电磁兼容原理-课程设计

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1、电磁兼容原理与设计电磁兼容原理与设计课程设计报告课程设计报告姓名： 庞平 ；班级：2012029170 ；学号：2012029170017 姓名：丁启程 ；班级：2012029170 ；学号：2012029170009 完成日期：2015 年 4 月 12 日I、目标、目标设计一个 LC 带通滤波器，其通带位于2.0,3.0GHz，通带内的回波损耗 为-20dB，在 4.0GHz 处的带外抑制至少为 20dB。源电阻及负载皆为 50 欧姆。II、设计原理、过程及结果、设计原理、过程及结果对于本次的设计，我们组采用最平坦型低通滤波器来变换设计，其频率衰 减特性用巴特沃斯函数拟合： 由微波网络知识

2、，由带通滤波器到低通原型滤波器的频率变换公式1为：(1) 0000120-W1-，其中，为带通滤波器频率；为低通原型滤波器频率；，为带通,12滤波器截止频率； 为带通滤波器中心频率； ：相对210012-W带宽。 （1）确定滤波器级数为了保证在元件公差为 5%是出现的截止频率，所以选择通带范围为 1.9GHz3.2GHz。由设计参数的约束，首先考虑本次设计采用几阶的滤波器。 本次设计从回波损耗和衰减来确定阶数。 有微波网络相关知识1，可以得到回波损耗和衰减的关系：(2)1101010RL-10LA-其中 LA 为衰减，RL 为回波损耗。 巴特沃斯低通原型的衰减函数为：(3) n21lg10LA

3、其中，n 为滤波器阶数。 为了对任意频率的滤波器都适用，可以采用归一化频率(4)c，衰减函数改为(5) n2,1lg10LA令，可以得到是由通带内最大衰减决定0(6)11010LA 阶数 n 由带外最小衰减决定(7) ,10lg2110lgnsLA（2）设计滤波器低通原型 有数据可以得到阶数为 8 级滤波器，我们用电感输入式的低通模型，其电 路图和元件参数如图 1图 1 低通原型电路及参数图 （3）把滤波器由低通原型换算到带通滤波器 低通原型滤波器中串联支路变换到带通滤波器中为电感与电容相串联形成 的谐振电路，换算关系为：(8) 低通原型滤波器中并联支路变换到带通滤波器中为电感与电容相并联形成

4、 的谐振电路，换算关系为：(8)负载关系为：(9) 由以上关系式计算得到带通滤波器的实际参数和实际电路如图 2：图 2 带通滤波器实际电路及参数图（4）带入实际数据画出散射矩阵的 S11 和 S21 的图像 滤波器的传输矩阵为(10)由传输矩阵和散射矩阵的关系可得(11)(12) 画出 S11 和 S21 如图 30123456-140-120-100-80-60-40-200S11值 S21值 值 值值 值 f(GHz)值 值 值 dB值S11 S21图 3 S11 和 S21 图像根据该模型计算得散射系数 S11（2GHz）= -15.6，S11（3GHz）= -20.1，S11（4GHz

5、）=-0.001； S21（2GHz）= -0.12，S21（3GHz）= -0.04，S21（4GHz）=-44.88； (5)用专用软件 FilterSolutions 进行设计 根据设计要求和已计算出的滤波器所需最低阶数： 中心频率：f=2.5GHz； 通带带宽取宽于设计要求：f=1.5GHz； 所需最低阶数 n=8； 输入输出阻抗：Rin=Ro=50 可以使用 FilterSolutions 帮助进行快速设计。 使用以上参数设计的巴特沃兹带通滤波器电路及参数如图 4：图 4 巴特沃兹带通滤波器电路及参数由FilterSolutions 仿真绘图可得到该电路的频率响应（如图 5）和反射系

6、数 （如图 6）：图 5 滤波器的频率响应图 6 滤波器的反射系数由以上仿真图像可得到： 频率响应 S21（2GHz）=-0.04，S21（3GHz）= -0.001，S21（4GHz）=-34.34； 反射系数 ref（2GHz）=-19.29, ref（3GHz）=-35.29, ref（4GHz）=- 0.0016； 回波损耗 S11（2GHz）=-38.58, S11（3GHz）= -70.58, S11（4GHz）=- 0.0032； (6)模型的检验与分析由于 matlab 库函数有巴特沃斯模型，我们就先用 matlab 库函数的模型简 单绘出波特图，如图 7，与自己设计的参数图像

7、对比。11.522.533.544.555.56-50-40-30-20-10010matlab值 值 值 值 值 值 值 值 值值 值 f(GHz)值 值 值 dB值图 7 matlab 库函数衰减图根据该模型模型得到的降增益理论值： H（2）=-0.12；H（3）=-0.04；H（4）=-44.88；1.III、结果讨论、结果讨论1.对比 matlab 中的巴特沃兹模型的降增益和使用 matlab 计算参数所设计的 滤波器的散射参数，结果在误差范围内一致（降增益在小数点后四位才出现差 别）。 2.对比使用 matlab 计算参数所设计的滤波器与使用 FilterSolutions 设计 的

