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文檔簡介
1、<p><b> 課程設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p> 2009 — 2010 學(xué)年第 二 學(xué)期</p><p> 計(jì)算機(jī)與通信 學(xué)院(系、部) 通信工程 專業(yè) 班級(jí)</p><p> 課程名稱: 微波技術(shù)與天線
2、 </p><p> 設(shè)計(jì)題目: 微 波 濾 波 器 的 設(shè) 計(jì) </p><p> 完成期限:自 2011 年 6 月 20 日至 2011 年 6 月 26 日共 1 周</p><p>
3、; 指導(dǎo)教師(簽字): 年 月 日</p><p> 系(教研室)主任(簽字): 年 月 日</p><p><b> 微波技術(shù)與天線</b></p><p><b> 課程設(shè)計(jì)說明書<
4、/b></p><p> 起止日期: 2011年 06月20日 至 2011年06月26日</p><p><b> 計(jì)算機(jī)與通信學(xué)院</b></p><p> 2011年 06 月 26 日</p><p><b> 濾波器的種類</b></p><p>
5、以信號(hào)被濾掉的頻率范圍來區(qū)分,可分為低通(Lowpass)、高通(Highpass)、帶通(Bandpass)及帶阻(Bandstop)四種。若以濾波器的頻率響應(yīng)來分,則常見的有巴特渥茲型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)、切比雪夫Ⅱ型(T chebeshev Type-Ⅱ)及橢圓型(Elliptic)等,若按使用元件來分,則可分為有源型及無源型兩類。其中無源型又可分為L-C型(L-C Lu
6、mped)及傳輸線型(Transmission line)。而傳輸線型以其結(jié)構(gòu)不同又可分為平行耦合型(Parallel Coupled)、交叉指型(Interdigital)、梳型(Comb-line)及發(fā)針型(Hairpin-line)等等不同結(jié)構(gòu)。</p><p> 本實(shí)驗(yàn)以較常用的巴特渥茲型(Butter-worth)、切比雪夫I型(Tchebeshev Type-I)為例,說明其設(shè)計(jì)方法。</p&
7、gt;<p> 首先了解Butter-worth及Tchebeshev Type-I低通濾波器的響應(yīng)圖。</p><p> Butterowrth </p><p> Tchebyshev Type</p><p><b> 其中 </b></p><p> rp(dB)——通帶紋波(passba
8、nd ripple), </p><p> N——元件級(jí)數(shù)數(shù)(order of element for lowpass prototype)</p><p> ω——截通比(stopband-to-passband ratio),</p><p> ω= fc / fx (for lowpass)</p><p> = B Wp /
9、BWx (for bandpass)</p><p><b> 其中</b></p><p> fc——-3 dB截止頻率(3 dB cutoff frequency)</p><p> fx——截止頻率(stopband frequency)</p><p> BWp——通帶頻寬(passband bandwi
10、dth)</p><p> BWx——截止頻寬(stopband bandwidth)</p><p> Tn()為柴比雪夫多項(xiàng)式(Tchebyshey polynom als)</p><p><b> 其中</b></p><p><b> ,</b></p><p&
11、gt; 圖4-1(a)(b)即是三級(jí)巴特渥茲型B(3,ω)與三種不同紋波和級(jí)數(shù)的切比雪夫型的截通比響應(yīng)的比較圖。理論上,在通帶內(nèi)巴特渥茲型是無衰減的(Maximun flat),而切比雪夫型較同級(jí)數(shù)的巴特渥茲型有較大的衰減量。實(shí)際應(yīng)用上,除非在通帶內(nèi)要求必須是平坦響應(yīng)(flat response)外,大多允許通帶內(nèi)少量衰減,因而一般采用切比雪夫型以獲得較大的截通效應(yīng)或減少元件級(jí)數(shù)。</p><p> 圖4-1
