实验一 交叉耦合滤波器设计与仿真
一、 实验目的
1.设计一个交叉耦合滤波器
2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S 参数
二、 实验设备
装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台
三、 实验原理
具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的回路电流，Mij 表示第i 个谐振腔与第k 个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N ，且i ≠j)。在这里取ω0=1，即各谐振回路的电感L 和电容C 均取单位值。Mkk （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的自耦合系数。
n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:
这个电路的回路方程可以写为
或者写成矩阵方程的形式：I R M sU ZI E )(0++==j 其中，??? ?
?-=+=ωωωω11j j j s 一般来讲，频率都归一成1，即ω≈ω0=1,则
其中E 为电压矩阵，I 为电流矩阵，Z 为阻抗矩阵，
U0是N ×N 阶单位矩阵。M 是耦合矩阵，它是一个N ×N 阶方阵，形式如下：
其中对角线上的元素代表每一个谐振腔回路的自耦合，表示每一个谐振腔的谐振频率fi 与中心频率f0之间的偏差。（在同步调谐滤波器中，认为它们的值都取零）。R 矩阵是N ×N 阶方阵，除R(1,1)=R1，R (N,N)=R2为非零量以外，其它元素值都等于零。那么，这个电路的传输函数可以写为
其中，D(cofZ1N)表示Z 矩阵第一行、第N 列元素的代数余子式，D(Z)表示Z 矩阵的行列式。相应地,通带增益频响特性为
取 n =3，可得 3×3 阶耦合矩阵M ：
3阶椭圆函数滤波器的低通增益函数修正为：
其中
上述方法中的等波纹系数也必须进行修正，修正方法有下列两种：
(1)取n F 导数为零的点，得到(－1，1)内各点的最大值α，有：
(2)令标准椭圆函数与修正后的椭圆函数在边带上的衰减相等，从而求得修正后的纹波系数：
四、 实验内容
设计一个交叉耦合滤波器，其指标要求如下：
中心频率：910MHz
带宽：40MHz
带内反射：< 20dB
带外抑制：在MHz 处>20dB
此滤波器通过三腔微带结构(环形谐振器)实现。选用介质板的相对介电常数为εr=1.8，厚度为h =1.27mm 。腔体为半波长方腔结构，腔间耦合程度通过腔间距离来控制，使得滤波器谐振频率在910MHz 。 最终获得反射系数和参数系数曲线的仿真结果。
五、 实验步骤
1.建立新工程
了方便建立模型，在Tool>Options>HFSS Options 中讲Duplicate Boundaries with geometry 复选框选中。
2.将求解类型设置为激励求解类型：
（1）在菜单栏中点击HFSS>Solution Type 。
（2）在弹出的Solution Type 窗口中
(a)选择Driven Modal 。
(b)点击OK 按钮。
3.设置模型单位
（1）在菜单栏中点击3D Modeler>Units 。
（2）在设置单位窗口中选择：mm 。
实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器 2.查看并分析该源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S 参数 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入了交叉耦合，以得到有限频率传输零点，从而提高了滤波器的选择特性。一般来讲，一个N 腔交叉耦合滤波器最多能实现N-2个传输零点。对于给定的一种含有N 个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可实现N 个传输零点。源-负载耦合的交叉耦合滤波器等效电路模型如图所示。 e R 2 在上图所示的等效电路模型中，ij M 表示各个谐振腔之间的耦合系数，Si M 、L i M 分别表示源、负载与第i 个腔之间的耦合系数。SL M 则表示源与负载之间的耦合系数。整个电路由N 个谐振腔构成，各个谐振腔之间是电感耦合。对于窄带滤波器，做如下规一化： 110=?=ωω， 这里0ω为中心频率，ω?为相对带宽。 回路矩阵方程为： R)I M (sU I Z E 0++=?=j 其中，0U 是将(N+2)×(N+2)阶单位矩阵中第一个元素和最后一个元素令为0，其它元素都保持不变所得的矩阵。M 是耦合矩阵，是一个(N+2)×(N+2)阶方阵，其中对角线上的元素代表每一个谐振腔的自耦合，它表示每一个谐振腔的谐振频率i f 与滤波器的中心频率 o f 之间的偏差。（在同步调谐滤波器中，我们认为每个谐振腔的自耦合系数的值都取零）。 矩阵中非对角线上的元素表示各个谐振腔之间的耦合系数。 R 矩阵是(N+2)×(N+2)阶方阵，除21)2,2(,)1,1(R N N R =++=R R 非零以外，其它
射频电路设计示例 设计任务： 用两种方法设计一个输入、输出为50Ω的低通滤波器，滤波器参数为： (1) 截止频率为3Ghz (2) 在通带内，衰减小于3dB (3) 在通带外，当归一化频率为2时，损耗不小于50dB (4) 相速为光速的60% 设计要求： (1)画出滤波器的电路图。 (2)用微带线实现上述的功能，并画出微带线的结构尺寸。 (3)画出0--3.5Ghz 的衰减曲线。 (4)给出设计的源代码本，利用具体软件(如Matlab, MW- office, ADS 、HFSS 、IE3D 等)操作方法及步骤。 方法一： 切比雪夫滤波器设计： Step1: 画出滤波器的电路图。由课本（p151）知滤波器阶数应为N=5。归一化参数为：g g 514817.3==，g g 427618.0==，5381.43=g 集中参数为：4817 .35 1 == C C ，5381 .43 =C ，2296 .14 2 == L L 图1 归一化5阶低通滤波器电路原理图 Step2：将集中参数变换成分布参数（Richards 变换：电感用短路线代，电容用开路线代）： g Y Y 1 51 = =，g Z Z 2 4 2 = = ，g Y 3 3 = 。
