1、陜符殖 N 孽魔畢業論文開題報告題 目_微波濾波器的設計與仿真_學生姓名 薛新月 學號1113024098所在院（系）物理與電信工程學院專業班級_ 通信1103班_指導教師_ 薛 轉 花_2015年3月7日題目微波濾波器的設計與仿真一、選題的目的及研究意義隨著科技不斷進步，無線通信前所未有的融入到生活中，尤其是貼近日常應用的短距離無線數據業務更是迅猛發展。例如WLAN、WIFI、藍牙等短距離無線的廣泛應用。極大的推動了濾波器技術的發展，也對濾波器的性能提出了更高的要求。 微波濾波器是現代微波中繼通信、 微波衛星通信、 電子對抗等系統中必不可少的組成部分。 微波濾波技術廣泛應用于衛星通信、 移動

2、通信、雷達系統、 導航系統等，可謂無處不在。微波濾波技術的發展經歷了半個多世紀，可謂品種繁多，性能各異。可按頻率響應特性分為低通、高通、帶通、帶阻；也可按網絡函數分為最大平坦型、切比雪夫型、 線性相位型和橢圓函數型；還可按工作模式、頻帶、頻段等進行劃分。面對現代通信系統對濾波器 性能要求日趨嚴格，微波濾波技術朝著體積小、重量輕、低損耗、高可靠性、高溫補性能等的綜合 性濾波器發展。隨著無線通信的個人化、寬帶化，越來越需要人性化和高性能的終端設備，促使了包括濾波器 在內的射頻元器件的微型化和可集成化，問時也產生了各種結構和性能的射頻濾波器來滿足體積 小、重量輕的系統要求。二、綜述與本課題相關領域的

3、研究現狀、發展趨勢、研究方法及應用領域等研究現狀：微帶濾波器在通信、信號處理、雷達等各種電路系統中具有廣泛用途。隨著移動通 信、電子對抗和導航技術的飛速發展，對新的微波兀器件的需求和現有器件性能的改善提出了更高 的要求。發達國家都在利用新材料和新技術來提高器件性能和集成度，問時，盡可能地降低成本，減小器件尺寸和降低功耗。與國外相比，我國的微帶濾波器的發展還有一定的差距。目前，國外已有相應公司在坷生產微濾波州件，比較著名的公司有美國的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英國的FILTRONIC公司等。他們生產的各種微波介質陶瓷濾波器、 雙工器、諧振器、介質大線等產品已用于微波基地站、

4、手機及無繩電話等產品中，取得了顯著的經 濟和社會效益。發展趨勢：隨著現代材料科學與電子信息科學技術的交叉滲透，新材料和制造工藝技術的發展，如單片集成電路、MEMS、LTCC等工藝，極大地帶動了微帶和其他類型濾波器的飛速發展。全國 固態化的各類片式局頻、微帶濾波器和中頻濾波器，向著局性能、低成本、小型化、局頻化等各方 面飛快發展。研究方法：微帶濾波器當中最基本的濾波器是微帶低通濾波器，而其它類型的濾波器可以通過 低通濾波器的原型轉化過來。最大平坦濾波器和切比雪夫濾波器是兩種常用的低通濾波器的原型。 微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯短截線或是短路串聯短截線來代替集總元器件的電 容或是電感來

5、實現濾波的功能。這類濾波器的帶寬較窄，雖然不能滿足所有的應用場合，但是由于 它設計簡單，因此在某些地方還是值得應用的。工程應用中，一般要求我們重點考慮通帶邊界頻率與通帶衰減、阻帶邊界頻率與阻帶衰減、通帶的輸入電壓駐波比、通帶內相移與群時延、寄生通帶。前兩項是描述衰減特性的，是濾波器的主要技術指標，決定了濾波器的性能和種類(高通、低通、帶通、帶阻等 )；輸入電壓駐波比描述了濾波器的反射損耗的大小；群時延是指網絡的相移隨頻率的變化率，定義為dU/df,群時延為常數時,信號通過網絡才不會產生相位失真；寄生通帶是由于分布參數傳輸線的周期性頻率特性引起的，它 是離設計通帶一定距離處又出現的通帶，設計時要

