基于無線局域網應用的平面寬帶濾波器探 索 性 實 驗 設 計

王 云， 鄧洪波， 陳付昌， 涂治紅

(華南理工大學 電子與信息學院，廣州 510640)

0 引 言

當前，第5代移動通信(5G)建設已全面鋪開，人們的生活與手機等無線通信設備息息相關。射頻前端是各類無線通信設備必不可少的部分，射頻技術也日益成為當今信息領域發展中的重點、熱點與難點。社會對射頻技術人才的需求近10年來持續快速發展，而相應的創新型人才卻相對缺乏，因此，培養射頻技術高質量的創新人才是國家現代化建設的迫切需要。

“射頻電路與天線”是我校本科專業信息工程、電子科學與技術的專業基礎課，已被評選為國家級精品課程和國家級精品資源共享課，每年約有300名本科生修讀。教學水平居國內領先地位。該課程自2007年起采用安泰信公司的RF3020射頻實訓系統進行驗證性實驗和綜合性實驗[1]，然后通過采用銅箔粘貼在單面介質板的方法，讓學生全程自己動手設計和制作射頻濾波器，開出了設計性實驗[2]。目前該實驗課程包含：基礎性實驗、驗證性實驗、綜合設計性三層次教學內容，能夠較好的配合理論教學，幫助學生建立對射頻器件感性認識，學習基本射頻器件的設計方法、搭建簡單的通信系統。但實驗內容仍然是以驗證性實驗為主，設計性實驗題目則過于傳統，缺乏反映專業前沿性和先進性的實驗內容，學生無法接觸到新的科技成果，在培養高素質創新型人才培養方面發揮的作用仍然有大幅度提高的空間。這同時也是國內高校射頻微波實踐類課程的一個共同的問題。

遴選蘊含著創新思想的科研成果，將之轉化為實驗教學內容，讓學生有機會了解學科的前沿和創新的過程，體會創新的思維，這是培養創新型人才的必要手段[3-10]。因此，為了適應21世紀知識經濟對高素質創新型人才的巨大需求，配合學校構建一流高校人才培養體系的目標，將教師的成熟科研成果轉化為實驗教學內容，對現有的實驗項目進行改造，開發射頻電路探索性實驗項目——“基于無線局域網應用的平面寬帶濾波器”，包含從確定研究內容、設計實驗方案、理論分析、軟件仿真到實驗測試的與科研一致的完整過程，培養學生的創新能力。

1 探索性實驗內容的設計

與傳統實驗中由教師提出設計題目和具體指標不同，探索性實驗研究內容、解決方案均不能做太多限制，以利于學生發揮，但考慮到學時和實際實驗條件的限制，需要引導學生選擇研究內容，設計實驗方案。

1.1 確定研究內容

確定研究內容是探索性實驗的首要問題，研究內容決定著實驗的新穎性和實驗的意義，甚至決定實驗的成敗。教師的科研成果是對當前的熱點問題展開討論研究，具有一定的理論價值和實際工程意義。從科學研究工作中提煉出能與學生已有的知識、能力緊密結合的實驗專題，對學生學習的主動性和積極性發揮是大有裨益的。

由于第4代移動通信(4G)、無線局域網(WLAN)、全球微波互聯接入(WiMAX)和衛星導航等各種無線移動通信技術正在不斷的革新和相互融合，能同時兼容多種通信標準并提供高質量通信的寬帶通信系統成為未來無線通信發展的必然，作為通信系統中的重要器件，寬帶濾波器的研究顯得愈發重要。在射頻電路實驗教學中，引入授課教師關于寬帶濾波器的最新科研成果，結合教師參與的“超寬帶濾波器綜合理論與新型結構研究”國家自然科學基金科研項目，提出目前待解決的問題如：提高小型化、選擇性等。經過與學生的討論，選擇“基于無線局域網應用的平面寬帶濾波器”作為研究內容。

預期成果：設計、加工一款寬帶濾波器。具體指標：中心頻率2.4 GHz，相對帶寬大于30%，帶內插損小于3 dB，回波損耗大于10 dB。在滿足以上指標的前提下，鼓勵學生去尋找更簡單的結構，達到更高的性能，諸如：尺寸更小、插損更小、帶寬更寬、通帶選擇性更好、成本更低等。

