微带超宽带带通滤波器研究

摘 要 近年来随着通信行业的飞速发展，超宽带无线通信技术以其系统系统简单、成本低、功耗小、高速数据传输率、安全性高等优点成为目前通信领域的引起广泛关注。超宽带微波滤波器是超宽带系统中的 一个关键无源部件，对于系统的整体性能有着重大的影响。本论文主要研究了微带小型平面超宽带带通滤波器设计方法，分别提出了几种具有特性良好的谐振器和耦合结构，并将这些谐振器和耦合结构运用与超宽带滤波器设计当中。本论文主要创新工作内容有： (一) 本文在开路支节线加载谐振器基础之上 ，提出了一种新型的基于阶梯阻抗枝节加载谐振器结构。通过传输线理论深入分析了基于阶梯阻抗枝节加载的三模、五模谐振器的谐振特性和零点特性。这种谐振器结构不仅能提供更多谐振频率控制自由度，而且能够在通带外产生传输零点，大大提高超宽带滤波器的选择性。本文分别将该三模、五模谐振器结构应用到超宽带滤波器的设计中，均获得良好效果。 (二) 为了改善超宽带滤波器带外特性， 本文分别从谐振器和耦合结构这两个角度出发，提出了一种具有谐波抑制特性的多枝节加载谐振器结构和一种弯折枝节加载平行耦合线结构。本文分别将该改进型谐振器结构和耦合结构运用于超宽滤波器设计，实现了高选择性，高阻带抑制特性的超宽带滤波器。 (三 ) 从十字形谐振器模型出发， 提出了一种多十字形级联构成的鱼骨形谐振器结构并分析其谐振特性。同时针对鱼骨形谐振器的特殊结构，研究了一种新型的耦合馈电结构，并将其运用于两阶、四阶鱼骨形谐振器中构造了两款特性良好的宽带滤波器。为了改善该滤波器选择特性，本文继而提出了一种基于阶梯阻抗枝节加载鱼骨形谐振器结构并将其用于超宽带滤波器设计。 (四) 鉴于陷波特性在超宽带滤波器中的必要性，本文提出了一种结构简单、陷波频率带宽可控陷波结构。利用该结构分别设计了一种具有单一陷波特性和一种具有双陷波特性的新型超宽带滤波器，并实际加工制作、测试了这两种滤波器，测试和仿真结果吻合较好。 关键词： 带通滤波器；超宽带；阶跃阻抗枝节；多模谐振器；耦合结构；鱼骨形谐振器；陷波 I of a in of As of in WB WB a on of a on of WB WB by of be as 1. on a is in of in of to of WB to of WB WB 2. In to of WB of of of is by a by WB by 3. on a is in by a is in of of I In to a is of WB 4. In of of WB a is in WB by to WB in 目 录 摘 要 . 一章 绪论 . 1 . 1 宽带带通滤波的国内外研究现状 . 2 . 3 . 4 . 5 . 9 论文的主要研究内容 . 11 第二章 超宽带带通滤波器的相关理论 . 12 言 . 12 波器的基本技术参数 . 12 . 14 . 16 行耦合线结构 . 18 章小结 . 21 第三章 基于阶梯阻抗枝节加载谐振器的超宽带滤波器 . 22 言 . 22 于阶梯阻抗枝节加载三模谐振器的超宽带滤波器 . 22 于阶梯阻抗枝节加载三模谐振器特性分析 . 22 . 26 . 32 于阶梯阻抗枝节加载五模谐振器特性分析 . 32 . 34 有良好高阻带特性的改进型超宽带滤波器 . 基于多枝节加载谐振器的超宽带滤波器 . 38 于改进型耦合结构的超宽带滤波器 . 42 章小结 . 45 第四章 鱼骨形谐振器及其耦合结构在滤波器中运用 . 46 言 . 46 骨形谐振器特性分析 . 46 于鱼骨形谐振器的滤波器设计 . 