【精品】波导滤波器设计

科技项目（课题）模拟申报书

班级：

10电子2班

学号： 2

课题负责人：

杨宁

项目名称： 波导滤波器的设计

指导老师： 杨波

申报时间： 2013-10-9

电子专业科技方法训练

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波导滤波器设计

一、国内外与本项目有关的科学技术现状和发展趋势（包括计算机检索情况）： 简介：包含一个或滤波器具有选频的功能，可以分隔频率，即通过所需频率的信号而抑止不需要的频率信号，是无线电技术中的核心设计之一。 腔体滤波器频率覆盖0.5~10GHz，由于采用高Q值结构设计，该滤波器具有大功率工作的能力，具有较低的插损，良好的通带驻波特性和较高的带外衰减，温度稳定性好，特别适合于窄带应用，广泛应用于雷达、电子对抗系列产品、微波通信、射频仿真等领域。标准响应采用0.1dB切比雪夫响应。根据用户的不同指标要求亦常采用Butterworth、椭园函数、贝塞尔及线性相移响应设计。几个调谐元件以提供需要的频率特性的波导段。 类型：MDIWF系列波导通频和谐波滤波器，擅长应用与高频，窄带宽和高Q频率。该WF系列的设计和制造，是为了提供最大程度的稳定性和高性能。 趋势：---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控制系统中，滤波器应用极为广泛；在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以，对滤波器的研究和生产历来为各国所重视。 ---1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现。20世纪50年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术、集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗、高精度、小体积、多功能、稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积、多功能、高精度、稳定可靠成为7年代以后的主攻方向。导致RC有源滤波器、数字滤波器、开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70年代后期，上述几种滤波器的单片集成已被研制出来并得到应用。80年代，致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。 2 / 12

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二、研究内容、方法和技术路线（包括工艺流程）： 在微波系统中往往需要在宽频带范围内滤出两个有用的信号并加以合成,以一个端口把信号送 到接收机或放大器。例如参考文献[1]提到的用于GPS系统中的设备(Double-diplexedtwochannelfil2terforGPS)就是这样,现摘录在图1。在该图中,使用了并联排列的且输入、输出端都合一的2个带通滤波器,整个网络实现了2个通带互相隔离,而在其它的频率范围又提供了一定的衰减功能,从而满足了工作通道之间和附近干扰信号的衰减要求。 为了获得良好的通带性能,该双合一传输线长必须精心设计,并适当调整F1和F2通道滤波器的 有关耦合参数,才能消除2通道滤波器之间的不利影响。 可以完成这个功能的方案还有:2个通道滤波器前后各加一个环行器;2个通道滤波器前后各加一个3dB桥;公共多模腔双通道滤波器[2]和Zolotarev带通滤波器[3]等等,各有优缺点。 本文应用单谐振器提取衰减极点的原理和引入有关的交叉耦合的方法,利用一个波导滤波器结构也达到了这个目的。 基本原理 为了简单说明这种滤波器的基本原理,以6阶滤波器为例,其等效电路表示在图2。 3 / 12

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其中s= 1Q0・Bw+j1Bw(ωω0-ω0ω),Q0是谐振腔的无载Q值,Bw是滤波器的相对带宽。ω是角频率,ω0是滤波器中心角频率。在忽略了热损耗和对频率、带宽进行归一化以后,s=jλ=j(ω-1ω)。 由(1)式可以列出i6的表达式:i6=Δ1,6Δ=-jλ2λ5(-M21,3M3,4-λ2M1,6+M23,4M1,6)Δ (2)其中Δ为(1)式中阻抗行列式的值。由于在这里关心的是该电路出现的衰减极点,故不再把它进行展开。由(1)式的分子可见,i6=0的状态有: (1)λ2=0、λ5=0 (3)(2)-M21,3M3,4-λ2M1,6+M23,4M1,6=0 (4) 第一种状态说明了利用单腔来提取衰减极点的基本原理,表示该电路在第二和第五谐振器的谐振频率上各有一个衰减极点,这种设计技术在以往的产品研制中已经使用过。如果是统调滤波器,即所有的谐振器都谐振在同一个中心频率上,那么在该带通滤波器的中心频率处具有一个2阶的衰减极点。 对于第二种状态,在λ=±(M23,4M1,6-M21,3M3,4/M1,6时,显然有2个对称的衰减极点。假定 4 / 12

