（选项）选择HFSS Options(HFSS 选项)3.1.1.2对HFSS Options(HFSS 选项)窗口进行设置(1)点击General（常规）(2)确认该项“ Use Wizards for data entry when creating new boundaries ”（为数据条目使用向导创建新的边界）前打勾(3)确认该项“ Duplicate