這個研究內容是由課程組的科研項目轉化而來，結合目前無線通信系統多種通信標準共存的實際現狀，基于大家每天都在使用的無線局域網，選取寬帶通信作為切入點，使同學們體會到學有所用，學以致用，激發學生的主觀能動性。由于濾波器的機理相對簡單，易于被本科生接受，選取射頻濾波器作為研究內容。通過研究達到基本指標雖然不難，想要再進行進一步改進性能則需要付出非常多的努力，既避免了學生因為不能完成實驗帶來的消極情緒，也給有能力的學生提供了發揮創造力的空間，達到了因材施教的目的。此外，平面結構易于加工，便于在實施過程中控制成本。綜上所述，這個題目兼顧科學性、創造性、可行性以及實用性，為探索性實驗的順利開展打下了基礎。

1.2 實驗方案設計

確立題目之后，詳細閱讀大量參考文獻資料，依托教師的科研成果，根據實驗目的和要求來引導學生設計實驗方案。

(1) 提出設計思路。由于枝節線加載的多模諧振器結構簡單，諧振特性容易控制，被廣泛應用于寬帶濾波器設計中[11-13]。本課題組在該方面已經取得了一定的研究成果，近5年發表該領域的科技論文20余篇。

以最簡單的開路枝節線加載諧振器為例，該結構包含一個普通的半波長諧振器、一根開路枝節線，如圖1(a)所示，其中Z01,L1,Z02,L2分別表示半波長諧振器和開路線的特性阻抗和長度，用奇偶模法法來分析，奇模、偶模的等效模型如圖1 (b)、(c)所示，可以推導出[14]：

奇模諧振頻率為：

(1)

式中：n=1,2,…,c為真空中的光速；εeff是基片的有效介電常數。從上式可以發現，奇模諧振頻率與開路線無關。

在Z01=Z03條件下的偶模諧振頻率可計算為：

(2)

不難發現，偶模諧振頻率由長度L1、L2及阻抗比Z01/Z03(當Z01≠Z03)決定。同時，對于相同的n(L2

因此通過調節L1、L2的長度，可獨立地控制奇模、偶模諧振頻率，實現雙頻特性，而通過適當的設計可以將兩個諧振頻率靠近，即可實現寬帶特性。

(a) 開路枝節線加載諧振器結構 (b) 奇模結構 (c) 偶模結構

圖1 枝節線加載的多模諧振器及其奇、偶模結構

通過該方法來設計寬帶濾波器，機理緊扣“射頻電路與天線”課程中的“傳輸線理論”和“無源器件濾波器”知識，再結合所學的“耦合線理論”進行濾波器設計，采用平面微帶結構實現，加工成本低。因此引導學生應用該思想來設計寬帶濾波器，鼓勵學生提出新的設計思路，并對如何進一步改進濾波器的特性提出自己的想法。

(2) 制定具體實驗步驟。首先設計濾波器結構的初值，接著利用電磁仿真軟件幫助驗證設計，電路形式采用常用的微帶線結構，微帶板材選用價格低廉的聚四氟乙烯板，其介電常數是2.55，介質厚度0.8 mm，然后采用低成本的腐蝕技術加工出微帶濾波器，最后用網絡分析儀來測量濾波器特性。

提出了設計思路，確定了實驗材料和工藝方法，制定了實驗步驟，即初步確定了實驗方案。該實驗方案采用了最新的科研成果作為基本設計思路，學生在實際研究中可進一步提出自己的想法，有助于培養學生的創造性思維。實驗方案借助電磁仿真軟件，軟硬結合，避免了復雜的數學運算，然后借助仿真工具去設計和開發，完成面向實際工程需要的完整的電路分析與設計。在設計過程中補充知識，邊做邊學，培養和提高學生的研究創新能力。此外，該方案無論是材料成本、加工成本、測量成本都很低廉，避免了高成本給射頻實驗教學帶來的限制。

2 探索性實驗的實施

這個階段是探索性實驗的關鍵階段，是實驗的主體階段。該部分將詳細說明如何具體實施探索性實驗。

具體實施步驟可分為以下3步：

(1) 根據理論值設計寬帶濾波器初值。根據設計指標，采用“枝節加載多模諧振器”來實現寬帶濾波器的設計思路，按照提供的板材參數，結合“射頻電路與天線”課程中“無源器件濾波器”的內容，利用微帶設計公式，可得到每段傳輸線的對應的特性阻抗值及長度，設計出寬帶濾波器結構初始值。

