小型化宽阻带滤波器设计.docx

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1、西 南 交 通 大 学本科毕业设计（论文）小型化宽阻带滤波器设计 MINIATURIZED WIDE BAND FILTER DESIGN年 级: 2017级学 号: 2017112614姓 名: 专 业: 电子科学与技术（微电子技术）指导老师: 缪英武2021 年 6 月 西南交通大学本科毕业设计（论文）学术诚信声明本人郑重声明：所呈交的毕业设计（论文），是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承

2、担。作者签名：日期： 年 月 日西南交通大学本科毕业设计（论文）版权使用授权书本毕业设计（论文）作者同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西南交通大学可以将本毕业设计（论文）的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本毕业设计（论文）。 保密，在 年解密后适用本授权书。本论文属于不保密R。（请在以上方框内打“P”）作者签名： 指导教师签名：日期： 年 月 日 日期： 年 月 日院 系 信息科学与技术学院 专 业 电子科学与技术（微电子技术） 年 级 2017级 姓 名 周语菲 题 目 小型化宽阻带滤波

3、器设计 指导教师评 语 指导教师 (签章)评 阅 人评 语 评 阅 人 (签章)成 绩 答辩委员会主任 (签章) 年 月 日西南交通大学本科毕业设计（论文）毕业设计（论文）任务书班 级 2017级微电1班 学生姓名 周语菲 学 号 2017112614 发题日期： 2020 年 12 月 4 日 完成日期： 2021 年 6月 4 日题 目 小型化宽阻带滤波器设计 1、本论文的目的、意义无线通信和雷达技术的发展对射频系统的性能提出了越来越高的要求。微波滤波器作为其重要组成部分，对信号的接收和发射都至关重要。滤波器的设计水平将决定系统的增益、频段、杂散等关键指标，进而影响收发信质量。通过合理选择

4、滤波器实现工艺，不仅能达到射频或微波频段固定带宽内的设计指标，也能保证小型化、轻型化和经济性等要求，使滤波器达到工程实用水平。电路设计和调试通过HFSS仿真平台完成，并进行性能指标的验证和优化。 2、学生应完成的任务 要求完成工艺选择、滤波器结构选型、电路仿真和版图优化。该电路的全部指标调试在HFSS及相关射频电路工具中完成。 （1）学习硬件设计所需电路图绘制、性能仿真测试工具。 （2）完成滤波器基本指标计算和电路拓扑选型。 （3）完成满足带宽、插损要求的电路初型设计。 （4）完成反射、边带截止等性能的优化。 （5）电路性能指标验证。 （6）外文参考文献翻译。 （7）设计报告和毕业论文。 3、

5、论文各部分内容及时间分配：（共 16 周）第一部分资料收集整理，学习设计工具的使用 (2 周) 第二部分器件选型和电路结构选型 (2 周) 第三部分滤波器仿真和设计 (4 周)第四部分电路修改和性能评估 (4 周) 第五部分论文撰写 (2 周)评阅及答辩审定,装订,准备答辩 (2周)备 注 指导教师： 年 月 日审 批 人： 年 月 第VI页摘 要 时代在不断进步，通信技术也呈现百花齐放形势，各种新技术如雷达技术等都迎来了新突破和新发展，对射频系统也提出了更好的性能标准和要求，微波滤波器是该系统中的重要前端构件，对信号的收发非常重要。滤波器的功能是使有效的信号通过频带，而过滤掉无用的信号。滤波

6、器的设计水平决定了系统的主要指标，例如增益，频带，杂波，并影响接收和发射的质量。滤波器具有小型化、宽阻带、低插入损耗、 高频率选择性、高功率电容的特性，这些特性决定了增益、频带、杂波等系统的主要指标，影响了滤波器的质量。另外，为了降低系统成本，减轻重量减小体积，器件和电路的小型化和轻型化越来越重要。本论文以设计小型化，宽阻带，低插损的低通滤波器为目标，内容包括研究背景，滤波器设计的相关理论，基于DGS结构的低通滤波器的设计，基于并联T型枝节的高低阻抗低通滤波器的设计和总结五个部分来分别详细介绍。滤波器工艺的合理选择,是实现无线频率或微波频率的固定带宽的近旁共指标,不仅满足小型化、轻量化,及经济