52 于两阶鱼骨形谐振器的滤波器 . 52 . 54 于阶梯阻抗枝节加载鱼骨形谐振器的超宽带滤波器 . 55 章小结 . 59 V 第五章 具有陷波特性的超宽带滤波器 . 61 言 . 61 波结构特性分析 . 61 有陷波特性超宽带滤波器设计 . 63 有单一陷波特性超宽带滤波器设计 . 63 . 69 章小结 . 72 结 论 . 73 参考文献 . 75 攻读硕士学位期间取得的研究成果 . 84 致谢 . 86 第一章 绪论 第一章 绪论 究目的和意义 通讯产业的蓬勃发展带动了人类文明的进步，对人们的日常生活起了深远的影响。以此同时随着通信技术的发展和各种通信系统的相继出现，无线电频谱资源的瓶颈效应日益明显，人们在提高已有频谱利用率的同时，也希望能够开发出更加宽的频带以适应这种快速的发展。在此背景之下，超宽带无线通信技术应运而生并以其系统系统简单、成本低、功耗小、高速数据传输率、安全性高等优点成为目前通信领域的一个研究热点1。超宽带无线通信技术的发展历史可追溯到 20 世纪60 年代，其最初的形式为直接利用脉宽为纳秒或亚纳秒级的脉冲作为信息载体的冲激无线电技术，主要用于军事上的雷达和低截获率系统。自20世纪90年代以来，随着微电子器件的技术和工艺的迅猛发展，超宽带通信技术开始运用于民用领域，并在国际学术界和工业界掀起了对其研究、开发和应用的热潮，被认为是下一代无线通信技术的革命性技术。2002年2月美国联邦通信委员会（发布了关于超宽带技术的初步规范，允许超宽带技术民用，并开放了 段免费民用频段2，具体频谱规范如图 1示。此举为超宽带通信技术的产品商业化打开了一扇大门，迎来了超宽带无线通信技术一个高速发展的时代，超宽带系统3及其器件(超宽带滤波器4、超宽带天线1、超宽带放大器5等)的研究越来越受到人们的关注。 01234567891011 率（ 内商用频谱规范 1 华南理工大学硕士学位论文 图 1示为超宽带无线通信系统的基本模型6，从图中可以看出，超宽带滤波器位于超宽带系统的射频前端，它既可用来限定大功率发射机在规定的频带内辐射，反过来又可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰，因此，超宽带微波滤波器是超宽带系统中的一个关键无源部件，它性能的好坏对于系统的整体性能有着重大的影响。 图 1统的一般模型 随着微波器件集成度的日益提高，滤波器的小型化显得迫在眉睫。因此，研究具有高性能、小型化、易集成的微带滤波器有着重要的意义。这同时也我们设计超宽带滤波器提出以一些新的难题和挑战。目前设计超宽带带通滤波器主要面临一下几个主要的难点：第一，定的超宽带系统中要求覆盖 频段，即要求滤波器具有 110 的相对带宽，常用的一些窄带滤波器设计方法不可行；第二，要求超宽带滤波器的群时延在通带范围内尽可能的小而且平稳；第三, 为了减小超宽带通信系统对现有的无线通信系统的干扰，这就要求超宽带滤波器在高低阻带具有较好的抑制、在边带具有高选择性；第四，超宽带系统频带范围大，容易受到带内其它系统窄带信号的干扰，如 5 无线局域网（如何抑制干扰信号也是设计难点。 宽带带通滤波的国内外研究现状 超宽带频段的开放，极大地促进了超宽带系统和超宽带器件的研制。作为超宽带系统的关键器件之一，超宽带带通滤波器的研究也深受各界的关注，得到了快速的发展。为了适应微波集成电路小型轻便化的要求，超宽带滤波器不仅要求性能好，而且要体积小、结构紧凑。 2 第一章 绪论 超宽带滤波器首先是有 003 年提出7，该滤波器是基于一种对高频信号有较大衰减的特殊材料设计而成。