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主耦合M3,4的符号是正,那么在这里存在两种情况:M1,6为负和M1,6为正,前者根号内的值大于后者,这样前者出现的一对衰减极点可能在通带外的两侧,而后者出现的一对衰减极点可能在通带内中心频率的两侧。这两种情况都有用,前者状态的带通滤波器在中心频率处具有一个2阶的衰减极点,而在通带外的两侧各具有一个衰减极点,如图3(a)所表示的响应,其耦合参数为:R=01924、M1,2=01473、M1,3=01735、M1,6=-01175、M3,4=01831;后者状态的带通滤波器的衰减极点都分布在通带 内,而且在中心频率及其两侧,并依中心频率相对称,如图3(b)所表示的响应,其耦合参数为:R=01865、M1,2=01694、M1,3=01492、M1,6=01673、M3,4=01491。这样,由(4)式得知,λ=±01254,如设计带宽为40MHz时,则另外2个衰减极点的位置在中心频率两侧的±5MHz处,从而在通带中心的一个频带内形成了一个类椭圆函数带阻特性。由于中心两侧的这一对衰减极点的频率可控,因此带阻带宽可以根据要求进行设计。 对于8阶双通带滤波器同样具有这种性质:除了带通滤波器的中心频率处具有一个2阶衰减极点以外,通带内、外还可以同时具有一对衰减极点,或者通带外同时具有两对衰减极点,其特性分别表示在图4(a)和图4(b)中。图4(a)所表示的响应的耦合参数为:R=01687、M1,2=01645、M1,3=01529、 M1,8=-01155、M3,4=01704;M3,6=01346、M4,5=01134;图4(b)所表示的响应的耦合参数为:R= 01732、M1,2=01603、M1,3=01586、M1,8=01019、M3,4=01675;M3,6=-01267、M4,5=01653。 5 / 12

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滤波器的设计 在通带中拥有2阶衰减极点的技术已经应用于同轴滤波器或梳状滤波器的设计。为了推广应用到波导领域,使用了2个三模谐振腔去实现6阶的双通带滤波器特性。每腔有2个TE111模和1个TM010模工作,滤波器结构示意图如图5(a)所示,图中省略了调频率螺钉。而图5(b)表示了2个三模腔中3个模极化的工作安排。该滤波器的输入、输出采用SMA同轴探针形式。2腔中间使用了窄长“+”字孔耦合模片,分别提供两腔中1和6、3和4模之间的耦合。 在该结构基础上,分别应用图3(a)、3(b)理论分析特性所拥有的各耦合参数,通过有关的计算,获得 了该滤波器各耦合机构的几何尺寸。经调试,实验件实测的电性能分别表示在图6(a)和图6(b)。在实际的该波导滤波器结构中,由于两腔中间使用了窄长“+”字孔耦合模片,分别处于左右腔中的2模和5模也通过该耦合模片产生了不需要的微弱耦合,从而使通带中心的阻带特性造成轻微分裂,由单纯的2阶衰减极点变成了轻微的“双峰”。这种现象,在窄阻带的图6(a)中比较明显,而在宽阻带的图6(b)中不太明显。这些实测特性分别与图3(a)、3(b)理论分析特性相比较,可见吻合较好。 6 / 12

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三、项目主要技术经济指标、社会效益： （一）技术指标：频率范围：2～4GHz 带宽：0.1%～20％ 插入损耗：0.5～3dB(随带宽不同而不同) 输入输出形式：SMA、N、L16等 输入输出驻波：1.3:1 温度：-55～+85℃ 1、阶段目标：2011.10-2012.10 进行调研和资料收集，并设计滤波器； 对实验样品的物性参数进行测量，并到工厂测取必要的工况数据； 建立符合客观现象的模型，验证模型的正确性，发表研究论文1篇； 利用此模型进行计算机模拟，研究波导滤波器 2012.10-2013.10整理资料，提交文件，准备鉴定。 2、最终目标：微波滤波器在通信、信号处理、雷达等各种电路系统中具有广泛用途。随着移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性 能的改善提出了更高的要求。发达国家都在利用新材料和新技术来提高器件性能和集成度，同时，尽可能地降低成本，减小器件尺寸和降低功耗 （二）经济指标：波导滤波器频率覆盖0.5~10GHz，由于采用高Q值结构设计，该滤波器具有大功率工作的能力，具有较低的插损，良好的通带驻波特性和较高的带外衰减，温度稳定性好，特别适合于窄带应用，广泛应用于雷达、电子对抗系列产品、微波通信、射频仿真等领域。标准响应采用0.1dB切比雪夫响应。 8 / 12