7、效益的条件,并保证滤波器可以达到工程实用水平。本论文使用了改进哑铃型DGS结构和并联T型枝节SIR结构来达到小型化宽阻带低通的设计目标。一种是在传统哑铃型的两个矩形内刻蚀出一些矩形和矩形缝隙，并用一狭槽相连的改进的哑铃型的DGS结构，另外一种是并联了T型谐振器的高低阻抗结构。前者的阻带达到了6倍通带宽的水平，而后者的过渡带在800MHz左右，且在-20dB内未出现寄生通带。两种结构设计的滤波器均满足了论文设计任务要求的宽阻带和小型化要求，基本达到了工程实用水平。关键词：滤波器；低通；小型化 ；宽阻带 AbstractIn the era of continuous progress, comm

8、unication technology also presents a hundred flowers blooming situation, a variety of new technologies such as radar technology ushered in new breakthroughs and new developments, the radio frequency system has also put forward better performance standards and requirements, microwave filter is an imp

9、ortant front-end component of the system, the signal transceiver is very important. The function of the filter is to pass the useful signals through the frequency band and filter out the useless signals. The level of filter design determines the systems main parameters, such as gain, frequency band,

10、 clutter, and affects the quality of reception and transmission. The filter has miniaturization, wide stopband, low insertion loss, The characteristics of high frequency selectivity and high power capacitance, which determine the gain, frequency band, clutter and other main indicators of the system,

11、 affect the quality of the filter. In addition, in order to reduce the cost of the system, reduce the weight and reduce the volume, the device and circuit miniaturization and light is more and more important.This paper aims at designing miniaturized, wide-stop band, low-plug-in low-pass filter, incl

12、uding the study background, the theory of filter design, the design of low-pass filter based on DGS structure, and the design and summary of the design and summary of the high-low-pass filter based on parallel T-sections.The reasonable choice of filter process is the near-side common index to realiz

13、e the fixed bandwidth of wireless frequency or microwave frequency, which not only meets the conditions of miniaturization, lightweighting and economic benefits, but also ensures that the filter can reach the practical level of engineering. In this paper, the design goal of miniaturized wide-band lo

14、w pass is achieved by improving dumbbell-type DGS structure and parallel T-branch SIR structure. One is to etch some rectangles and rectangular gaps in two rectangles of a traditional dumbbell type, and to connect the improved dumbbell-type DGS structure with a narrow slot, and the other is to paral

15、lel the high and low impedance structure of the T-type resonator. The former has a resistance band of 6 times the pass-through bandwidth, while the latter has a transition band of about 800MHz and no parasitic band in -20dB. The filters of both structural designs meet the requirements of wide resist

16、ance band and miniaturization of the design tasks of the paper, and basically reach the practical level of engineering.key words： filters, low pass，miniaturization, wide band目 录摘 要IIIAbstractIV第1章 绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外小型化宽阻带滤波器研究现状21.3 本文主要研究内容与结构安排4第2章 滤波器的相关理论基础72.1 滤波器的基本理论72.1.1 滤波器概述72.1.2 滤波器

17、分类72.1.3 滤波器参数102.2 低通原型滤波器的介绍.122.2.1低通原型滤波器122.2.2低通原型滤波器的电路结构与切比雪夫滤波器元件参数15第3章 缺陷地（DGS）结构低通滤波器的设计173.1 DGS的理论基础173.2 常见DGS结构介绍173.2.1 哑铃型DGS结构183.2.2 常见哑铃DGS变形结构183.3 DGS参考结构的选择193.4 基于DGS结构的低通滤波器设计213.4.1 改进哑铃型DGS的结构213.3.1改进哑铃型DGS的仿真与设计223.5 本章总结25第4章 高低阻抗低通滤波器的设计274.1传统高低阻抗低通滤波器274.2 参考结构的选择28

18、3.3 本章总结294.3 基于并联T型枝节的高低阻抗低通滤波器304.3.1 并联T型枝节304.3.2基于并联 T 型枝节的低通滤波器设计314.4 本章总结35五、总结与展望36致 谢38参考文献39第1章 绪论1.1 研究背景及意义近几十年来，信息技术革命，特别是在通信技术领域迅速发展。自第一代通信技术出现以来，移动通信经历了2G、3G、4G以及接下来的5G。通信技术不仅给人类的生活带来了巨大的影响，也为国家的经济发展做出了巨大的贡献。随着通信技术的发展，对通信系统的要求也越来越高。射频通信系统从初期的又大又重，发展到现在的又小又轻，并且高度集成。微波低通滤波器作为射频通信系统的一部分

