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1、合肥师范学院2013届本科论文（设计）装订线 本科生毕业论文（设计） 题目：新型超宽带SIRs低通滤波器的设计13新型超宽带SIRs低通滤波器的设计摘 要 现如今，由于无线通信技术发展的速度如此之快，所以研制小型化、高性能、低成本的微波电路已经成为了面临的一项极其紧急的任务。目前，作为一个重要的器件，微波电路被应用在无线电台、微波通信、移动通信、卫星通信、无线宽带、航天器与地球之间的遥测、遥控及通信、无绳电话机等中，因此整个通信系统的性能指标会受微波电路的性能影响。随着科学技术的进步，工程设计和市场竞争的趋势将是设计重量轻、小体积、高性能、低成本的射频、微波滤波器以及其它器件。 本论文主要对微
2、带低通滤波器进行设计和研究，其理论依据分别是阶跃阻抗(SIR)、Richards变换、DGS结构(Defected Ground Structure)。本文设计的SIR滤波器采用的普通板材，滤波器的尺寸精度要求相对较低，具有设计和加工简单方便的，同时滤波器各项性能参数好的特点，具有非常好的应用前景。关键词:微波滤波器 低通滤波器 阶跃阻抗 小型化I Abstract At present, the development of wireless communication technology is very fast, to develop small ，high performance a
3、nd low-cost microwave circuits has become a pressing task. In the systems of microwave communications and satellite communications and radar navigation microwave filters is one of the important devices, whether its performance is good or bad will often has a direct impact on the performance of the c
4、ommunication system. With the fast development of science, new materials and new technology is designing small size, light weight, high performance and low-pass RF/microwave filters and other devices will be the trend of engineering design and market competition. In this paper is aimed to design a l
5、ow-pass filer, its theoretical is the fractal theory, Richards transformation and DGS (Defected Ground Structure).SIR filter designed in this paper USES the ordinary plate, the size of the filter accuracy requirement is relatively low, with simple design and processing, at the same time filters all
6、the performance parameters of good characteristics, has the very good application prospect.Key words: microwave filter low pass filter stepped impedance smallII 目 录一 绪论1.1 研究背景与意义1 1.2 应用于无线通信中的谐振器和滤波器的分类1 1.3 传输线谐振器和阶跃阻抗谐振器（SIR）2 1.4 本文的工作2 二 低通滤波器相关理论与实际应用2.1 低通滤波器原理62.1.1 低通滤波器简介82.1.2 低通滤波器工作原理8
7、2.1.3 低通滤波器特点用途8 2.2 低通滤波器实例 三 阶跃阻抗低通滤波器理论3.1 结构和设计要求83.2 SIR谐振条件和谐振器电学长度8 3.3 采用折叠线SIR的RF谐振单元 四 CST软件仿真设计 4.1设计实例 4.2 仿真与试验结果五 结论 12 参考文献III 一 绪 论1.1 研究背景与意义 电信发展期间，在电路中滤波器一直都是比较重要的角色。随着通信技术的高速发展，滤波器取得了不断地进展。1910年，载波电话系统出现了，它是一种新颖的多路通信系统，它的出现引起了一场电信领域的彻底的技术革命，从而开创了电信的新纪元。发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术是新的通
