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ZZU-IE微波工程论文微带滤波器与放大器原理及设计zd学号：**********微带滤波器与放大器原理及设计摘要：本文简要介绍了宽阻带低通滤波器的设计，微带线功率放大器的设计和制作，微带线E类功率放大器的设计。
并简单介绍了S参数。
关键词：微带线，滤波器，放大器，S参数一、微带滤波器设计微波滤波器是一种重要的微波元件，种类繁多，按照传输线类型来分，包括波导滤波器、同轴线滤波器、带状线滤波器和微带滤波器，并且由于其具有的选频功能，即通过所需频率信号而抑制不需要频率的信号，得到了广泛的应用。
微带带通滤波器是微带滤波器的一种，根据不同带宽、结构需求，目前已发展了宽带、超宽带、小型化、缺陷地等多种技术。
HPM短电磁脉冲检波器的输入电路，要求对低频和高频干扰信号进行抑制，同时信号通带要能够尽量宽。
超宽带滤波器，性能优良、易于集成，在微波电路中有着重要的实用价值。
宽阻带低通滤波器设计低通滤波器在射频电路设计中应用非常广泛，其基本作用是抑制高频信号，使所需要的低频信号无损耗的通过。
检波器后端的低通滤波器，主要目的是滤掉前端耦合的高频信号（9.7GHz），设计目标是截止频率低于3.5GHz的低通滤波器。
尝试了平行耦合线等形式低通滤波器后，发现一般的低通滤波器的会存在寄生通带，比如截止频率3GHz的低通滤波器，在3.5～5GHz的频带内衰减能大于20dB，但在9GHz左右反而成了通带。
HPM短电磁脉冲载频约为9.7GHz，脉冲的占空比很小，即脉冲调制频率很低，要求低通滤波器通带带宽尽量窄，同时有较宽的阻带。
DGS低通滤波器和谐振加载耦合带线低通滤波器是宽阻带低通滤波器两种常用形式。
带阻滤波器可以通过低通滤波器原型变换得到，如图所示。
图 1 低通滤波器原型的梯形电路（a）并联模型（b）串联模型用逆变换获得带阻响应。
ω←∆(ωω0−ω0ω)−1(1−1）从而低通原型的串联电感变化到并联LC电路，元件值为L k′=∆L kω0(1−2)C k′=1ω0∆L k(1−3)低通原型的并联电容变换到串联LC电路，元件值为L k′=1ω0∆C k(1−4)C k′=∆C kω0(1−5)表1.1为从低通滤波器原型变换到高通、带通和带阻滤波器时的元件参数。
微波谐振器的简单原理及应用1. 简介微波谐振器是一种用来产生、操控和测量微波信号的重要设备，广泛应用于通信、雷达、卫星通信等领域。
本文将介绍微波谐振器的简单原理及其主要应用。
2. 微波谐振器的原理微波谐振器是基于微波波导和谐振腔的结构。
微波波导是一种导波结构，能够有效地传输和控制微波信号。
谐振腔则是一个能够使微波信号在空腔内多次反射并形成驻波的装置。
微波谐振器的原理可以简单描述如下： 1. 微波信号通过微波波导传输到谐振腔；2. 在谐振腔内，微波信号被多次反射并形成驻波；3. 当微波信号的频率与谐振腔的固有频率相匹配时，谐振腔将发生共振现象； 4. 共振现象会导致谐振腔内的微波信号强度增加，形成谐振峰。
3. 微波谐振器的主要类型微波谐振器可以分为很多不同的类型，其中常见的包括：1.空腔谐振器：空腔谐振器是最基本的谐振器类型，由一个或多个空腔构成。
常见的空腔谐振器包括螺旋线谐振器、圆柱谐振器等。
2.波导谐振器：波导谐振器是一种利用波导结构形成谐振腔的谐振器。
常见的波导谐振器包括矩形波导谐振器、圆柱波导谐振器等。
3.微带谐振器：微带谐振器是一种利用微带线结构形成谐振腔的谐振器。
常见的微带谐振器包括微带贴片谐振器、微带环形谐振器等。