12、(a)巴特渥茲型與切比雪夫型通帶響應(yīng)比較圖</p><p> 圖4-1(b)巴特渥茲型與切比雪夫型截通帶響應(yīng)比較圖</p><p><b> 其中:</b></p><p> B(3,ω)——三級(jí)巴特渥茲型的衰減響應(yīng)</p><p> T(0.25,3,ω)——紋波為0.25dB 的三級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)<
13、;/p><p> T(0.5,5,ω)——紋波為0.5dB 的五級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)</p><p> T(1,7,ω)——指紋波為1dB 的七級(jí)切比雪夫型的衰減響應(yīng)</p><p> ?。ǘ┑屯V波器設(shè)計(jì)方法:</p><p> ?。ˋ)巴特渥茲型(Butterworth Lowpass Filter)</p><p
14、><b> 步驟一:確定參數(shù)。</b></p><p> 電路阻抗(Impedance):Z0(ohm)</p><p> 截止頻率(Cutoff Frequency):fc(Hz)</p><p> 截通頻率(Stopband Frequency):fc(Hz)</p><p><b> 通帶
15、衰減量</b></p><p><b> 阻帶衰減量</b></p><p> 步驟二:計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Order of elements,N):</p><p> , N取最接近的整數(shù)</p><p> 步驟三:計(jì)算原型元件值(Prototype Element Values,gK):</
16、p><p> 步驟四:先選擇串L并C型或并C串L型,再根據(jù)公式計(jì)算實(shí)際電感電容值:</p><p><b> ?。╝)串L并C型</b></p><p><b> ?。╞)并C串L型</b></p><p> ?。˙)切比雪夫I型(Tchebyshev Type-I Lowpass Filter)&l
17、t;/p><p><b> 步驟一:確定參數(shù)。</b></p><p> 電路阻抗(Impedance): Zo(ohm)</p><p> 截止頻率(Cutoff Frequency): fc(Hz)</p><p> 阻帶頻率(Stopband Frequency): fx(Hz)</p><
18、p> 通帶紋波量(Maximum Ripple at passband): rp(dB)</p><p> 阻帶衰減量(Minimum Attenuation at stopband): Ax(dB)</p><p> 步驟二:計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Order of elements,N).</p><p><b> , 其中 </b&g
19、t;</p><p> N取最接近的奇整數(shù)。</p><p> 采用奇整數(shù)是為了避免切比雪夫低通原型在偶數(shù)級(jí)時(shí),其輸入與輸出阻抗不相等。</p><p> 步驟三:計(jì)算原型元件值(Prototype Element Values,gk):</p><p><b> 其中</b></p><p&
20、gt; 步驟四:先選擇串L并C型或并C串L型,再依據(jù)公式計(jì)算實(shí)際電感電容值。</p><p><b> ?。╝)串L并C型</b></p><p><b> ?。╞)并C串L型</b></p><p> ?。ǘV波器設(shè)計(jì)方法:</p><p><b> 步驟一:確定參數(shù)。<
21、/b></p><p> 電路阻抗(Impedance): Zo(ohm)</p><p> 上通帶頻率(upper passband edge frequency): fPU(Hz)</p><p> 下通帶頻率(lower passband edge frequency): fPL(Hz)</p><p> 上截止頻率(up
