基于微带电路的ISM波段整流天线的研究与设计

基于微带电路的 段整流天线的研究与设计 本文基于微带电路原理，对应用在 段的 流天线进行了研究和设计。首先对 流天线的各组成部分：接收天线、低通滤波器、微波整流电路分别进行了研究和设计，在此工 作基础上将各部分微带电路整合，最终完成了整流天线的整体设计。 本文在整流天线接收天线部分，设计了应用在 微波光子晶体天线，在保证天线增益的前提下，通过引入微波 光子晶体结构，有效地减小了天线的尺寸；在低通滤波器部分，本文采用了缺陷地式 结构对微带线进行改造，通滤波器特性；在微波整流电路部分，本文主要采用 件完成了肖特基整流二极管与前端电路 50微带线的匹配， 使微波整流电路得以正常工作。最终将各部分设计综合，实现了应用于 段的 流天线。 经实验测试，本文所设计的 流天线增益为 高整流效率为 63%，已达到国内研究的一般水平。应用 发光二极管比拟低功耗电子元器件，验证了该整流天线在 段低功率密度水平的微波束中，具有驱动低功耗负载的能力。实验结果表明，该 带整流天线可以在微波能量密度为220mW/0%的整流效率高效工作，输出直流功率的幅度为 1128过在设计中引入光子晶体结构和缺陷地式结构，有效地减小了整流天线的整体尺寸。经过实验测试，该整流天线可对低功耗负载如射频识别系统、无线传感器网络系统、微机械系统等低功耗用电设备实现微波供电。 关键词： 整流天线，无线能量传输，微带电路，光子晶体天线，缺陷地式结构低通滤波器 on SM on of to is of is to a 0is DS to of to in of of 3%of to SM of a 0% in 0mW/of of of be to as 目录 . 1 章 绪论 . 1 整流天线的研究背景及意义 . 1 整流天线的研究现状 . 2 本文的研究内容 . 5 第 2 章 微带接收天线的研究与设计 . 7 微带贴片天线理论概述 . 7 微带贴片天线的设计原理 . 7 微带天线的基本电参数 . 9 微波介质板的分析与选择 . 10 子晶体结构接收天线的分析与设计 . 11 本章小结 . 17 第 3 章 构低通滤波器的研究与设计 . 18 构低通滤波器综述 . 18 构低通滤波器原理综述 . 18 低通滤波器的基本技术参数 . 19 构低通滤波器设计 . 20 低通滤波器性能测试 . 24 本章小结 . 25 第 4 章 微波二极管整流电路的设计 . 26 微波整流二极管的分析与选择 . 26 匹配电路的分析与设计 . 28 配网络结构 . 29 配电路设计 . 30 本章小结 . 33 第 5 章 整流天线的实现与测试 . 34 整流天线的制作 . 34 整流天线的制作流程 . 34 热转印法的误差分析 . 36 整流天线的测试与分析 . 37 流天线增益的测试 . 38 前置信号放大器放大倍数测试 . 44 整流天线整流效率测试 . 45 整流天线的工作性能分析 . 48 本章小结 . 52 第 6 章 结论与展望 . 53 本文研究内容的总结 . 53 研究展望 . 55 参考文献 . 56 致谢 . 60 1第 1 章 绪论 整流天线的研究背景及意义 无线能量传输的概念由物理学家 1899 年首次提出1， 同年在瓦登克莱弗进行的无线能量传输实验证明， 在未使用导线的条件下，通过接收电磁波传输的能量可以使 25 英里以外的氖气灯正常工作。所谓无线能量传输，就是不借助任何电传输线，在空间中以电磁波的形式将能量由供能设备传输到耗能设备。无线能量传输技术的最大难点在于：电磁 波在空间中传输时会产生导致其能量衰减的弥散现象2。目前主要的解决方法是采用具有似光性的微波甚至是方向性强、能量集中的激光进行无线能量传输3。理论上来讲，电磁波的波长越短，其定向性越好，空间衰减越小。 经过一个多世纪的发展， 无线能量传输技术得到了广泛的关注与探索。 在 1958年以后，以大功率微波束为基础的无线能 量传输技术得到了深入的研究并取得了一定的成果，如太阳能卫星计划、微波驱 动无人机、两地远距离供电等4这些大功率无线能量传输的实现使得微波无线 能量传输具备了较为广泛的应用前景。