4.介质谐振器：介质谐振器是一种利用介质材料的介电特性来形成谐振腔的谐振器。
常见的介质谐振器包括介质柱谐振器、介质球谐振器等。
4. 微波谐振器的应用微波谐振器在通信、雷达、卫星通信等领域有广泛的应用，主要包括以下几个方面：1.频率选择：微波谐振器可以通过调整谐振腔的固有频率来选择特定频率的微波信号。
这使得微波谐振器成为实现频率选择的重要工具。
2.信号增强：当微波信号与谐振腔的固有频率匹配时会发生共振现象，使得谐振腔内的微波信号强度增强。
这可以用于增强微波信号的强度。
3.滤波器：微波谐振器可以通过调整固有频率和带宽来实现不同类型的滤波器。
常见的滤波器类型包括带通滤波器、带阻滤波器等。
覆铜板资讯2020年第6期1.研究背景在微波电路设计时，微波介质基板的电磁参数极为重要。
本课题专注于介质的电特性参数的测量，介质的电特性参数主要用相对介电常数εr（D k）和损耗角正切t a nδ(D f)表征。
采用不同的测试方法，同一材料测试出的介电性能也不尽相同，寻找合适的方法测试介电性能对于电路设计和材料应用极为重要。
鉴于当下的应用环境，行业对于Z 轴方向的D k值更为看重。
电路板材D k各向异性是在各个频段都普遍存在的，在高频频段这个问题更加值得关注，原因有以下几点：（1）毫米波环境下，为了增加信号的传输速度，高k介质受到广泛应用，基数变大，相应的，x-y平面与z轴方向的D k差值相应放大。
（2）高频板材小且薄，为了增加电路板的韧性，一般会加入玻纤布，网格状的玻纤布D k值一般是介质材料的2~3倍，玻纤布的存在，更加重了介电常数的各向异性。
在毫米波频段下不同测试方法测得的D k值差异更大，为适应当下应用场景，选择适当的测试方法对测试结果以及材料使用尤为重要。
当下介电性能的测试方法大多是对x-y 平面的D k进行测试，对Z轴方向的相对较少，传统的S P D R法，发展成熟且性能稳定，其谐振模式为T E模，只能测量x-y平面的介电常数。
在实际的电路板应用中，其Z轴的D k更为重要，因此当下电路设计者更关基于改进型微带线谐振腔体的微波介电性能测试系统研究西安交通大学微电子系功能材料研究中心顾腾向锋摘要：随着5G时代的到来,高频下介质电性能的精确测量对微波电路设计愈发重要。
毫米波频段下，器件尺寸减小、高k材料的应用等各方因素作用，致使材料Z轴方向（厚度方向）的介电性能受到更多关注。
业界至今还未形成对毫米波频段下介电材料性能测试的标准，寻得一种精确测量D k、D f的测试方法是必要的。
本课题基于I P C-T M650-2.5.5.5c，对当下高频领域的测试方法进行比对，并针对当下需求及其存在的问题，设计并提出一种基于改进型微带线谐振腔体的微波介电性能测试系统解决方案，从腔体设计、耦合方式以及基板等各方面实现优化。
IEEE microwave magazine October 2009 116Raafat R. Mansour人们需要在可重构系统中使用高性能射频（RF ）可 调谐滤波器以便有效地利用可支配的频谱。
在前置端 接收机中，人们需要这种滤波器来抑制干扰信号并且放 宽对振荡器相位噪声和动态范围的要求。
可调谐滤波器同 样被用来取代具备进行自适应于环境要求这种先进系统概念 中所需求的大型的滤波器组。
对于高功率应用，人们也同样 建议使用可调谐滤波器。
在这种情况下使用可调谐滤波器 的优点是可以抑制来自于功率放大器的谐波。
在大多数 这样的应用中，可调谐滤波器的插入损耗是一个关键 的设计参数。