但其缺点是插损较大，达到 6 不能满足现在超宽带系统的要求。而后，在 2004 年 ，实现滤波器的相对带宽为 83%，其带内特性较好，但是带外抑制效果并不理想。在近年来，随着超宽带技术的快速发展，国内外针对超宽带滤波器这一研究热点进行了广泛的研究，提出了一些新的超宽带滤波器的设计方法以满足高性能、小型化的设计要求。本文将在后续章节中详细介绍目前超宽带滤波器的主要设计方法及结构。 于滤波器组合结构的超宽带滤波器 利用这种方法设计的超宽带带通滤波器有两种实现形式：高通滤波器与低通滤波器的级联构成超宽带带通滤波器9带通滤波器与带阻滤波器级联构成超宽带通带滤波器14, 15。最早的采用高通滤波器加低通滤波器级联方式实现超宽带滤波器由 . 005 年提出9，如图 1-3（a ）所示，该滤波器由一个截止频率为 低通滤波器和一个截止频率为 高通滤波器组合而成。由于高通低通滤波器均有成熟设计理论，该级联设计简单。但由于级联滤波器体积较大，. T. 等人对此结构进行改进和优化，实现紧凑的滤波器尺寸。文献 10用了接地板刻蚀缺陷地结构(16来产生低通特性。此外，基于这种级联结构的思想，. W. 提出了采用带通滤波器与带阻滤波器级联而成的超宽带滤波器14，如图 1b)所示，该结构具有较好的相位线形度，而且阻带很宽。缺陷地结构的低通特性也被利用来实现超宽带滤波器的高阻带抑制15。 （a ） 3 华南理工大学硕士学位论文 (b） 图 1于滤波器组合结构的超宽带滤波器及其特性，（a ）级联高通和低通滤波器，（b ）级联带通和带阻滤波器 图 1于短路枝节线结构超宽带滤波器的电路模型 于短路枝节线结构的超宽带滤波器 传统的短路枝节线滤波器是实现超宽带滤波器的一种主要设计方案17而且也是目前结构比较成熟，加工简单的一种实现方法。其基本电路模型如图 1种滤波器理论早在70年代就已经提出，被称为最优超宽带滤波器17，如图 1a)所示，该滤波器采用了四分之一波长的短截线和半波长连接传输线组成，实现相对带宽达到120%。文献19 采用了阶梯阻抗开路枝节替代四分之一波长短截线，从而在上下阻带实现了对称分布的零点，从而提高滤波器带外性能。文献 20通过在短路枝节线结构的连接传输线中进行加载具有低通特性的电磁带隙结构，实现高阻带抑制。 . 仅实现带外抑制，而且提高了滤波器上边带选择性21。需要指出的是，这种基于短路枝节线结构的滤波器的通带带宽容易实现，但该结构不够紧凑，4 第一章 绪论 不利于微波集成。为了减小滤波器尺寸，学者们采用了各种折叠优化结构从而达到结构紧凑的目的22, 23，如图 1-5(b)所示。 (a) (b) 图 1于短路枝节线结构超宽带滤波器及其响应 于多模谐振器结构的超宽带滤波器 所谓基于多模谐振器结构的超宽带滤波器是指其使用的谐振器在通带范围内两个或两个以上的谐振模式并通过输入输出端口与谐振器之间的强耦合形成超宽带通带24。2005 年，5。如图 1示，该滤波器有一个阶梯阻抗谐振器（ 构26的和端口平行耦合馈线组成。由图 1滤波器响应曲线可以看出，在弱耦合条件下，谐振器三个谐振模式均与分布在超宽带通带内，当耦合增强时，通带内波纹趋于平坦，构成超宽带滤波器通带。这种多模谐振器方法可以简单有效满足超宽带滤波器通带设计要求，但是这种阶梯阻抗谐振器结构尺寸往往较大（大约为一个波导波长），此外为了实现较强5 华南理工大学硕士学位论文 的耦合，平行耦合线之间的耦合间隙非常小，不便于物理实现。同时滤波器的带外抑制特性和通带选择性不佳。