图2 （O.C ＝开路线，S.C=短路线） Step3：将串联线段变为并联线段—Kuroda 规则（P162表5.6）。首先在滤波器的输入、输出端口引入两个单位元件。 因为单位元件与信号源及负载的阻抗都是匹配的，所以到入它们并不 影响滤波器的特性。对第一个并联的短线和最后一个并联短线应用Kuroda 规则-1后得： 2872.12872.014817 .3112 1 =+=+ == N N ， 2231.02872.14817.31 ' ' 2 1 ＝?= = Z Z UE UE 7769.02872 .1151＝== ' ' Z Z S S
实验一交叉耦合滤波器设计与仿真 、实验目的 1?设计一个交叉耦合滤波器 2?查看并分析该交叉耦合滤波器的S参数 、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点 是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与 负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，el表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik(k=1,2,3,, ,N) 表示各谐振腔的回路电流，Mj表示第i个谐振腔与第k个谐振腔之间的互耦合系数 (i,j=1,2, , ,N,且片j)。在这里取3 0=1,即各谐振回路的电感L和电容C均取单位值。Mkk (k=1,2,3,, ,N )表示各谐振腔的自耦合系数。 n腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示： l i 1H 丄F J 1F L丨「IVI N4r 1F y1 ---- 广、'、、L f A 1 1M1k t 1M kN *'i M2N人 M 1,N _ej■'s jM 12jM 13 0jM12s jM23 0=jM13a jM23s9 0jM1,N 一jM2,N U jM3,N — ■0 一1 1jM 1 N jM 2 N jM 3N jM 1, N J jM 1 N jM 2,N -1 jM 2 N jM 3,N -4jM 3n jM N —, N i N -1 jM N -1, N s R2 JL|N M R i e i k,N 1 1/2H 'N1/2H 1H 1/2H i21/2H ■■-R2 这个电路的回路方程可以写为 〕「h 1 I i2 i3
有源滤波器设计任务书 一、设计目的 1. 熟悉二阶有源滤波电路幅频特性和相频特性。 2. 掌握二阶有源滤波电路的快速设计方法。 3. 掌握二阶有源滤波电路的调试及其幅频特性和相频特性的测试方法。 二、使用仪器与器材 信号发生器；双线示波器；万用表；直流稳压源；实验电路板；元器件若干。 三、设计任务 图中所示为无限增益多路反馈电路的一般形式,请选择适当类型无源元件Y1～Y5,以构成低通滤波器和高通滤波器 1. 请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫低通滤波器，通带增益Kp=2，截止频率fc=5kHz，画出电路图。 2. 请设计一个二阶1dB无限增益多路反馈切比雪夫高通滤波器，通带增益Kp=2 截止频率fc=2kHz，画出电路图。 ● 以上工作请在实验课前完成。写在实验报告中。 四、设计步骤 1. 按设计所确定的电路参数，在实验接插板上放入器件，连接低通滤波器（注意连接可靠，正确） 2．将信号发生器的输出信号电压幅值调到1V，接入低通滤波器的输入端，并调整信号源的频率，在低通滤波器输出端测量所对应的幅值。（可用示波器或交流毫伏表测试，并计录输入频率值和所对应的输出幅值，测量10～12 点。） 3．用示波器李沙育图形测试低通滤波器的相频特性，测量10～12 点。 4．进行高通滤波器的电路连接及幅频特性和相频特性测试。测试方法同上。
五、设计报告要求与思考题 1. 复习并掌握滤波器的工作原理，设计方法及应注意问题。 2. 画出所设计的低通滤波器、高通滤波器的电路图。并注明元件参数。 3. 画出幅频特性与相频特性测试原理图，说明测试方法与步骤。 4. 以表格形式分别给出低通滤波器与高通滤波器的幅频特性与相频特性测试数据，并画出其特性曲线。 5. 如果将低通滤波器与高通滤波器相串联，得到什么类型的滤波器，其通带与通带增益各为多少？画出其特性曲线。也可在实验中予以观测和证实。 6. 为构成所得类型的滤波器，对低通滤波器与高通滤波器的特性有无特 定要求。二者哪个在前有无关系？ 附录： 1．几种滤波器原理图、幅频特性
交叉耦合带通滤波器集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）
大学 课程设计任务书 注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订） 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。
指导教师签名：日期：
9 0 2 3 4 5 5 7
