发布时间 : 星期六 文章新型超宽带sirs低通滤波器的设计学位毕业论文更新完毕开始阅读
合肥师范学院2013届本科论文（设计）
一 绪 论
1.1 研究背景与意义
电信发展期间，在电路中滤波器一直都是比较重要的角色。随着通信技术的高速发展，滤波器取得了不断地进展。1910年，载波电话系统出现了，它是一种新颖的多路通信系统，它的出现引起了一场电信领域的彻底的技术革命，从而开创了电信的新纪元。发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术是新的通信系统要求，然而滤波器技术的研究和发展却由于这种技术的发展而被进一步的加速了。
在1915年，美国G.A.Canbell发明了一种后来以图像参数法而知名的设计方法，与此同时，一个以“瓦格纳滤波器”闻名于世的滤波器设计方法由德国科学家K.W.Wagner所开创。后来，包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法又出现了。确定符合特性要求的传递函数是他的第一步，由先前的传递函数所估定的频率响应来合成电路是它的第二步。这种方法的产生的作用和效率是非常不错的，并且这种早期的设计方法就是现在也被很多滤波器设计技术所采用。
原先滤波器设计的发展领域是集总元件LC谐振器，后来扩展到了分布元件同轴谐振器和波导谐振器的新领域。在滤波器发展早期，滤波器的设计主要集中在以电感电容组合为主的无源电路上。为后一种线性谐振器系统，许多早期的研究人员认为基于非集总/分布元件电路物理原理的谐振器系统也能达到滤波性能。
从上面可以看出，滤波器的发展以及滤波器设计方法的发展已经有了非常久的历史。在电信领域和一些其它电子设备中，滤波器已经成为了一种不能缺少的的器件。由于滤波器的种类是非常多的，因此作为一个设计者来说，琢磨根据特定的用途去选用相应的合适的滤波器是比较重要的。
我们知道根据不同的方面，滤波器有多种分类方法。但根据滤波器的频率响应去分类，滤波器可分为以下四种基本的类型：低通滤波器（LPF)，高通滤波器（HPF)，带通滤波器（BPF)和带阻滤波器（BEF)。在这些滤波器中，有关低通滤波器的设计方法是很基础，许多指导书讲述了如何从LPF原型设计通过适当的频率转换实现HPF、BPF和BEF的技术。
1.2 应用于无线通信中的谐振器和滤波器的分类
无线通信的主要频带范围是非常宽的，从几十赫兹到几十吉赫兹，因此有相当多种类的谐振器能在这些频带中使用。我们知道每一种谐振器都有自己的优点和缺点，因此我们要根据滤波器的实际应用和目的来选择不同类型的滤波器。采用体波和声表面波谐振器或滤波器可以满足微型化和低损的要求，而采用螺旋管谐振器或滤波器可以满足大功率的要
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求。此外，因为体波和声表面波谐振器具有非常好的温度特性，所以它适用于窄带滤波器。
各种谐振器包括同轴的谐振器、介电的谐振器、波导的谐振器以及带状线谐振器在射频到微波频段范围内均可使用。介电谐振器有许多很好的特点，如低损耗和可接受的温度稳定性和小尺寸等特点，然而，由于受到较高的成本和现在的加工技术的限制，从而使得它的使用范围在50GHz以下。虽然同轴谐振器具有包括电磁屏蔽、低损耗特性和小尺寸等非常好的特点，但是要想在10GHz以上的范围内使用，就会因为它的物理尺寸很微小，而使得制作精度很难达到。目前，在射频和微波电路中最常用的是带状线谐振器。由于带状线谐振器具有小的尺寸、通过光刻术易于加工、与其它有源电路元件的易于兼容等特点，许多电路使用此类谐振器。它的另一大优势是通过采用不同的材料而在很大的频率范围内得以应用。
1.3 传输线谐振器和阶跃阻抗谐振器（SIR）
微带线、带状线和共平面线谐振器的最大特点是易于与有源电路相集成，因为它们是通过光刻在介电衬底上的金属化薄膜来制作的。
对于传输线谐振器而言没有必要保持均匀的特性阻抗，同时谐振电路性能能通过非均匀阻抗谐振器（阶跃阻抗谐振器即SIR）来实现。虽然SIR的结构已被大家所广泛理解，但很少见到它应用于滤波器和谐振器。虽然使用不足的原因很多，但一个最重要的原因是现时对SIR的技术重要性还没有得到足够重视。另一个原因是设计方便性，工程师们认为完成UIR的电性能估算比SIR更现实。现在，在射频和微波领域针对每一种不同应用对谐振器的不同要求选择合适的谐振器成为必须。另外，设计过程中的CAD工具的使用已经普及，使得数据分析和优化计算的时间明显减少。根据这些，我们相信，将来实际应用将从各种传输线谐振器中选出最为适用者，而拥有先进结构的SIR谐振器成为首选。
SIR的典型特征大概有以下几点:a、结构和设计上有很大自由度；b、是包括UIR的传输电谐振器一般概念的推演；c、是采用先进传输线结构和合成材料的非均匀阻抗谐振器扩展概念的发展。
1.4 本文的工作
阶跃阻抗谐振器（SIR）具有很多典型的特征：结构和设计上有很大的自由度，通过采用不同类型的传输线或介电材料而使其有很大的频率应用范围等等。但由于介电常数和板材厚度以及滤波器尺寸对设计精度要求很高，很难在实际中应用。本文研究新型宽带阶跃阻抗谐振器的特性、结构，同时研究如何用新型宽带阶跃阻抗谐振器设计低通滤波器， 设计的SIR滤波器采用的普通板材，滤波器的尺寸精度要求相对较低，具有设计和加工简单方便的，同时滤波器各项性能参数好的特点，具有非常好的应用前景。
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二 低通滤波器相关理论与实际应用
2.1 低通滤波器原理 2.1.1 低通滤波器简介
低通滤波器的功能是可以允许低于截至频率的信号通过,但是高于截至频率的信号不能通过的电子滤波器,这样的滤波器的好处是能过滤掉一部分高信号,从而得到所需要的低频率信号.