6、避免阻帶內出現寄生通帶。應用領域：微波濾波器是一類無耗的二端口網絡，廣泛應用于微波通信、雷達、電子對抗及微 波測量儀器中，在系統中用來控制信號的頻率響應，使有用的信號頻率分量幾乎無衰減地通過濾波 器，而阻斷無用信號頻率分量的傳輸。三、對于課題將要解決的主要問題及解決問題的思路與方法、擬采用的研究方法(技術路線)或設 計(實驗)方案進行說明，論文要寫出相應的寫作提綱1、ADS軟件及其仿真分析方法先進設計系統(Advanced Design System)，簡稱ADS，是安捷倫科技有限公司(Agilent)為適應競 爭形勢，為了高效的進行產品研發生產，而設計開發的一款EDA軟件。軟件迅速成為工業設

7、計領域EDA軟件的佼佼者，因其強大的功能、豐富的模板支持和高效準確的仿真能力(尤其在射頻微 波領域)，而得到了廣大IC設計工作者的支持。ADS是高頻設計的工業領袖。ADS電子設計自動化功能十分強大，包含時域電路仿真(SPICE-like Simulation) 頻域電路仿真(Harmonic Balance、Linear Analysis)、三維電磁仿真(EM Simulation)、通信系統仿真(Communication SystemSimulation)、數字信號處理仿真設計(DSP) ; ADS支持射頻和系統設計工 程師開發所有類型的RF設計，從簡單到復雜，從離散的射頻/微波模塊到用于

8、通信和航天/國防的集成MMIC，是當今國內各大學和研究所使用最多的微波/射頻電路和通信系統仿真軟件軟件。ADS軟件的仿真分析方法有：高頻SPICE分析和卷積分析(Convolution )、線性分析、諧波平衡分析(Harmonic Balance)、諧波平衡分析(Harmonic Balance)、射頻系統分析、射頻系統分析和電 磁仿真分析(Momentum)。2、 結合濾波器的小型化設計實現微帶濾波器的設計微波濾波器實現方式多種多樣，以所采用傳輸線型式可分為來說常用的有同軸線，波導，帶 狀線，微帶線等。同軸型的微波濾波器具有輻射屏蔽，低損耗等特點。波導型的微波濾波器具有低 損耗和功率容量大這

9、兩個主要優點。在平面電路中最常用的是微帶線型濾波器，它具有小的尺寸， 易于加工，易于和其它有源電路元件集成等優點，采用不同襯底材料能夠在很大的頻率范圍內得到 應用，因此微帶濾波器在現代濾波器的設計中還是被寄予厚望。而小型化、微型化、片式化是目前 元器件研究開發的一個重要目標，針對市場的需求，人們也對微波濾波器的小型化技術進行了很多 方面的探究。微帶濾波器的小型化技術主要有EBG、DGS、DMS、諧振器結構、分型結構等。3、 設計方案1)了解微帶濾波器的設計原理和設計指標；微帶濾波器中最簡單的濾波器就是用開路并聯短截線或是短路串聯短截線來代替集總元器件 的電容或是電感來實現濾波的功能。微帶濾波器

10、的設計指標主要包括：(1)絕對衰減(Absolute attenuation ):阻帶中最大衰減(dB)。(2)帶寬(Bandwidth ):通帶的3dB帶寬(flow fhigh)。(3)中心頻率：fc或f0。(4)截止頻率：下降沿3dB點頻率。(5)每倍頻程衰減(dB/Octave):離開截止頻率一個倍頻程衰減(dB)。(6)微分時延(differential delay )：兩特定頻率點群時延之差以ns計。(7)群時延(Group delay):任何離散信號經過濾波器的時延(ns)。(8)插入損耗(insertion loss):當濾波器與設計要求的負載連接，通帶中心衰減，dB(9)帶內

11、波紋(passband ripple):在通帶內幅度波動，以dB計。(10)相移(phase shift)：當信號經過濾波器引起的相移。(11)品質因數Q (quality factor):中心頻率與3dB帶寬之比。(12)反射損耗(Return loss)(13)形狀系數(shape factor)(14)止帶(stop band或reject band):對于低通、高通、帶通濾波器，指衰減到指定點 (如60dB點)的帶寬。這些設計指標，將根據北斗二號和全球定位系統(GPS)的工作頻率來計算，并結合實際應用加以確定。在進行設計時，我們主要是以濾波器的S參數作為優化目標。S21(S12)是傳輸