但在这些应用中，对发射机和发射天线的 要求非常严格，并且高功率微波电磁场对生态环境和生物安全会产生很大的影响，其应用至今仍未得到普及6。 近年来，随着半导体技术和集成电子技术 的飞速发展，微电子电路的尺寸越来越小，其功耗需求也越来越低，于是微 波无线能量传输技术的应用也越来越多地面向低功耗电子设备，如射频识别系统7、无线传感器网络系统8、生物医学设备等便携式电子设备等9。此项技术中，整流天线起到了非常重要的作用，得到了长足的发展。近年来关于整流天线的研究 中，微带电路越来越多地被应用在整流天线的设计中。微带天线具有结构简单、 体积小、成本低、重量轻等优点，并且微带电路易于实现、适合批量生产、易于集成电路系统化设计，与传统电路相比，微带电路具有不可取代的地位10。 随着新型材料的不断研究和加工工艺的进 一步发展，整流天线已体现出易于共形、易于系统集成等优势，从而使微波 无线能量传输在低功耗电子设备的供电 2系统中具备了相当的实用性。微机器人、 无线射频识别、无线传感器网络、遥感探测等低功耗电子设备的无线能量传输距 离一般在数厘米、数米，这些电子设备需要适应任意的工作时间和很长的待机时间 ,微波无线能量传输技术足以满足这些要求。上述微系统若采用电池供电，可供 使用的电量有限，而微波无线能量传输技术恰可弥补此缺陷。经过了几十年的发 展，微波技术在我国已经具备了相当雄厚的理论、技术基础，因此在我国开展微 波无线能量传输技术研究的条件已成熟且日益迫切。 整流天线的研究现状 整流天线是集天线接收、微波整流于一体的无线能量接收工作站11。 整流天线主要是由接收天线、低通滤波电 路、微波整流电路、输出低通滤波器、负载构成的，其原理示意图如图 示。其中接收天线的主要作用是接收一定频率范围的微波能量，微波整流电路的 作用是将通过整流二极管的微波能量转化为直流能量输出，现在最常用的微波整 流二极管是肖特基整流二极管，它能够高效率地完成微波直流这一转化过程12。由于整流二极管属于非线性元器件，在其工作期间，除了生成我们所需要的直 流外，还会在其内部激励产生二次、三次谐波等高次谐波13。这些高次谐波若反射回前端的接收电路，将会影响天线的工作性能，于是在接收电路和微波整流电 路间引入高性能的低通滤波器就很有必要了，它能够将后端整流电路产生的二次 、三次谐波能量限制在低通滤波器和微波整流电路之间，进行二次甚至三次整流14，从而提高系统的整流效率。输出低通滤波器的作用是阻止除直流以外所有的 高频能量输出，输出低通滤波器和前端的低通滤波器一起作用，将高频能量抑制 在两个滤波器之间，将这些高频能量反射回整流二极管进行多次整流，从而提高整流天线的整流效率。 图 整流天线原理示意图 在上世纪 60 年代，美国电气工程师 WC次提出了整流天线的概念，就此开创了微波应用于无线能量传输的新篇章， 1961 年他发表了第一篇论文提出 3微波能量实现的电能传输15,1964 年在沃尔特克朗凯特的 间新闻中报导了他演示的一个微波动力模型直升机 ,该实验成功实现了微波实现的无线能量传输，图 微波动力模型直升机通过接收地面大型抛物面天线所发射的微波能量，成功飞行在 100 米左右的高空。 图 波动力模型直升机及对其供电的大型抛物面天线展示图 此前的研究中，微波能量在空间的传播过程中是以球面波的形式向外衰减的，为接收到一定功率量的微波，需要发射端 提供很高的微波能量，故对发射天线的发射功率有相当高的要求。在后期的研究 中，人们对于微波无线能量传输的研究越来越多的集中于以微波形式为低功耗负 载供能这一课题。在此研究课题中，低功率水平的微带整流天线越来越广泛地得 到了大家的关注。微带整流天线以微带电路为基础，体现了微带电路体积小、重 量轻、易于实现、成本低等优点，微带电路的整体结构更加简单紧凑，适用于各种场合，便于集成电路的设计。 2004 年，应用于 双频段圆极化宽带整流天线阵列由美国科罗拉多大学研制成功16，其示意图如图 示，整个系统将双臂阿基米德螺旋天线进行了整流天线阵列的改造，经测试该整流天线的增益为 20效率在X 波段可到达 60%。 