为了改善耦合间隙的问题，7, 如图 1示，可见平行耦合缝隙由原来文献25 中的 高到了 0.2 图 1于阶梯阻抗谐振器的超宽带滤波器及其响应 图 1于缺陷地结构的超宽带滤波器及其响应 基于上述多模谐振器结构的设计思想，为了改善超宽带滤波器的带外特性，学者们提出了大量新型的改进结构。首先是通过级联低通滤波器方式改善带外特性28, 29。 文献 25基础上直接串联低通滤波器抑制高阻带28，而文献29 则采用地面蚀刻低通特性实现带外特性改善。 其次通过各种改进型的多模谐振结构以得到更高带内带外性能30文献30 提出了一种三开路枝节加载多模谐振结构，如图 1示，通过调节开路枝节的长度可以 使得该谐振器前四个谐振模式均匀分布在超宽带通带中同时使得第五个需要抑制的谐波远离通带。学者们基于这种加载枝节谐振器基础上分别提出了容性终端平行耦合线加载31，弯折开路枝节加载32，环形阶梯阻抗枝节加载33、圆形阶梯阻抗枝节加载34等改进型谐振器结构。而文献35 通过在多模谐振器中内嵌入电磁带隙结构（带阻单元来改善高端阻带性能。文献366 第一章 绪论 中对阶梯阻抗谐振器进行弯折实现小型化和带外抑制。 过在文献36 提出谐振器的基础上加载短路、开路枝节形式实现了一个五模谐振器37。除了上述超宽带滤波器新型结构提出以外， 人还对级联多模阶梯阻抗谐振器的传输极点进行分析，给出了该类型超宽带滤波器的综合设计方法38, 39。 图 1于枝节加载谐振器的超宽带滤波器及其响应 图 1于 元的宽带滤波器及其响应 图 1于十字形谐振器的超宽带滤波器 此外，随着近年来微波集成电路发展，滤波器小型化要求日益提高，各种小型化多模谐振器结构相继提出。. 等人采用了紧凑微带谐振单元（弯折平行耦合线实现了一个宽带滤波器40，如图 1示，但7 华南理工大学硕士学位论文 其带宽尚不足覆盖 1， 并通过引线键合交指电容将其进一步运用于封装集成电路42，如图 1示。. 等人在 2010 年提出了一种紧凑的感性加载 Y 型谐振器，并分别通过平行耦合线和宽边耦合形成超宽带滤波器43。 图 1于微带 1于微带- 共面波导结构的超宽带滤波器及其响应 实现超宽带滤波器的多模谐振器结构并不局限于上述的微带结构，线结构的多模谐振器44如图 1示，文献44 中槽线谐振器采用阶梯阻抗形式，通过槽线与微带之间的强耦合形成超宽带通带。以此同时，为了实现滤波器良好通带的特性，减小滤波器尺寸，不少学者也提出各种混合微带/ 共面波导结构的多模谐振超宽带滤波器48如图 1示， . 007 年提出一种混合微带/共面波导结构超宽带滤波器52，该结构在地板上设计一个四分之一波长的共面波导谐振器与上层微带传输线耦合形成超宽带滤波器。此外，不少新工艺、新材料也被采用设计小型化、高性能超宽带滤波器，如低温共烧陶瓷（术55、液晶高分子聚合物（技术56。 8 第一章 绪论 有陷波特性的超宽带滤波器 超宽带系统覆盖的频率范围为 现有的一些窄带系统，如无线局域网系统（ 频段（低频段 频段 处于该频带范围，容易与超宽带系统产生 干扰。为了避免与现有的窄带系统产生干扰，在设计超宽带带通滤波器时，很有必要在其通带内引入窄带的陷波特性，并且可根据不同的需要调节陷波频率。因此，具有陷波特性的超宽带滤波器的研究也成为了超宽带滤波器研究中的一个热点问题6。目前实现具有陷波特性的超宽带滤波器的主要方法可以归纳为以下几种: (1) 内嵌开路枝节结构。该陷波实现结构简单 ，只需在原有滤波器的基础上内嵌一段开路枝节线57如图 1示，. S. 等人通过在原有超宽带滤波器的基础上增加两段内嵌开路枝节传输线结构从而实现陷波特性58。内嵌开路枝节的长度与陷波的频率有关，约为陷波所在频率的四分之一波长，陷波的带宽可以通过开路枝节线宽及耦合缝隙控制。