微波課程設(shè)計報告---微波濾波器設(shè)計及其測量

1、<p><b>　　課程設(shè)計任務(wù)書</b></p><p>　　2009 — 2010 學(xué)年第 二 學(xué)期</p><p>　　計算機與通信 學(xué)院（系、部） 通信工程 專業(yè) 班級</p><p>　　課程名稱： 微波技術(shù)與天線

2、 </p><p>　　設(shè)計題目： 微 波 濾 波 器 的 設(shè) 計 </p><p>　　完成期限：自 2011 年 6 月 20 日至 2011 年 6 月 26 日共 1 周</p><p>

3、;　　指導(dǎo)教師（簽字）： 年 月 日</p><p>　　系（教研室）主任（簽字）： 年 月 日</p><p><b>　　微波技術(shù)與天線</b></p><p><b>　　課程設(shè)計說明書<

4、/b></p><p>　　起止日期： 2011年 06月20日 至 2011年06月26日</p><p><b>　　計算機與通信學(xué)院</b></p><p>　　2011年 06 月 26 日</p><p><b>　　濾波器的種類</b></p><p>　　

5、以信號被濾掉的頻率范圍來區(qū)分，可分為低通（Lowpass）、高通（Highpass）、帶通（Bandpass）及帶阻（Bandstop）四種。若以濾波器的頻率響應(yīng)來分，則常見的有巴特渥茲型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)、切比雪夫Ⅱ型(T chebeshev Type-Ⅱ)及橢圓型(Elliptic)等，若按使用元件來分，則可分為有源型及無源型兩類。其中無源型又可分為L-C型(L-C Lu

6、mped)及傳輸線型(Transmission line)。而傳輸線型以其結(jié)構(gòu)不同又可分為平行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及發(fā)針型(Hairpin-line)等等不同結(jié)構(gòu)。</p><p>　　本實驗以較常用的巴特渥茲型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)為例，說明其設(shè)計方法。</p&

7、gt;<p>　　首先了解Butter-worth及Tchebeshev Type-I低通濾波器的響應(yīng)圖。</p><p>　　Butterowrth </p><p>　　Tchebyshev Type</p><p><b>　　其中 </b></p><p>　　rp(dB)——通帶紋波(passba

8、nd ripple), </p><p>　　N——元件級數(shù)數(shù)（order of element for lowpass prototype）</p><p>　　ω——截通比（stopband-to-passband ratio），</p><p>　　ω= fc / fx (for lowpass)</p><p>　　= B Wp /

9、BWx (for bandpass)</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　fc——-3 dB截止頻率（3 dB cutoff frequency）</p><p>　　fx——截止頻率（stopband frequency）</p><p>　　BWp——通帶頻寬（passband bandwi

10、dth）</p><p>　　BWx——截止頻寬（stopband bandwidth）</p><p>　　Tn()為柴比雪夫多項式(Tchebyshey polynom als)</p><p><b>　　其中</b></p><p><b>　　，</b></p><p&

11、gt;　　圖4-1(a)(b)即是三級巴特渥茲型B（3，ω）與三種不同紋波和級數(shù)的切比雪夫型的截通比響應(yīng)的比較圖。理論上，在通帶內(nèi)巴特渥茲型是無衰減的（Maximun flat），而切比雪夫型較同級數(shù)的巴特渥茲型有較大的衰減量。實際應(yīng)用上，除非在通帶內(nèi)要求必須是平坦響應(yīng)（flat response）外，大多允許通帶內(nèi)少量衰減，因而一般采用切比雪夫型以獲得較大的截通效應(yīng)或減少元件級數(shù)。</p><p>　　圖4-1

12、（a）巴特渥茲型與切比雪夫型通帶響應(yīng)比較圖</p><p>　　圖4-1（b）巴特渥茲型與切比雪夫型截通帶響應(yīng)比較圖</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　B（3，ω）——三級巴特渥茲型的衰減響應(yīng)</p><p>　　T（0.25，3，ω）——紋波為0.25dB 的三級切比雪夫型的衰減響應(yīng)<

13、;/p><p>　　T（0.5，5，ω）——紋波為0.5dB 的五級切比雪夫型的衰減響應(yīng)</p><p>　　T（1，7，ω）——指紋波為1dB 的七級切比雪夫型的衰減響應(yīng)</p><p>　?。ǘ┑屯V波器設(shè)計方法：</p><p>　?。ˋ）巴特渥茲型（Butterworth Lowpass Filter）</p><p

14、><b>　　步驟一：確定參數(shù)。</b></p><p>　　電路阻抗（Impedance）：Z0（ohm）</p><p>　　截止頻率(Cutoff Frequency)：fc(Hz)</p><p>　　截通頻率(Stopband Frequency)：fc(Hz)</p><p><b>　　通帶