图 双频段圆极化宽带整流天线阵列展示图 42010 年，由美国俄亥俄州立大学电气与计算机工程学系研制的基于分形结构的整流天线示意图如图 示17，研究中在 统矩形贴片天线中应用了分形结构对其性能进行了优化，最终该整流天线的增益为 4整流效率达到了 70%。 图 美国俄亥俄州立大学整流天线展示图 1994 年电子科技大学的林为干院士首次在国内介绍了无线能量传输的概念，就此国内的一些高校和研究所展开了对无 线能量传输技术的深入探索研究。上海大学自 1998 年开始，依托于国家自然科学基金等项目，对无线能量传输系统的关键技术进行了较为深入的探索。 图 上海大学新近完成的应用于微波无线能量传输的整流天线18，该整流天线应用的是圆极化二元天线阵列，天线的工作频率为 10增益为 10流效率最高可达到 48%。 图 圆极化整流天线示意图 2010 年哈工大完成了利用 波能量对微小型机器人供电的系统19，机器人最大移动速度可达 100 mm/s，最小功耗仅为 10展示图如图 示，该整流天线选用的是对称 阵子印刷天线，其增益为 流效率达到了 582%。 图 波能量驱动的谐振机器人 由此可以看出，目前国内在微波无线能量 传输方面的研究与国外的研究水平还是有很大差距的，为了缩短这段相当可 观的差距，在整流天线这一技术领域的探索和研究是极其必要的。 本文的研究内容 目前，无线能量传输在我们日常生活中的 应用越来越广泛，对无线能量传输的研究也越来越有必要。本文对无线能量 传输技术的关键领域整流天线，进行了阐述和研究，并最终构建了整个微波无 线能量传输系统，实现了低功率微波无线能量传输。论文的主要内容安排如下： 第一章，绪论。说明了本论文的研究意义 ，阐述了微波无线能量传输的基本概念、应用、发展， 并概括了国内外关于整流天线的最新研究成果，最后整理了本文的主要研究内容。 第二章，微带接收天线的设计与研究。首 先阐述了微带天线的分析理论，并据此设计了经典的 形贴片天线，在此基础上本论文应用光子晶体结构对该天线进行了优化，利用光子晶体结构 对接收天线的表面波进行抑制，从而提高了天线的方向性和增益。 第三章， 构低通滤波器的研究与设计。首先阐述了 构低通滤波器的基本原理，基于此原理设计出应用于 流天线的 构低通滤波器，通过简单的缺陷地式结构，实现了低通滤波器特性，简化了设计结构。 第四章，微波二极管整流电路的设计。首先对肖特基整流二极管进行了分析，并最终确定了应用于 流天线的肖特基整流二极管型号，本文基于 计出了应用于该整流天线的匹配电路，用于对整流二极管和 50微带线 6进行阻抗匹配，从而保证微波整流电路在 以正常工作。 第五章，整流天线的实现与测试。基于前 三章的研究成果，将各部分微带电路进行综合，最终得到整流天线的整体设 计，构建实验系统，对整流天线的主要技术指标：增益、整流效率进行实际测试，最终对实验数据完成分析，得出结论。 第六章，结论与展望。总结全文并展望以后的研究方向。 7第 2章 微带接收天线的研究与设计 由于工业、科学、医学（ 段）上的限制，微波无线能量传输的频率主要集中于 35。其中， 技术最为成熟，在发射机端由电能 转化为微波能量的效率可以达到 80%，并且在大气中传输时，损耗最小，不受恶劣天气 影响。故本文所设计的微带整流天线的频率选定为 低功耗微系统对整流天线接收天线的主要 要求是小型化和高增益。本文选用微带天线作为整流天线的接收天线进行了 研究和设计。与传统的微波天线相比，微带天线具有剖面低、重量轻、尺寸小、 成本低、易于电路集成等优点，非常适合作为整流天线的接收天线。微带天线完 全满足整流天线对于接收天线小型化的要求，接下来的主要工作就是如何有效地提高天线增益。 微带贴片天线理论概述 微带贴片天线的设计原理 微带贴片天线是在微波介质基片上通过改 变贴片和地板形状以达到特定辐射特性的天线，其示意图如图 示。微带贴片天线主要由金属贴片、地板和将二者隔开的一层介质薄片（基片）构成，此 设计结构主要是为了让贴片在侧向辐射方向上获得最大的辐射效果。它利用微带 线馈电、同轴线馈电、耦合馈电等馈电方式，在贴片与地板间激励起电磁波，并 且通过贴片与接地板之间的缝隙向外辐射。故微带天线也可以看作是一种缝隙天线20。微带贴片天线可通过改变贴片的形状、馈电方式、地板形状得到所需的不同谐振频率、极化方式、输入阻抗等。 