前言 微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。? 众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L 和电容C）构成的谐振回路来实现。但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显着，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。?任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。微波元件种类很多。按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。 本文正是根据微波滤波器的特性设计一种微带交叉耦合带通滤波器，要求其小型化、频段规则性高、边缘陡峭，可用于小型化天线系统。 摘要： 交叉耦合滤波器具有高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，已被广泛应用于现代微波通信系统中，本文拟采用高品质谐振腔交叉耦合的形式实现该带通滤波器，结构简单紧凑，通带陡度较
信号与系统课程设计 题目巴特沃斯滤波器的设计与仿真 学院英才实验学院 学号2015180201019 学生姓名洪 健 指导教师王玲芳
巴特沃斯滤波器的设计与仿真 英才一班 洪健 2015180201019 摘 要：工程实践中，为了得到较纯净的真实信号，常采用滤波器对真实信号进行处理。本文对巴特沃斯模拟滤波器的幅频特性、设计方法及设计步骤进行了研究，并利用Matlab 程序和Multisim 软件，设计了巴特沃斯模拟滤波器，并分析了巴特沃斯模拟滤波器的幅频特性。利用 Matlab 程序绘制了巴特沃斯模拟滤波器的幅频特性曲线，并利用Matlab 实现了模拟滤波器原型到模拟低通、高通、带通、带阻滤波器的转换。通过Multisim 软件，在电路中设计出巴特沃斯滤波器。由模拟滤波器原型设计模拟高通滤波器的实例说明了滤波器频率转换效果。同时通过电路对巴特沃斯滤波器进行实现，说明了其在工程实践中的应用价值。 关键词：巴特沃斯滤波器 幅频特性 Matlab Multisim 引言 滤波器是一种允许某一特定频带内的信号通过，而衰减此频带以外的一切信号的电路，处理模拟信号的滤波器称为模拟滤波器。滤波器在如今的电信设备和各类控制系统里应用范围最广，技术最为复杂，滤波器的好坏直接决定着产品的优劣。滤波器主要分成经典滤波器和数字滤波器两类。从滤波特性上来看，经典滤波器大致分为低通、高通、带通和带阻等。 模拟滤波器可以分为无源和有源滤波器。 无源滤波器：这种电路主要有无源元件R、L 和C 组成。有源滤波器：集成运放和R、C 组成，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。集成运放的开环电压增益和输入阻抗均很高，输出电阻小，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。但集成运放带宽有限，所以目前的有源滤波电路的工作频率难以做得很高。 MATLAB 是美国MathWorks 公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，主要包括MATLAB 和Simulink 两大部分。 Multisim10 是美国NI 公司推出的EDA 软件的一种，它是早期EWB5.0、Multisim2001、Multisim7、Multisim8、Multisim9等版本的升级换代产品，是一个完全的电路设计和仿真的工具软件。该软件基于PC 平台，采用图形操作界面虚拟仿真了一个如同真实的电子电路实验平台，它几乎可以完成实验室进行的所有的电子电路实验，已被广泛应用于电子电路的分析，设计和仿真等工作中，是目前世界上最为流行的EDA 软件之一。 本文主要对低通模拟滤波器做主要研究，首先利用MATLAB 软件对巴特沃斯滤波器幅频特性曲线进行研究，并计算相应电路参数，最后利用Multisim 软件实现有源巴特沃斯滤波器。 正文 1巴特沃斯低通滤波器 巴特沃斯（Butterworth）滤波器的幅频特性如该幅频特性的特点如下： ① 最大平坦性。可以证明，在ω=０处，有最大值|H(0)|=1，幅频特性的前２n－１阶导数均为零。这表示它在ω＝０点附近是很平坦的。 ② 幅频特性是单调下降的，相 频 特 性 也 是 单 调 下降的。因此， 巴特沃斯滤波器对有用信号产生的幅值畸变和相位畸变都很小。 ③ 无论阶数ｎ是什么数，都会通过C = ，并且此时|()|H j ，而且ｎ 越大，其幅频响应就越逼近理想情况。
实验一 交叉耦合滤波器设计与仿真 一、 实验目的 1.设计一个交叉耦合滤波器 2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S 参数 二、 实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、 实验原理 具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的回路电流，Mij 表示第i 个谐振腔与第k 个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N ，且i ≠j)。在这里取ω0=1，即各谐振回路的电感L 和电容C 均取单位值。Mkk （k=1,2,3,…,N ）表示各谐振腔的自耦合系数。 n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示: ...1F 1/2H 1/2H 1/2H 1/2H 1/2H 1/2H 1H 1F 1F 1F ...i 1 i 2 i k i N i N M N ,1M k 1M kN M N 1 ,2-M 12 M k 2M N k 1 ,-M N N ,1-e 1 R 1 R 2 1F 1H 这个电路的回路方程可以写为 ?? ? ??? ? ?? ? ???????????????????????? ? ?? ???++=????????????????????---------N N N N N N N N N N N N n N N N N N i i i i i R s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s R e 13212,1321,11,31,21,131 ,3231321,22312 11,11312110000M Λ ΛM M ΛM M M ΛΛΛM 或者写成矩阵方程的形式：I R M sU ZI E )(0++==j