这个参数在直接影响高功率应用中发 射功率的同时还会影响前置端接收机的噪声系数。
当前这一代无线和卫星系统是在有所制约的诸 如特定的频段，信道带宽，干扰和流量模式这样的 工作条件下进行设计的，从而具有某个特定的功能。
这些系统缺乏捷变性和适应性来改变其运行条件，而 这反过来又制约了它们的性能。
由于蜂窝移动电话目前 具有多频段操作能力，因此，现在大量的研究被导入实 施用于未来无线和卫星通信系统的这样一个类似的功能。
然而，这些通信系统要求使用具有很高Q 值的微波滤波器[1] ，这便要求开发新型的可调谐滤波器结构。
高-Q 值可调谐滤波器的存在也许同样可以对一些通信系统 的制造成本和交货安排产生重大的影响。
这种系统使用多个除了中心频率和带宽之外其它方面均完全相同的滤波器。
通过在生产阶段对所构建的标 准滤波器进行重构以满足所要求的频率安排，从而可以大大地降低制造成本。
在无 线和卫星应用中，交货计划已经成为赢得或失去合同的一个主要的关键因素。
可调高Q 值可调谐 介质谐振器 滤波器_______________________________________________________ Raafat R. Mansour is with the University of Waterloo, Ontario, Canada.84 IEEE microwavemagazine October 2009October 2009 IEEE microwave magazine85图1 不同射频谐振器的相对插入损耗和尺寸（资料来源于[1]）。
片式微波谐振器的设计—以5.4GHz微带线谐振器为例摘要：进入新世纪，信息技术急速发展，需要设计出新型的微波元器件来满足小型化、便携化的要求。
本项目设计的谐振器：中心工作频率为5.4GHz、特征阻抗匹配为50Ω，品质因素≥100，尺寸为4mm*3mm*1mm。
设计的过程包涵了，原理的介绍、参数计算与材料选择、材料的制备以及软件仿真等。
关键词：微波；谐振器；微带线；sonnet仿真软件一、微带线谐振器设计原理1.1微波及其基本特点微波的频率与一般无线电波比较更加得高，这种量变使得波发生了质变。
因此微波的应用领域、研究方法及其所用的传输系统、元器件等都与其他波段不同。
1.2微带线简介与其性质1.2.1微带线简介微带线属于敞开式部分填充介质的双导体传输线，其由基片上面的导带和基片下部的金属接地板构成。
电路仅由带条状的导体构成可以做到平面化、紧密化。
1.2.2微带线的有效相对介电常数及损耗微带线属于部分填充介质：导带上方为空气，下方为基片。
其介质包涵上述两个部分，故介电常数不能只用空气或者基片的，而需要使用一个等效量进行修正，这就是有效相对介电常数。
由于微带线的结构并不是封闭的，因此微带线上的损耗在特征阻抗和工作频率相同时远远大于同轴线等。
1.3 微波谐振器1.3.1微波谐振器简介微波谐振器是一种具备储存能量以及选频性能的元件。
在谐振器中电磁能量并不能够进行传递，而只是反复的振荡，表现为微波在谐振器上以驻波形式分布。
1.3.2微带线谐振器在微波集成电路中，广泛使用微带线作为其元器件。
在需要用到谐振回路的电路部分，均能采用微带线谐振器来构成。
本次设计的谐振器由1/4λ一端开路一端短路的微带线组成。
二、微带线谐振器参数计算与材料选择2.1 目标谐振器参数要求尺寸：4×3×1（mm）频率：5.4GHz 品质因数：Q≥100阻抗：50Ω2.2 参数初步计算2.3参数综合计算2.4材料选择参考（《电子材料》李言荣著P226）后，决定选取钛酸钡为微波材料。