12、參數，濾波器通帶、阻帶的位置以及增益、衰減全都表現在S21(S12)隨頻率變化的曲線上。S11(S22)參數是輸入、輸出端口的反射系數，如果反射系數過大，就會導致反射損耗增大，影響系統的前后級匹配，使系 統性能下降。2)學習ADS仿真軟件的使用及基本操作方法；3)利用ADS軟件進行微帶濾波器的設計；4)建立工程；新建工程，選擇【File】【New Project，系統出現新建工程對話框。在name欄中輸入工程名：microstrip_filter ,并在Project Technology Files欄中選擇ADS Standard : Length unit-millimet ,默認單位為m

13、m。單擊OK,完成新建工程，此時原理圖設計窗口會自動打開。5)原理圖和電路參數設計；在原理圖設計窗口中選擇TLines-Microstrip元件面板列表，選好所需元件，完成原理圖的連接。 選擇菜單欄中的Design GuideFilter命令，將彈出濾波器設計主窗口， 選擇Filter Control Window.并單擊OK ,將彈出FilterDesign Guide窗口，進行濾波器參數設計。6) S參數的仿真設置；在原理圖設計窗口中選擇S參數仿真工具欄，Simulation-S_Param。選擇Term放置在濾波器兩 邊，用來定義端口1和2。選擇S參數掃描控件放置在原理圖中，并設置掃描的

14、頻率范圍和步長。雙擊S參數仿真控制器，進行參數設置。7)實現原理圖仿真；單擊工具欄上的simulate按鈕或是點擊simulatesimulate,當仿真結束后， 系統會自動彈出一 個數據顯示窗口。通過仿真我們可以看出，濾波器的參數指標是否滿足滿足要求。8)若仿真結果不符合指標要求，確定優化目標，進行仿真優化設計；優化電路參數的具體步驟如下：(1)在原理圖設計窗口中選擇優化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中選擇優化控件optim ,雙擊該控件設置優化方法和優化次數，常用的優化方法有Random(隨機)、Gradient(梯度)等。隨機法通常用于大范圍搜索，梯度法則用于局

15、部收斂。(2)在優化面板列表中選擇優化目標控件Goal放置在原理圖中，雙擊該控件設置其參數。由于原理圖仿真和實際情況會有一定的偏差，在設定優化參數時，可以適當增加通帶寬度。對于其它的 參數，也可以根據優化的結果進行一定的調整。(3)設置完優化目標后把原理圖存儲一下，然后點擊工具欄中的Simulate按鈕開始進行優化仿 真。在優化過程中會打開一個狀態窗口顯示優化的結果，其中的CurrentEF表示與優化目標的偏差， 數值越小表示越接近優化目標，0表示達到了優化目標。(4)優化完成后必須關掉優化控件，才能觀察仿真的曲線。(5)點擊工具欄中的Simulate按鈕進行仿真，仿真結束后會出現數據顯示窗口

16、。9)設計結果符合指標要求，仿真結束。10)版圖的生成與仿真。版圖的仿真是采用矩量法直接對電磁場進行計算， 其結果比在原理圖中仿真要準確， 但是它的 計算比較復雜，需要較長的時間，可作為對原理圖設計的驗證。點擊Momentum - Simulation - S-parameter彈出仿真設置窗口，該窗口右側的Sweep Type選 擇Adaptive,起止頻率設為與原理圖中相同，采樣點數限制取10(因為仿真很慢，所以點數不要取得太多)。然后點擊Update按鈕，將設置填入左側列表中，點擊Simulate按鈕開始進行仿真。仿真過程中會出現一個狀態窗口顯示仿真進程。仿真運算要進行一段時間，仿真結束

17、后將出現數據顯示窗口，觀察S11和S21曲線，性能有 不同程度的惡化。如果版圖仿真得到的曲線不滿足指標要求，那么要重新回到原理圖窗口進行優化仿真，產生這 種情況的原因是微帶線的寬度取值不合適，可以改變優化變量的初值，也可根據曲線與指標的差別 情況適當調整優化目標的參數，重新進行優化，直到版圖仿真的結果達到要求為止。四、檢索與本課題有關參考文獻資料的簡要說明1張宛路.微波濾波器的綜合與設計D.西安電子科技大學碩士論文.2011.2 英Richard J.Cameron ,加Chandra M.Kudsia ,加Raafat R.Mansour.王松林等譯.通信系統 微波濾波器-基礎、設計與應用M

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