分类号密级内部
UDC注1
学位论文
微型LTCC/LTCF耦合谐振滤波器
的研究与设计
（题名和副题名）
徐利
（作者姓名）
指导教师姓名戴永胜副教授
申请学位级别硕士专业名称电磁场与微波技术论文提交日期2012.1论文答辩日期
学位授予单位和日期南京理工大学
答辩委员会主席
评阅人
2012 年 1 月 1 日
注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号。
声明
本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。
研究生签名：年月日
学位论文使用授权声明
南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。
研究生签名：年月日
摘要LTCC/LTCF耦合谐振带通滤波器的研究与设计
摘要
现代无线通讯系统及计算机技术的飞速发展对微波射频滤波器的微型化、性能优、高可靠的要求愈来愈高。耦合谐振带通滤波器作为射频收发组件以及无线电系统中的重要无源器件，是当前各科研学者研究的重点。因此基于现行的多芯片组件（Multi-Chip-Module，MCM）技术和系统级封装（System In Package，SIP）技术对耦合谐振带通滤波器的研究非常具有现实意义。
本文采用MCM技术的两大基石即低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC）技术和低温共烧铁氧体（Low Temperature Co-fired Ferrite，LTCF）技术设计了四款耦合谐振带通滤波器，结合滤波器的设计实例总结了根据耦合谐振带通滤波器基础及交叉耦合等经典滤波器设计理论来设计LTCC/LTCF耦合谐振带通滤波器的方法与流程。特别地对LTCC/LTCF半集总式带通滤波器与LTCC分布式带通滤波器作了详尽的比较分析，得出两种结构滤波器的优缺点以及LTCC/LTCF带通滤波器设计中的各种创新。
本文所设计的四款滤波器的主要特征如下：
第一款是蓝牙频段的二阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为2.4GHz-2.5GHz，相对带宽约为4%，采用LTCC技术及半集总结构，尺寸为1.6mm×0.8mm×0.6mm。第二款是VHF频段的四阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为105MHz-171MHz，相对带宽约为48%，采用LTCF技术及半集总结构，尺寸为4.5mm×3.2mm×1.5mm。第三款是L波段的六阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为 1.4GHz-1.7GHz，相对带宽约为20%，采用LTCC技术及分布式结构，尺寸为4.8mm×4.2mm×1.5mm。第四款是Ku波段的二阶耦合谐振带通滤波器，工作频段为14.9GHz-15.1GHz，相对带通约为1%，采用LTCC技术及分布式结构，尺寸为2.6mm×1.1mm×1.1mm。
这四款滤波器频率覆盖范围宽，可以从105MHz覆盖到15.1GHz，指标要求高，但最终的仿真结果都大大优于指标要求，并且都具有微型化、性能高和可靠性高的优势。由于时间关系我们只生产了第一款蓝牙频段的滤波器及第三款L波段的滤波器，最终的测试结果性能优异，与仿真结果一致性较好，完全符合指标及工程要求，现在已经大批量生产并投入使用。
关键词：耦合谐振滤波器、微型化、低温共烧陶瓷（LTCC）、低温共烧铁氧体（LTCF）、半集总、分布式
Abstract
The boom of the modern wireless communication system and computer technology request the RF filter to be miniaturization, high performance and reliability. As one of the most important passive component in RF transceiver module and radio system，the coupled-resonator filter is a hotspot by many scholars. Consequently, the research of bandpass filters, which are based on MCM (Multi-Chip-Module) and SIP (System In Package).
Based on MCM technology, four kinds of coupled-resonator filters are designed using LTCC (Low Temperature Co-fired Ceramic) technology and LTCF (Low Temperature Co-fired Ferrite) technology. Combined with the examples of filter designing, we summarized the method and process of filter designing on the basis of the coupled-resonator filters and cross coupling theory. Particularly, we compared and analyzed the semi-lumped and distributed bandpass filter. So we got the advantages and disadvantages of these two kinds of bandpass filters and the innovation using in the design.
The principal characters of the four filters are shown as follows:
The first filter is two ordered coupled-resonator filter at Bluetooth frequency, which using semi-lumped structure and LTCC technology. The frequency band is 2.4GHz-2.5GHz, the FBW is about 48% and the dimension is 1.6×0.8mm×0.6mm. The second filter is four ordered coupled-resonator filter at VHF-band, which using semi-lumped structure and LTCF technology. The frequency band is 105MHz-171MHz, the FBW is about 48% and the dimension is 4.5×3.2mm×1.5mm.The third filter is six ordered coupled-resonator filter at L-band, which using distributed structure and LTCC technology. The frequency band is 1.4GHz-1.7GHz, the FBW is about 20% and the dimension is 4.8×4.2mm×1.5mm.The fourth filter is four ordered coupled-resonator filter at Ku-band, which using distributed structure and LTCC technology. The frequency band is 14.9GHz-15.1GHz, the FBW is about 1% and the dimension is 2.6×1.1mm×1.1mm.
Key words: Coupled-resonator Filters, Miniaturization, Low Temperature Co-fired Ceramic (LTCC), Low Temperature Co-fired Ferrite (LTCF), Semi-Lumped, Distributed
目录
摘要................................................................................................................I ABSTRACT ...................................................................................................... III 1.绪论.. (1)
1.1.课题的研究背景与意义 (1)
1.2.LTCC关键技术及其发展方向 (2)
1.2.1.LTCC工艺流程及关键技术 (2)
1.2.2.LTCC微波器件的研究进展 (4)
1.2.3.低温共烧铁氧体材料的关键技术 (6)
