微波滤波器的设计与仿真开题报告

毕业论文开题报告题目微波滤波器的设计与仿真学生姓名薛新月学号1113024098所在院(系)物理与电信工程学院专业班级通信1103班指导教师薛转花2015年3月7日题目微波滤波器的设计与仿真一、选题的目的及研究意义随着科技不断进步，无线通信前所未有的融入到生活中，尤其是贴近日常应用的短距离无线数据业务更是迅猛发展。例如WLAN、WIFI、蓝牙等短距离无线的广泛应用。极大的推动了滤波器技术的发展，也对滤波器的性能提出了更高的要求。微波滤波器是现代微波中继通信、微波卫星通信、电子对抗等系统中必不可少的组成部分。微波滤波技术广泛应用于卫星通信、移动通信、雷达系统、导航系统等，可谓无处不在。微波滤波技术的发展经历了半个多世纪，可谓品种繁多，性能各异。可按频率响应特性分为低通、高通、带通、带阻；也可按网络函数分为最大平坦型、切比雪夫型、线性相位型和椭圆函数型；还可按工作模式、频带、频段等进行划分。面对现代通信系统对滤波器性能要求日趋严格，微波滤波技术朝着体积小、重量轻、低损耗、高可靠性、高温补性能等的综合性滤波器发展。随着无线通信的个人化、宽带化，越来越需要人性化和高性能的终端设备，促使了包括滤波器在内的射频元器件的微型化和可集成化，同时也产生了各种结构和性能的射频滤波器来满足体积小、重量轻的系统要求。二、综述与本课题相关领域的研究现状、发展趋势、研究方法及应用领域等研究现状：微带滤波器在通信、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。与国外相比，我国的微带滤波器的发展还有一定的差距。目前，国外已有相应公司在大量生产微滤波器器件，比较著名的公司有美国的DLI、TRANS-TECH、日本MURATA、英国的FILTRONIC公司等。他们生产的各种微波介质陶瓷滤波器、双工器、谐振器、介质天线等产品已用于微波基地站、手机及无绳电话等产品中，取得了显著的经济和社会效益。发展趋势：随着现代材料科学与电子信息科学技术的交叉渗透，新材料和制造工艺技术的发展，如单片集成电路、MEMS、LTCC等工艺，极大地带动了微带和其他类型滤波器的飞速发展。全国固态化的各类片式高频、微带滤波器和中频滤波器，向着高性能、低成本、小型化、高频化等各方面飞快发展。研究方法：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。工程应用中，一般要求我们重点考虑通带边界频率与通带衰减、阻带边界频率与阻带衰减、通带的输入电压驻波比、通带内相移与群时延、寄生通带。前两项是描述衰减特性的，是滤波器的主要技术指标，决定了滤波器的性能和种类(高通、低通、带通、带阻等)；输入电压驻波比描述了滤波器的反射损耗的大小；群时延是指网络的相移随频率的变化率，定义为dU/df，群时延为常数时，信号通过网络才不会产生相位失真；寄生通带是由于分布参数传输线的周期性频率特性引起的，它是离设计通带一定距离处又出现的通带，设计时要避免阻带内出现寄生通带。应用领域：微波滤波器是一类无耗的二端口网络，广泛应用于微波通信、雷达、电子对抗及微波测量仪器中，在系统中用来控制信号的频率响应，使有用的信号频率分量几乎无衰减地通过滤波器，而阻断无用信号频率分量的传输。三、对于课题将要解决的主要问题及解决问题的思路与方法、拟采用的研究方法（技术路线）或设计（实验）方案进行说明，论文要写出相应的写作提纲1、ADS软件及其仿真分析方法先进设计系统(AdvancedDesignSystem)，简称ADS，是安捷伦科技有限公司(Agilent)为适应竞争形势，为了高效的进行产品研发生产，而设计开发的一款EDA软件。软件迅速成为工业设计领域EDA软件的佼佼者，因其强大的功能、丰富的模板支持和高效准确的仿真能力（尤其在射频微波领域），而得到了广大IC设计工作者的支持。ADS是高频设计的工业领袖。ADS电子设计自动化功能十分强大，包含时域电路仿真(SPICE-likeSimulation)、频域电路仿真(HarmonicBalance、LinearAnalysis)、三维电磁仿真(EMSimulation)、通信系统仿真(CommunicationSystemSimulation)、数字信号处理仿真设计（DSP）；ADS支持射频和系统设计工程师开发所有类型的RF设计，从简单到复杂，从离散的射频/微波模块到用于通信和航天/国防的集成MMIC，是当今国内各大学和研究所使用最多的微波/射频电路和通信系统仿真软件软件。ADS软件的仿真分析方法有：高频SPICE分析和卷积分析（Convolution）、线性分析、谐波平衡分析(HarmonicBalance)、谐波平衡分析(HarmonicBalance)、射频系统分析、射频系统分析和电磁仿真分析(Momentum)。2、结合滤波器的小型化设计实现微带滤波器的设计微波滤波器实现方式多种多样，以所采用传输线型式可分为来说常用的有同轴线，波导，带状线，微带线等。同轴型的微波滤波器具有辐射屏蔽，低损耗等特点。波导型的微波滤波器具有低损耗和功率容量大这两个主要优点。在平面电路中最常用的是微带线型滤波器，它具有小的尺寸，易于加工，易于和其它有源电路元件集成等优点，采用不同衬底材料能够在很大的频率范围内得到应用，因此微带滤波器在现代滤波器的设计中还是被寄予厚望。而小型化、微型化、片式化是目前元器件研究开发的一个重要目标，针对市场的需求，人们也对微波滤波器的小型化技术进行了很多方面的探究。微带滤波器的小型化技术主要有EBG、DGS、DMS、谐振器结构、分型结构等。3、设计方案1)了解微带滤波器的设计原理和设计指标；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。