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（三）社会效益：随着无线通信的迅猛发展，频率资源的日益紧张，作为分离有用和无用信号的微波滤波器成为通信系统中的重要部件，其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。现在，微波滤波器已被广泛应用于微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域 四、项目（课题）计划进度（按年月详细填写）： 起止年月 2010-2011 2011-2013 计划要求 进行调研和资料收集，并购买物理器件 制作滤波器，对滤波器进行测量，并到工厂测取必要的工况数据； 取得建立符合客观现象的模型，验证模型的正确性； 利用此模型进行计算机模拟 整理资料，提交文件，准备鉴定； 做好滤波器，进行反复测试认证。 五、现有人才、技术、物质基础条件（包括本课题做过哪些前期工作），现有仪器设 备、水电、燃料、材料、环保等条件： 9 / 12

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本课题组是具有合理结构的科研团队，建成了研究条件较齐备的实验室，课题组成员都在各自相关的领域内有杰出表现，技术全面，从事滤波器方面研究的经验丰富。本课题组滤波器设备齐全，能够方便地进行各类滤波器实验，有利于本课题的开展。目前已开展了前期研究，收集了国内外这方面的资料，对滤波器有了一定程度的了解，并且本课题组、同志已进行这方面的初步探索性研究，并取得了一系列的进展。 这些仪器能够有效地帮助我们进行物性参数的测定和前期小试，从而保证模型的正确性。水电，燃料供应充足，完全能够满足实验开展的需要。我们与景德镇一些滤波器公司一直以来有着良好的合作关系，实验用的大规格元件来源也很丰富，可在其滤波器中获得必要的工况数据并可进行中试。依托国家日用及滤波器工程技术研究中心分析测试中心成立的江西省滤波器检测中心拥有一大批先进的材料性能测试仪器与设备；学院图书馆可提供多种中外文献数据库的文献检索，众多外文数据库和中国期刊全文数据、万方数据库等，为本课题的顺利开展与完成提供了良好的条件。因此，本课题组完全有能力承担并完成好本项目。 本课题的开展，无需再购买任何重大仪器设备。景德镇陶瓷学院可为本课题研究的开展提供充足的水电服务，本课题研究的开展不会对环境造成任何不利影响，符合环保要求。 参考文献

1，王建国,蒋莉.浅谈山体滑坡的危害及应对措施[J].科技风.2010,(6):145. 2，王华斌.基于射频技术的无线应变监测系统研究[D].太原:中北大学,2010. 3，张毅刚,彭喜元,姜守达等.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出社, 2011:158. 4，朱勇,陈其乐,刘浩.单片机原理与应用技术[M].北京:清华大学出版社,2012:28. 5，张毅刚,彭喜元,姜守达等.新编MCS-51单片机应用设计[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出社, 2010:158. 6，邓莹.基于无线传感器网络的智能大厦安防系统研究[D].武汉:武汉理工大学,2013. 7，孙鹏.单片射频收发器nRF905的原理与应用[J].电子制作.2012,(2):63-66. 8，朱芳.一种基于nRF905的无线数据采集系统设计[J].杭州电子科技大学学报.2011,27(1):29-32. 9，罗剑,徐晓.基于80C51单片机超温报警温控器[J].湖南科技学院学报.2010,30(4):65-67. 10，陈邦媛.射频通信电路[M].北京:科学出版社,2012:90-91. 10 / 12

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六、经费预算： （一）经费的构成：单位：万元 三项经费 国家 省（市）科委 国家 贷款 省（市） 科技发展基金 省科委 市科委 自筹 其它 （二）经费年度计划： 年月 （三）三项经费分项计划： 分项内容 1、设备、仪器购置费 2、材料样品费 3、试验费 4、其他费用 5、合计 七、项目（课题）的承担单位及主要研究人员： 承担单位： 经费额（万元） 备注 年月 年月 项目（课题）负责人 姓名 性别 年龄 为本课题工作时间（%） 课题组成员 在课题中分担的任务 所在单位 11 / 12

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八、指导老师意见： （签名盖章） 年月日

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