无线通信中带通滤波器的分析与设计

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对于无线通信电路来说,滤波器是一种关键的射频器件。滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用以及在高性能的振荡、放大、倍频、混频电路中,都需要滤波器来实现,有效的宽频带阻抗匹配网络和耦合结构也要使用滤波器结构。另外,为了抑制外部信号以及混频器、振荡器等器件产生的高次谐波,提高接收机的灵敏度,还要求滤波器具有良好的带外抑制能力。论文首先针对平行耦合带通滤波器的传统设计中出现的中心频率偏移和带宽变化的问题进行了分析,然后应用一种基于牛顿迭代算法的逐次线性逼近方法,对传统设计方法进行改善,使偏移的中心频率和带宽迅速向设计指标收敛,得到理想的工程设计参数和满足性能指标的设计结果.同时,为了提高设计效率,在MATLAB中设计了计算奇模和偶模特征阻抗以及迭代算法的程序。本文引用了一种通过线性调整初始设计指标来达到预期设计结果的逐次线性逼近方法,与传统设计方法和设计软件从滤波器尺寸角度来调整设计结果相比,这种方法能够更快的实现预期性能指标。然后分别设计了工作在X波段和S波段的高性能带通滤波器,在用传统的设计方法进行初始设计和ADS2008 (Advanced Design Systerm)软件优化以后,引入逐次线性逼近方法进行优化,都使预期性能指标得到了满足。同时,收敛速度比较图对这种逐次线性逼近方法的收敛速度做了直观的说明。可以看出,使用逐次线性逼近方法能更快的实现性能指标,体现了这种改进方法的正确性、有效性和可行性。最后对这种算法的收敛性做了说明。论文的第二部分首先对SIR(stepped impedance resinator阶跃阻抗谐振器)结构特性进行了分析和讨论,分析了各阶杂散谐振频率与阻抗比的关系。接下来分别设计了相同阻抗比和不同阻抗比结构的半波长SIR带状线平行耦合带通滤波器,通过控制SIR的阻抗比,控制各阶谐波通带的中心频率位置,使第一次杂散响应都在2.5f0以上,间接实现抑制谐波的目的。这部分重点对由不同阻抗比组合而成的SIR-BPF进行了理论分析和探讨,概括了阻抗比选取应该遵循的原则,然后总结了一个约束方程。接下来对探讨的设计理论进行了实例验证,在电路仿真时,为了减小滤波器的体积,兼顾小型化,所有组成滤波器的单元谐振器都采用了紧凑的发夹形结构,然后利用ADS2008对设计实例进行了仿真和优化。仿真结果实现了预期性能指标,验证了设计方法的正确性。对两种结构的SIR-BPF版图做了momentum电磁仿真,为实物的制作提供了可行性。最后对两种结构SIR-BPF的性能了比较,可以看出,虽然二者都使第一次谐波出现在位置在2.5f0以后,但是相同阻抗比结构的带内特性要好一些,各次谐波出现的位置离基本响应要稍远一些,不同阻抗比结构的SIR-BPF对谐波的抑制程度要大一些。
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