1.2.4.LTCF技术的研究现状及发展趋势 (7)
1.3.本文的主要工作 (8)
2.耦合谐振带通滤波器的基本理论 (10)
2.1.概述 (10)
2.2.耦合谐振带通滤波器的基本原理 (12)
2.3.微波谐振器简介 (16)
2.4.J、K变换器的微波实现及其等效电路 (18)
2.5.交叉耦合滤波器的电路分析 (20)
2.5.1.N阶耦合谐振带通滤波器的矩阵分析 (21)
2.5.2.交叉耦合电路的相位关系分析 (22)
3.LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的设计流程及三维实现 (26)
3.1.LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的EDA设计流程 (26)
3.2.LTCC/LTCF中元件的三维实现 (27)
3.2.1.带状线的三维模型建立 (27)
3.2.2.电感的三维实现 (28)
3.2.3.电容的三维实现 (32)
3.3.谐振单元的三维实现及谐振频率的确定 (34)
3.4.谐振级间耦合系数的提取 (38)
3.4.1.双模分析法提取耦合系数 (38)
3.4.2.电壁磁壁分析法提取耦合系数 (39)
4.LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的研制 (41)
4.1.概述 (41)
4.2.半集总型LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的研究 (42)
4.2.1.蓝牙频段LTCC耦合谐振滤波器的设计 (42)
4.2.2.甚高频LTCF耦合谐振滤波器的设计 (51)
4.3.带状线型LTCC耦合谐振滤波器的研究 (57)
4.3.1.L波段LTCC高阻带抑制耦合谐振滤波器 (58)
4.3.2.Ku波段LTCC窄带耦合谐振滤波器 (67)
5.总结与展望 (73)
致谢 (75)
参考文献 (76)
附录 (79)
1.绪论
1.1.课题的研究背景与意义
滤波器是微波射频电路、无线电系统等许多设计中的关键问题。在多路通信中，滤波器用来分开和组合不同的频段；在射频收发组件中，滤波器用来防止接收机受到工作频段外的干扰或规定大功率发射机在工作频段内辐射。而且，从超长波段到毫米波段的所有电磁波段都需要滤波器[1]。
在微波技术及无线通讯的飞跃发展进程中，滤波器是一直是一个极其重要的部分。最近一些年来微波滤波器的现状大致可以分为以下几个方面[2]：
（1）从个别应用到广泛应用
在微波技术中，对滤波器研究最早的课题之一则是从微波空腔谐振器开始，这可以等价为微波滤波器的一个基本单位。随着微波理论及技术的发展，人们将单腔谐振器进行组合，设计出性能更加优良的滤波器。由于微波波段应用的增多，频谱更加拥挤，而且电子对抗的应用也越来越普遍，迫使微波滤波器在应用深度和广度上都发展很快[3,4]。
（2）设计方法从粗糙到精确，从繁琐到简单
最初设计微波滤波器，是利用场和波的方法对滤波器的结构进行仿真和分析，设计过程非常复杂[5]。伴随计算机软件的迅猛发展，可以对滤波器进行全波建模优化仿真的软件也接踵而至，最典型的软件有：CST Microwave studio，Advanced design system，Ansoft HFSS等。这些专业的电磁场仿真软件的出现使得微波器件的设计向前迈出了很大的步伐。滤波器设计已经将综合和软件的仿真优化相结合，使设计出的滤波器精度更高，调试难度更低，器件的一致性更好。
（3）滤波器的型式多样化、标准化、元件化
由于目前射频器件制造工艺的飞跃发展，微波滤波器也相应的从很少的种类发展到各种结构、各种类型，例如LC滤波器、微带滤波器、腔体滤波器等传统滤波器。由于微电子技术和半导体工艺的发展，一些新兴的滤波器的进展迅速，MEMS滤波器，CMOS 滤波器，LTCC滤波器等微波滤波器已广泛研制。
（4）微波滤波器的设计采用各式新型材料
滤波器性能的提高离不开微波材料的发展，目前微波材料的进展非常大，已有很多新型材料成功用于微波滤波器中，比如超导体、等离子体、铁氧体、铁电体等[6]。
（5）滤波器日益微型化，与其他微波器件集成更加密切
微波滤波器是目前微波无源器件的核心之一。由于个人电子和无线通讯产品的小型
化要求更高，产品的封装技术也飞跃发展。在传统的PCB（Printed Circuit Board）工艺基础上又出现了所谓的多芯片组件（Multi-Chip-Module, MCM）技术和系统级封装（System In Package, SIP）技术，这些新工艺可以将各种无源元件集成到芯片中区。而无源元件所占体积过大是封装技术中一大难题。近些年来发展的多层陶瓷技术，包括低温共烧陶瓷（Low Temperature Co-fired Ceramic, LTCC）技术和低温共烧铁氧体（Low Temperature Co-fired Ferrite, LTCF）技术，这种三维集成工艺使微波无源器件的微型化得到了大大的发展。
MCM是目前各国研究的热点，其诞生至今已经有二十多年的历史，主要的技术有：高密度厚膜多层布线基板及高密度多层PCB板等。而目前最具研究意义和发展潜力的是LTCC和LTCF技术[7]。因此，LTCC和LTCF微波滤波器的研究与设计具有十分重要的现实意义。
1.2.LTCC关键技术及其发展方向
近些年，世界各国的科研工作者都在无源器件的微型化上进行了大量的研究，并取得了相当大的成就。但是无源器件的集成却一直是电子器件发展的瓶颈[8]。无源器件是构成整机系统的主要部分，在一个系统中，无源器件与有源器件的比例甚至可以高达100:1。LTCC技术给无源器件的集成带来了希望，成为了目前无源器件集成的主流技术。LTCC技术的关键有三点，材料，设计及设备。材料的迅猛发展给LTCC技术带来了崭新的一页，除了将高介电常数的陶瓷材料用于LTCC技术外，现在的研究热点高磁导率铁氧体材料也可用于LTCC技术，即低温共烧铁氧体（LTCF）技术[9]。
1.2.1.LTCC工艺流程及关键技术
多层陶瓷基板技术源于20世纪50年代的美国无线电公司，现在的用流延法的生瓷片制造技术，过孔形成技术以及多层叠层技术在当时已广泛应用。之后，IBM公司在这一技术领域居高不下，该公司在80年代初商业化的计算机的电路板就是多层陶瓷基板技术的产物。因为这些多层基板是用氧化铝绝缘材料和导体材料（Mo、W、Mo-Mn）在1600°C的高温下烧结而成，因而称为高温共烧陶瓷（High Temperature Co-fired Ceramic, HTCC），以区别后来开发的低温共烧陶瓷。从20世纪80年代的中期开始，科研人员致力于提高大型计算机的性能与速度，低温共烧陶瓷技术也得到了进一步的发展。为了提高高密度安装电路板的配线密度，具有低热膨胀的陶瓷材料是必不可少的，而且要使信号高速传输，必须保证陶瓷材料具有较低的介电常数。20世纪90年代初，很多美国和日本的陶瓷和电子厂家开发了满足以上要求的多层陶瓷基板，其中IBM和
富士通公司用铜布线材料和低介电常数陶瓷制造的多层基板首先成功的进入商用领域。
顾名思义，低温共烧陶瓷技术就是将陶瓷粉制作成的厚度精确的生瓷带在低温下进行烧结，利用生瓷带上用激光打孔[10]，孔内注浆以及印刷金属图形等工艺，并将各种电感或电容等无源原件埋入生瓷带中，叠加在一起，在850°C~1000°C下烧结而成。LTCC 技术的基本工艺流程如图1.2.1所示[11]。
图1.2.1 典型的LTCC技术工艺流程
LTCC技术所用的金属是高电导材料，一般是Ag、Cu、Au或其合金，如Ag-Pd、Ag-Pt、Au-Pt等。这些金属的熔点都比较低，约为1000°C左右，如表1.2.1所示，由于陶瓷材料是和金属在一起烧结，精确控制烧结温度是非常关键的。为了提高在低温共烧条件下的烧结密度，通常在陶瓷材料中加入低熔点氧化物或晶化玻璃等物质来促进烧结。
与其他的无源器件集成技术相比，LTCC技术具有以下优点：首先，由于陶瓷材料具有优良的高频特性与高Q值特性，LTCC无源器件的频率覆盖很广，可高达几十GHz。LTCC工艺中使用的导体材料都具有很高的电导率，有效地提高了电路的品质因子。其次，LTCC器件可满足大电流、高功率、耐高温、可靠性高等特性要求，并且具备优良的热传导率。最重要的一点事，LTCC工艺可以制作层数很高的电路基板，而且可以内埋多个无源元件，大大提高了电路集成密度。LTCC模块除了能集成电容、电感、电阻等元件外，还可以将EMI抑制元件、电路保护元件、敏感元件等集成在一起，如图1.2.2所示[12]。
图1.2.2 典型的LTCC集成模块
1.2.2.LTCC微波器件的研究进展
LTCC技术在国外最初主要用于军事产品，最早是由美国的休斯公司研发。由于其受材料技术发展的限制，LTCC产品开始的成本较高。近年来因为无线通讯及汽车电子行业迅猛发展，LTCC工艺技术及材料有了巨大的改善，进而成本也大大降低，渐渐向民用领域发展。
过去电子器件技术都由日本及欧美厂商主导，LTCC技术也不例外。LTCC工艺在日本及欧美等发达国家很早就已进入产业化阶段，如美国国家半导体、村田、京瓷、博世、松下等研发机构对LTCC技术已研究深入，其生产工艺和材料体系都已日渐成熟。欧美日厂商占据了LTCC市场的九成以上，不仅在专利技术和规格主导权以及材料上都
占主导地位。
