高低通级联超宽带带通滤波器的设计

摘要

随着移动智能终端的快速发展，用户对无线通信带宽的要求越来越高，超宽带(UWB)技术成为解决此矛盾的主要技术之一。超宽带滤波器在此背景下应运而生，微波滤波器性能的好坏往往直接影响到整个无线通信系统的质量。本文针对超宽带滤波器的设计而展开，设计了两款高低通级联超宽带滤波器。

本文首先对微波滤波器设计的基本理论进行分析，以及滤波器的技术指标。本文依据高低通级联超宽带带通滤波器的特性，采用微带多谐振荡器设计了两种多谐振荡器实现微波高低通级联的超宽带滤波器，并给出了滤波器设计的结构参数和材料属性。借助仿真软件HFSS对两种高低通级联超宽带滤波器进行仿真，通过对仿真结果中正向传输系数S21和回波损耗S11进行了分析，结果表明由开槽谐振子组成的滤波器和由一对谐振子组成滤波器可使高频段或低频段的微波信号通过滤波器，且通带频段较宽实现高低通级联超宽带滤波。

关键字：超宽带(UWB)技术；微波滤波器；超宽带滤波器

Abstract

With the rapid development of mobile intelligent terminal, the demand of wireless communication bandwidth demand has been increasing, Ultra-wideband (UWB) technology to become one of the key technologies to resolve this contradiction. Ultra-wideband filter in this context came into being, the performance of microwave filter will often directly affect the quality of the wireless communication system.This thesisdesigned for two high-low pass cascade ultra-widebandfilter.

The thesis firstly analyzed the basic theory of microwave filter, and technical specifications of the filter. Based on thecharacteristics ofhigh and low pass cascaded ultra-wideband bandpass filter, microstrip multivibrator designed two multivibrator realize microwave high and low pass filter cascade of ultra-wideband, and gives structural parameters and material propertiesof the filters.With simulation software HFSS for both high and low pass filter cascade ultra-wideband simulation, the simulation results of the forward transmission coefficient S21 and return Loss S11 were analyzed, the results show that the filter consists of slotted resonator and composed by a composition of the resonator filter allows high frequency or low frequency microwave signal through the filter, and Achieve a wider passband band cascade ultra-wideband filter.

Key words：Ultra-wideband technology, microwave filter, ultra-wideband filter

目录

第一章绪论 ................................................................................................................................... 1 第一节研究背景及意义 .................................................................................................................. 1 第二节研究现状 .............................................................................................................................. 2 第三节论文的主要工作及结构安排 .............................................................................................. 6 第二章滤波器设计的基本原理 ..................................................................................................... 8 第一节微波滤波器基本理论 .......................................................................................................... 8 第二节滤波器的技术指标 .............................................................................................................. 9

2.2.1 通带频段 ................................................................................................................. 9

2.2.2 插入损耗 ................................................................................................................. 9 2.2.3 带外抑制 ............................................................................................................... 10 2.2.4 端口驻波比 ........................................................................................................... 10 2.2.5 其他指标 ............................................................................................................... 10

第三节本章小结 ............................................................................................................................ 11 第三章高低通级联超宽带滤波器的设计 .................................................................................... 12 第一节超宽带滤波器的设计方法 ................................................................................................ 12 第二节基于开槽多模谐振器设计的超宽带滤波器 .................................................................... 13 第三节基于一对多模谐振器设计的超宽带滤波器 .................................................................... 15 第四节本章小结 ............................................................................................................................ 16 第四章超宽带滤波器的仿真与分析 ........................................................................................... 17 第一节 HFSS简介 ....................................................................................................................... 17 第二节基于开槽多模谐振器的滤波器仿真与分析 .................................................................... 17 第三节基于一对多模谐振器的滤波器仿真与分析 .................................................................... 19 第四节本章小结 ............................................................................................................................ 21 结论 ............................................................................................................................................. 22 致谢 ............................................................................................................................................. 23 参考文献 ..................................................................................................................................... 24

第一章绪论

第一节研究背景及意义

随着移动智能终端的快速发展，用户对无线通信带宽的要求越来越高，超宽带(UWB)技术成为解决此矛盾的主要技术之一，因此越来越多研究学者对其进行研究。超宽带以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干扰能力强等优点，具有非常广泛的应用前景和相当巨大的市场价值。虽然美国军方以及航空界对于开放超宽带频段民用仍然存在着意见分歧，但是由于超宽带技术潜在的诱人的应用前景，美国联邦通讯委员会(FCC)于2002年2月批准了超宽带技术在短距离无线通信领域的应用[1]。这为超宽带技术产品的商业化应用打开了大门，促进了超宽带系统及其器件研究的进展。由于超宽带技术可适用的领域十分广泛，为了便于管理，FCC将超宽带系统分为3类：(1)成像系统，包括地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统和医疗成像系统；(2)车载雷达系统；(3)室内超宽带系统。对于不同的通信系统，FCC都划分了不同的使用频带范围。当前，各大研究机构最为关注的是室内超宽带系统的商业价值。根据FCC的规定，室内超宽带通信系统[2]使用的频带范围是3.1GHz~10.6GHz。

随着科学技术的发展，现代移动通信基站及移动通信终端都正在朝着小型化，集成化的方向发展，越来越多的通信系统和功能都集成在一种通信设备或终端上，例如，现在的手机中不仅可以同时支持GSM和CDMA通信制式，而且兼容GPS和WLAN等其他通信制式。而随着无线通信系统的不断增多的同时，频率资源也日渐紧张，如何合理的利用频率资源，在朝着更高频段发展的同时兼容好现阶段的各种通信频段资源的通信系统是无线通信发展的一个关键。多通带和超宽带滤波器在此背景下应运而生，它可以根据通信系统要求同时工作于两个或多个所需频段，在兼容现有通信频段的同时，滤除掉其他频段的干扰信号。其中，微带谐振结果非常适合于制作通信频段的高低通级联超宽带滤波器，因为从综合应用和集成化的角度出发，微带谐振结果非常紧凑，并且易于与基站中的射频前端结合，便于应用。基于微带谐振结果，DGS、SIR等结构和一些新的结构也随之广泛的应用于多通带和超宽带滤波器设计中。基于微带谐振结果的高低通级联超宽带滤

1