8、滤波器，前者的通带稍有偏移，而后者则完全满足设计要求。IV、备注、备注%-程序 1：求解所需滤波器的级数- f1=1.9; %通带截止频率 f2=3.2; %通带截止频率 f3=4; %阻带截止频率 RL=20; %通带回波损耗 As=20; %阻带最小抑制 %技术指标 fc=sqrt(f1*f2); W=(f2-f1)/fc; f11=1/W*(f1/fc-fc/f1); f22=1/W*(f2/fc-fc/f2);f33=1/W*(f3/fc-fc/f3); %频率换算 LA=-10*log10(1-10(-RL/10); %求解衰减 e=10(LA/10)-1; N=ceil(log10

9、(10(As/10)-1)/e)/(2*log10(f33/f22)/2)*2; %求解级数 sprintf(所需滤波器的级数为:%dn,N)； %-程序 2：绘制 S11 和 S21 的图像 a=0.3901.1111.6631.9621.9621.6631.1110.390; %低通原型的元件参数 f1=1.9; f2=3.2; f3=4; %技术指标 fc=sqrt(f1*f2); W=(f2-f1)/fc; Z0=50; L1=Z0*a(1)/(W*2*pi*fc); C1=W/(2*pi*fc*Z0*a(1); L2=Z0*W/(2*pi*fc*a(2); C2=a(2)/(W*2*

10、pi*Z0*fc); L3=Z0*a(3)/(W*2*pi*fc); C3=W/(2*pi*fc*Z0*a(3); L4=Z0*W/(2*pi*fc*a(4); C4=a(4)/(W*2*pi*Z0*fc); L5=Z0*a(5)/(W*2*pi*fc); C5=W/(2*pi*fc*Z0*a(5); L6=Z0*W/(2*pi*fc*a(6); C6=a(6)/(W*2*pi*Z0*fc); L7=Z0*a(7)/(W*2*pi*fc); C7=W/(2*pi*fc*Z0*a(7); L8=Z0*W/(2*pi*fc*a(8); C8=a(8)/(W*2*pi*Z0*fc); %换算带通元件

11、参数 for p=1:6000fff(p)=p/1000; A=zeros(2,2); g1=(2*pi)*fff(p)*L1-1/(2*pi)*fff(p)*C1); g2=(2*pi)*fff(p)*C2-1/(2*pi)*fff(p)*L2);g3=(2*pi)*fff(p)*L3-1/(2*pi)*fff(p)*C3); g4=(2*pi)*fff(p)*C4-1/(2*pi)*fff(p)*L4); g5=(2*pi)*fff(p)*L5-1/(2*pi)*fff(p)*C5); g6=(2*pi)*fff(p)*C6-1/(2*pi)*fff(p)*L6); g7=(2*pi)*f

12、ff(p)*L7-1/(2*pi)*fff(p)*C7); g8=(2*pi)*fff(p)*C8-1/(2*pi)*fff(p)*L8); A=1,i*g1;0,1*1,0;i*g2,1*1,i*g3;0,1*1,0;i*g4,1*1,i*g5;0,1* 1,0;i*g6,1*1,i*g7;0,1*1,0;i*g8,1; %求解 A 矩阵 A11(p)=A(1,1); A12(p)=A(1,2); A21(p)=A(2,1); A22(p)=A(2,2); end s21=20*log10(abs(2./(A11+A12/Z0+Z0*A21+A22); s11=20*log10(abs(A1

13、1+A12/Z0-Z0*A21- A22)./(A11+A12/Z0+Z0*A21+A22); %求解 S11 和 S21 figure(1) plot(fff(950:100:6000),s11(950:100:6000),r,fff(950:100:6000),s2 1(950:100:6000),b); title(S11 和 S21 的图像); xlabel(频率 f(GHz); ylabel(幅值（dB）); legend(S11,S21); %-程序 3：用 matlab 库函数看波特图- -Z,P,K=buttap(N); %用巴特沃斯模型 ff=zeros(1,6000); f

14、=zeros(1,6000); for n=1:6000ff(n)=n/1000;f(n)=1/W*(ff(n)/fc-fc/ff(n);hs1(n)=K;for m=1:N hs1(n)=hs1(n)/(i*f(n)-P(m);end hs2(n)=10*log10(abs(hs1(n)2); %求解增益 end figure(2) plot(ff(1000:6000),hs2(1000:6000); %绘出波特图 title(matlab 库函数得到的波特图); xlabel(频率 f(GHz);ylabel(增益（dB）);关于 FilterSolutions 的使用，如图 8 设置：图

15、 8 FilterSolutions 的使用V、电磁兼容应用实例介绍、电磁兼容应用实例介绍1 1、变电站的接地应用、变电站的接地应用 变电站，尤其是超高压变电站内的电磁环境很恶劣。因此，一些变电站内的二 次设备，特别是其中的电子微电子设备，例如微机监测、监控和继电保护装置， 常常受到各种电磁干扰而误动、拒动、甚至损坏。近年来随着新型电子元件和 大规模、超大规模集成电路的普遍开发和广泛应用，二次电子设备日趋高速化、 宽带域化和高密度化，其信号电平越来越低，对电磁干扰更加敏感，对外界电 磁环境的要求更加苛刻。因此，研究如何提高变电站二次电子设备的抗干扰水 平，对于保证现代电力系统的安全可靠运行，加速新型电子和微电子设备在电 力系统中的推广应用，促进超高压变电站的现代化、自动化和智能化进程，都 有着重要的意义。接地是提高电子设备电磁兼容