低通滤波器工作原理和应用实例 低通滤波器容许低频信号通过, 但减弱(或减少)频率高于截止频率的信号的通过。对于不同滤波器而言,每个频率的信号的减弱程度不同。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。 高通滤波器则相反, 而带通滤波器则是高通滤波器同低通滤波器的组合. 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。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；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。 低通滤波器实例 RC 电路实现的一个低通电子滤波器 一个固体屏障就是一个声波的低通滤波器。当另外一个房间中播放音乐时，很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉了。类似的情况是，一辆小汽车中非常大的音乐声在另外一个车中的人听来却是低音节拍，因为这时封闭的汽车（和空气间隔）起到了低通滤波器的作用，减弱了所有的高音。 电子低通滤波器用来驱动重低音喇叭(subwoofer)和其它类型的扩音器、并且阻塞它们不能有效传播的高音 节拍。 无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射。 DSL分离器使用低通和高通滤波器分离共享使用双绞线的DSL和POTS信号。 低通滤波器也在如Roland公司这样的模拟合成器（synthesiser）合成的电子音乐声音处理中发挥着重要 的作用。参见subtractive synthesis. [编辑] 理想与实际滤波器一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。实际上的转换区域也不再存在。一个理想的低通滤波器可以用数学的方法（理论上）在频域中用信号乘以矩形函数得到，作为具有同样效果的方法，也可以在时域与sinc函数作 卷积得到。 然而，这样一个滤波器对于实际真正的信号来说是不可实现的，这是因为sinc函数是一个延伸到无穷远处的函数（extends to infinity），所以这样的滤波器为了执行卷积就需要预测未来并且需要有过去所有的数据。对于预先录制好的数字信号（在信号的后边补零，并使得由此产生的滤波后的误差小于量化误差）或 者无限循环周期信号来说这是可实现的。 实时应用中的实际滤波器通过将信号延时一小段时间让它们能够“看到”未来的一小部分来近似地实现理想滤波器，这已为相移所证明。近似精度越高所需要的延时越长。 采样定理(Nyquist-Shannon sampling theorem)描述了如何使用一个完善的低通滤波器和奈奎斯特-香农插值公式从数字信号采样重建连续信号。实际的数模转换器都是使用近似滤波器。 [编辑] 电子低通滤波器 一阶滤波器的频率响应
电磁场与电磁兼容 实验报告 学号： 姓名：院系：专业：教师： 5月28日
实验四电源滤波器插入损耗仿真实验 一、实验目的 通过对电源滤波器基本电路的仿真实验，掌握电源滤波器构成以及各器件的功能和作用，理解滤波器EMI 防护原理。 二、实验原理和内容 实验原理图： 图1 电源滤波器电路图 电源滤波器是一种多级差模和共模低通滤波器级联的应用实例，它可同时滤去差模和共模两种模式的高频噪声。 图1 所示为电源滤波器的原理图。L1 和L2是差模电感扼流圈，电感量一般选取几十至几百毫亨，C1是差模滤波电容，一般选取0.047~0.22uF，L3和L4是共模扼流圈，电感量约为几毫亨，绕在同一个铁氧体环上，C2 和C3 是共模滤波电容，电容量一般选取几纳法。 插入损耗计算公式： 图 2 共模扼流 圈
实验内容： 使用EWB 或Multisim 等电路仿真软件，对电源滤波器进行仿真，通过改变器件参数、输入阻抗、输出阻抗等条件，观察插入损耗的变化，并对实验结果进行分析。 三、实验步骤 1、设计电源滤波器电路 根据图1 的电路图，在仿真软件中建立仿真模型电路 如下图2、图3 分别为共模、差模插入阻抗测试电路。 图2 共模插入阻抗测试电路 图3 共模插入阻抗测试电路
2、仿真滤波器的频率响应 针对共模电路和差模电路分别进行仿真，分析不同频率下的输出信号。 1）控制输入频率分别等于1kHz,10kHz, 20kHz, 100kHz,观察示波器的输出波形。 2）改变L1 L2的参数、C2 C3的参数，观察频率响应曲线的变化。 3、仿真计算滤波器共模插入损耗 4、仿真计算滤波器差模插入损耗 四、实验数据和结果分析 1、共模电路仿真结果 1）函数发生器参数设置截图 通过改变函数发生器的频率参数来调节频率。 选用变压器代替共模扼流圈，但是选用的变压器并不是理想变压器，因此更改其中一些参数如下：
大学 课程设计任务书 序进行装订上交（大张图纸不必装订） 2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。 指导教师签名：日期：
前言 (1) 一、背景知识 (2) 1、滤波器的发展 (2) 2、微波滤波器的应用 (2) 3、交叉耦合滤波器提出与发展 (3) 二、交叉耦合带通滤波器设计原理 (4) 1、交叉耦合滤波器的设计思路 (4) 2、新型耦合开环结构 (5) 3、交叉耦合滤波器的设计 (6) 三、仿真步骤 (9) 1、建立新工程 (9) 2、设置求解类型 (9) 3. 设置模型单位 (10) 4、建立滤波器模型 (10) 5、创建端口 (19) 6、创建Air (20) 7、设置边界条件 (20) 8、为该问题设置求解频率及扫频范围 (22) 9、优化仿真 (23) 10、保存工程 (24) 11、后处理操作 (25) 四、设计总结 (25) 参考文献 (27)