文献61 引入多个内嵌开路枝节单元，并通过多层结构宽边耦合实现多陷波特性。 2以及多陷波63特性。基于内嵌开路枝节结构产生陷波特性能够实现所需频率较大幅度陷波抑制效果，但是该结构对于陷波带宽的控制范围有限。 图 1于内嵌开路枝节陷波结构的超宽带滤波器及其响应 (2) 非对称平行耦合线结构。通过上述基于多 模谐振器的超宽带滤波器结构可知，为了实现谐振器与输出输入端口的强耦合，通常采用的耦合结构为平行耦合线。然而在超宽带滤波器的陷波特性设计中，采用非对称平行耦合线结构却能够实现通带内的陷波特性64. S. 等人最早提出非对称平行耦合线结构实现超宽 带通带内的陷波特9 华南理工大学硕士学位论文 性，如图 1示64。在文献65 中， 66提出了一种改进的非对称平行耦合线结构。非对称耦合线结构产生陷波的机理是当某一频率信号沿耦合线的两条不同路径传输时，出现等幅反相的情况，则两路信号相互抵消，形成陷波69。上述非对称耦合线均用于产生单一陷波特性， 7, 68。 图 1对称耦合结构的超宽带滤波器及其响应 图 1于带阻谐振单元加载陷波结构的超宽带滤波器及其响应 (3) 加载带阻谐振单元结构。上述实现超宽带 滤波器陷波特性的方法，无论是内嵌开路枝节结构还是非对称耦合线结构，均不利于实现多陷波特性以及陷波带宽的控制。为此，学者们提出了加载带阻谐振单元的陷波结构70如图 1示，. S. 提出采用多层耦合谐振单元结构实现超带通带内产生双陷波特性71， 第三层所嵌入的折叠阶梯阻抗谐振器为产生陷波带阻单元。陷波频率即嵌入谐振单元的谐振频率，而陷波带宽可以通过谐振单元与滤波器之间的耦合来调节。由于嵌入谐振单元频率及层间耦合均独立可控，因此可运用与多陷波特性设计72。此外，学者们还提出了各种不同陷波谐振单元结构和耦合方式73如采用四分之一波长短路线作为带阻谐振单元73, 74，而文献75中则通过接地板蚀刻结构中弯折开路线与上层微带结构耦合实现陷波特性。 . 10 第一章 绪论 11 6、弯折阶梯阻抗谐振器77实现双陷波特性。文献78通过在超宽带滤波器的谐振器结构与带阻谐振单元耦合实现陷波特性。文献81 中通过一种与共面波导谐振器耦合的桥接陷波结构，实现结构小型化。 综上所述，到目前为止，超宽带带通滤波器的研究和设计受到国内外学者极大的重视，且已提出了不同的设计方法，已有的不同结构能满足一些不同性能的需要，如小型、高阻带抑制等。但实现小型化超宽带滤波器高阻带抑制与高选择性还是当前设计难点之一，同时为了实现对当前已有通信系统的兼容，具有陷波特性的超宽带带通滤波器也成为当今超宽带滤波器研究热点。 论文的主要研究内容 本论文的研究内容主要集中在基于多模谐振器结构的超宽带带通滤波器的设计及其陷波特性。论文具体安排如下： 第一章 绪论。概述了课题的研究目的和意义，并对国内外超宽带滤波器的研究现状进行了总结，在此基础上提出了本论文的研究内容。 第二章 超宽带带通滤波器相关理论。简要介绍微波滤波器的基本技术参数，同时运用传输线理论研究了阶梯阻抗谐振器的谐振特性。分析了平行耦合线和平行三线耦合线的基本结构和特性，依此作为超宽带带通滤波器设计的理论依据。 第三章 基于阶梯阻抗枝节加载谐振器的超宽带滤波器。分别提出基于阶梯阻抗枝节加载三模谐振器、五模谐振器并对其谐振特性进行详细研究，将其运用于高性能超宽带带通滤波器设计之中。以此为基础，分别从改进谐振器、耦合结构两个角度提出了改善超宽带滤波器带外特性的方法。 第四章 鱼骨形谐振器及其耦合结构在滤波器中应用。从传统十字形谐振器结构出发，通过多阶级联形式构成鱼骨形谐振器结构。