19、，发挥着重要的作用。微波滤波器是射频前端的重要组成部分，其尺寸和成本将影响整个RF前端的尺寸和成本。滤波器的小型化可以缩小射频通信系统的整体尺寸，降低通信系统的成本，进而提高产业效益和利润率。近年来，学术界和产业界对滤波器小型化的关注越来越高，进行了一系列的研究。滤波器是通信中不可缺少的组件之一，采用何种滤波器，具体性能情况直接关乎到最终通信效果和质量。依据功能划分，滤波器可进行四种区分，也就是低、高通类型及带通类型，还有较为特殊的带阻类型等。同时依据结构划分，滤波器可进行多种区分，如微带线、波导等。这些型号复杂功能各有不同的滤波器中，最为基础的一个类型是低通滤波器，其具体作用是对带外高频干扰

20、信号进行一定程度的抑制，通常情况是在电路前端进行安装和设置，能够对传输带宽进行有效而可靠的约束，从而对后级系统中的冗余干扰进行有效消减和去除，提高灵敏度。并且，对射频系统中具有广泛应用性的带通滤波器而言，存在周期性大的问题，因此让该类型滤波器在内部性能上会出现情况不一的计生问题，而该种特性会让系统中出现大量冗余和干扰，因此往往需要对应用带通滤波的系统额外在进行一类型滤波器设置，而低通滤波在此时就能发挥作用，前期生成的寄生通带能够通过这种方式被有效排除。通过前述对低通滤波器的有效利用，可以看出低通滤波器具备显著优势，将之安放在系统前端，一方面能够对高频干扰源进行高效而合理的抑制，另一方面对级联滤

21、波能够提供充分的支撑，为了有效实现前述两个效用，该滤波器需要在性能上进行一定提升，阻带带宽需要进行加强，同时插入损耗也必须尽力削减。另外滤波器功能发挥效果会受到其他频带混合信号显著影响。为了使得到的频带信号纯粹，有必要加强对低通滤波器的宽阻带的研究。在本论文的研究中，在先前的研究的基础上，选择合适的参考结构来执行转换，研究和设计微波低通滤波器和宽带阻带滤波器的小型化。本文的研究工作对于减小射频系统的尺寸，减少通信系统中滤波器的数量，降低系统的设计、调试、制造的成本，提高经济效益是非常重要的。1.2 国内外小型化宽阻带滤波器研究现状宽阻带滤波器在多个方面具有显著优势，反射系数相对而言更小，稳定性

22、好波动更小，同时具有低损耗的特性。同时，阻带宽的显著特性，也让其对开发过程中难以避免其产生的高频杂波干扰起到突出的抑制效用，作为现在的过滤器的方向。滤波器的寄生通带是由各耦合线的奇模式和偶模式的相位速度的不一致引起的。一般来说，奇数模式的相速率大于偶数模式的相速率，因此在通带和阻带处的滤波器频率响应曲线不对称。抑制寄生通带技术的宽阻带技术发展方向主要集中在两个领域，一个领域通过将寄生通带进行搬离移动操作让其更换频带，原理当前通带，一个领域是对寄生参数进行更新设置和追加，从而能够形成对寄生通带的一定阻抑作用，换言之对高次谐波进行有效阻抑。关于搬移频带的方面。Mahikito 等人在经过深入研究后

23、提出解题阻抗谐振器这一具有较明显优势的概念。基于此种结构下的滤波器的结构独特，对于高次谐波的过滤能力强。想要搬移频带达到减少寄生通带的目的，只需要对不同线段间所呈现出来的阻抗比进行相应的调整即可实现，换言之就是对寄生通带的当前所在位置进行一定调整，此处位置特指的是频带横轴方向上的，如此就可以实现同频带频率的有效搬离和迁移，将之放置于暂时处于原理位置的频段内，抑制高次谐波、拓宽阻带带宽的目的。正因这个想法，此后的滤波器研究界，通过以SIR为基础设计出的，将谐振器应用到各种高选择性的滤波器里的研究越来越多。对各种不同类型和性能的高低阻抗谐振单元进行深入观察，发现当中最具效用性的当属发夹型，该种类型