微带滤波器的设计指标主要包括：(1)绝对衰减（Absoluteattenuation）：阻带中最大衰减（dB）。(2)带宽（Bandwidth）：通带的3dB带宽（flow—fhigh）。(3)中心频率：fc或f0。(4)截止频率：下降沿3dB点频率。(5)每倍频程衰减（dB/Octave）：离开截止频率一个倍频程衰减（dB）。(6)微分时延（differentialdelay）：两特定频率点群时延之差以ns计。(7)群时延（Groupdelay）：任何离散信号经过滤波器的时延（ns）。(8)插入损耗（insertionloss）：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减，dB(9)带内波纹（passbandripple）：在通带内幅度波动，以dB计。(10)相移（phaseshift）：当信号经过滤波器引起的相移。(11)品质因数Q（qualityfactor）：中心频率与3dB带宽之比。(12)反射损耗（Returnloss）(13)形状系数（shapefactor）(14)止带（stopband或rejectband）：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到指定点（如60dB点）的带宽。这些设计指标，将根据北斗二号和全球定位系统(GPS)的工作频率来计算，并结合实际应用加以确定。在进行设计时，我们主要是以滤波器的S参数作为优化目标。S21(S12)是传输参数，滤波器通带、阻带的位置以及增益、衰减全都表现在S21(S12)随频率变化的曲线上。S11(S22)参数是输入、输出端口的反射系数，如果反射系数过大，就会导致反射损耗增大，影响系统的前后级匹配，使系统性能下降。2)学习ADS仿真软件的使用及基本操作方法；3)利用ADS软件进行微带滤波器的设计；4)建立工程；新建工程，选择【File】→【NewProject】，系统出现新建工程对话框。在name栏中输入工程名：microstrip_filter，并在ProjectTechnologyFiles栏中选择ADSStandard：Lengthunit——millimet，默认单位为mm。单击OK，完成新建工程，此时原理图设计窗口会自动打开。5)原理图和电路参数设计；在原理图设计窗口中选择TLines-Microstrip元件面板列表，选好所需元件，完成原理图的连接。选择菜单栏中的DesignGuide→Filter命令，将弹出滤波器设计主窗口，选择FilterControlWindow...并单击OK，将弹出FilterDesignGuide窗口，进行滤波器参数设计。6)S参数的仿真设置；在原理图设计窗口中选择S参数仿真工具栏，Simulation-S_Param。选择Term放置在滤波器两边，用来定义端口1和2。选择S参数扫描控件放置在原理图中，并设置扫描的频率范围和步长。双击S参数仿真控制器，进行参数设置。7)实现原理图仿真；单击工具栏上的simulate按钮或是点击simulate→simulate，当仿真结束后，系统会自动弹出一个数据显示窗口。通过仿真我们可以看出，滤波器的参数指标是否满足满足要求。8)若仿真结果不符合指标要求，确定优化目标，进行仿真优化设计；优化电路参数的具体步骤如下：(1)在原理图设计窗口中选择优化面板列表optim/stat/Yield/DOE,在列表中选择优化控件optim，双击该控件设置优化方法和优化次数，常用的优化方法有Random(随机)、Gradient(梯度)等。随机法通常用于大范围搜索，梯度法则用于局部收敛。(2)在优化面板列表中选择优化目标控件Goal放置在原理图中，双击该控件设置其参数。由于原理图仿真和实际情况会有一定的偏差，在设定优化参数时，可以适当增加通带宽度。对于其它的参数，也可以根据优化的结果进行一定的调整。(3)设置完优化目标后把原理图存储一下，然后点击工具栏中的Simulate按钮开始进行优化仿真。在优化过程中会打开一个状态窗口显示优化的结果，其中的CurrentEF表示与优化目标的偏差，数值越小表示越接近优化目标，0表示达到了优化目标。(4)优化完成后必须关掉优化控件，才能观察仿真的曲线。(5)点击工具栏中的Simulate按钮进行仿真，仿真结束后会出现数据显示窗口。9)设计结果符合指标要求，仿真结束。10)版图的生成与仿真。版图的仿真是采用矩量法直接对电磁场进行计算，其结果比在原理图中仿真要准确，但是它的计算比较复杂，需要较长的时间，可作为对原理图设计的验证。点击Momentum-Simulation-S-parameter弹出仿真设置窗口，该窗口右侧的SweepType选择Adaptive，起止频率设为与原理图中相同，采样点数限制取10(因为仿真很慢，所以点数不要取得太多)。然后点击Update按钮，将设置填入左侧列表中，点击Simulate按钮开始进行仿真。仿真过程中会出现一个状态窗口显示仿真进程。仿真运算要进行一段时间，仿真结束后将出现数据显示窗口，观察S11和S21曲线，性能有不同程度的恶化。如果版图仿真得到的曲线不满足指标要求，那么要重新回到原理图窗口进行优化仿真，产生这种情况的原因是微带线的宽度取值不合适，可以改变优化变量的初值，也可根据曲线与指标的差别情况适当调整优化目标的参数，重新进行优化，直到版图仿真的结果达到要求为止。四、检索与本课题有关参考文献资料的简要说明[1]张宛路.微波滤波器的综合与设计[D].西安电子科技大学硕士论文.2011.[2][英]RichardJ.Cameron，[加]ChandraM.Kudsia，[加]RaafatR.Mansour.王松林等译.通信系统微波滤波器--基础、设计与应用[M].北京：电子