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微波滤波器设计

系别：信息与通信工程系专业：通信工程
姓名：程斌指导教师：杨曙辉

【摘要】微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它是一种对频率具有选择性的二端口网络，用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。本设计的目标是掌握微波带通滤波器的基本设计方法，并设计出1.2G~2.0Ghz微波带通滤波器。

【关键词】微波带通滤波器微波谐振器导纳变换器AnsoftDesigner

1.引言
微波滤波器是微波系统中重要元件之一，它用来分离或者组合各种不同频率信号的重要元件。在微波中继通信、卫信通信、雷达技术、电子对抗及微波测量中，具有广泛的应用。
众所周知，滤波器的设计在低频电路中是用集总参数元件（电感L和电容C）构成的谐振回路来实现。但当频率高达300Mhz以上时，低频下的集总参数的LC谐振回路已不再适用了。这一方面由于当回路的线性尺寸和电磁波的波长可以比拟时，辐射相当显著，谐振回路的品质因数大大下降，因而必须采用分布参数的微波滤波器。
任何一个微波系统都是由各种各样的微波器件、有源电路和传输线等组成的。微波元件种类很多。按传输线类型可分为波导式、同轴式和微带式等；按功能可分为连接元件、终端元件、匹配元件、衰减元件、相移元件、分路元件、波型变换元件、滤波元件等；按变换性质可分为互易元件、非互易元件和非线性元件等。
滤波器种类很多。按作用分有低通、高通、带通、带阻滤波器；按插入衰减频率特性的响应有最大平坦式、切比雪夫式和椭圆函数式滤波器等；按传输线类型分有波导型、同轴型、带状型和微带型滤波器；按工作方式分有反射式、接收式等；按应用分类有可调、固定调谐；按加载方式有单终端、双终端等；按带宽分有窄带、中带和宽带滤波器等等，还有许多种按设计方法的分类。
常见滤波器分为以下几类：
1）直接耦合或1/4波长耦合谐振器滤波器
这是一种端耦合滤波器，它应用于同轴线、带状线、波导各种形式他的设计方法有基于集总元件低通原型和基于阶梯阻抗变换器原型。前者适用于相对带宽较小和中等通带波纹的窄带带通滤波器的设计，后者适用于相对带宽较大和较小通带波纹的宽带带通滤波器的设计。
2）平行耦合式带通滤波器
这是边耦合滤波器，它有开路耦合线和短路耦合线两种对偶形式。可用于窄带或者宽带都行，但阻带特性不是很好，会出现寄生通带。
3）交指型带通滤波器
这种滤波器结构紧凑，性能优良，适用于各种带宽的结构和设计方法。它由终端短路和终端开路两种形式，前者适用于窄带，后者适用于宽带。
4）梳状线带通滤波器
这是一种更为紧凑的滤波器，谐振器长度取决于加载电容的大小，衰减特性不对称，主要适用窄带设计。
5）带阻滤波器
波导型带阻滤波器只适用于窄带。TEM带阻滤波器适用于各种带宽的的优良结构而且设计方法简单准确。
6）椭圆函数型滤波器
椭圆函数型响应是最好的，通带阻带均为等波纹，且陡度大。由于它的阻带衰减极点可以控制，常用来做谐波抑制器。

2．微波谐振器和转量变换器
从低频带通滤波器电路中，我们很容易看出：带通滤波器由两个基本结构组成——串联谐振器和并联谐振器。当设计微波带通滤波器的时候，用一般方法我们很难在工艺上实现它，因此得采用转量变换器。
2．1微波谐振器
2．1．1传输线
传输线理论又称为一维分布参数电路理论，是微波电路设计和计算的理论基础。传输线理论在电路理论与场的理论之间起着桥梁作用，在微波网络分析中相当的重要。
由传输线上的电压和电流决定的传输线阻抗是分布参数阻抗，即微波阻抗是分布参数阻抗，而低频阻抗是集总参数阻抗。微波阻抗是与导行系统上导波的反射或驻波特性密切相关的，不能直接测量，学要借助于反射参量或者驻波参量的直接测量而间接测量。
1）特性阻抗Z0
传输线上行波的电压与电流之比定义为传输线的特性阻抗，用Z0表示，其倒数为传输线的特性导纳，用Y0表示。
2）传播常数
传播常数是描述导行波沿导行系统传播过程中的衰减和相位变化的参量，通常为复数：γ=α+βj。其中，α为衰减常数，β为相位常数。
3）分布参数阻抗
根据电磁场理论，传输线上任一点d的阻抗Zin(d)定义为该点的电压与电流之比。传输线任一点d的阻抗与该点的位置d和负载阻抗ZL有关，d点的阻抗可看成由d处向负载看去的输入阻抗。传输线阻抗随位置而变，分布于沿线各点，且与负载有关，是一种分布参数阻抗。

2．1．2谐振器
滤波器是由耦合结构和谐振电路组成。在微波领域中，谐振电路可以用合适的谐振腔来实现，它具有动态储能、频率选择的作用。微波谐振器是一种电磁振荡系统，实质上是其中的电、磁能量相互交替转化。在谐振角频率上，腔中的电场能量的振幅恰恰等于磁场能量的振幅，在理想（无耗）的情况下，不需要外界的影响，二者相互交替变化，在时间上无穷尽地进