在2000年左右，由于蓝牙和手机等无线通讯领域的高速发展，台湾地区也积极投入到LTCC工艺技术的研发，并争取和欧美日国家合作，因为LTCC器件必然是通讯无源器件微型化的主要解决手段。相较之下，尽管大陆地LTCC技术的研究较晚，但是，国内的LTCC市场的潜力很大，清华大学，电子科技大学，南京理工大学等高校以及电子科技集团第五十五研究所、第四十三研究所等机构已经开展了大量的研究工作。国内主要厂商以深圳南坡电子和浙江佳利电气为代表。
LTCC产品被广泛应用于移动电话、电视、计算机、微波接收机及发射机等系统中。原因很简单：当前应用中的材料多是性能较差，可靠性较低，而LTCC器件具有很好的性能及耐久性，其可靠性也很高，同时LTCC易于批量生产且成本较低。
图1.2.3是一个装有全球卫星定位系统的双波段移动电话的简要示意图。其工作原理如下：首先由D/A转换器将说话声音的模拟信号转换成数字信号，再通过一混频器，随后用声表面波滤波器滤除噪声，将信号放大后由天线发射出去。LTCC技术可以用来制作这一过程所需的几乎所有分立器件，如耦合器、巴伦、滤波器、功分器等。而且，LTCC技术还可以用来实现图中所划分的电路模块，如前段模块、功率放大模块及天线转换模块，另外LTCC技术还可以用于声表面波滤波器的封装[13]。因此，越来越多的LTCC器件将进入射频通讯系统中。总的而言，LTCC产品可以分成三个类型，如表1.2.2所示，即分立器件、封装/基板、模块。
图1.2.3 装有全球卫星定位系统的移动电话（CDMA，PCS）框架图
1.2.3. 低温共烧铁氧体材料的关键技术
LTCF 技术即低温共烧铁氧体，其基本工艺流程与LTCC 技术基本一致，只是用于低温共烧的材料为铁氧体材料，目前在广泛应用的有MnZn 系列、NiZnCu 系列、Li 铁氧体旋磁材料系列等等[14]。LTCF 技术与LTCC 技术相比之劣势是，该技术更适合做低频、中频滤波器。但是随着铁氧体材料技术的发展，特别是实现了将铁氧体材料、陶瓷介质及金属材料三位一体低温共烧的技术，现在的LTCF 器件的覆盖频率也更广，向高频段发展，典型的模块如图1.2.4所示。
图1.2.4典型的LTCF 模块示意图
众所周知，低温共烧的温度一般在850°C~1000°C ，但是NiZn 铁氧体的烧结温度为1200°C~1300°C ，而MnZn 铁氧体的烧结温度更高达1300°C~1450°C [15]。因此
LTCF技术的关键是首先要研制出能与高导金属材料（例如Ag、Au、Ag-Pt等）实现低温共烧的铁氧体磁粉。LTCF技术除了需要研发出可以低温共烧的铁氧体磁粉外，还要求其电阻率足够高，并且不能与内高导材料发生反应。目前，制备满足要求的铁氧体材料的方法主要有三种[16]：第一种是在铁氧体磁粉中加入低熔点物质添加剂；第二种是用单相固熔体的离子进行离子代换；第三种是将铁氧体磁粉制成超细粉料，以达到降低烧结温度的目的。
LTCF工艺中另一项关键技术是制备适合流延的铁氧体复合浆料。要在基带上流延出厚度均匀而又连续的浆料层，必须严格控制浆料的粘度、气泡以及均匀性等物理性能。因此，在研制铁氧体复合浆料的时候，出来要在铁氧体粉料中加入低熔点物质外，还需要加入分散剂、增塑剂、去泡剂、粘结剂、湿润剂、表面活性剂等，经过均匀混合后球磨成胶体。接着在流延机的上作用形成光滑自然的平面膜片。膜片需要再经过干燥炉干燥后形成有弹性而又柔软的磁膜。此外，将高导材料、陶瓷材料以及铁氧体材料三种材料一起进行低温共烧也是现在各国研究的重点技术之一。要想实现这三种材料的共烧，必须调整其烧结温度、热胀系数、收缩率等参数相应匹配，否则无法实现低温共烧[17]。
1.2.4.LTCF技术的研究现状及发展趋势
与LTCC微波器件一样，LTCF器件在通信与计算机领域的应用也十分广泛，特别是宽带业务数字网、移动通讯、蓝牙模块、频率合成器、汽车电子以及宇航微波产品等方面。基于LTCF技术设计研制的产品主要有多层片式电感、多层片式滤波器、抗电磁干扰磁珠阵列。随着对LTCF技术的深入研究，目前基于此工艺已研制出一系列的磁性组件、系统以及磁性功率模块。
早在1983年，日本TDK公司就已经研制出一款LTCF多层片式LC滤波器，该滤波器是将NiCuZn铁氧体材料和陶瓷介质叠加在一起进行低温共烧，并且很好的解决了铁氧体材料、陶瓷介质及高导材料三位一体共烧的问题。九十年代时，美国也有很多LTCF器件的专利问世，其中Midcom公司的LTCF微磁变压器的额定功率可达250mW[18]。欧洲的很多公司也迅速发展起来，以德国的博世和西门子为代表。在各个行业的发展与市场需求的推动下，我国各个单位也相继展开了对LTCF技术的研究，包括电子科技大学、中国电子科技集团第九研究所，深圳南坡电子等。但是由于起步太晚，加之工艺线和材料技术的限制，我国在低温共烧铁氧体方面一直没有取得比较大的进展。材料和工艺设备主要还是依赖国外进口，LTCF器件的设计工作也受到了严重的制约。当前LTCF技术的主要发展趋势主要有以下几个方面[19-20]：
（1）低温共烧铁氧体材料向多元化发展
目前市场化的低温共烧铁氧体是磁导率为200为NiZnCu铁氧体。在未来的发展中，
主要向着更高磁导率的方向发展，比如研发磁导率为500-2500的MnZn铁氧体材料。用于低温共烧的旋磁材料LiZn铁氧体磁粉也是目前研制的重点[21]。
（2）LTCF元器件和组件向更高频率发展
由于计算机和通信领域的迅猛发展，为满足各个行业的需求，LTCF技术发展也很快，其工作频段也越来越高，正在研发微波频段甚至毫米波段的磁性模块技术[22]。
（3）LTCF器件和模块想多功能化发展
目前欧美日等国家已成功研制出EMI滤波器模块、EMI多层磁珠阵列、功分器、定向耦合器、变压器、放大器及混频器等LTCF磁性组件或模块。2002年在日本召开了多层微波铁氧体滤波器、环形器、移相器等磁性器件及模块的研讨会[23]。
（4）LTCF技术向高可靠性和功率密度大的方向发展
对LTCF器件和模块，不仅要求其工作频段更高，对它的功率以及可靠性的要求也更加高。例如日本TDK公司研制的LTCF定向耦合器尺寸为3.2mmⅹ1.6mmⅹ1.1mm，功率密度为80W/cm3，频率为2.5GHz。
1.3.本文的主要工作
本课题主要是基于LTCC和LTCF这两大无源器件集成技术，对耦合谐振带通滤波器的设计方法、技巧以及滤波器的结构上做出一定的创新与研究。本文的主要工作是设计四款微型带通滤波器，包括三款LTCC带通滤波器和一款LTCF带通滤波器，涵盖了VHF频段、L波段、S波段和Ku波段，相对带宽最窄的为1.3%，而最高的达48%。通过对这四款滤波器的设计过程与方法的介绍，阐述了如何高效快速的超小型的LTCC带通滤波器或LTCF滤波器，并且在滤波器的三维结构上做出一定的创新使滤波器的性能更加优异。
本文的主要内容安排如下：
第一章：介绍了LTCC/LTCF耦合谐振带通滤波器的研究背景与意义，分别阐述了LTCC技术和LTCF技术的工艺流程、关键技术和国内外发展状况，并且对本文的研究内容做了一个简要介绍。
第二章：描述了耦合谐振带通滤波器的基本理论，介绍了耦合谐振滤波器中的关键单元K、J变换器的微波实现方式及其等效电路。最后分析了交叉耦合理论在耦合谐振滤波器器中的应用。本章内容为后续的滤波器设计工作打下了坚实了理论基础。
第三章：介绍了LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的综合流程及其三维实现中所要做的基础工作。阐述了如何在三维中建立精确的LTCC/LTCF电容、电感、谐振器模型，以及如何提取单谐振级的谐振频率和谐振级间的耦合系数。本章内容是设计LTCC/LTCF 带通滤波器的重中之重，为下一章设计LTCC/LTCF带通滤波器做了很好了铺垫。
第四章：本章是本文的重点，介绍了四款LTCC/LTCF耦合谐振滤波器的设计。在第二章和第三章的基础上，首先基于LTCC技术设计了一款中心频率为2.45GHz的二阶耦合谐振滤波器，采用半集总结构设计，并生产制造与测试，且给出了测试结果，测试结果与仿真结果吻合很好。接着在此基础上设计了一款中心频率为138MHz的半集总结构的LTCF带通滤波器。其次介绍了两款基于LTCC技术的分布式耦合谐振带通滤波器，分别是中心频率为1.5GHz的六阶耦合谐振滤波器和一款中心频率为15GHz的四阶耦合谐振滤波器。
第五章：对本文的主要工作内容、成功及创新点进行总结。
2. 耦合谐振带通滤波器的基本理论
2.1. 概述
基于耦合谐振理论来设计微波带通滤波器是一种常用的方法，借助公式或软件计算出谐振单元的谐振频率及谐振级之间的耦合系数，再通过微波结构来实现这些谐振单元和耦合结构，从而得到微波带通滤波器[24]。
图2.1.1是一种典型低通滤波器原型及其频率响应。将低通原型变换为带通滤波器，只需要根据频率变换式（2.1）[25]：
'0'1021
001() W=W ωωωωωω
ωωωω=--= (2.1)
则该低通原型滤波器经过频率变换后对应的带通滤波器及其响应如图2.1.2（a ）所示，其频率响应如图2.1.2（b ）所示。低通到带通的频率变换过程如表2.1.1所示。其中1ω、2ω分别为上边带频率和下边带频率，0ω为通带的中心频率。带通滤波器的带宽一般用相对带宽来表征[26]： 210W ωωω-= (2.2)
一般相对带宽在20%以下的为窄带滤波器，而在40%以上的为宽带滤波器。在设计带通滤波器的时候，除了需要给出中心频率和带宽外，还有比较重要的指标有通带内的插入损耗和阻带的衰减。图2.1.2中Ar L 为通带内最大衰减值，Aa L 和Ab L 分别为下阻带和上阻带中频率为a ω、b ω的衰减量[27]。目前用来实现谐振器的方式有很多种，其中传输线或波导谐振腔与集总参数谐振器不一样的地方是，它们多具有多重谐振特性。正如图