前言 微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。? 众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L和电容C）构成的谐振回路来实现。但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显着，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。?任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。微波元件种类很多。按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。 本文正是根据微波滤波器的特性设计一种微带交叉耦合带通滤波器，要求其小型化、频段规则性高、边缘陡峭，可用于小型化天线系统。 摘要： 交叉耦合滤波器具有高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，已被广泛应用于现代微波通信系统中，本文拟采用高品质谐振腔交叉耦合的形式实现该带通滤波器，结构简单紧凑，通带陡度较高，适合小型化设计，性能较高的天线或雷达双工器等电路使用。 关键词： 交叉耦合滤波器、微带线、设计、HFSS 一、背景知识 1、滤波器的发展 凡是有能力进行信号处理的装置都可以称为滤波器。在近代电信设备和各
滤波器（Filter ） （一）滤波器之种类 以信号被滤掉的频率范围来区分，可分为「低通」（Lowpass）、「高通」（Highpass）、「带通」（Bandpass）及「带阻」（Bandstop）四种。 若以滤波器原型之频率响应来分，则常见有「巴特沃斯型」（Butter-worth）、「切比雪夫I型」（Tchebeshev Type-I）、「切比雪夫II 型」（等几类。 Active）及「被动型」（Passive)型」（L-C Lumped）及「传输线型」（ （Interdigital）、「梳型」（）及「发针型」 ）、「柴比雪夫I 型」（
（二）「低通滤波器」设计方法 (A)「巴特沃斯型」（Butterworth Lowpass Filter） 步骤一：决定规格。 电路特性阻抗（Impedance）: Zo (ohm) 通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc (Hz) ）: Ap (dB) ）：Ax(dB) ≥ N ）。 1 、 1g1 = = + n g N K N K g K ,...., 2,1 , 2 )1 2 ( sin 2= - ? = π 步骤四：先选择「串L并C型」或「并C串L型」，再依公式计算实际电感电容值。 （a）「串L并C型」 Zo f g C f Zo g L c even even C odd odd? = ? = π π2 , 2 （b）「并C串L型」 c even even C odd odd f Zo g L Zo f g c π π2 , 2 ? = ? =
（B）「切比雪夫I型」（Tchebyshev Type-I Lowpass Filter） 步骤一：决定规格。 电路阻抗（Impedance）: Zo (ohm) 通带截止频率（Cutoff Frequency）: fc (Hz) 阻带起始频率（Stopband Frequency）: fx (Hz) 通带涟波量（Maximum Ripple at passband）: rp (dB) ：Ax(dB) N≥ 1 10 10 10 / 10 / 2 - =- rp Ax N 步骤三：计算原型组件值（Prototype Element Values，g K）。 N K B g A A g A g K K K K K ,..., 3,2 , 4 2 1 1 2 1 1 1 = ? = = - - - α γ α 其中 N K ( sin B N ,..., 2,1 K , N 2 )1 K 2( sin A N 2 sinh , 37 . 17 rp coth ln 1 cosh N 1 cosh 2 2 K K 1 π + γ = = π - = β = γ ? ? ? ? ? ? = β ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ε = α-
实验一交叉耦合滤波器设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个交叉耦合滤波器 2.查看并分析该交叉耦合滤波器的S参数 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 具有带外有限传输零点的滤波器，常常采用谐振腔多耦合的形式实现。这种形式的特点是在谐振腔级联的基础上，非相邻腔之间可以相互耦合即“交叉耦合”，甚至可以采用源与负载也向多腔耦合，以及源与负载之间的耦合。交叉耦合带通滤波器的等效电路如下图所示。在等效电路模型中，e1表示激励电压源，R1、R2分别为电源内阻和负载电阻，ik （k=1,2,3,…,N）表示各谐振腔的回路电流，Mij表示第i个谐振腔与第k个谐振腔之间的互耦合系数(i,j=1,2,…,N，且i≠j)。在这里取ω0=1，即各谐振回路的电感L和电容C均取单位值。Mkk（k=1,2,3,…,N）表示各谐振腔的自耦合系数。 n 腔交叉耦合带通滤波器等效电路如下图所示:
e R 2 这个电路的回路方程可以写为 ?? ? ??? ? ??? ? ??????????????????????? ? ?? ???++=????????????????????---------N N N N N N N N N N N N n N N N N N i i i i i R s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s jM jM jM jM jM s R e 13212,1321,11,31,21,131 ,3231321,22312 11,11312110000M Λ ΛM M ΛM M M ΛΛΛM 或者写成矩阵方程的形式：I R M sU ZI E )(0++==j 其中，??? ? ? -=+ =ωωωω11j j j s 一般来讲，频率都归一成1，即ω≈ω0=1,则 ij ij ij M j M j jM 0ωω≈≈ 其中E 为电压矩阵，I 为电流矩阵，Z 为阻抗矩阵， R M U Z ++=00j s U0是N ×N 阶单位矩阵。M 是耦合矩阵，它是一个N ×N 阶方阵，形式如下：
