基于多模谐振器的超宽带滤波器的设计与仿真(2)

第1章 引言

宽带无线通信系统的整体工作性能和尺寸。目前出现的超宽带滤波器在工作性能以及小型化上还存在着一定的问题,不能够满足超宽带无线通信技术发展的要求。

图1-1 Lei Zhu提出的MMR超宽带滤波器

1.2 研究目标和意义

滤波器种类繁多，但是每种滤波器都有着自己的特性，以及特定的工作范围，如: Lei Zhu提出的MMR超宽带滤波器，其模型及参数见图1-1。该滤波器主要包括多模谐振器和两侧的输入和输出耦合线节部分，其中多模谐振器由位于中心处的低阻抗枝节和两侧的两个高阻抗枝节构成。调节各段枝节的参数，可以将该谐振器的三个谐振模式大致均匀的在UWB通带之内进行分布。从S参数响应曲线可以看出在通带内有明显的五个传输极点存在，其中的三个是由于多模谐振器的本征谐振所产生的，其余的两个则来自于I/O口馈线与谐振器之间的强耦合[3]。为了达到较强的输入输出耦合，耦合线节的线宽和间隙通常很小（0.1mm，甚至0.05mm），这对加工工艺提出了很高的要求。另外也可以看出，采用这种基本结构（直接输入输出+MMR谐振器）的UWB滤波器一般在通带边沿下降较为缓慢，频率选择特性不是很理想。此外受制于带外高次模式谐振带来的寄生通带问题，这种结构的上阻带相对较窄，限制了其在宽阻带要求中的应用。

本次毕业设计所研究的目标即把Lei Zhu的一种滤波器结构进行优化，使之使用材料更为普遍，加工工艺要求更低，且在通带边沿的下降更为迅速。

1.3 研究思路

首先从HFSS仿真软件的开始学习，慢慢掌握其使用方法及技巧，对一些滤波器模型进行仿真，调试，熟练之后，开始对Lei Zhu提出的MMR超宽带滤波器进行仿真摸索。再从理论上对其模型进行分析，理解。然后把其基板换成常用的，再在扩大耦合线节的线宽和间隙的基础上，进行探索，改变谐振器，调节相关参数，如中心频率，带宽等，使之效果比以前的更好。

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第2章 微波滤波器网络基础理论

2.1 微波滤波器基本理论 2.1.1 微波滤波器参数指标

滤波器的参数主要有：中心频率（f0），带宽(?f)，插入损耗（insertion-loss，IL）, 回波损耗（return-loss,RL）和群时延（groupdelay）。由于中心频率和带宽指标比较直观，这里只对插入损耗、回波损耗和群时延指标进行说明：

（1）中心频率：对于低通滤波器电路和高通滤波器电路，?c表示截止频率；而对于带通滤波器电路和带阻滤波器电路，?c表示中心频率。为了简化滤波器电路的设计过程，我们取参数Ω为归一化频率，为实际的角频率?与中心频率（截止频率）?c的比值，定义为：

??? (2-1) ?c归一化的频率Ω 是一个量纲的量。显然对于低通和高通滤波器电路，归一化截止频率为1；对于带通或带阻滤波器电路，归一化的中心频率为1。

（2）通带频率范围；即滤波器通过或截止信号的频率界限。通常我们将频率带宽定义为3dB衰减对应的高端截止频率fH 和低端截止频率fL 的差值，可以表示为：

3dB BW3dB?fH ?fL3dB （2-2）

也可以用相对带宽表示。相对带宽定义为绝对带宽与中心频率f0的比值： FBW?fH?fL （2-3） f0（3）插入损耗和回波损耗:为了说明这一指标，首先来介绍滤波器网络的传递函数。传递函数是网络频率响应特性（即S21）的数学描述，它一般可以表示为：

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第2章 微波滤波器网络基础理论

|S21(j?)|2?1 (2-4) 221??Fn(?)上式中代表通带波纹常量，为滤波特征函数，Ω代表归一化低通原型中的频率变量。对于给定的滤波传递函数，网络的插入损耗可以用下式表示为： LA(?)?10log而网络的回波损耗定义为：

LR(?)??10log|S11(j?)|dB (2-6)

（4）寄生通带：由于微波滤波器采用的是分布参数元件，幅频响应具有相应的周期性，使得在设计通带一定距离处又产生了通带，这种通带则称为寄生通带，一般出现在中心频率的整数倍处。寄生通带是我们所不希望的，因此，在设计滤波器时，应尽量使它不落入截至频率范围内。

（5）矩形系数：描述了滤波电路的响应在截止频率附近的陡峭变化的特性。矩形系数 SF定义为 60dB 带宽与 3dB 带宽之比：

60dBfH?fL60dBBW60dB SF? （2-7） ?3dB3dB3dBBWfH?fL1??20log|S21(j?)|dB (2-5)

|S21(j?)|2理想情况下，滤波器的矩形系数等于 1。实际工程应用中，滤波器的矩形系数越接近 1，滤波器性能越好。

（6）群延时：当信号通过一频率选择网络（如滤波器）时，相对于输入端口，输出端口的信号会产生一定的延迟，群时延即是反映这一延迟特征一个参数。在网络传递函数已知情况下，可将其相位记为?21?ArgS21(j?)，而网络的群时延定义为：

?d(?)??d?21(?) seconds (2-8) d?（7）传输零点：传输零点又叫衰减极点或者陷波点，是指从通带到阻带过渡段中一个明显的下陷点。传输零点的出现意味着滤波器在该点出现较大的衰减具有好的抑制特性，并可以使过渡带变得更加陡峭。若是在带外产生传输零点，可以改善过渡带性能，在不改变滤波器阶数的前提下提高滤波器的频率选择性。

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2.1.2 微波滤波器的分类

微波滤波器作为一种用于分离不同频率微波信号的器件，实际上已应用于任何类型的微波通信、雷达测试或测量系统中。它是一个二端口网络，通过在滤波器通带频率内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性，用以控制微波系统中某处的幅频响应。作为二端口网络的滤波器，我们通常用传递函数来描述它相应的网络特性，而且一般将其定义为S21 模值平方的形式：

|S21(j?)|2?1 （2-9） 221??Fn(?)其中?是抖动波纹常数，Fn(?)是滤波特性函数。各种不同的滤波特性（最大平坦特性，等波纹特性等）就是通过选择不同形式的Fn(?)来实现的。

滤波器可以按不同的方法进行分类，如按结构分类，按应用分类，按加载方式分类，按频带大小分类等等。通常我们会按照其作用方式进行分类，如图 2.1 所示，分为：低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器[4]。

图 2-1 四种滤波器响应类型

低通滤波器让低频信号从输入端口传输到输出端口，衰减量很小，当信号频率超过特定的截止频率后，信号的大幅度衰减使得高频信号得到抑制。高通滤波器则与低通滤波器相反，在截止频率以下的信号的衰减量会比较大，传输受到阻碍；而当信号频率超过特定的截止频率时，信号的衰减量很小，可以从输入端口传输到输出端口。带通和带阻滤波器是由特定的上边频和下边频划分出一个特定的频带，在这个频带内，信号的衰减量会比频带外的要低或高。在本文中，我们

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