2.1.2（b ）所示，在滤波器的响应中，在0ω的整数倍频率上，会周期性的出现寄生通带，一般用spb ω表示第二个通带的中心频率，在0ω与spb ω中间的衰减峰值用()A USB L 表示。
'0R g ='
22
L g ='n n L g =
'3'1n n R g +='11
n n g ++=
（a ）原型电路
（b ）频率响应曲线
图2.1.1 一种典型的低通滤波器电路原型及其频率响应
' 0
R g=
2
L
2
C
4
L
1n
L
-1n
C
-
4
C
'
11
n n
R g
++
=
（a）带通原型
ω
（b）频率响应
图2.1.2 带通滤波器原型电路及其频率响应
2.2.耦合谐振带通滤波器的基本原理
把集总参数低通原型滤波器变换成只有一种电抗元件的低通原型滤波器，即电感或电容元件，就是所谓的变形低通原型[28]。将图2.1.1中所示电路的各元件间加入K变换器后，将电容转换为电感，便得到了只有电感元件的低通原型滤波器；同样，在该电路的各元件加入J变换器，再把电感转化为电容就得到只有电容的低通原型滤波器[29]。K、J变换器就是我们常说的阻抗变换器和导纳变换器。利用K、J变换就可以将图2.1.1所
基于HFSS的微调谐腔体带通滤波器设计 发表时间：2016-10-12T14:41:17.417Z 来源：《电力设备》2016年第14期作者：李婷婷 [导读] 针对微调谐腔体带通滤波器设计制造中存在的问题，介绍了腔体带通滤波器的总体设计。 （广州海格通信集团股份有限公司） 摘要：针对微调谐腔体带通滤波器设计制造中存在的问题，介绍了腔体带通滤波器的总体设计；论述了需要解决的问题，如优化计算、提高仿真精度和简化调谐结构，并对二端口网络等效替换、整体仿真和微调谐关键技术进行了分析。 关键词：腔体带通滤波器；微调谐；免调谐；HFSS 传统的微波腔体带通滤波器的设计过程中，参数计算量大，仿真存在误差，调谐过程耗时费力。随着腔体带通滤波器在微波通信设备中的广泛应用，其设计方法有待改进。 通过设计参数求取方法的改进和对原理图的完善补充以及采用合理的仿真过程，确保了滤波器设计的精确度。在此基础上，摒弃传统的用调谐螺钉调谐的方式，采用微调谐结构的腔体来实现滤波器的微调谐，配合线切割加工工艺，最终实现腔体带通滤波器的精确微调谐设计，一定的相对带宽条件下，可实现免调谐设计。 一、总体设计 微波腔体带通滤波器的设计过程大体分为3步：一是按设计要求求取设计参数；二是进行滤波器模型的仿真；三是进行滤波器的调谐。求取设计参数一般先根据设计要求选择合适的切比雪夫低通原型滤波器，因为较之最大平坦型滤波器，切比雪夫滤波器有更优异的带外抑制，较之椭圆函数滤波器更易于实现。 进行模型仿真前，还需要得到以下3个参数：一是单端输入最大群时延；二是谐振器间耦合系数；三是谐振腔的谐振频率。 滤波器模型的仿真分为2步：第一步要在HFSS中建立滤波器的三维微调谐模型；第二步就是进行HFSS的模型仿真。在HFSS中建立滤波器腔体模型后，对其先后进行单谐振器本征模仿真、双谐振器本征模仿真和单端输入最大群时延仿真，分别得到单谐振器谐振频率、相邻谐振器间耦合系数和单端输入最大群时延等参数的仿真值。然后，利用仿真值去逼近对应参数的理论值，得到最终的模型尺寸。 模型仿真结束后就可以按仿真尺寸对滤波器进行机加工，最后经过调谐，滤波器就可以达到使用要求了。 二、需要解决的问题 （一）提高仿真精度 三维电磁场仿真软件HFSS由于本身采用的是有限元数值算法，相对于矩量法和积分法来说，具有较高的仿真精度，但是由于设计者采用不合理的仿真方法，导致设计中存在仿真误差。 对于谐振器间耦合系数的仿真，传统的方法是建立孤立双谐振器模型进行谐振器之间耦合系数的仿真，根据仿真数据建立相邻谐振器间耦合系数对应孤立双谐振器间距的曲线，再依据此曲线确定每个孤立双谐振器之间的距离，最后将各个孤立双谐振器单元进行组合得到整个腔体滤波器模型，多谐振器组合后之间的相互影响，可能导致滤波器响应的变坏，严重影响到滤波器仿真的精度。 （二）简化调谐结构 腔体滤波器的结构设计中使用了大量的调谐螺钉，或在盖板上安装调谐螺钉，或在盒体侧壁上安装，与此同时还需要考虑相应螺母的尺寸及调谐完成后如何固定螺母的问题。调谐螺钉的使用导致滤波器结构复杂且体积庞大。 同时还存在一个更重要的问题，即滤波器调谐的好坏、快慢很大程度上依赖于调谐者的经验与技术水平，且产品的一致性不是很好，这严重限制了腔体滤波器的批量生产。 三、关键技术 （一）二端口网络等效替换技术 二端口网络等效替换技术是在从切比雪夫低通原型到只有一种电抗元件低通原型的变换过程中，摒弃利用对偶电路求取J值的方法，采用二端口网络电路直接等效替换的方法将低通原型中的串联电感变换成并联电容，低通原型中的电容值保持不变，经过变换后的并联电容值与低通原型中的串联电感的电抗值保持一致。 （二）整体模型仿真技术 整体模型仿真技术：首先建立滤波器整体模型，在整体模型的框架内先对单谐振器本征模仿真求得每个谐振杆的尺寸与加载情况，再对双谐振器本征模仿真求得相邻谐振杆的间距。2种模式仿真都采用从中心谐振器单元到两端谐振器单元的仿真顺序。同时为了减小双谐振器本征模仿真与单谐振器本征模仿真之间的相互影响，需要这2种仿真交替进行几次，直至2种模式仿真的相互影响比较细微时，最后再进行单端输入最大群时延的仿真。这样从整体模型的能有效提高仿真的精确度； （三）微调谐技术 谐振杆一端与地短路，一端开路，开路端加载一薄金属片，金属片呈现的是电容的特性，通过小幅度拨动金属片改变金属片与金属腔壁间的距离来实现滤波器的微调故而又称金属片为调谐电容片；输入输出端中间的过孔用于焊接穿墙玻璃绝缘子的探针，称之为探针孔；谐振杆模拟的是并联谐振电路。 四、仿真与性能测试结果分析 （一）仿真 设计要求：中心频率为4.7GHz，通频带相对带宽为16%，3.5GHz和6GHz处的抑制度达到30dB，插入损耗小于1dB。 首先根据带外抑制度选择5腔结构；再求取谐振器间耦合系数，单端输入最大群时延和谐振腔的谐振频率分别如下：k1，2=0.19937，k2， 3=0.1421，τmax=0.5443，F0=4673.3，F0是W0对应的频率值。然后在HFSS中建立三维微调谐滤波器模型，之后通过下面3个步骤最终得到滤波器三维模型的尺寸： ①通过HFSS单谐振器本征模型仿真使单谐振器本征模频率在F0附近，以此确定每个谐振杆的大小与加载情况。谐振杆长度用L表示，
应用ADS设计微带线带通滤波器 1、微带带通微带线地基本知识 微波带通滤波器是应用广泛、结构类型繁多地微波滤波器,但适合微带结构地带通滤波器结构就不是那么多了,这是由于微带线本身地局限性,因为微带结构是个平面电路,中心导带必须制作在一个平面基片上,这样所有地具有串联短截线地滤波器都不能用微带结构来实现；其次在微带结构中短路端不易实现和精确控制,因而所有具有短路短截线和谐振器地滤波器也不太适合于微带结构.b5E2RGbCAP 微带线带通滤波器地电路结构地主要形式有5种： 1、电容间隙耦合滤波器 带宽较窄,在微波低端上显得太长,不够紧凑,在2GHz以上有辐射损耗. 2、平行耦合微带线带通滤波器 窄带滤波器,有5％到25％地相对带宽,能够精确设计,常为人们所乐用.但其在微波低端显得过长,结构不够紧凑；在频带较宽时耦合间隙较小,实现比较困难.p1EanqFDPw
3、发夹线带通滤波器 把耦合微带线谐振器折迭成发夹形式而成.这种滤波器由于容易激起表面波,性能不够理想,故常把它与耦合谐振器混合来用,以防止表面波地直接耦合.这种滤波器地精确设计较难.DXDiTa9E3d 4、1/4波长短路短截线滤波器 5、半波长开路短截线滤波器
下面主要介绍平行耦合微带线带通滤波器地设计,这里只对其整个设计过程和方法进行简单地介绍. 2、平行耦合线微带带通滤波器 平行耦合线微带带通滤波器是由几节半波长谐振器组合而成地,它不要求对地连接,结构简单,易于实现,是一种应用广泛地滤波器.整个电路可以印制在很薄地介质基片上(可以簿到1mm以下>,故其横截面尺寸比波导、同轴线结构地小得多；其纵向尺寸虽和工作波长可以比拟,但采用高介电常数地介质基片,使线上地波长比自由空间小了几倍,同样可以减小；此外,整个微带电路元件共用接地板,只需由导体带条构成电路图形,结构大为紧凑,从而大大减小了体积和重量.RTCrpUDGiT 关于平行耦合线微带带通滤波器地设计方法,已有不少资料予以介绍.但是,在设计过程中发现,到目前为止所查阅到地各种文献,还没有一种能够做到准确设计.在经典地工程设计中,为避免繁杂地运算,一般只采用简化公式并查阅图表,这就造成较大地误差.而使用电子计算机进行辅助设计时,则可以力求数学模型精确,而不追求过分地简化.基于实际设计地需要,我对于平行耦合线微带带通滤波器地准确设计进行研究,编制了计算机辅助设计地小程序<附上）,并利用
金属同轴腔滤波器设计 摘要 近年来，随着移动通信、导航技术和电子对抗的快速发展，对现有微波元器件的需求和性能的改进都提出了很高的要求。同轴腔体带通滤波器作为微波带通滤波器中应用最广的一种滤波器，具有功率容量大、插入损耗低、寄生通带远等特点,在现代无线通信、数字电视广播、卫星导航、遥测遥感和雷达等系统中得到了广泛的应用。 本文对同轴腔体带通滤波器做了详细的分析，分析讨论了同轴谐振腔的电磁特性，主要包括谐振频率、谐振腔的耦合结构和外部品质因数等。利用响应函数得到腔体之间的耦合系数。应用三维全波仿真软件,分析了腔体结构参数与耦合系数和耦合窗的关系。最后论文给出了同轴腔滤波器设计实例，测试结果性能良好，符合设计指标要求。 关键词：微波滤波器带通滤波器同轴谐振腔全波仿真分析 1