同轴腔结构交叉耦合滤波器的设计 摘要：现代微波通讯的迅速发展，对通道的选择性要求越来越高，不仅需要滤波器的过渡带尽可能窄，还可能需要产生非对称的频率响应，这就需要高性能的选频器件。传统滤波器如Butterworth和Chebyshev滤波器只有依靠增加滤波器的阶数才能满足要求，加工出来的滤波器重量和体积都非常大，不适合现代通讯的需求。椭圆函数滤波器虽然具有很好的选择性，但不能产生非对称的频率响应。广义Chebyshev函数滤波器能通过引入交叉耦合在有限频率处产生传输零点而不用增加滤波器阶数来提高通道的选择性，并且它的任意零点特性能产生非对称的频率响应，相当于把滤波器的阻带抑制能力都集中在所需要的一侧，从而可以用较少阶数的滤波器来实现很高的选择性，因此与传统滤波器相比，体积小、成本低且通道选择性更好，从而可以减小系统的体积和重量，满足现代通信的需求。 同轴腔滤波器通过在谐振腔之间开窗口或加探针，实现电感或电容耦合，通过改变窗口的位置、大小或者探针的粗细、长短等来控制耦合电感或电容的强弱以实现窄带滤波器；而且很容易实现谐振器之间的交叉耦合，通过控制交叉耦合的数量和强弱得以实现传输零点的位置和数目。在有电容加载的情况下，同轴腔滤波器具有小型化的优势，并且具有带宽窄、矩形系数高、功率容量高等优点，所以其应用前景非常广泛，是国内外广泛研究的热点。 总之, 同轴腔广义Chebyshev滤波器具有体积小、带宽窄、矩形系数高、功率容量高等优点, 是国内外广泛研究的热点。 本文主要论述运用广义切比雪夫滤波函数综合交叉耦合滤波器，并在HFSS中设计出了带有传输零点的四腔同轴腔滤波器。交叉耦合滤波器的综合设计从给定的滤波器参数(中心频率，带宽，带内的回波损耗，归一化端口阻抗等)开始，首先得出广义切比雪夫函数滤波器的反射系数和传输系数递推关系式，根据理论响应的表示关系式提取出描述各谐振腔耦合关系的耦合矩阵以及源与负载端的加载Q值;然后利用耦合谐振器电路理论在实际的微波电路结构中实现耦合矩阵中可实现的耦合系数和源与负载端的加载Q值。最终的仿真结果说明了这种方法的可行性和实用性。 关键词：广义Chebyshev函数交叉耦合同轴腔滤波器HFSS 耦合矩阵 Design Of Cross-coupled Coaxial Cavity Filter
LMS 自适应滤波实验报告 ： 学号： 日期：2015.12.2 实验容： 利用自适应滤波法研究从宽带信号中提取单频信号的方法。 设()()()()t f B t f A t s t x 212cos 2cos π?π+++=，()t s 是宽带信号，A ，B ，1f ，2f ， ?任选 （1）要求提取两个单频信号； （2）设f f f ?+=12，要求提取单频信号()t f 22cos π，研究f ?的大小对提取单频信号的影响。 1. 自适应滤波器原理 自适应滤波器理论是现代信号处理技术的重要组成部分，它对复杂信号的处理具有独特的功能。自适应滤波器在信号处理中属于随机信号处理的畴。在一些信号和噪声特性无法预知或他们是随时间变化的情况下，自适应滤波器通过自适应滤波算法调整滤波器系数，使得滤波器的特性随信号和噪声的变化，以达到最优滤波的效果，解决了固定全系数的维纳滤器和卡尔曼滤波器的不足。 （1） 自适应横向滤波器 所谓自适应滤波，就是利用前一时刻已获得的滤波器参数等结果，自动调节现时刻的滤波器参数，以适应信号和噪声未知或随时间变化的统计特性，从而实现最优滤波。自适应滤波器由两个部分组成：滤波器结构和调节滤波器系数的自适应算法。自适应滤波器的特点是自动调节自身的冲激响应，达到最优滤波，此算法适用于平稳和非平稳随机信号，并且不要求知道信号和噪声的统计特性。
一个单输入的横向自适应滤波器的原理框图如图所示： 实际上这种单输入系统就是一个FIR 网络结构，其输出()n y 用滤波器单位脉冲响应表示成下式： ()()()∑-=-=1 N m m n x m w n y 这里()n w 称为滤波器单位脉冲响应，令： ()()n i n x x i w w m i i i ,1,1,1+-=-=+=用j 表示，上式可以写成 ∑==N i ij i j x w y 1 这里i w 也称为滤波器加权系数。用上面公式表示其输出，适用于自适应线性组合器，也适用于FIR 滤波器。将上式表示成矩阵形式： X W W X j T T j j y == 式中 [][ ] T Nj j j j T N x x x w w w X W ,...,,, ,...,,2121== 误差信号表示为 X W j T j j j j d y d e -=-= （2） 最小均方（LMS ）算法 Widrow 等人提出的最小均方算法，是用梯度的估计值代替梯度的精确值，这种算法简单易行，因此获得了广泛的应用。
基于LabVIEW的低通滤波器设计 学号： 201220120214 姓名：敖智男 班级： 1221202 专业：测控技术与仪器 课程教师：方江雄 2015年6月14 日
目录 一．设计思路 (2) 二．设计目的 (2) 三．程序框图主要功能模块介绍 1.测试信号生成模块 (3) 2.滤波功能模块.................................................................. .3 3.频谱分析模块 (4) 4.While循环模块 (5) 四．进行频谱分析.................................................................6、7五．主要设计步骤..................................................................8、9六．运行结果.. (10) 七．设计心得 (11)
