交叉耦合带通滤波器

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课程设计任务书

注：1.课程设计完成后，学生提交的归档文件应按照：封面—任务书—说明书—图纸的顺序进行装订上交（大张图纸不必装订）

2.可根据实际内容需要续表，但应保持原格式不变。

指导教师签名：日期：

前言 (1)

一、背景知识 (2)

1、滤波器的发展 (2)

2、微波滤波器的应用 (2)

3、交叉耦合滤波器提出与发展 (3)

二、交叉耦合带通滤波器设计原理 (4)

1、交叉耦合滤波器的设计思路 (4)

2、新型耦合开环结构 (5)

3、交叉耦合滤波器的设计 (6)

三、仿真步骤 (9)

1、建立新工程 (9)

2、设置求解类型 (9)

3. 设置模型单位 (10)

4、建立滤波器模型 (10)

5、创建端口 (19)

6、创建Air (20)

7、设置边界条件 (20)

8、为该问题设置求解频率及扫频范围 (22)

9、优化仿真 (23)

10、保存工程 (24)

11、后处理操作 (25)

四、设计总结 (25)

参考文献 (27)

前言

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。

本文正是根据微波滤波器的特性设计一种微带交叉耦合带通滤波器，要求其小型化、频段规则性高、边缘陡峭，可用于小型化天线系统。

摘要：

交叉耦合滤波器具有高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，已被广泛应用于现代微波通信系统中，本文拟采用高品质谐振腔交叉耦合的形式实现该带通滤波器，结构简单紧凑，通带陡度较高，适合小型化设计，性能较高的天线或雷达双工器等电路使用。

关键词：

交叉耦合滤波器、微带线、设计、HFSS

一、背景知识

1、滤波器的发展

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类控制系统中，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。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制、生产和应用等方面已纳入国际发展步伐，但由于缺少专门研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。我国现有滤波器的种类和所覆盖的频率已基本上满足现有各种电信设备。从整体而言，我国有源滤波器发展比无源滤波器缓慢，尚未大量生产和应用。从下面的生产应用比例可以看出我国各类滤波器的应用情况：LC滤波器占50%；晶体滤波器占20%；机械滤波器占15%；陶瓷和声表面滤波器各占1%；其余各类滤波器共占13%。从这些应用比例来看，我国电子产品要想实现大规模集成，滤波器集成化仍然是个重要课题。随着电子工业的发展，对滤波器的性能要求越来越高，功能也越来越多，并且要求它们向集成方向发展。我国滤波器研制和生产与上述要求相差甚远，为缩短这个差距，电子工程和科技人员负有重大的历史责任。

2、微波滤波器的应用

微波滤波器，它的基础是谐振电路，只要能构成谐振的电路组合就可以实现滤波器功能。微波滤波器利用集总参数即各种射频/微波传输线形成的谐振器，理论上滤波器是无耗元件。由于微波的特殊性,微波电路所采用的元件在结构上和普通电路所用的元件是截然不同的。元件结构上的这种差异引起了微波滤波器的特殊性,当然作为滤波器,它和其他滤波器具有许多共性。

微波滤波器的指标形象的描述了微波滤波器的频率响应特性。其指标有：工作频率；擦损带宽；带内纹波；带外抑制；承受功率；插入相移和时延频率特性。微波滤波器搭建起来很简单，但理解起来比较复杂。它们在系统中完成一个基本的

功能：阻止某些信号，通过其它信号。但可以用许多不同的方式实现这种功能，而且有许多不同的副作用，例如系统幅度和相位响应失真等。

现代微波通信系统，特别是在卫星或是移动通信系统中需要高性能的窄带滤波器，要求它们具有低的插入损耗，好的频率选择性以及在通带内的线性相位特性等。现代滤波器一般通过两种结构形式来实现;一种是单通路的直接耦合结构滤波器;另一种是多通路的交叉耦合结构滤波器。在传统的切比雪夫函数基础上衍生出来的广义切比雪夫滤波函数都可以用来综合这两种滤波器。

选择性高、低插入损耗的小型化微波带通滤波器的研制一直受人瞩目。由于其非常好的滤波器特性而被广泛应用于卫星、雷达等微波通信系统中。传统的微带发夹谐振器滤波器的寄生通带都在N*f处（f为通带中心频率，N为1，2，3…），因此在通带和第一寄生通带之间的阻带特性很差。正因如此，它的应用才越来越受到限制，已不能很好的满足现代通信系统的发展要求。现代通信不仅要求高选择性，电路的小型化也至关重要。于是，人们引进了交叉耦合技术来提高滤波器的特性，进而减小其尺寸。交叉耦合滤波器的传输零点在通带附近，而不是在无穷远处，所以可以用更少的谐振器来实现高的截止特性和宽阻带特性。其结构更加紧凑，尺寸也小于传统的滤波器。由于交叉耦合滤波器的高选择性、低插入损耗、宽阻带、高的带外截止特性等，它已被广泛应用于现代微波通信系统中。

3、交叉耦合滤波器提出与发展

交叉耦合多路结构滤波器的思想首先是由美国人J.R.Pierce在1948提出的，在当时的技术条件下，这种思路由于比较复杂在当时并没有广泛地采用。直到1963-1966年，E.C.Johnson和R.M.Kurzrok第一次设计出交叉耦合三腔，四腔谐振器滤波器，利用腔间的交又耦合成功的实现了有限频率衰减极点，他们同时强调只有负的交叉耦合系数才能获得衰减极点，正的耦合系数只会恶化滤波器通带边缘特性。

上世纪60年代后期，卫星通信技术的发展又带动了交叉耦合结构逐步走向成熟，因为通信卫星要求通道滤波器不仅具有更好的平坦时延(自均衡滤波器)特性，而且有更加紧凑的结构，在这些方面交叉耦合结构具有得天独厚的优势。1969以前的设计的滤波器只能侧重于幅度响应或线性相位响应中一项，而1969年