ABSTRACT With the rapid development of mobile communication system, the quality of microwave components is becoming more and more important. As a microwave band-pass filter, coaxial cavity filter is widely applied in modern wireless communication and radar systems, for its high power capacity, low insertion loss and far spurious pass-band. Based on the research of coaxial filter, the electromagnetic properties of coaxial cavity resonator are proposed in the paper, including resonant frequency, coupling structure and external Q of the cavities. The coupling coefficient of filter can be getting by utilizing response function. The width of coupling windows and in-put/out-put coupling lines are acquired by full wave simulation and optimization. At last, a coaxial cavity filter is designed and measured, which has perfect performances and is satisfied with the technical specifications. Key Words: microwave filter band-pass filter coaxial resonator full wave simulation
目录 一．设计概述 二．设计任务及要求 2.1 设计任务 2.2 设计要求 三．设计方案 3.1设计结构 3.2元件参数的理论推导 3.3仿真电路构建 3.4仿真电路分析四．所用器件 五．实验结果 5.1 实验数据记录 5.2 实验数据分析六．实验总结 6.1 遇到的主要问题 6.2 解决问题的措施 6.3 实验反思与收获 附图 参考文献
一．设计概述 根据允许的通过的频率范围，可以将滤波器分为低通滤波器，高通滤波器，带通滤波器和带阻滤波器4种。其中，带通滤波器是指允许某一频率范围内的频率分量通过，其他范围的频率分量衰减到极低水平的滤波器。 在滤波器中，信号能够通过的范围成为通频带或通带，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围成为阻带，通带和阻带之间的界限称为截止频率。对于一个理想的带通滤波器，通带范围内则完全平坦，对传输信号基本没有增益的衰减作用，其次，通带之外的所有频率均能被完全衰减掉，通带和阻带之间存在一定的过渡带。 在带通滤波器的实际设计过程中，主要参数包括中心频率f0,频带宽度BW，上限截止频率fH和下限截止频率fL。一般情况下，为使滤波器在任意频段都具有良好的频率分辨能力，可采用固定带宽带通滤波器（如收音机的选频）。所选带宽越窄，则频率选择能力越高。但为了覆盖所要检测的整个频率范围，所需要的滤波器数量就很大。因此，在很多场合，固定带宽带通滤波器不一定做成固定中心频率的，而是利用一个参考信号，使滤波器中心频率跟随参考信号的频率而变化，其中，参考信号是由信号发生器提供的。上述可便中心频率的固定带宽带通滤波器，经常用于滤波和扫描跟踪滤波应用中。 二．设计任务及要求 1）设计任务 带通滤波器的设计方案有很多，本实验将采用高通滤波器和低通滤波器级联的设计方案实现一个带通滤波器，通过多级反馈，减少干扰信号对滤波器的影响。为了检测滤波电路的通带特性，设计一个带宽检测电路，通过发光二极管的亮灭近似检测电路的带宽范围。 设计要求 2）设计要求 （1）性能指标要求 1.输入信号：有效值为1V的电压信号。 2.输出信号中心频率f0通过开关切换，分别为500Hz 1.5KHz 3KHz 10KHz 误差10%。 3.带通滤波器带宽BW
Advanced Coupling Matrix Synthesis Techniques for Microwave Filters Richard J.Cameron ,Fellow,IEEE Abstract—A general method is presented for the synthesis of the folded-configuration coupling matrix for Chebyshev or other filtering functions of the most general kind,including the fully canonical case, i.e., +2”transversal network coupling matrix,which is able to accommodate multiple input/output couplings,as well as the direct source–load coupling needed for the fully canonical cases.Firstly,the direct method for building up the coupling matrix for the transversal network is described.A simple nonoptimization process is then outlined for the conversion of the transversal matrix to the equivalent “ ”coupling matrix,ready for the realization of a microwave filter with resonators arranged as a folded cross-coupled array.It was mentioned in [1]that,although the polynomial synthesis procedure was capable of generating finite-position zeros could be realized by the coupling matrix.This excluded some useful filtering characteristics,including those that require multiple input/output couplings,which have been finding applications recently [3]. In this paper,a method is presented for the synthesis of the fully-canonical or “coupling matrix. The .(b)Equivalent circuit of the k th “low-pass resonator”in the transversal array. The matrix has the following advantages,as compared with the conventional coupling matrix.?Multiple input/output couplings may be accommodated, i.e.,couplings may be made directly from the source and/or to the load to internal resonators,in addition to the main input/output couplings to the first and last resonator in the filter circuit.?Fully canonical filtering functions (i.e.,coupling matrix, not requiring the Gram–Schmidt orthonormalization stage.The 0018-9480/03$17.00?2003IEEE
微带滤波器的设计