低通滤波器是指对采样的信号进行浦波处理，允许低于截至频率的信号通过，高于截止频率的信号不能通过，提高有用信号的比重，进而消除或减少信号的噪声干扰。 一．设计思路 本VI设计的低通滤波器主要是先将正弦信号和均匀白噪声信号叠加，利用Butterworth低通滤波器进行滤波处理，得到有用的正弦信号:再对经过低通滤波器处理后的信号及信号频谱与滤波前的进行比较分析，检测滤波后的信号是否满足用户的要求。 二．设计目的 基于LabVIEW虚拟平台，将“正弦波形”函数和“均匀白噪声”函数产生的信号进行叠加以产生原始信号，让其先通过一个高通滤波器，滤除白噪声的带外杂波，以便在后续程序中低通滤波器可以输出正弦波；然后经过低通滤波器滤波处理，对滤波前后的信号和信号频谱进行比较，从而对低通滤波器的滤波效果进行检验。
实验一 匹配滤波器的仿真验证 一、实验目的：利用matlab 验证匹配滤波器的特性 二、实验要求：设二进制数字基带信号s （t ）=∑a n a g （t-s nT ），加性高斯白噪声的功率谱 密度为0.其中n a ∈{+1，-1}，g （t ）={10 s T t <<0其他（1）若接收滤波器的冲击响应函数h （t ） =g （t ），画出经过滤波器后的输出波形图：（2）若H （f ）={ 10)2/(5||s T f <其他 画出经过滤波器后的输出波形图。 三、实验原理： 匹配滤波器原理：匹配滤波器是一种以输出信噪比为最佳判决准则的线性滤波器。它的冲击响应h （t ）=S （t0-t ）；y0（t ）=h （t ）*s （t ）；在最佳判决时刻t0时输出信噪比r 最大。 四、实验源码 clear all; close all; N =100; N_sample=8; Ts=1; dt =Ts/N_sample; t=0:dt:(N*N_sample-1)*dt; gt =ones(1,N_sample); d = sign(randn(1,N)); a = sigexpand(d,N_sample); st = conv(a,gt); ht1 =gt; rt1 =conv(st,ht1); ht2 =5*sinc(5*(t-5)/Ts); rt2 =conv(st,ht2); figure(1) subplot(321) plot(t,st(1:length(t))); axis([0 20 -1.5 1.5]);ylabel('输入双极性NRZ 数字基带波形'); subplot(322) stem(t,a); axis([0 20 -1.5 1.5]);ylabel('输入数字序列'); subplot(323)
实验二 源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器 2.查看并分析该源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S 参数 二、实验设备 装有HFSS 软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入了交叉耦合，以得到有限频率传输零点，从而提高了滤波器的选择特性。一般来讲，一个N 腔交叉耦合滤波器最多能实现N-2个传输零点。对于给定的一种含有N 个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可实现N 个传输零点。源-负载耦合的交叉耦合滤波器等效电路模型如图所示。 e R 2 在上图所示的等效电路模型中，ij M 表示各个谐振腔之间的耦合系数，Si M 、L i M 分别表示源、负载与第i 个腔之间的耦合系数。SL M 则表示源与负载之间的耦合系数。整个电路由N 个谐振腔构成，各个谐振腔之间是电感耦合。对于窄带滤波器，做如下规一化： 110=?=ωω，
这里0ω为中心频率，ω?为相对带宽。 回路矩阵方程为： R)I M (sU I Z E 0++=?=j 其中，0U 是将(N+2)×(N+2)阶单位矩阵中第一个元素和最后一个元素令为0，其它元素都保持不变所得的矩阵。M 是耦合矩阵，是一个(N+2)×(N+2)阶方阵，其中对角线上的元素代表每一个谐振腔的自耦合，它表示每一个谐振腔的谐振频率i f 与滤波器的中心频率o f 之间的偏差。（在同步调谐滤波器中，我们认为每个谐振腔的自耦合系数的值都取零）。矩阵中非对角线上的元素表示各个谐振腔之间的耦合系数。 R 矩阵是(N+2)×(N+2)阶方阵，除21)2,2(,)1,1(R N N R =++=R R 非零以外，其它元 素值都等于零。 由上可得到该滤波器网络的传输函数： )() (22 )(2112Z Z 1N D cof D R R e R i s t L == 其中，)(1N Z cof D 表示Z 矩阵的第一行；第N 列元素的代数余子式；)(Z D 表示Z 矩阵的行列式。 对上式做进一步分析，可以发现：其分子多项式与分母多项式是同阶多项式。因此，必须选择分子分母同阶的函数形式作为源．负载耦合交叉耦合滤波器的逼近函数。一般情况下，我们可以通过将奇数阶椭圆函数的分子多项式舍去一个零点，或者直接选择偶数阶椭圆函数作为逼近函数。这里需要指出的是，两种逼近函数的构造方法，都必须对波纹系数做一定的修正。 将滤波器看作一个二端口网络，那么其导纳矩阵为