实验报告实验名称:微带谐振器学院:材料科学与工程专业/班级:材料科学电子元器件1班学生姓名: *******学号:…………指导教师: ****开始时间: 2012 年 4 月 3 日完成时间: 2012 年 5 月 6 日实习地点:现场表现（出勤、纪律）（20）实习任务完成情况（30）报告书质量（50）总评目录摘要 (2)第一章微波简介 (3)1.微波简介2.微波谐振器简介3.低频电路→LC回路高频电路→谐振腔4.从LC回路到谐振腔的演变过程5.几种常见的实用的微波谐振器第二章设计过程 (7)1.所设计谐振器需满足参数2.初步确定设计谐振器的类型3.微带线简介4.一些材料的介电常数和损耗角正切5.确定基片和中心导带6.微带线匹配问题7.Sonnet 软件仿真8.模拟Q值与计算Q值比较第三章设计微带线制作的工艺步骤 (19)1.钛酸钡陶瓷制备总工艺流程2.钛酸钡陶瓷粉粒的制备3.钛酸钡粉粒的烧结4.中心导带的制作——真空镀膜参考文献 (21)摘要微波谐振器是微波系统中的一个最基本的元件，广泛应用于振荡器、放大器、滤波器、频率计等器件中。
微波谐振器的工作情况和电路理论中的LC集总参数谐振电路类似，在微波电路中也起着储能和选频的作用。
微波谐振器的结构形式很多，既可由TEM波和非TEM波传输线构成，也可由非传输线的特殊腔体构成。
第一章微波简介1.微波简介微波是指频率300MHz-3000GHz的电磁波，是无线电波中的一个频段，即波长在米（不含1米）到0.1毫米之间的电磁波，是分米波、厘米波、毫米波和亚毫米波的统称。
微波频率比一般的无线电波频率高，通常也称为“超高频电磁波”，微波作为一种电磁波具有波粒二象性。
微波的基本性质通常呈现为穿透、反射、吸收三个特性。
对于玻璃、塑料和瓷器，微波几乎是穿越而不被吸收。
对于水和食物等就会吸收微波而使自身发热。
而对金属类东西，则会反射微波。
2.微波谐振器简介☐微波谐振器，广泛应用于微波信号源、微波滤波器及波长计中。
它相当于低频集中参数的LC谐振回路，是一种基本的微波元件。
☐微波谐振器可由一段两端短路或两端开路的传输线段组成，电磁波在其上呈驻波分布，即电磁能量不能传输，只能来回振荡。
因此微波谐振器是具有储能与选频特性的微波元件。
微波谐振器的应用举例3.低频电路→LC 回路 高频电路→谐振腔本质上两者物理过程均是电场能量和磁场能量相互转化的过程，但二者又有不同的特点： ①、LC 回路是集总参数电路，而谐振腔是分布参数电路；②LC 谐回路只有一个振荡模式和一个谐振频率；而谐振腔有无限多个振荡模式和无限多个振荡频率。
这些差异使用来分析和衡量谐振回路的基本参量及分析方法有所不同。
例如谐振频率f0、品质因数Q 、特征阻抗Z0。
LC 谐振器在高频微波段缺点：a. 尺寸变小，储能空间小，容量低；b. 损耗增加：辐射损耗、欧姆损耗及介质热损耗增大，品质因数低，频率选择性差 。
谐振腔高频微波段优点：小型化、轻便化、高频化、低功耗化、低成本化4.从LC 回路到谐振腔的演变过程LC f a o π21)(=↓↑↓↑N ,d C ,L ,f 0)b (5.几种常见的实用的微波谐振器◆同轴谐振器：λ/2同型同轴谐振腔λ/4同型同轴谐振腔电容加载型同轴谐振腔◆波导谐振腔：矩形谐振腔圆柱谐振腔◆带状线与微带线谐振器：带状线谐振器微带线谐振器◆介质谐振器并联N ,d f o ↑↑)c ()d (连续N ,d f 0↑↑)e (↑↑d f 0第二章设计过程1.所设计谐振器需满足参数：•中心频率f0:5GHz•尺寸：4x3x1(mm)•品质因数Q>80•阻抗：50 Ω2.初步确定设计谐振器的类型3.微带线简介一般的传输线由两个或两个以上的导体组成，用来传输横电磁波（TEM波），常见的传输线有双线、同轴线、带状线和微带线等。