解析微带滤波器的设计 微波滤波器是用来分离不同频率微波信号的一种器件。它的主要作用是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，只让需要的信号通过。在微波电路系统中，滤波器的性能对电路的性能指标有很大的影响，因此如何设计出一个具有高性能的滤波器，对设计微波电路系统具有很重要的意义。微带电路具有体积小，重量轻、频带宽等诸多优点，近年来在微波电路系统应用广泛，其中用微带做滤波器是其主要应用之一，因此本节将重点研究如何设计并优化微带滤波器。 滤波器（filter），是一种用来消除干扰杂讯的器件，将输入或输出经过过滤而得到纯净的直流电。对特定频率的频点或该频点以外的频率进行有效滤除的电路，就是滤波器，其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。 1 微带滤波器的原理 微带滤波器当中最基本的滤波器是微带低通滤波器，而其它类型的滤波器可以通过低通滤波器的原型转化过来。最大平坦滤波器和切比雪夫滤波器是两种常用的低通滤波器的原型。微带滤波器中最简单的滤波器就是用开路并联短截线或是短路串联短截线来代替集总元器件的电容或是电感来实现滤波的功能。这类滤波器的带宽较窄，虽然不能满足所有的应用场合，但是由于它设计简单，因此在某些地方还是值得应用的。 微带滤波器是在印刷电路板上，根据电路的要求以及频率的分布参数印刷在电路板上的各种不同的线条形成的LC分布参数的滤波器。 2 滤波器的分类 最普通的滤波器的分类方法通常可分为低通、高通、带通及带阻四种类型。图12.1给出了这四种滤波器的特性曲线。
低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声。 高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量。 带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声。 带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。 按滤波器的频率响应来划分，常见的有巴特沃斯型、切比雪夫Ⅰ型、切比雪夫Ⅱ型及等；按滤波器的构成元件来划分，则可分为有源型及无源型两类；按滤波器的制作方法和材料可分为波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器、微带滤波器。 巴特沃斯滤波器是电子滤波器的一种。巴特沃斯滤波器的特点是通频带的频率响应曲线最平滑。这种滤波器最先由英国工程师斯替芬·巴特沃斯（Stephen Butterworth）在1930年发表在英国《无线电工程》期刊的一篇论文中提出的。 切比雪夫滤波器，又名"车比雪夫滤波器",是在通带或阻带上频率响应幅度等波纹波动的滤波器。切比雪夫滤波器来自切比雪夫分布，以"切比雪夫"命名，是用以纪念俄罗斯数学家巴夫尼提·列波维其·切比雪夫（ПафнутийЛьвовичЧебышёв）。 3 微带滤波器的设计指标 微带滤波器的设计指标主要包括： 1绝对衰减（Absolute attenuation）：阻带中最大衰减（dB）。 2带宽（band width）：通带的3dB带宽（flow-fhigh）。
2012 届本科毕业设计（论文）文献综述 题目基于HFSS的带通滤波器设计 学院物理与电子工程学院 年级08 专业电子信息工程 班级 2 学号160408220 姓名刘建 指导教师施阳职称
基于HFSS 带通滤波器设计文献综述 1引言 我们知道，当一定复杂程度的信号通过几乎任何电子系统时，它都需要经过某种滤波电路进行滤波。一般在一个实际应用的电子系统中，因输入信号往往因受干扰等原因而带有其它一些不需要的频率信号，就必须使用滤波电路将它衰减到足够小的程度。滤波电路是一种可通过或阻止某种频率信号的电路，其功能就是让指定频段的信号能顺利地通过，而对其它频段的信号起到衰减作用。它分为两种：无源和有源滤波电路。无源滤波电路是由无源器件(电阻、电容和电感)组成，性能较差有源滤波电路是由集成运算放大器和RC 等网络构成，具有几个主要优点：体积小，重量轻；电路的输入和输出之间具有良好的隔离；除了起滤波作用外，还可放大输入信号，且容易调节放大倍数等。BPF 主要用来截取突出有用频段的信号，削弱其余频段的信号或干扰和噪声，以提高信噪比。 2 设计原理 2.1 带通滤波器工作原理及HFSS 简介 带通滤波器中作原理 一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB 来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。然而，随着滚降范围越来越小，通带就变得不再平坦—开始出现“波纹”。这种现象在通带的边缘处尤其明显，这种效应称为吉布斯现象。在频带较低的剪切频率1f 和较高的剪切频率2f 之间是共振频率，这里滤波器的增益最大，滤波器的带宽就是2f 和1f 之间的差值。 HFSS 简介 HFSS 是ANSOF T 公司开发的一个基于物理原型的EDA 设计软件. 使用HFSS 建立结构模进行3D 全波场分析,可以计算.①基本电磁场数值解和开边界问题,近远场辐射问题; ②端口特征阻抗和传输常数; ③ S 参数和相应端口阻抗的归一化S 参数; ④结构的本征模或谐振解.依靠其对电磁场精确分析的性能,使用户能够方便快速地建立产品虚拟样机.
实验八 有源滤波器的设计 一．实验目的 1． 学习有源滤波器的设计方法。 2． 掌握有源滤波器的安装与调试方法。 3． 了解电阻、电容和Q 值对滤波器性能的影响。 二．预习要求 1． 根据滤波器的技术指标要求，选用滤波器电路，计算电路中各元件的数值。设计出 满足技术指标要求的滤波器。 2. 根据设计与计算的结果，写出设计报告。 3. 制定出实验方案，选择实验用的仪器设备。 三．设计方法 有源滤波器的形式有好几种，下面只介绍具有巴特沃斯响应的二阶滤波器的设计。 巴特沃斯低通滤波器的幅频特性为： n c uo u A j A 21)(??? ? ??+= ωωω ， n=1，2，3，. . . （1） 写成： n c uo u A j A 211) (??? ? ??+=ωωω （2） )(ωj A u 其中A uo 为通带内的电压放大倍数，ωC A uo 为截止角频率，n 称为滤波器的阶。从（2） 式中可知，当ω=0时，（2）式有最大值1； 0.707A uo ω=ωC 时，（2）式等于0.707，即A u 衰减了3dB ；n 取得越大，随着ω的增加，滤波器的输出电压衰减越快，滤波器的幅频特性越接近于理想特性。如图1所示。ω 当 ω>>ωC 时， n c uo u A j A ??? ? ??≈ωωω1 )( （3） 图1低通滤波器的幅频特性曲线
两边取对数，得： lg 20c uo u n A j A ωω ωlg 20)(-≈ （4） 此时阻带衰减速率为： -20ndB/十倍频或-6ndB/倍频，该式称为衰减估算式。 表1列出了归一化的、n 为1 ~ 8阶的巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式。 在表1的归一化巴特沃斯低通滤波器传递函数的分母多项式中，S L = c s ω，ωC 是低通 滤波器的截止频率。 对于一阶低通滤波器，其传递函数： c c uo u s A s A ωω+= )( （5） 归一化的传递函数： 1 )(+= L uo L u s A s A （6） 对于二阶低通滤波器，其传递函数：2 22)(c c c uo u s Q s A s A ωωω++ = （7） 归一化后的传递函数： 1 1)(2 ++= L L uo L u s Q s A s A （8） 由表1可以看出，任何高阶滤波器都可由一阶和二阶滤波器级联而成。对于n 为偶数的高阶滤波器，可以由2n 节二阶滤波器级联而成；而n 为奇数的高阶滤波器可以由2 1-n 节二
第34卷第6期中 国 科 学 技 术 大 学 学 报V ol.34,N o.6 2004年12月JOURNAL OF UNIVERSIT Y OF SCIENCE AN D TECHN OLOG Y OF CHINA Dec.2004文章编号:025322778(2004)0620732207 小型微带带通滤波器的设计Ξ 张 军,朱 旗,张华亮,黎 洋 (中国科学技术大学电子工程与信息科学系,安徽合肥230027) 摘要:利用多条微带线间的耦合增加滤波器内部的耦合度,提出一种小型窄带带通滤波器的设计;从微带线的等效分布电感电容出发,结合模拟和试验结果以及滤波器结构参数对滤波特性的影响,提出该滤波器的等效LC电路模型以及计算中心工作频率的经验公式.数值模拟和试验结果验证了该设计思想. 关键词:带通滤波器;小型化;类交趾滤波器 中图分类号:T N8;T N92 文献标识码:A 0 引言 传统微带线结构的微波器件在低频段应用时,面积仍较大.例如在“蓝牙”技术2.4G H z 频段处,传统微带结构的滤波器和微带天线的长度仍大于12厘米,显然难以应用到移动通讯中.因而研究小型化的微波器件已成为微波技术发展的必然.近年来,多模微带滤波器[1～4]、类交趾滤波器[5]由于具有尺寸小、重量轻、低成本等特点取得了一定的发展,但仍存在着面积较大、增益不高等问题.注意到增加滤波器结构中微带线间的有效耦合面积,可以提高滤波器内部的耦合度,从而达到减小滤波器面积的目的.本文提出一种小型的微带带通滤波器设计.在该设计中,采用多个相互耦合微带线以提高滤波器的耦合度,降低了滤波器的面积,同时,从微带线的等效分布电感、电容出发,结合模拟和试验结果,提出了该类滤波器的等效LC电路,并分析了结构参数对滤波特性的影响,给出了计算该类滤波器中心工作频率的经验公式,数值计算和实验验证了本文的设计思想. 1 理论分析 图1所示电路具有带通滤波器功能.为利用微带线设计带通滤波器,首先分别用不同结构的微带线来实现图1中的电感和电容元件.图2、3分别实现电容和电感,其值由[6]可得,分别为 L(nH)=2×10-7l ln l W+t +1.193+0.2235 W+t l ?K g(1) Ξ收稿日期:2003207207 作者简介:张军,男,1980年生,学士.研究方向:微带天线,微波电路.E2mail:jzhang6@https://www.doczj.com/doc/a14013949.html,
