分形贴片滤波器设计毕业.doc
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1、毕业设计(论文)诚信声明书 本人声明:本人所提交的毕业论文 分形贴片滤波器设计 是本人在指导教师指导下独立研究、写作的成果,论文中所引用他人的无论以何种方式发布的文字、研究成果,均在论文中加以说明;有关教师、同学和其他人员对本文的写作、修订提出过并为我在论文中加以采纳的意见、建议,均已在我的致谢辞中加以说明并深致谢意。本论文和资料若有不实之处,本人承担一切相关责任。 论文作者: (签字) 时间: 年 月 日指导教师已阅: (签字) 时间: 年 月 日西 安 电 子 科 技 大 学毕业设计(论文)任务书 学生姓名 郑晓 学号 04105126 指导教师 肖建康 职称 副教授 学院 机电工程学院
2、专业 测控技术与仪器 题目名称 分形贴片滤波器设计 任务与要求射频前端是全球移动通信系统(GSM)、全球定位系统(GPS)等现代通信系统的关键部分之一,这些部件都离不开射频滤波器。射频前端的滤波器包括发送滤波器和接受滤波器,与天线一起完成信号收发任务。分形(Fractal)被称为20世纪70年代科学史上的三大发现之一,其基本特性是自相似性和标度不变性。自相似性是指分形部分和其主体结构有着相似的形状;标度不变性也称为空间填充性,是指在有限区域内,分形部分随着阶数的增加而不增加所占区间,这种特性使得分形能够在很小的体积内充分的利用空间, 也是实现微波电路小型化设计的一个关键原因。本课题研究并设计满
3、足IEEE802.11标准,并具有高频率选择性的平面贴片滤波器。通过引入分形技术,达到提高滤波器性能,减小滤波器尺寸的目标。要求掌握贴片滤波器的基本原理、相关性能指标和设计方法,详细分析各尺寸参数对S曲线特性的影响,用分形贴片谐振器设计小型化高性能的射频滤波器。 开始日期 2014-1-10 完成日期 2014-6-1 院长(签字) 年 月 日西 安 电 子 科 技 大 学毕业设计(论文)工作计划学生姓名 郑晓 学号 04105126 指导教师 肖建康 职称 副教授 学院 机电工程学院 专业 测控技术与仪器 题目名称 分形贴片滤波器器设计 一、毕业设计(论文)进度起 止 时 间 工 作 内 容
4、2014.1-2014.2 查找资料,学习基本概念2014.3-2014.4 理论研究, 熟悉设计软件,设计2014年5月 撰写毕业论文,修改论文2014年6月 论文定稿,答辩 二、主要参考书目(资料)1 邓哲,程崇虎,朱洪波,一种多模微带方形贴片带通滤波器的设计, 微波学报, 第22卷,第6期,55-58,2006.2 Jian-Gang Liang, Wen-Ling Chen, Guang-Ming Wang, Harmonics suppression microstrip diplexer for 3G wireless communication system using frac
5、tal-shaped geometry, Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 49, No. 12, 2973-2975, 2007.3 Jian-Kang Xiao, Yu-Feng Zhu, Jeffrey S. Fu, DGS LPF with Ultra-wide Stopband, Microwaves & RF Magazine。4 K. Siakavara, Novel microwave microstrip filters using photonic bandgap ground plane with fractal
6、 periodic pattern, Microwave and Optical Technology Letters, Vol. 43, No. 4, 273-276, 2004.还有中国期刊网和优秀硕士论文数据库中相关文献。 三、主要仪器设备及材料微带板,矢量网络分析仪,烙铁,焊锡,SMA接头 四、教师的指导安排情况(场地安排、指导方式等)指导方式:现场指导和电子邮件指导结合,每周指导2小时。场地:老校区教师办公室、新校区教室 五、对计划的说明西 安 电 子 科 技 大 学毕业设计(论文)中期检查表 学 院机电工程学院专 业测控技术与仪器学生姓名郑晓学 号04105126班 级041052
7、导师姓名肖建康职 称副教授单 位机电院题目名称 分形贴片滤波器设计检 查 内 容检 查 结 果题目是否更换及更换原因学生出勤情况进度评价(完成总工作量的百分比)质量评价、进度描述总体评价(按优、良、中、及格、不及格五挡评价)存在的问题与建议学院审核(盖章)毕业设计(论文)成绩登记表学 院机电工程学院专 业测控技术与仪器姓 名郑晓学号04105126成 绩题目名称分形贴片滤波器设计指导教师肖建康职 称副教授指导教师评语及对成绩的评定意见签名 年 月 日评阅人评语及成绩评定意见 签名 年 月 日答辩小组意见签名 年 月 日学院答辩委会意摘 要见答辩委员会主任签名 (学院盖章) 年 月 日摘 要摘