24、单元其基本原理路径是同原函数原型，具体操作时通过把高低阻抗线进行一定程度的玩去操作让其呈现出发卡的形态，该种形态会形成一种相对紧凑而严密的结构，能够让整体体积小型化，同时频率也能够保持高稳定，在过程中产生的插入损耗也相对较低。作为一种性质优良的宽阻带低通滤波器，引起众多国内外学者的深入研究。例如，Hayati M 和 Vaziri H.S 通过上述发夹型SIR单元，并在此基础上改型出一个新型的低通滤波器，其通带性能范围是1.07GHz，同时阻带抑制特性具体取值表现在低于-20dB范围内，同时阻带宽性能表现是在14倍。Shama F、Hayati M 等人则在实际研究中开发了一个新的谐振单元，其

25、表现出显著阻抑效用，具体构成组成是半圆和T形，将其阻带性能提高到28.62GHz，在实际场景中能够实现13次谐波的阻抑效用。王华红等人利用设计的具有二阶低通滤波器特性的SIR开路枝节制造出一种新型阶跃阻抗型低通滤波器，由于这种SIR开路枝节，使得该低通滤波器截止频率为7.2GHz的同时，阻带抑制低于-15dB 以下的阻带达到 15GHz。实现了插损低、阻带宽、体积小，带外抑制高的目的。但 SIR 低通滤波器存在一个本质上的缺点，就是体积较大。 随后，EYablonovith和SJohn将光子带隙（Photonic Bandgap，PBG）应用到滤波器设计中来，PBG指一种介质材料在另一种介质中

26、呈周期性排列所组成的结构所产生的物质。PBG材料存在一种阻带特性，具有极大的理论价值和应用前景。许多国内外学者争相纷纷开始研究基于PBG材料的滤波器设计。虽然PBG材料存在良好的阻带特性，但由于其结构呈现出显著的周期性特性，因此建模过程就更为繁杂多变，使其传输特性会受到很多外界因素的干扰。后来，因此部分研究者继续在光子带隙前提下展开研究，开发出缺地陷结构，并且将之实用化，给学者们提供了实践的可能。并且给出了所提出的经典哑铃型DGS的相关参数。此后，滤波器领域刮起一阵DGS结构的设计风。SioWeng Ting、KamWengTam等人通过改变传统DGS的形状，将其改成双U型的DGS结构，得到了

27、一个截止频率为2.4GHz，抑制都在-30dB以下的4倍宽的阻带的滤波器。何宏庆接着上述的研究基础，研究了U型 DGS的嵌套技术，得到了插损低、阻带宽的低通滤波器。后来，国内学者研究又研究出一种新结构，即将具有带阻滤波器的结构带入低通滤波器中去，他们发现这样可以得到扩宽阻带的效果。宁俊松、罗正祥等人对串联传输线进行了更替和改进，用具有相同效用的T型节实现了完整替代，从而达成前面的目的。此种设计可用于抑制低倍频的寄生通带的产生。此后朱轶智又将带阻滤波器嵌入改进7阶短接线低通滤波器中去，同样得到了抑制度极大，阻带带宽极宽的宽阻带低通滤波器。后来，又有学者基于这样的设计基础，通过改变高低阻抗低通滤波

28、器的形态，将之改造成适宜T型节带阻滤波器进行嵌套式并入的形态，进而实现对高次谐波的更深层阻抑效用，据此获得通带性能表现在S波段，插入损耗较小，5倍频程的超宽阻带，同时阻带抑制特性具体取值表现40d以上的具有超宽阻带特性的效率性和功用性更显著的低通滤波器。但该类滤波器较为明显的不足是体积相对较大，具体是40 mmx20 mmx 10mm。此后，又由DGS结构又可以进一步开发，得到DMS结构，该种构型的特点让体积小型化，同时还具有宽阻带设计方案中，同时DMS也能实现低插入损耗。对该类型的研究较多，薛玉洁等就已经研制出一个新型DMS结构滤波器，其中阻带抑制性能表现是15dB以上，同时阻带宽度具体取值