15、衰減量</b></p><p><b>　　阻帶衰減量</b></p><p>　　步驟二：計算元件級數(shù)(Order of elements,N)：</p><p>　　, N取最接近的整數(shù)</p><p>　　步驟三：計算原型元件值（Prototype Element Values，gK）：</

16、p><p>　　步驟四：先選擇串L并C型或并C串L型，再根據(jù)公式計算實際電感電容值：</p><p><b>　　（a）串L并C型</b></p><p><b>　?。╞）并C串L型</b></p><p>　?。˙）切比雪夫I型(Tchebyshev Type-I Lowpass Filter)&l

17、t;/p><p><b>　　步驟一：確定參數(shù)。</b></p><p>　　電路阻抗(Impedance): Zo(ohm)</p><p>　　截止頻率(Cutoff Frequency): fc(Hz)</p><p>　　阻帶頻率(Stopband Frequency): fx(Hz)</p><

18、p>　　通帶紋波量(Maximum Ripple at passband): rp(dB)</p><p>　　阻帶衰減量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB)</p><p>　　步驟二：計算元件級數(shù)(Order of elements,N).</p><p><b>　　， 其中 </b&g

19、t;</p><p>　　N取最接近的奇整數(shù)。</p><p>　　采用奇整數(shù)是為了避免切比雪夫低通原型在偶數(shù)級時，其輸入與輸出阻抗不相等。</p><p>　　步驟三：計算原型元件值(Prototype Element Values,gk)：</p><p><b>　　其中</b></p><p&

20、gt;　　步驟四：先選擇串L并C型或并C串L型，再依據(jù)公式計算實際電感電容值。</p><p><b>　?。╝）串L并C型</b></p><p><b>　?。╞）并C串L型</b></p><p>　?。ǘV波器設(shè)計方法：</p><p><b>　　步驟一：確定參數(shù)。<

21、/b></p><p>　　電路阻抗(Impedance): Zo(ohm)</p><p>　　上通帶頻率(upper passband edge frequency): fPU(Hz)</p><p>　　下通帶頻率(lower passband edge frequency): fPL(Hz)</p><p>　　上截止頻率(up

22、per stopband edge frequency): fXU(Hz)</p><p>　　下截止頻率(lower stopband edge frequency): fXL(Hz)</p><p>　　通帶衰減量(Maximum Attenuation at passband): AP(dB)</p><p>　　阻帶衰減量(Minimum Attenuati

23、on at stopband): AX(dB)</p><p>　　步驟二：計算元件級數(shù)(Order of elements,N) 。</p><p><b>　　其中 </b></p><p>　?。?）巴特渥茲型(Butter-worth)</p><p>　　， N取最接近的整 數(shù) .</p><

24、;p>　?。?）切比雪夫I型(Tchebeshev Type)</p><p>　　，N取最接近的奇 整 數(shù) </p><p>　　步驟三：計算低通原型元件值（Prototype Element Values,gk）</p><p>　　其公式如前所示。并選擇串L并C型或并C串L型，計算出實際電容（Cp）、（Ls）值。</p><p>

25、<b>　　（a）串L并C型</b></p><p><b>　?。╞）并C串L型</b></p><p>　　步驟四：計算帶通原型元件變換值。</p><p>　　由低通原型實際元件值依據(jù)下列變換對照表計算出帶通原型實際元件值，并用帶通原型變換電器取代低通原型電路元件，以完成帶通電路結(jié)構(gòu)。</p><

26、p>　　圖4-1(a) N=5 串L并C型低通濾波器電路原型</p><p>　　圖4-1(a) N=5并C串L型低通濾波器電路原型</p><p>　　圖4-1(c) N=5 串L并C型帶通濾波器電路原型</p><p>　　為了描述濾波器的濾波特性，一般常用的是插入衰減隨頻率變化的曲線。插入衰減的定義為</p><p>　　式中

27、Pi為濾波器所接信號源的最大輸出功率，PL為濾波器的負載吸收功率。</p><p>　　微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有：工作頻帶的中心頻率、帶寬、通帶內(nèi)允許的最大衰減、阻帶內(nèi)允許的最小衰減、阻帶向通帶過渡時的陡度和通帶內(nèi)群時延的變化等。</p><p>　　利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的濾波器</p><p>　　濾波器的結(jié)構(gòu)是：在一特性阻抗為Z0的傳輸線上，每隔

28、/4的距離就并接一個電抗性元件(它的實際結(jié)構(gòu)可以是短路支線、膜片或螺釘)，設(shè)其阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6，RL是濾波器所接的負載。 </p><p>　　電容加載型同軸諧振腔 </p><p>　　電容加載型同軸諧振腔如右圖所示。</p><p><b>　　諧振條件：</b></p><p>　　滿足

29、諧振條件的C值由右式確定 </p><p>　　如果將縫隙電場近似看作均勻分布，</p><p>　　則式中C可按平板電容公式計算</p><p><b>　　五、測量方框圖</b></p><p><b>　　六、硬件測量</b></p><p>　　對于低通濾波器的S11