(2) 采用ZelandIE3D仿真優化微帶濾波器。為了降低成本、縮短電路的研制周期，使用微波電磁仿真軟件是射頻電路系列課程實驗建設新的發展方向和趨勢。理論計算往往不考慮微帶的不連續性，使用微波電磁仿真軟件則可以避免復雜的數學運算，便于學生對實驗內容做更加詳細的探究。學生可以通過仿真的方式調整射頻電路與器件的各種參數，使其達到設計要求。通過一系列的仿真實驗，不僅可以讓學生進一步加深對微波電路的理解，而且可以讓學生掌握進行自主研究的方法，為進一步深造奠定基礎。

在實驗中選用Zeland IE3D軟件作為仿真工具。IE3D是一種基于矩量法的電磁場仿真工具, 可以用于分析設計微波/毫米波集成電路、射頻印制板電路、微帶天線等。在該部分的仿真設計中，學生可以通過調整濾波器的結構參數，觀察濾波器性能產生的變化，加深對所設計濾波器原理的理解，進而提出新的改進方法，有所創新。

圖2所示為一名本科生通過IE3D軟件仿真優化后的的微帶電路，在滿足了設計指標的基礎上，為了改善該濾波器的性能，在文獻[13]的基礎上，對濾波器的結構進行了探索性改進，巧妙地引入了不均勻阻抗枝節，提高了矩形度，增大了帶寬，并對濾波器的枝節做了彎折，縮小了濾波器的尺寸。

圖2 IE3D仿真圖

(3) 制作和測試微帶濾波器。選取個人所做的仿真結果性能最優的濾波器結構，采用腐蝕技術進行加工，使用 網絡分析儀[15]測試該濾波器。圖3所示為該本科生腐蝕加工出的寬帶濾波器實物的圖片。圖4所示為仿真結果和測試結果的比較，吻合良好，其誤差主要是由基片損耗及測量誤差所致。由圖4的測量結果可以看出，通帶具有3個模式，帶內的回波損耗大于13 dB，帶內最小插入損耗為1 dB，最低截止頻率為1.85 GHz，最高截止頻率2.97 GHz，與文獻[13]相比，通過不均勻阻抗枝節設計，通帶選擇性得到了改善，濾波器3 dB相對帶寬從28%增長至46.67%，遠遠好于預期指標，體現了該生創新能力的提高。

圖3 腐蝕制作的濾波器

圖4 寬帶濾波器仿真結果和測試結果的比較

通過該環節的親力親為，讓學生親手把自己的設計結果轉為為實際樣品，最大限度激發了學生主觀能動性，不僅提高了學生的動手能力，鍛煉了學生發現問題和解決問題的能力，并且在主觀意識上使學生對實驗有了新的認識。例如，有些同學測試以后發現測試結果與仿真結果不相吻合，需要耐心對自己的仿真建模進行仔細驗證，肉眼觀察樣品是否存在腐蝕不干凈導致短路，使用萬用表檢查加工樣品是否有虛焊，最后確認測試時接頭是否松動，校準過程有無遺漏重要環節。對這些細節一一檢查后，找到問題所在，然后對其進行修正，在這個反復檢查——修正——重新測量、比對的過程中，鍛煉了學生解決問題的能力。同時學生認識到由理論仿真到實際工程實現過程中，一個小小數據，一次漫不經心的焊接，一次不合規定的實驗操作，均會使實驗結果出現重大錯誤，嚴重時可能會損壞實驗儀器，造成不可挽回的損失，因此學生對實驗過程嚴謹度的重視上升到了一個新的高度，在以后進行的所有實驗中，學生一定會更加集中注意力，嚴格遵守實驗操作規程，也對學生將來樹立嚴謹細致的工作態度起到潛移默化的作用。

綜上所述，經過這個從理論到實踐，軟硬結合的研究過程，加強了學生對射頻電路各種概念和理論的認識和理解，掌握了電磁仿真軟件的使用，同時還掌握了射頻濾波器的基本設計思想，使本科生真正體驗了一次科研的過程，有助于科研能力和創新能力的培養。

3 結 語

本文提出的探索性實驗，立足學科前沿，將教師的科研成果轉化為教學內容，讓學生主導實驗的各個環節，包括方案設計、仿真調試、加工測量等，不僅能夠加強學生對射頻電路理論的認識和理解，提高學生的實際工程能力，更重要的是通過這個與科研過程一致的實施程序，培養了學生的創新意識和探索精神，又提高了學生的自主研究、學習和實際科研能力，為學生今后從事射頻專業的研究工作奠定了堅實的基礎。該探索性實驗一經開設就受到學生喜愛，在轉化科研成果到本科實驗教學內容方面，為射頻微波類實踐課程提供了一個良好的示范。

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