29、表现是13GHz，在实际场景下能实现三次高次谐波的显著阻抑效用，且体积相对而言较为小型，具体表现是20X12mm，另外曹海林等也对同类型结构展开研究，主要是G形DMS结构，并研制除了一种性能表现较为良好的低通滤波器，其中阻带抑制性能表现是25dB以上，同时选择性方面表现也较佳，滤波器面积仅为 26mm15mm。除了传统的基本型，DMS结构还有C 形、F 形、M 形等等，许多学者对此展开了研究。以上所论述的宽阻带滤波器的发展，众多学者在实现小型化、宽阻带特性的滤波器所做出的多年努力。这里我们也沿用其中的某些结构，来进行本文小型化、宽阻带低通滤波器的设计。 1.3 本文主要研究内容与结构安排 本论

30、文的研究目的是为了减小射频前部工作器件滤波器的尺寸，使其可以适应现代化通信方面多频系统的高要求，主要针对微波低通滤波器的小型化、宽阻带的特性进行研究，而在此基础上再保证尽量减少宽阻带中的寄生通带。本论文的研究工作可以分为三部分：一、学习仿真软件HFSS。所谓HFSS，其实就是一类型三维仿真软件，HFSS可以用来仿真滤波器、天线等无源器件，HFSS适用于三维电磁场分析，计算电流场十分可靠。步骤是设置坐标、更改大小、设置变量和端口。设置求解频率，对模型进行仿真得出s参数图，再根据s参数图对模型结构尺寸进行仿真优化，以得到需要的指标。根据小型化体积、过渡带宽度、阻带宽度、带外抑制、通道反射、插入损耗

31、等等指标查阅关于小型化、宽阻带、锐截止等等方面的文献，形成以下五个章节：第一章， 绪论。包括本文所涉及开发类型的滤波器研究背景及相关意义，并对该类型滤波器的国内外课题现状及主要研究内容和结构的安排三个小节。在这一章节里主要介绍了本文的研究的社会背景、学术背景，毕竟设计的滤波器需要应用投入到实际生产，所以滤波器必然会朝着小型化、宽阻带的趋势一直发展。然后再翻阅近几十年来的国内外文献，查找国内外学者们关于小型化、宽阻带、锐截止、低通这几个关键点的滤波器的设计与构思。再从笼统的角度阐述了本文的设计思路，也就是怎样实现，实现之后要干什么，包括结构的设置等等。第二章：滤波器相关原理。涉及到滤波器理论基础

32、，通过对滤波器整体情况概述，滤波器当前主要应用分类、滤波器所涉及的参数内容和指标以及低通原型滤波器切比雪夫低通滤波器的原型电路结构和元件参数这五个小标题。由题目可以得知，在这一章节里会详细介绍滤波器的基本理论概念基础、常用的技术指标以便后续的设定统一指标好进行对比。然后是介绍了滤波器设计中所要求必须具备的一些基础知识，比如先学习低通滤波器的原型，切比雪夫滤波器，理解了最基础的滤波器的概念之后，对于后续改型结构的滤波器能更快上手，这一些基础的理论知识为后续滤波器的设计奠定了一定的基础。第三章：参考结构的总结与选择。包括缺陷地结构（DGS）和高低阻抗（SIR）结构两部分来进行讲解。DGS结构部分包

33、括哑铃型和螺旋型DGS结构设计的DGS准椭圆低通滤波器、半圆形DGS和半圆形SIR级联设计的低通滤波器、DGS结构和两阶阶跃阻抗单元结构联合设计的低通滤波器。高低阻抗结构部分包括传统高低阻抗线结构低通滤波器、调节谐振单元和耦合单元的参数的低通滤波器和开路 T 型枝节等效串联微带传输线的低通滤波器。两个部分中每一部分都通过搜寻文献寻找参考结构，通过指标来进行对比各个结构的、关于相关指标的优点与不足，来为下面两章选取基础结构打好铺垫第三章：缺陷地（DGS）低通滤波器的设计。包括DGS的基础理论知识介绍、常见DGS结构介绍，如哑铃型、蛇形等等常见类型、以及介绍两种基于DGS机构的低通滤波器的设计这五小节。在这一章里介绍了缺地陷结构的由来、理论支持和分类，再讨论了一些比较常见的、基础的DGS结构。虽然基础，但却能为我们之后的结构改型提供思路的参考，在基于这些基础结构，加上寻找的参考结构，对其进行理论知识的研究，最后再利用电磁仿真软件HFSS对这些进行电磁模拟仿真，并且搭建了该基于DGS结构的低通滤波器的等效电路模型对其进行了分析，优化得到符合指标的需要的结构。第四章：高低阻抗线低通滤波器的设计。涉及传统该