8、信系统要求，然而滤波器技术的研究和发展却由于这种技术的发展而被进一步的加速了。在1915年，美国G.A.Canbell发明了一种后来以图像参数法而知名的设计方法，与此同时，一个以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法由德国科学家K.W.Wagner所开创。后来，包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法又出现了。确定符合特性要求的传递函数是他的第一步，由先前的传递函数所估定的频率响应来合成电路是它的第二步。这种方法的产生的作用和效率是非常不错的，并且这种早期的设计方法就是现在也被很多滤波器设计技术所采用。原先滤波器设计的发展领域是集总元件LC谐振器，后来扩展到了分布元件同轴谐振器和波导谐振器
9、的新领域。在滤波器发展早期，滤波器的设计主要集中在以电感电容组合为主的无源电路上。为后一种线性谐振器系统，许多早期的研究人员认为基于非集总/分布元件电路物理原理的谐振器系统也能达到滤波性能。从上面可以看出，滤波器的发展以及滤波器设计方法的发展已经有了非常久的历史。在电信领域和一些其它电子设备中，滤波器已经成为了一种不能缺少的的器件。由于滤波器的种类是非常多的，因此作为一个设计者来说，琢磨根据特定的用途去选用相应的合适的滤波器是比较重要的。我们知道根据不同的方面，滤波器有多种分类方法。但根据滤波器的频率响应去分类，滤波器可分为以下四种基本的类型：低通滤波器（LPF)，高通滤波器（HPF)，带通滤
10、波器（BPF)和带阻滤波器（BEF)。在这些滤波器中，有关低通滤波器的设计方法是很基础，许多指导书讲述了如何从LPF原型设计通过适当的频率转换实现HPF、BPF和BEF的技术。1.2 应用于无线通信中的谐振器和滤波器的分类无线通信的主要频带范围是非常宽的，从几十赫兹到几十吉赫兹，因此有相当多种类的谐振器能在这些频带中使用。我们知道每一种谐振器都有自己的优点和缺点，因此我们要根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器。采用体波和声表面波谐振器或滤波器可以满足微型化和低损的要求，而采用螺旋管谐振器或滤波器可以满足大功率的要11求。此外，因为体波和声表面波谐振器具有非常好的温度特性，所以它适用
11、于窄带滤波器。各种谐振器包括同轴的谐振器、介电的谐振器、波导的谐振器以及带状线谐振器在射频到微波频段范围内均可使用。介电谐振器有许多很好的特点，如低损耗和可接受的温度稳定性和小尺寸等特点，然而，由于受到较高的成本和现在的加工技术的限制，从而使得它的使用范围在50GHz以下。虽然同轴谐振器具有包括电磁屏蔽、低损耗特性和小尺寸等非常好的特点，但是要想在10GHz以上的范围内使用，就会因为它的物理尺寸很微小，而使得制作精度很难达到。目前，在射频和微波电路中最常用的是带状线谐振器。由于带状线谐振器具有小的尺寸、通过光刻术易于加工、与其它有源电路元件的易于兼容等特点，许多电路使用此类谐振器。它的另一大优
12、势是通过采用不同的材料而在很大的频率范围内得以应用。1.3 传输线谐振器和阶跃阻抗谐振器（SIR） 微带线、带状线和共平面线谐振器的最大特点是易于与有源电路相集成，因为它们是通过光刻在介电衬底上的金属化薄膜来制作的。对于传输线谐振器而言没有必要保持均匀的特性阻抗，同时谐振电路性能能通过非均匀阻抗谐振器（阶跃阻抗谐振器即SIR）来实现。虽然SIR的结构已被大家所广泛理解，但很少见到它应用于滤波器和谐振器。虽然使用不足的原因很多，但一个最重要的原因是现时对SIR的技术重要性还没有得到足够重视。另一个原因是设计方便性，工程师们认为完成UIR的电性能估算比SIR更现实。现在，在射频和微波领域针对每一种
13、不同应用对谐振器的不同要求选择合适的谐振器成为必须。另外，设计过程中的CAD工具的使用已经普及，使得数据分析和优化计算的时间明显减少。根据这些，我们相信，将来实际应用将从各种传输线谐振器中选出最为适用者，而拥有先进结构的SIR谐振器成为首选。SIR的典型特征大概有以下几点:a、结构和设计上有很大自由度；b、是包括UIR的传输电谐振器一般概念的推演；c、是采用先进传输线结构和合成材料的非均匀阻抗谐振器扩展概念的发展。1.4 本文的工作 阶跃阻抗谐振器（SIR）具有很多典型的特征：结构和设计上有很大的自由度，通过采用不同类型的传输线或介电材料而使其有很大的频率应用范围等等。但由于介电常数和板材厚度
14、以及滤波器尺寸对设计精度要求很高，很难在实际中应用。本文研究新型宽带阶跃阻抗谐振器的特性、结构，同时研究如何用新型宽带阶跃阻抗谐振器设计低通滤波器，设计的SIR滤波器采用的普通板材，滤波器的尺寸精度要求相对较低，具有设计和加工简单方便的，同时滤波器各项性能参数好的特点，具有非常好的应用前景。 22二 低通滤波器相关理论与实际应用2.1 低通滤波器原理2.1.1 低通滤波器简介 低通滤波器的功能是可以允许低于截至频率的信号通过,但是高于截至频率的信号不能通过的电子滤波器,这样的滤波器的好处是能过滤掉一部分高信号,从而得到所需要的低频率信号. 不同的滤波器对每个频率的信号的减弱程度是不同，当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器. 低通滤波器概念有许多不同的形式,其中包括电子线路(如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等,这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式. 低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起的作用; 低通滤波器有很多