8、要分形微波无源电路在小型电路实现良好的性能有很好的前景。在这篇论文中,分别对分形等腰直角三角形贴片滤波器、分形等边三角形滤波器、分形正方形滤波器进行了分析,新的单频和双频射频滤波器采用等腰直角三角形分形贴片谐振器模式提出。它表明,该直角三角形谐振器可以在一个分形的协助下被小型化,且滤波器的性能有很大的提高,正方形也是如此。同时,谐振器的高阶模共振强化,降低双频带通滤波器的设计难度。两个拟议的分形带通滤波器行不通的,他们的表现是通过测量各不相同。该提出的滤波器证明直角三角形、正方形贴片谐振器在一个简单的结构拓扑和紧凑性应用方面展现出的优势,这是在射频电路设计必不可少的。关键词: 滤波器 分形结构
9、 等腰三角形 小型化ABSTRACTFractal microwave passive circuit has good prospects to achieve good performance in a small circuit . In this paper, an isosceles right triangle patch fractal resonator、 Equilateral triangle fractal filters、 square fractal filter resonators were analyzed , new single-and dual-frequ
10、ency frequency RF filters using isosceles triangle fractal resonator mode patch is made. It shows that the triangle resonator can be miniaturized with a fractal assistance, so do square,and filter performance has been greatly improved. Meanwhile, the higher-order mode resonator resonance enhanced, a
11、nd reduced design complexity in dual-band-pass filter. Two proposed fractal bandbass filter will not work, their performance is determined by measuring difference. The proposed filter is proved the applications of right triangle patch resonator and exhibit advantages of a simple structural topology
12、and compactness, which are essential in RF circuit design.Keywords: filter Fractal structure Isosceles triangle Miniaturization目 录i目 录第一章 绪 论11.1研究背景11.2发展历史及趋势11.3 分形的概念3第二章 微带滤波器理论基础52.1前言52.2微带线52.2.1微带传输线的构成52.2.2微带线的特性阻抗62.2.3微带线的制造工艺92.2.4微带线的特点92.3 滤波器的概念与分类102.3.1滤波器的基本概念及原理102.3.2滤波器的分类14第三
13、章 分形贴片三角形滤波器的理论基础193.1前言193.1.1工作步骤与指标193.1.2滤波器指标的确定193.2贴片谐振器213.2.1常见谐振器213.2.2分形贴片三角形滤波器22第四章 分形贴片等腰三角形滤波器的设计与仿真244.1 3.8G分形贴片滤波器的设计244.1.1 滤波器的原理与结构244.1.2仿真过程264.1.3结果与指标分析274.2 5.3G分形贴片滤波器的设计284.2.1滤波器器原理与结构284.2.2仿真过程294.2.3结果与指标分析304.2.4 小结324.3 4G滤波器设计324.3.1 滤波器原理与结构324.3.2仿真过程334.3.3结果和指
14、标分析34第五章 分形贴片正方形滤波器的设计与仿真365.1滤波器的原理与结构365.2仿真过程375.3结果与指标分析38第六章 分形贴片等边三角形滤波器仿真与设计406.1电路原理与结构406.2仿真过程406.3 结果与指标分析41第七章 总结与展望43致 谢45参考文献47参考文献51第一章 绪 论1.1研究背景随着无线通信的迅猛发展1,频率资源的日益紧张,作为分离有用和无用信号的微波滤波器成为通信系统中的重要部件,其性能的优劣直接影响整个通信系统的质量。现在,微波滤波器已被广泛应用于微波、毫米波通信、微波导航、制导、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗等多种领域,并对微波滤波器的要求也