二阶有源模拟带通滤波器设计 摘要 滤波器是一种具有频率选择功能的电路，它能使有用的频率信号通过。而同时抑制(或衰减)不需要传送频率范围内的信号。实际工程上常用它来进行信号处理、数据传送和抑制干扰等，目前在通讯、声纳、测控、仪器仪表等领域中有着广泛的应用。 以往这种滤波电路主要采用无源元件R、L和C组成，60年代以来，集成运放获得迅速发展，由它和R、C组成的有源滤波电路，具有不用电感、体积小、重量轻等优点。此外，由于集成运放的开环电压增益和输入阻抗都很高，输出阻抗比较低，构成有源滤波电路后还具有一定的电压放大和缓冲作用。 通常用频率响应来描述滤波器的特性。对于滤波器的幅频响应，常把能够通过信号的频率范围定义为通带，而把受阻或衰减信号的频率范围称为阻带，通带和阻带的界限频率叫做截止频率。 滤波器在通带内应具有零衰减的幅频响应和线性的相位响应，而在阻带内应具有无限大的幅度衰减。按照通带和阻带的位置分布，滤波器通常分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器和带阻滤波器。文中结合实例，介绍了设计一个二阶有源模拟带通滤波器。 设计中用RC网络和集成运放组成，组成电路选用LM324不仅可以滤波，还可以进行放大。 关键字：带通滤波器 LM324 RC网络
目录 目录 (2) 第一章设计要求 (3) 1.1基本要求 (3) 第二章方案选择及原理分析 (4) 2.1.方案选择 (4) 2.2 原理分析 (5) 第三章电路设计 (7) 3.1 实现电路 (7) 3.2参数设计 (7) 3.3电路仿真 (9) 1.仿真步骤及结果 (9) 2.结果分析 (11) 第四章电路安装与调试 (12) 4.1实验安装过程 (12) 4.2 调试过程及结果 ..................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2.1 遇到的问题 .................................................................................................. 错误!未定义书签。 4.2.2 解决方法 ...................................................................................................... 错误!未定义书签。 4.2.3 调试结果与分析 (12) 结论 (13) 参考文献 (14)
0 引言 滤波器在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用。而微波毫米波电路技术的发展，更加要求这些滤波器应具有低插入损耗、结构紧凑、体积小、质量轻、成本低的特点。传统用来做滤波器的矩形波导和微带线已经很难达到这个要求。而基片集成波导(SIW)技术为设计这种滤波器提供了一种很好的选择。 SIW的双膜谐振器具有一对简并模式，可以通过对谐振器加入微扰单元来使这两个简并模式分离，因此，经过扰动后的谐振器可以看作一个双调谐电路。分离的简并模式产生耦合后，会产生两个极点和一个零点。所以，双膜滤波器在减小尺寸的同时，也增加了阻带衰减。而且还可以实现较窄的百分比带宽。可是，双膜滤波器又有功率损耗高、插入损耗大的缺点。为此，本文提出了一种新型SIW腔体双膜滤波器的设计方法。 该SIW的大功率容量、低插入损耗特性正好可以对双膜滤波器的固有缺点起到补偿作用。而且输入／输出采用直接过渡的转换结构，也减少了耦合缝隙的损耗。 l 双膜谐振原理及频率调节 SIW是一类新型的人工集成波导，它是通过在平面电路的介质层中嵌入两排金属化孔构成的，这两排金属化孔构成了波导的窄壁，图1所示是基片集成波导的结构示意图。这类平面波导不仅容易与微波集成电路(MIC)以及单片微波集成电路(MMIC)集成，而且，SIW还继承了传统矩形波导的品质因数高、辐射损耗小、便于设计等优点。 1．1 基片集成波导谐振腔 一般情况下，两个电路的振荡频率越接近，这两个电路之间的能量转换需要的耦合就越小。由于谐振腔中的无数多个模式中存在着正交关系，故要让这些模式耦合发生能量交换，必须对理想的结构加扰动。但是，为了保持场结构的原有形式，这个扰动要很小。所以，本文选择了SIW的简并主模TE102和TE201，它们的电场分布图如图2所示。因为TM和TEmn(n10)不能够在SI W中传输。因此，一方面可以保证在小扰动时就可以实现耦合，同时也可以保证场的原有结构。
微带低通滤波器的设计与仿真 分类：电路设计 嘿嘿，学完微波技术与天线，老师要求我们设计一个微带元器件，可以代替实验室里的元器件，小弟不才，只设计了一个低通滤波器。现把它放到网上，以供大家参考。 带低通滤波器的设计 一、题目 第三题：低通滤波器的设计 技术参数：f < 800MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm。 仿真软件：HFSS、ADS或IE3D 介质材料：介电常数εr = 2.65，板厚1mm 二、设计过程 1、参数确定：设计一个微带低通滤波器，其技术参数为f < 800MHz；通带插入损耗；带外100MHz损耗；特性阻抗Z0=50 Ohm 。介质材料：介电常数εr = 2.65，板厚1mm。 2、设计方法：用高、底阻抗线实现滤波器的设计，高阻抗线可以等效为串联电感，低阻抗线可以等效为并联电容，计算各阻抗线的宽度及长度，确保各段长度均小于λ/8（λ为带内波长）。 3、设计过程： （1）确定原型滤波器：选择切比雪夫滤波器，?s = fs/fc = 1.82，?s -1 = 0.82及Lr = 0.2dB，Ls >= 30，查表得N=5，原型滤波器的归一化元件参数值如下： g1 = g5 = 1.3394，g2 = g4 = 1.3370，g3 = 2.1660，gL= 1.0000。 该滤波器的电路图如图1所示：
图1 （2）计算各元件的真实值：终端特性阻抗为Z0=50?，则有 C1 = C5 =g1/(2*pi*f0*Z0) = 1.3394/(2*3.1416*8*10^8*50) = 5.3293pF， C3 = g3/(2*pi*f0*Z0) = 2.1660/(2*3.1416*8*10^8*50) = 8.6182pF， L2 = L4 = Z0*g2/(2*pi*f0) = 50*1.3370/(2*3.1416*8*10^8) = 13.2994nH。（3）计算微带低通滤波器的实际尺寸： 设低阻抗（电容）为Z0l = 15?。 经过计算可得W/d = 12.3656，εe = 2.4437，则 微带宽度 W1 = W3 = W5 = W = 1.000*12.3656 = 12.3656mm， 各段长度l1 = l5 = Z0l*Vpl*C1 = 15* 3*10^11/sqrt(2.4437)*5.3293*10^-12 = 15.3412mm， l3 = Z0l*Vpl*C3 = 15* 3*10^11/sqrt(2.4437)*8.6182*10^-12 = 24.8088mm，
广州大学 综合设计性实验 报告册 实验项目选频网络的设计及应用研究 学院物电学院年级专业班电子131 姓名朱大神学号成绩 实验地点电子楼316 指导老师
《综合设计性实验》预习报告 实验项目：选频网络的设计及应用研究 一 引言： 选频网络在信号分解、振荡电路及其收音机等方面有诸多应用。比如，利用选频网络可以挑选出一个周期信号中的基波和高次谐波。选频网络的类型和结构有很多，本实验将通过设计有源带通滤波器实现选频。 二 实验目的： （1）熟悉选频网络特性、结构及其应用，掌握选频网络的特点及其设计方法。 （2）学会使用交流毫伏表和示波器测定选频网络的幅频特性和相频特性。 （3）学会使用Multisim 进行电路仿真。 三 实验原理： 带通滤波器： 这种滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过，而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减和抑制。 典型的带通滤波器可以从二阶低通滤波器中将其中一级改成高通而成，如图1所示。 电路性能参数可由下面各式求出。 通带增益：CB R R R R A f vp 144+= 其中B 为通频带宽。 中心频率：)1 1(121 3 12 20R R C R f += π
通带宽度：)2 1(14 321R R R R R C B f -+= 品质因数：B f Q 0 = 此电路的优点是，改变f R 和4R 的比值，就可以改变通带宽度B 而不会影响中心频率0f 。 四 实验内容： 设计一个中心频率Hz f 20000=，品质因数5>Q 的带通滤波器。 五 重点问题： （1）确定带通滤波器的中心频率、上限频率及下限频率。 （2）验证滤波器是否能筛选出方波的三次谐波。 六 参考文献： [1]熊伟等.Multisim 7 电路设计及仿真应用.北京：清华大学出版社，2005. [2]吴正光，郑颜.电子技术实验仿真与实践.北京：科学出版社，2008. [4]童诗白等.模拟电子技术基础（第三版）.北京：高等教育出版社， 2001. 图1 二阶带通滤波器