并结合该谐振器结构特点提出了新型的耦合结构，设计了两款特性良好的宽带滤波器。同时在鱼骨形谐振基础上加载阶梯阻抗枝节形成一种新型谐振器，将其运用于超宽带滤波器中，大大提高了超宽带滤波器的选择性和高阻带抑制特性。 第五章 具有陷波特性的超宽带滤波器。提出了一种新型的基于谐振带阻谐振单元的陷波结构，分析了该陷波结构对陷波的频率和带宽的控制，并以此设计了一种具有单一陷波特性和一种具有双陷波特性的超宽带滤波器。 本文最后对全文进行总结并展望了下一步工作。 华南理工大学硕士学位论文 第二章 超宽带带通滤波器的相关理论 言 滤波器的根本功能是实现选频和抑制干扰的功能，即抑制不需要的频段信号，使需要的频段信号顺利通过，在无线系统前端中占有重要的位置。微波滤波器有很多种分类方法，例如按方式分类（反射式、吸收式等）；按结构分类（如同轴线、微带线等） ；按作用分类（带通、带阻等）等等。通常我们会按照其作用方式将滤波器分为：低通、高通、带通和带阻滤波器82。 在微波和毫米波系统中，构成滤波器、振荡器以及天线等的重要元件是谐振器，它最常采用的结构是均匀特性阻抗结构（。由于其结构简单，并易于设计而被广泛应用， 传统滤波器的设计方法已相当完善。然而在实际的设计中，这样的谐振器存在不少缺陷，例如由于结构简单而设计参数有限，无法方便调节各个谐振模式。而阶梯阻抗谐振器（，将有效解决 存在的不足，其重要特性是该谐振器的前几个谐振模式可以通过改变阻抗比来调节26，因此 为一种基本谐振器单元，非常适合运用于多频83、宽带滤波器84设计中。同时在近年来，很多学者对支节线加载谐振器（进行了大量扩展性的研究，发现 谐振模式的控制具有一些独特的特性而被广泛运用在滤波器设计中。由于超宽带带通滤波器设计中，通带范围只有一个谐振模式的滤波器很难覆盖如此宽的带宽，这就需要谐振器工作于多个模式，通过模式之间的耦合来实现宽带特性。因此为了设计出满足 宽带通信系统要求的高性能小型化滤波器，利用 多模谐振器结构设计超宽带滤波器的方法相继被提出25, 30。 本章首先给出了滤波器设计的基本技术参 数，然后从阶梯阻抗谐振器（ 基本结构入手，介绍两节 谐振特性，并在此基础上通过奇偶模法分析了一种开路支节线加载谐振器（的基本特性。最后还介绍了基于多模谐振器的超宽带滤波器中最常用的平行耦合线结构及其耦合特性，这为超宽带带通滤波器的设计与实现提供了一定的理论依据。 波器的基本技术参数 理想的滤波器应该在所要求的频率范围内（通带），能使信号无衰减地传输，在其12 第二章 超宽带带通滤波器的相关理论 余频率范围内（阻带）能使信号完全不能传输。一个实际的滤波器只能尽可能地接近理想滤波器的特性。实际微波滤波器的技术指标因用途而异，归纳起来有下列几项： (1) 中心频率、截止频率、归一化频率：对于低通滤波器电路和高通滤波器，c 表示截止频率；而对于带通滤波器电路和带阻滤波器，c 表示中心频率。我们取参数 为归一化频率，其定义为实际的角频率 与中心频率（截止频率）c 的比值，定义为85： c (2(2) 频带带宽： 滤波器通过或截止信号的频率范围。通常我们将频带带宽定义为 3低端截止频率差值，可以表示为： 3 (2同时我们也常用相对带宽表示滤波器带宽。相对带宽定义为绝对带宽与中心频率0f 的比值即： 0H Lf (2(3) 插入损耗、回波损耗：插入损耗（ 义为定义为滤波器从信号源得到的输入功率（ ）与滤波器向负载输出功率（ ）的比值再取对数，即： (2回波损耗（ 义为定义为滤波器从信号源得到的输入功率（ ）与反射功率（ ）的比值再取对数，即： (2(4) 品质因数： 品质因