交叉耦合吸收滤波器的设计 微波滤波器一般将电磁(EM)波从负载反射回信号源。但在有些情况下，例如要将反射波从输入中分离出来，以便保护信号源免受过高的功率。基于这个原因，已经开发出吸收滤波器以尽量减少反射。 图1表示了吸收滤波器的基本结构。这种类型的滤波器非常有用，其不仅是一个吸收滤波器，还是功率合成器或双工器。当仅有一个信号输入(端口1)时，端口2是吸收端口，而端口3是隔离端口。端口4是输出端口。当不同的输入信号作用于端口1和端口3时，该结构也可以作为一个信号合成器。最近，在微波和毫米波系统的波导应用中已经提出了基片集成波导(SIW)技术2,3。SIW由基片上的各种金属阵列组成。采用标准印制电路板(PCB)或低温共烧陶瓷(LTCC)基片来制造SIW器件。SIW技术具有一定的优势，例如高品质因数(Q)、低插入损耗、减小了体积、降低了成本，并易于与平面电路进行集成。因此，SIW 技术广泛地应用于各种不同的滤波器以及双工器的设计。 在本文中，已经研制成功一种基于SIW技术的新型交叉耦合吸收滤波器。其具有锐选择性和高Q值，并易于与平面电路进行集成。本文中研发的3-dB两步混合耦合器与先前已出版的著作不同。这一3-dB混合耦合器具有良好的功率分配性能。该吸收滤波器采用标准PCB板进行制作，并且将实测数据与仿真结果进行比较后表明二者相差很小。很明显，以空气填充波导管变换的SIW与SIW-微带波导管变换相比可以提高功率并减小插入损耗。 例如，吸收滤波器常常用于将反射EM波从输入信号端口分离出来，从而保护该端口免于信号过载。吸收滤波器的结构(图1)也可用于其他应用。图1中的两个滤波器是一致的。
(二) 一阶RC低通滤波器杂记 2013-09-16 11:54:26 分享： 标签：RC滤波器阻抗匹配 关于一阶滤波器的种种有很多资料可查，像截止频率啊，相移啊什么的，这些在这里就不再重复了。本文主要阐述一下阿呆在学习过程中曾被困扰的地方，及本人的简要分析。 本文从无源RC低通滤波器说起，以一个实例为讨论背景：有一个心电放大电路，最后一级输出阻抗50欧姆,但是该电路输出信号存在明显的毛刺，那么我们想通过低通滤波器滤掉高频噪声，该如何实现呢？ 最简单的做法，就是在输出上直接加上一个无源RC滤波器了，心电信号频率范围是：0.05-100Hz，为确保有用信号在通带不产生过于不平衡的衰减，我们设计一个截止频率为150Hz的低通滤波器（因为在到达截止频率时，信号已经产生了3dB衰减，一般选取的截止频率值要比实际有用信号的最高频率稍大一些） 如图1所示：
图1 输出幅值变了！信号源输出峰值1V信号，在滤波器输出时，由图1可见，不足1V（每格500mV，不足两格）。怎么回事？ 将该滤波器独立出来，利用理想电压源注入信号，观察滤波器输出： 图2 此时的滤波器输出就基本达到了峰值1V的输出。加上含输出阻抗的前级电路就不能达到了呢，原因何在？一直以为RC滤波器根据
公式计算出截止频率，然后选定参数，加到电路里面去就OVER了，看来不是那么简单，它会受前后级阻抗的影响，那么其定量关系该怎么确定呢？不搞清楚这个问题，电路设计就如阿呆一般，停留在社会主义初级阶段了。 后面我们就探究一下RC滤波器在电路中的匹配问题： 以上面的应用为例，假设前级电路的输出阻抗为Ro1，输出信号电压峰值为±2V，后级电路的输入阻抗为RL2，那么，加入一阶无源RC低通滤波器后，后级电路实际接收信号峰值为多少呢？ 该实例等效后的电路如下： 图3
实验二源-负载耦合的交叉耦合滤波器设 计与仿真
实验二 源-负载耦合的交叉耦合滤波器设计与仿真 一、实验目的 1.设计一个源-负载耦合的交叉耦合滤波器 2.查看并分析该源-负载耦合的交叉耦合滤波器的S 参数 二、实验设备 装有HFSS 13.0软件的笔记本电脑一台 三、实验原理 交叉耦合滤波器在非相邻谐振腔之间引入了交叉耦合，以得到有限频率传输零点，从而提高了滤波器的选择特性。一般来讲，一个N 腔交叉耦合滤波器最多能实现N-2个传输零点。对于给定的一种含有N 个谐振器的滤波器，如果在源与负载之间也引入耦合，则可实现N 个传输零点。源-负载耦合的交叉耦合滤波器等效电路模型如图所示。 e R 2 在上图所示的等效电路模型中，ij M 表示各个谐振腔之间的耦合系数，Si M 、L i M 分别表示源、负载与第i 个腔之间的耦合系数。SL M 则表示源与负载之间的耦合系数。整个电路由N 个谐振腔构成，各个谐振腔之间是电感耦合。对于窄带滤波器，做如下规一化： 110=?=ωω， 这里0ω为中心频率，ω?为相对带宽。 回路矩阵方程为： R)I M (sU I Z E 0++=?=j
其中，0U 是将(N+2)×(N+2)阶单位矩阵中第一个元素和最后一个元素令为0，其它元素都保持不变所得的矩阵。M 是耦合矩阵，是一个(N+2)×(N+2)阶方阵，其中对角线上的元素代表每一个谐振腔的自耦合，它表示每一个谐振腔的谐振频率i f 与滤波器的中心频率 o f 之间的偏差。（在同步调谐滤波器中，我们认为每个谐振腔的自耦合系数的值都取 零）。矩阵中非对角线上的元素表示各个谐振腔之间的耦合系数。 R 矩阵是(N+2)×(N+2)阶方阵，除21)2,2(,)1,1(R N N R =++=R R 非零以外，其它 元素值都等于零。 由上可得到该滤波器网络的传输函数： )() (22 )(2112Z Z 1N D cof D R R e R i s t L == 其中，)(1N Z cof D 表示Z 矩阵的第一行；第N 列元素的代数余子式；)(Z D 表示Z 矩阵的行列式。 对上式做进一步分析，可以发现：其分子多项式与分母多项式是同阶多项式。因此，必须选择分子分母同阶的函数形式作为源．负载耦合交叉耦合滤波器的逼近函数。一般情况下，我们可以通过将奇数阶椭圆函数的分子多项式舍去一个零点，或者直接选择偶数阶椭圆函数作为逼近函数。这里需要指出的是，两种逼近函数的构造方法，都必须对波纹系数做一定的修正。 将滤波器看作一个二端口网络，那么其导纳矩阵为 ()()()()()()()()()()??? ???-+??????=?? ????=??????=∑=k k k k N k k n n n n d r r r r j s K K j s y s y s y s y s y s y s y s y s y 2221121110022211211222112111001λY 这里假设源和负载阻抗相等并设为1Ω，则当N 为偶数时， ()()()()() s m s n s y s y s y d n 112222== ()()()()[]() s m s P s y s y s y d n 12121ε== 当N 为奇数时， ()()()()() s n s m s y s y s y d n 112222==