滤波器设计流程： 1.确定设计指标要求 2.查阅资料，确定形状 3.建模，仿真 4.优化结果 5.版图，加工，测试 本例设计一个带通滤波器，通过微带线结构实现，工作频率覆盖。选用基板材料为Rogers 4350,其相对介电常数为，厚度为h=0.508mm，金属覆铜厚度h1=0.018mm， 表1 模型初始尺寸 W1=0.8mm L1=7.2mm h=0.508mm
h1=0.018mm S1=0.14mm S2=0.6mm L2=7.1mm W2=1.1mm W0=1.1mm L0=5mm a=6mm b=17mm 设计步骤（以为例） 一开始 （一）建立工程 1.在HFSS窗口中，选择菜单File->New 2.从Project菜单中，选择Insert HFSS Design （二）设计求解模式 1.选择菜单HFSS->Solution Type
2.在Solution Type窗口，选择Driven Modal,点击OK 二建立3D模型 （一）定义单位并输入参数表 1.选择菜单Modeler->Units 2.设置模型单位：mm，点击OK 3.选择菜单栏 HFSS->Design Properties再弹出的窗口中，点ADD添加参量，将上面模型的参数表中的变量全部添加进去，如下图：
（二）创建金属板R1 1.在菜单栏中点击Draw->Box,创建Box1 2.双击模型窗口左侧的Box1，改名为R1，再点击Material 后面按钮，选择Edit，选择Copper，点击确定。 3.双击左侧R1的子目录Createbox，修改金属板大小及厚度。
带通滤波电路设计一．设计要求 （1）信号通过频率范围 f 在100 Hz至10 kHz之间； （2）滤波电路在 1 kHz 电路的幅频衰减应当在 的幅频响应必须在± 1 kHz 时值的± 3 dB 1 dB 范围内，而在 范围内； 100 Hz至10 kHz滤波 （3）在10 Hz时幅频衰减应为26 dB ，而在100 kHz时幅频衰减应至少为16 dB 。 二．电路组成原理 由图（ 1）所示带通滤波电路的幅频响应与高通、低通滤波电路的幅频响应进行比较， 不难发现低通与高通滤波电路相串联如图（2），可以构成带通滤波电路，条件是低通滤波电路的截止角频率 W H大于高通电路的截止角频率 W L，两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。 V I V O 低通高通 图（ 1） 1 W H低通截止角频率 R1C1 1 W L高通截止角频率 R2C2 必须满足W L │A│ O │A│ O │A│ O 低通 W w H 高通 W w L 带通 W W w L H 图（ 2） 三．电路方案的选择 参照教材 10.3.3 有源带通滤波电路的设计。这是一个通带频率范围为100HZ-10KHZ的带通滤波电路，在通带内我们设计为单位增益。根据题意，在频率低端f=10HZ 时，幅频响应至少衰减 26dB。在频率高端 f=100KHZ 时，幅频响应要求衰减不小于16dB。因此可以选择一个二阶高通滤波电路的截止频率fH=10KHZ,一个二阶低通滤波电路的fL=100HZ，有源器件仍选择运放 LF142，将这两个滤波电路串联如图所示，就构成了所要求的带通滤波电路。 由教材巴特沃斯低通、高通电路阶数n 与增益的关系知 A vf1 =1.586 ，因此，由两级串联的带通滤波电路的通带电压增益（Avf1 ） 2=（ 1.586 ）2=2.515, 由于所需要的通带增益为0dB, 因此在低通滤波器输入部分加了一个由电阻R1、 R2组成的分压器。 同轴腔带通滤波器设计 叶 晔 摘 要：带通滤波器的应用前景非常的广阔。本课题详细的分析了同轴腔体带通滤波器，腔体之间的耦合系数通过利用响应函数求导，讨论了同轴谐振腔所具有的电磁特性，主要包括谐振频率、具有耦合结构的谐振腔和外部Q 等。应用分析软件即三维全波分析软件，分析了耦合系数、耦合窗与腔体结构参数之间的关系。以这种结合的方法即路和场的仿真、优化相结合,从而分析出了滤波器的耦合和输入输出结构参数。 关键词：滤波器；带通；同轴 Abstract:In this paper, we analyze the coaxial cavity band-pass filter. And we can get the result between different cavity by using the derivative of response function. In addition, we also research the electromagnetic properties of the coaxial resonator which inchudes resonant frequency, coaxial cavity with the coupling structure and extemal Q paremeter. We can use computer software to analyze the coupling result, coupling window and the relationship of the cavity parameters. And we also can simulate and optimize the electromagnetic properties to get the proper result of the filter. Key Words : filter; band-pass; coaxial 1. 引言 由电磁振荡而产生的不同频率的电磁信号始终在我们的周围存在着，而只有特定的装置阻止那些无用的频段选取某些频率，来满足我们对于某些特定频率的需求，滤波器就是能够满足我们这种需求的一种装置。现在微波通信系统和我们现代的生活有着越来越紧密的联系，从民用到军用，应用的较为广泛。作为一个特定的具有选频功能的电磁网络，微波滤波器作为微波系统中的一个重要部分，因此在电子科学技术发展中有着举足轻重的地位[1]。 在现代通信系统中，微波滤波器已经成为发射端和接收端不可缺少的一种器件了，它可以对不同频率的微波信号进行分离，尽可能的让需要的信号无衰减的通过，尽可能大的抑制无用的信号。在对微波滤波器的性能指标上，用户的要求也是越来越高，比如高阻带抑制、低带内插损、大功率等各项指标。而且，因为不断出现的新的材料，新的工艺，以及半导体技术的不断更新与发展，各种新的RF [2]模块不断出现，使得技术开发人员不断缩短对毫米波RF 有源电路和微波的研究周期，而且体积不断小，电路的集成度也越来越高。因此，目前毫米波、微波通信领域中，设计出集成度高、体积小、功率大、性能高的无源器件是工程师不断研究和探索微波滤波器的方向与目标，而同轴腔带通滤波器的出现满足了毫米波、微波通信领域通信技术快速发展的需求，其具有高的品质因素、插入损耗比较低、具有高的稳定性能。因此，带通滤波器的应用前景非常的广阔。本课题通过详细分析同轴腔体带通滤波器，以及利用响应函数求到腔体之间的耦合系数，讨论分析了同轴谐振腔所具有的电磁特性，最后分析出了滤波器的耦合和输入输出结构参数。 2. 微波滤波器参数 1）带宽：通带的3dB 带宽； 2）中心频率：c f 或0f ； 3）截止频率：下降沿3dB 点频率； 4）插入损耗：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减； 5）带内波纹绝对衰减：阻带中最大衰减（dB ）； 6）品质因数Q ：中心频率与3dB 带宽之比； 7）反射损耗。 3. 同轴腔带通滤波器的设计 3.1 滤波器的设计步骤 1）确定滤波器的类型以及实现方式 首先根据技术指标的要求，来确定滤波器的类型以及其实现的方式，其中包括带通、高通、低通或是带阻的确定，需要使用哪种逼近函数模型，以及实现的形式（在这里实现的形式可以选择用同轴线、波导或是用微带线等来实现）。 2）确定滤波器的阶数 确定滤波器的阶数，需要依据逼近函数模型以及技术指标要求。阶数主要取决于所选择的衰减逼近函数以及模型带外抑制、带内插损，即元件数n 是由衰减特性曲线所决定的，可以通过查表或者通过一些公式计算得到。 3）通过查表得到低通滤波器原型的各元件值 低通滤波器原型可以通过函数转换得到带通、高通、带阻滤波器的各元件值。 4）使用电路仿真软件进行仿真 优化电路中各元件的值可以使用电路仿真软件进行仿真。 5）使用场仿真软件仿真 一般会使用场仿真软件来确定课题的最终设计，因为场仿真与实际相差比较小。 3.2 滤波器的设计方法 1 、镜像参数法 镜像参数法是人们一向用来设计滤波器的经典办法，其是以滤波网络的内在特性为根据，这种经典方法的特别之处是，变换器损耗的特性可以根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出来，然后再将这些滤波网络的具体电路拼凑起来，使得所需要的技术要求能用总的LA 特性来满足。而用经典的方法所设计出来的滤波器一般是m 式滤波器、K 式滤波器等，经典方法同轴腔带通滤波器设计
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