不同的滤波器对每个频率的信号的减弱程度是不同，当使用在音频应用时,它有时被称为高频剪切滤波器, 或高音消除滤波器.
低通滤波器概念有许多不同的形式,其中包括电子线路(如音频设备中使用的hiss 滤波器、平滑数据的数字算法、音障(acoustic barriers)、图像模糊处理等等,这两个工具都通过剔除短期波动、保留长期发展趋势提供了信号的平滑形式.
低通滤波器在信号处理中的作用等同于其它领域如金融领域中移动平均数(moving average)所起的作用;
低通滤波器有很多种,其中,最通用的就是巴特沃斯滤波器和切比雪夫滤波器.
2.2.2 低通滤波器工作原理
我们知道电磁干扰就是任何可能引起电子装置、设备或系统性能下降甚至失效，或者对生命或无生命物质产生损害的电磁现象。几乎每一种电子设备都会产生不同程度的电磁干扰信号，它是一种不希望存在的电磁信号。由于有害的电磁干扰和正常信号相比，它的频率要高很多，所以电磁干扰滤波器的作用就是通过有选择性地分离有害的高频来发挥的。因为低通器件能使交流线路频率通过，并且它还是一个高频截止器件，所以一般情况下，电磁干扰滤波器的感应部分大都被设计成为一个低通器件。电磁干扰滤波器的其他部分为了使这些有害的高频噪声不能到达敏感电路，所以使用电容来分路或分流有害的高频噪声。这样一来，电磁干扰滤波器就使得所有要进入或离开受保护电子器件的有害噪声信号降低或衰减了。
2.2.3 低通滤波器特点用途
特点：低损耗高抑制；分割点准确；双铜管保护；频蔽好防水功能强。
用途：产品用途广泛，使用于很多通讯系统，如 CATV EOC 等系统。并能有效的除掉通频带以外的信号和多余的频段、频率的干扰。简单地说：低通滤波器就是让某一频率以下的信号分量通过，而对该频率以上的信号分量大大抑制的电容、电感与电阻等器件的组合装置。
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2.2 低通滤波器实例
一个固体屏障就是一个声波的低通滤波器。当另外一个房间中播放音乐时，很容易听到音乐的低音，但是高音部分大部分被过滤掉了。类似的情况是，一辆小汽车中非常大的音乐声在另外一个车中的人听来却是低音节拍，因为这时封闭的汽车（和空气间隔）起到了低通滤波器的作用，减弱了所有的高音。
电子低通滤波器用来驱动重低音喇叭（subwoofer）和其它类型的扩音器，并且阻塞它们不能有效传播的高音节拍。无线电发射机使用低通滤波器阻塞可能引起与其它通信发生干扰的谐波发射。
DSL分离器使用低通和高通滤波器分离共享使用双绞线的DSL和POTS信号。 低通滤波器也在如Roland公司这样的模拟合成器合成的电子音乐声音处理中发挥着重要的作用。
理想与实际滤波器一个理想的低通滤波器能够完全剔除高于截止频率的所有频率信号并且低于截止频率的信号可以不受影响地通过。实际上的转换区域也不再存在。一个理想的低通滤波器可以用数学的方法（理论上）在频域中用信号乘以矩形函数得到，作为具有同样效果的方法，也可以在时域与sinc函数作卷积得到。
然而，这样一个滤波器对于实际真正的信号来说是不可实现的，这是因为sinc函数是一个延伸到无穷远处的函数（extends to infinity），所以这样的滤波器为了执行卷积就需要预测未来并且需要有过去所有的数据。对于预先录制好的数字信号（在信号的后边补零，并使得由此产生的滤波后的误差小于量化误差）或者无限循环周期信号来说这是可实现的。实时应用中的实际滤波器通过将信号延时一小段时间让它们能够“看到”未来的一小部分来近似地实现理想滤波器，这已为相移所证明。近似精度越高所需要的延时越长。
采样定理（Nyquist-Shannon sampling theorem）描述了如何使用一个完善的低通滤波器和奈奎斯特-香农插值公式从数字信号采样重建连续信号。实际的数模转换器都是使用近似滤波器。
有许许多多不同频率响应的不同类型滤波器电路。滤波器的频率响应通常用波特图表示。例如，一阶滤波器在频率增加一倍（增加octave）时将信号强度减弱一半（大约-6dB）。一阶滤波器幅度波特图在截止频率之下是一条水平线，在截止频率之上则是一条斜线。在两者边界处还有一个\在两条直线区域之间平缓转换[7]。
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