22、per stopband edge frequency): fXU(Hz)</p><p> 下截止頻率(lower stopband edge frequency): fXL(Hz)</p><p> 通帶衰減量(Maximum Attenuation at passband): AP(dB)</p><p> 阻帶衰減量(Minimum Attenuati
23、on at stopband): AX(dB)</p><p> 步驟二:計(jì)算元件級(jí)數(shù)(Order of elements,N) 。</p><p><b> 其中 </b></p><p> ?。?)巴特渥茲型(Butter-worth)</p><p> , N取最接近的整 數(shù) .</p><
24、;p> ?。?)切比雪夫I型(Tchebeshev Type)</p><p> ,N取最接近的奇 整 數(shù) </p><p> 步驟三:計(jì)算低通原型元件值(Prototype Element Values,gk)</p><p> 其公式如前所示。并選擇串L并C型或并C串L型,計(jì)算出實(shí)際電容(Cp)、(Ls)值。</p><p>
25、<b> ?。╝)串L并C型</b></p><p><b> ?。╞)并C串L型</b></p><p> 步驟四:計(jì)算帶通原型元件變換值。</p><p> 由低通原型實(shí)際元件值依據(jù)下列變換對(duì)照表計(jì)算出帶通原型實(shí)際元件值,并用帶通原型變換電器取代低通原型電路元件,以完成帶通電路結(jié)構(gòu)。</p><
26、p> 圖4-1(a) N=5 串L并C型低通濾波器電路原型</p><p> 圖4-1(a) N=5并C串L型低通濾波器電路原型</p><p> 圖4-1(c) N=5 串L并C型帶通濾波器電路原型</p><p> 為了描述濾波器的濾波特性,一般常用的是插入衰減隨頻率變化的曲線。插入衰減的定義為</p><p> 式中
27、Pi為濾波器所接信號(hào)源的最大輸出功率,PL為濾波器的負(fù)載吸收功率。</p><p> 微波濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有:工作頻帶的中心頻率、帶寬、通帶內(nèi)允許的最大衰減、阻帶內(nèi)允許的最小衰減、阻帶向通帶過渡時(shí)的陡度和通帶內(nèi)群時(shí)延的變化等。</p><p> 利用四分之一波長傳輸線并聯(lián)電抗元件的濾波器</p><p> 濾波器的結(jié)構(gòu)是:在一特性阻抗為Z0的傳輸線上,每隔
28、/4的距離就并接一個(gè)電抗性元件(它的實(shí)際結(jié)構(gòu)可以是短路支線、膜片或螺釘),設(shè)其阻抗分別為Z1、Z2、Z3、Z4、Z5和Z6,RL是濾波器所接的負(fù)載。 </p><p> 電容加載型同軸諧振腔 </p><p> 電容加載型同軸諧振腔如右圖所示。</p><p><b> 諧振條件:</b></p><p> 滿足
29、諧振條件的C值由右式確定 </p><p> 如果將縫隙電場(chǎng)近似看作均勻分布,</p><p> 則式中C可按平板電容公式計(jì)算</p><p><b> 五、測(cè)量方框圖</b></p><p><b> 六、硬件測(cè)量</b></p><p> 對(duì)于低通濾波器的S11
30、及S21測(cè)量以了解LC型低通濾波器電路的特性;對(duì)于帶通濾波器的S11及S21測(cè)量以了解LC型帶通濾波器電路的特性。</p><p> 測(cè)量同軸腔濾波器的以下參數(shù)</p><p> 上通帶頻率fPU(Hz)</p><p> 下通帶頻率fPL(Hz)</p><p> 上截止頻率fXU(Hz)</p><p>
31、 下截止頻率fXL(Hz)</p><p> 通帶衰減量AP(dB)</p><p> 阻帶衰減量AX(dB)</p><p><b> 測(cè)量步驟:</b></p><p> ?、?將示波器打到X-Y擋,掃頻儀掃瞄輸出接示波器的X輸入作為水平頻率線。</p><p> ?、茖哳l儀射頻輸出接
32、三同軸腔終端電容加載帶通濾波器,中心頻率為1500MHz,濾波器輸出接微波同軸檢波器,然后接到示波器Y軸擋。將掃頻儀掃瞄帶寬打到200MHz,帶通濾波器帶寬為20MHz,用掃頻儀Maker頻標(biāo)觀查測(cè)量上截止頻率,下截止頻率fXL(Hz),下通帶頻率fPL(Hz)</p><p> 阻帶衰減量AX(dB)等。</p><p> ?、?可用起子同時(shí)調(diào)節(jié)三同軸腔終端電容加載帶通濾波器的中心頻率