15、越来越高。高阻带抑制、低通带插损、宽频带、高功率、寄生通带远和带内平坦群时延等成为用户的主要技术指标要求。同时,体积、成本、设计速度也是用户极为关心的话题。因为大部分通信系统收发链路共用一根天线,对双工器乃至多工器的研究需求也越来越迫切。这就促使微波设计师们不断研究和发展微波滤波器的设计技术。图1.1为一种滤波器在生产生活中的运用。图1.1高温超导滤波器在生活中的运用1.2发展历史及趋势在1937年,由WPMason和RASykes发表的文章中首先研究了微波滤波器,他们是利用了ABCD参数推导出了大量有用滤波器相位和衰减函数。应用映像参数方法当时主要在美国各大实验室中。在随后的微波滤波器理论的
16、研究和发展过程中,许多专家和学者作出了重大的贡献。Cohn2在集总元件低通滤波器原型机的基础上第一个提出了方便实用的直接耦合空腔滤波器理论。上世纪60年代,GLMatthaei3在其专著中对微波滤波器的经典设计方法作出了较全面、系统的介绍,但主要针对最平坦型和契比雪夫型,未涉及椭圆函数型和广义契比雪夫型。Levy4在前人的基础给出了集总和分布原型间的关系。并且给出了相应的公式;随着社会科学发展的需求,Rhodes4第一个提出了关于滤波器线性相位的概念。伟大的科学家Cohn5又把计算机科学引进到了滤波器设计中,使设计的速度与精度都获得了前所未有的提高;Orchard6给出了用迭代分析法来设计滤波
17、器的理论;Cameron7和Atia8给出了用矩阵的方法来综合设计滤波器的理论。七十年代,我国著名的微波专家甘本祓、吴万春9、李嗣澍10等老一辈科学家也在国外研究设计的基础上对滤波器的设计做出了进一步的提高。为我国现今滤波器的研究与发展打下了坚实的基础。德国MiCIAN公司,在模式匹配法方面做出了卓越的贡献,模式匹配法11-12是设计滤波器至今最精确的方法。Peter WKraub和JanMReiter还开发出了基于模式匹配法开发了电磁场综合和优化CAD软件WaveWizard13。能快速精确的对滤波器进行模拟优化。国外在上世纪80年代,已经开始对广义切比雪夫滤波器做出了相关研究14。但是在上
18、世纪80年代到90年代初研究的对象,主要还是关于传输零点的数目小于或者等于N-2(N为广义切比雪夫滤波函数的阶数)的广义切比雪夫滤波器的综合设计,甚至N维耦合矩阵的综合。上世纪80年代初期,开始了对于以实数传输零点来分析和综合广义切比雪夫滤波函数低通原型元件值的综合为研究15Error! Reference source not found.的研究。对于对称传输零点网络和其矩阵的综合,AEATIA,凡EWILLAMS和RWNEWCOMB采用综合其偶模网络和对应偶模矩阵的方法8-17。Mahmoud E1 Sabbagh、MingYu等人在本世纪初用全波分析法在同轴腔结构中,实现了对称传输零点的
19、广义切比雪夫滤波函数滤波器的设计18。2003年,RichardJCameron研究了传输零点的数目等于广义切比雪夫函数滤波器的阶数,RichardJCameron把耦合矩阵的维数,由N维扩展到了N+2维。近年来,随着军事、科研、通信的发展,市场对微波滤波器在性能方面的需求不断地提升。而在微波滤波器的研究方面又有了新的突破。一些学者相继提出了滤波器的综合方法,并将这些方法应用于滤波器的工程设计,取得了良好的效果。对于两个相同的谐振腔,既有电耦合,也有磁耦合,其非对称同步调谐耦合模型如图1.2所示: 图1.2腔体耦合电路模型1.3 分形的概念分形在英文中为fractal,此词源于拉丁文形容词fr
20、actus,对应的拉丁文动词是frangere(破碎、产生无规则碎片)。此外,它与英文中的fraction(碎片、分数)及fragment(碎片)具有相同的词根。因此,Mandelbrot取拉丁文之头,撷英文之尾所合成的fractal,本意是不规则的、破碎的、分数的。Mandelbrot是想用此词来描述自然界中传统Euclid几何学所不能描述的一大类复杂无规则的集合现象,例如,蜿蜒曲折的海岸线、起伏不定的山脉、粗糙不堪的断面、变化无常的浮云。它们的共同特点是:机器不规则或极其不光滑。直观而粗略的地说,这些对象都是分形。分形作为几何对象,与普通的Euclid几何有明显的的区别:1.Euclid图
21、形是规则的,而分形是不规则的。2.Euclid图形的层次是有限的,而分形从数学角度上讲层次是无限的。3.Euclid图形一般不会从局部得到整体的信息,因为它们不强调局部与整体的关系,而分形强调自相似性,自相似性就是局部与整体的相似性,局部中又有相似的局部,每一小局部中并不比整体所包含的少,不断重复,无穷嵌套,形成了奇妙的分形图案。特别要指出的是,这里的相似性不仅包括严格的几何相似性,而且也包括通过大量的统计而呈现出的自相似性。4.Euclid图形越复杂,其背后的也必定越复杂,而对于分形图形,虽表面上看去非常复杂,但其背后的规则却有可能是相当简单的。5.Euclid图形基于特征长度与比例,而分形
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