其中，微带线是最普遍使用的平面传输线之一，微带线可以用光刻工艺制作，并且易于与其他无源和有源器件集成，因此被广泛应用于印刷电路板中。
微带线的几何形状如图（a）所示，导带的宽度w 是印在薄的、接地的介质基片上，基片的厚度为d，相对介电常数，电磁场示意图如图（b）所示。
微带线是一根带状导(信号线)．与地平面之间用一种电介质隔离开。
如果线的厚度t、宽度W以及与地平面之间h的距离是可控制的，则它的特性阻抗Z0也是可以控制的。
微带线可以看成是由同轴线演变而来。
其演变过程为：把同轴线的外导体对半剖开去其一半，并把剩余的一半外导体向上或向下拉开展平，然后把内导体作成扁平状态。
同轴谐振腔有λ/2、λ/4型。
因此设计微带线也有这两种类型。
/2。
其中中心导带的长度约为l=λ0/4 或l=λ4.一些材料的介电常数和损耗角正切此图表摘自微波工程（第三版）[美]David M.Pozar著P.5885.确定基片和中心导带由前面中心导带长度l计算公式和εr和λ0关系式知道，如果选用材料的εr 过大，则会使l过小，不利工艺加工；如果过大则不满足尺寸要求，综合以上信息考虑，选取εr大致为36的钛酸钡作为基片。
同时确定中心导带金属为金，金在空气中不易氧化，在镀膜工艺时不易氧化，延展性，导热性方面都具有良好的性能。
其中中心导带的厚度为t=0.01mm，宽度W=1.00mm。
基片厚度为d=1.00mm。
则可以确定中心导带长度大致为l=60 ÷√36÷4=2.5mm6.微带线匹配问题该微带线有效介电常数为ε=(ε+1)/2+(ε−1)/2-1/√(1+12d/w) ,带人数值ε=36，d/W=1，得εe=23.3536.则特征阻抗Z0=60/√(εe)ln(8d/w+w/4d),带入εe=23.3536,有Z0=26.20Ω≠50.00Ω,则与电路阻抗不匹配。
则谐振器必须增加耦合电路才能够正常工作7.Sonnet 软件仿真在Cicuit=>Units将单位改为mm，在Cicuit=>Box确定器件整体尺寸4.0*3.0mm以及精度为0.02mm。
◆在Cicuit=>Metal Types选项里建立导电率σ为4.10x107S/m，厚度t为0.01mm的Metal1；在容器内用Toolbox作出长度l大致为2.5mm，宽为1.00mm的矩形。
双击矩形区域，选择金属类型为Metal1。
（注意矩形与边界相连时，软件默认表示接地）◆同理用Toolbox作出中心导带两旁的电容，选择相同的Matel1，再添加端口1、2。
（因为还没有调节，随便画两个相同的矩形即可）◆选择Circuit=>Dielectric Layers，设置基板上面空气厚度以及基板厚度d，εr和损耗tan δ，保存。
（一般空气厚度约为基板厚度的3-5倍）◆然后选择Analysis=>Steup设置扫描方式及扫描范围。
选择Project=>Analyze分析。
先微调中心导带的长度以使中心频率在5GHz，再调节两旁的电容大小，反复调试，使DB[S12]和DB[S21]越尖锐越好，直到满足Q值为止。
（其中Q=（f2-f1）/f0；f1、f2分别表示上截止和下截止频率。
经过反复试验和分析得到了如图的曲线图查看Smith圆图：计算波峰即有：此时的微带线结构为8.模拟Q值与计算Q值比较第三章设计微带线制作的工艺步骤1.钛酸钡陶瓷制备总工艺流程2.钛酸钡陶瓷粉粒的制备采用钛酸丁酯和氢氧化钡原料，采用溶胶一凝胶法制备钛酸钡粉体。