33、和通頻帶。</p><p> ?、韧◣p量AP(dB)的測(cè)量,去掉待測(cè)三同軸腔終端電容加載帶通濾波器,直接將掃頻儀輸出接微波同軸檢波器,到示波器觀查前后兩種情況下的電平差別,再調(diào)節(jié)掃頻儀輸出使兩種情況示波器指示相同,記下兩次的電平差,可測(cè)出帶內(nèi)查損。</p><p> ?、善渌笜?biāo)測(cè)量方法同前。</p><p> 實(shí)驗(yàn)記錄表8-1、8-2、8-3、8-4均為以下
34、此表;</p><p> 5、硬件測(cè)量的結(jié)果建議如下為合格:</p><p> RF2KM6-1A MOD-6A(DC-50MHZ) S11≤-20dB</p><p> S21≥-1.5DB @≤50MHZ</p><p> MOD-6B(PASSBAND) S11≤10dB @210MHZ</p><p>
35、 (PASSBAND)Record Fpl S21=-3.0dB</p><p> Record Fph S21=-3.0dB</p><p> (STOPBAND)Record Fxl Attn.=-18dB</p><p> Fxh Attn.=-18dB</p><p> 七、軟件仿真:(利用RFSim99軟件)</p&
36、gt;<p> 這里以實(shí)例分析為例,先通過理論公式計(jì)算出各個(gè)元件值。</p><p> 然后進(jìn)入微波軟件RFSim99軟件,在原理圖上設(shè)計(jì)好相應(yīng)的電路,設(shè)置好端口,完成頻率設(shè)置、尺寸規(guī)范、器件的加載、仿真圖型等等的設(shè)置。</p><p> 最后進(jìn)行仿真,結(jié)果應(yīng)接近實(shí)際測(cè)量所得到的仿真圖形。</p><p> 如果不符合要求,再調(diào)試,直到達(dá)到要求
37、為止。</p><p> 電路圖如前面圖圖4-1(a)(N=5并C串L型低通濾波器電路原型)</p><p><b> 設(shè)計(jì)總結(jié):</b></p><p> 設(shè)計(jì)了一種耦合帶通濾波器,分析了該帶通濾波器的工作原理,并給出了耦合環(huán)結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)參數(shù)與耦合系數(shù)的對(duì)應(yīng)曲線,便于工程設(shè)計(jì)。通過對(duì)耦合結(jié)構(gòu)的改變,使濾波器尺寸減小為毫米量級(jí),能夠較好地應(yīng)
38、用于微波波段。利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的微波濾波器具有小型化和高Q值的特點(diǎn),能更好地適應(yīng)工程需要。</p><p><b> 心得體會(huì)</b></p><p> 通過本次課程設(shè)計(jì),我收獲勝多!</p><p> 剛開始接到課題時(shí),由于是組長,我在早幾天前就開始參考我們的教材和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書,把課程設(shè)計(jì)中一些相關(guān)的原理基本上弄懂了。等到實(shí)驗(yàn)室以后,我就給
39、組員分配好了任務(wù)。剛開始的時(shí)候,我們都很迷茫,知道要做什么,但卻不知道該從何動(dòng)手,不過后來經(jīng)過深入的研究和了解,最終我們還是完成了濾波器的設(shè)計(jì)。由于實(shí)驗(yàn)箱上只有帶通濾波器,所以在條件有限的情況下,我們只測(cè)試了帶通濾波的各種性能,不過與帶通濾波器類似的其他濾波器的設(shè)計(jì)應(yīng)該也是相似的。</p><p> 通過本次課程設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí),我加深了對(duì)微波技術(shù)與天線理論知識(shí)的理解,提高了手動(dòng)能力和團(tuán)隊(duì)合作能力。在濾波器的設(shè)計(jì)中,
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