30、及S21測量以了解LC型低通濾波器電路的特性；對于帶通濾波器的S11及S21測量以了解LC型帶通濾波器電路的特性。</p><p>　　測量同軸腔濾波器的以下參數(shù)</p><p>　　上通帶頻率fPU(Hz)</p><p>　　下通帶頻率fPL(Hz)</p><p>　　上截止頻率fXU(Hz)</p><p>　

31、　下截止頻率fXL(Hz)</p><p>　　通帶衰減量AP(dB)</p><p>　　阻帶衰減量AX(dB)</p><p><b>　　測量步驟:</b></p><p>　?、?將示波器打到X-Y擋，掃頻儀掃瞄輸出接示波器的X輸入作為水平頻率線。</p><p>　?、茖哳l儀射頻輸出接

32、三同軸腔終端電容加載帶通濾波器，中心頻率為1500MHz，濾波器輸出接微波同軸檢波器，然后接到示波器Y軸擋。將掃頻儀掃瞄帶寬打到200MHz，帶通濾波器帶寬為20MHz，用掃頻儀Maker頻標(biāo)觀查測量上截止頻率，下截止頻率fXL(Hz)，下通帶頻率fPL(Hz)</p><p>　　阻帶衰減量AX(dB)等。</p><p>　?、?可用起子同時調(diào)節(jié)三同軸腔終端電容加載帶通濾波器的中心頻率

33、和通頻帶。</p><p>　　⑷通帶衰減量AP(dB)的測量，去掉待測三同軸腔終端電容加載帶通濾波器，直接將掃頻儀輸出接微波同軸檢波器，到示波器觀查前后兩種情況下的電平差別，再調(diào)節(jié)掃頻儀輸出使兩種情況示波器指示相同，記下兩次的電平差，可測出帶內(nèi)查損。</p><p>　?、善渌笜?biāo)測量方法同前。</p><p>　　實驗記錄表8-1、8-2、8-3、8-4均為以下

34、此表;</p><p>　　5、硬件測量的結(jié)果建議如下為合格：</p><p>　　RF2KM6-1A MOD-6A(DC-50MHZ) S11≤-20dB</p><p>　　S21≥-1.5DB @≤50MHZ</p><p>　　MOD-6B(PASSBAND) S11≤10dB @210MHZ</p><p>

35、　　(PASSBAND)Record Fpl S21=-3.0dB</p><p>　　Record Fph S21=-3.0dB</p><p>　　(STOPBAND)Record Fxl Attn.=-18dB</p><p>　　Fxh Attn.=-18dB</p><p>　　七、軟件仿真：（利用RFSim99軟件）</p&

36、gt;<p>　　這里以實例分析為例，先通過理論公式計算出各個元件值。</p><p>　　然后進入微波軟件RFSim99軟件，在原理圖上設(shè)計好相應(yīng)的電路，設(shè)置好端口，完成頻率設(shè)置、尺寸規(guī)范、器件的加載、仿真圖型等等的設(shè)置。</p><p>　　最后進行仿真，結(jié)果應(yīng)接近實際測量所得到的仿真圖形。</p><p>　　如果不符合要求，再調(diào)試，直到達到要求

37、為止。</p><p>　　電路圖如前面圖圖4-1(a)(N=5并C串L型低通濾波器電路原型)</p><p><b>　　設(shè)計總結(jié)：</b></p><p>　　設(shè)計了一種耦合帶通濾波器，分析了該帶通濾波器的工作原理，并給出了耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與耦合系數(shù)的對應(yīng)曲線，便于工程設(shè)計。通過對耦合結(jié)構(gòu)的改變，使濾波器尺寸減小為毫米量級，能夠較好地應(yīng)

38、用于微波波段。利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的微波濾波器具有小型化和高Q值的特點，能更好地適應(yīng)工程需要。</p><p><b>　　心得體會</b></p><p>　　通過本次課程設(shè)計，我收獲勝多！</p><p>　　剛開始接到課題時，由于是組長，我在早幾天前就開始參考我們的教材和實驗指導(dǎo)書，把課程設(shè)計中一些相關(guān)的原理基本上弄懂了。等到實驗室以后，我就給

39、組員分配好了任務(wù)。剛開始的時候，我們都很迷茫，知道要做什么，但卻不知道該從何動手，不過后來經(jīng)過深入的研究和了解，最終我們還是完成了濾波器的設(shè)計。由于實驗箱上只有帶通濾波器，所以在條件有限的情況下，我們只測試了帶通濾波的各種性能，不過與帶通濾波器類似的其他濾波器的設(shè)計應(yīng)該也是相似的。</p><p>　　通過本次課程設(shè)計的學(xué)習(xí)，我加深了對微波技術(shù)與天線理論知識的理解，提高了手動能力和團隊合作能力。在濾波器的設(shè)計中，