将20 g的氢氧化钡溶入60 mL的乙二醇甲醚中，充分振荡使之形成氨氧化钡的乙二醇甲醚溶液。
将10 mL 的钛酸丁脂溶入40mL的甲醇之中，充分搅拌形成钛酸丁脂的甲醇溶液。
将上述两种溶液混含，并不停的搅拌使其充分互溶。
然后加水少许形成透明的溶胶，待其老化后取出捣碎并用过滤漏斗在真空抽滤瓶下洗涤、抽滤，并在真空干燥箱中约80℃下充分干燥，然后在900 ℃下隔绝空气煅烧6h。
将煅烧好的块体用球磨机混料8h制成钛酸钡陶瓷粉粒。
3.钛酸钡粉粒的烧结先将制得的钛酸钡粉粒在800~900℃之间预烧，预烧后加PV A（3%以内，浓度过高对生坯烧结不利），烘干，研磨过筛，开始烧结过程。
将研磨的粉粒浇注到4.5×3.5×1.5mm 的模具中，压力成型。
（考虑加入挥发物质，烧结时体积缩小，因此多加0.5mm）粉粒排胶在550~600℃之间保温40分钟左右，然后在1250℃保温2~4小时即可获得晶粒生长良好的钛酸钡陶瓷基片。
4.中心导带的制作——真空镀膜简介：真空镀膜是一种产生薄膜材料的技术。
在真空室内材料的原子从加热源离析出来打到被镀物体的表面上。
此项技术用于生产激光唱片（光盘）上的铝镀膜和由掩膜在印刷电路板上镀金属膜。
由于是在钛酸钡陶瓷基片上镀Au膜，因此选用溅射+掩膜镀膜。
用高能粒子轰击固体表面时能使固体表面的粒子获得能量并逸出表面，沉积在基片上。
常用的二极溅射设备如图。
将高纯Au（纯度：99.9%-99.9999%）制成板材Au靶,固定在阴极上。
钛酸钡陶瓷基片置于正对Au靶面的阳极上,距Au靶几厘米。
将掩模板精确的放置在基片上面。
系统抽至高真空后充入1～10帕的氩气，在阴极和阳极间加几千伏电压，两极间即产生辉光放电。
放电产生的正离子在电场作用下飞向阴极，与Au靶表面原子碰撞，受碰撞从靶面逸出的溅射Au原子, 溅射Au原子在基片表面沉积成Au膜。
调节蒸发源的蒸发速率、时间和源与基片的距离，使膜厚为0.01mm即可。
参考文献[1]David M.Pozar.Microwave Engineering(Third Edition)[M].北京：电子工业出版社，2006.3：123-124，228-237.[2]李绪益.微波技术与微波电路[M].广州：华南理工大学出版社，2007.3:71-75[3]张瑜,郝文辉,高金辉.微波技术及应用[M].西安：西安电子科技大学出版社，2006.1:86-91[4]Young,K.F. and Frederikse,H.P.R.,J.Phys.Chem.Ref.Data，2,313,1973：48-56[5]杜锋涛,赵俊英,畅柱国,崔斌,唐宗薰.低烧钛酸钡基介电陶瓷的研究进展[J].材料科学与工程学报，2009.4，27(2)：324-328[6]罗建辉.电子陶瓷粉体——钛酸钡的制备[J].材料导报，1993，No.5:51-53[7]颜学敏,雷家珩,张安富,杨凤霞,张端明.电子陶瓷钛酸钡粉体的液相合成[J].化学通报，2005，68:1-7[8]马战红,孙乐民,任凤章.烧结温度对钛酸钡陶瓷性能的影响[J].河南科技大学学报：自然科学版，2008.4，29(2)：5-7[9]王桂芹,陈晓东,段玉平,李伟平,刘顺华,温斌.钛酸钡陶瓷材料的制备及电磁性能研究[J].无机材料学报，2007.3，22(2):293-297[10]王晓慧,刘晓林,陈建峰,李婷.钛酸钡陶瓷烧结动力学曲线的研究[J].功能材料，2006,37(4)：570-572心得体会。