微带贴片天线主要应用于微波波段 （ 130、 毫米波波段 （ 30300，其辐射机理主要是由于一段微波电路在未 被导体完全封闭时，会在电路的不连续处（结构尺寸突变处、折弯处等）产生电 磁辐射。经过设计，可以让微带贴片天线工作在谐振状态，此时辐射会得到增强 ，辐射效率也会随之提高，进而成为有效天线。在此状态下，天线贴片与地板之间两侧缝隙所产生的垂直电场分量反向， 8其辐射能量将相互抵消，天线所产生的辐射能量主要由其水平电场分量提供。 图 微带贴片天线示意图 在矩形贴片天线设计过程中，为了让实际 天线能够生成有效辐射，具有较好的辐射效率，矩形贴片天线的宽度由式 (出： +=a (其中介质基片的相对介电常数， f 为天线的工作中心频率， c 为光速。 由于微带天线工作时，大部分电力线在两 种介质中分布不均匀，部分电磁波在空气中传播，部分电磁波在介质中传播 ，此时，需要引入有效介电常数描述电磁波在传输线中的传播情况，电磁波 在贴片边缘传输所产生的这种效应被称为边缘效应。 ()21/21+= (矩形微带天线的长度 L 理论上应取 2/ ，但是由于边缘效应的作用，在设计 ，该延伸长度 由贴片的厚度和天线宽度决定的， 可由公式（ 计算。 + +=此时，矩形微带天线的长度 b 可由公式（ 出： 9b (基板厚度对天线频带会产生一定的影响，可以用公式 (述： 频带（ (式中 f 是以 单位的中心频率， h 为基板厚度。 微带天线的基本电参数 用于描述天线工作性能的参数被称为天线 的电参数，主要用于衡量天线将高频电流能量转换为空间电磁波能量的能力 及其定向辐射的能力。下面本文将对微带天线的主要电参数进行综述： 1. 微带天线的方向图及方向系数 天线的方向图主要用于表征是天线在一定 距离处的辐射电磁场强度，其辐射强度与辐射方向有关。方向系数 D 能够定量地表征天线的定向辐射能力，其定义为天线主波瓣的最大功率密度平均辐射功率密度0S 之比，即： 0 (2. 微带天线的效率 微带天线工作时，由于微带天线贴片及其 介质基板在传输高频电流时会产生一定的损耗，输入天线的实功率并不能完 全被转换为电磁波能量，故定义微带天线的效率为天线辐射功率输入功率比，记为即： (3. 微带天线的增益系数 微带天线的增益系数用于表征天线的定向 辐射程度，其定义为微带天线的效率与其方向性系数的乘积，即： (4. 微带天线的极化 10微带天线辐射场的极化特性可分为以下几种：线极化、圆极化和椭圆极化。其中天线的线极化主要由垂直极化和水平极化两种方式；而圆极化和椭圆极化均有左旋、右旋两种形式。 5. 微带天线的输入阻抗和驻波比 微带天线的输入阻抗定义为微带天线馈电端输入电压与输入电流之比。 当微带天线的输入阻抗与馈线的特性阻抗匹配时，馈线上无驻波存在。对微带天线进行匹配主要是为了消除微带天线输入阻抗中的电抗成分，并使其阻抗与馈线的特性阻抗匹配。微带天线的匹配程度一般用驻波比、行波系数、回波损耗和反射系数进行衡量，其中最常用的是驻波比和回波损耗。电压驻波比(征的是负载与无损耗传输线间的不匹配程度，其大小在 1 到无穷大之间。驻波比为无穷大时，系统完全失配；驻波比为 1 时，系统完全匹配。 6. 微带天线的频带宽度 微带天线的频率特性主要是由频带宽度描 述的，满足微带天线一定电参数要求的频带范围被称为频带宽度。天线的频 带宽度可以通过多种形式考察，如：输入阻抗带宽、方向图带宽、增益带宽等。 而对于输入阻抗随频率变化敏感的微带天线而言，微带天线贴片与馈线匹配的频 率范围也极大的受到了限制，故一般情况下采用输入阻抗带宽定义微带天线的带宽。 微波介质板的分析与选择 微带贴片天线设计的首要工作是选定微波 介质板的材质及厚度，这是因为基板材料的相对介电常数介质损耗因数 值及厚度 h 都将直接影响微带贴片天线的各方面性能。微波介质板的相对 介电常数，厚度及天线的工作频率还决定了天线贴片的尺寸，适当地提高介电常 数有利于减小天线尺寸，但过高的介电常数却降低了天线的辐射效率，并会导致 带宽变窄，适当地增加介质板的厚度可以提高天线增益。并且在天线设计过程中 ，微带天线的微波介质板选择还需要考虑天线的机械特性、温度湿度特性、重量 、制作成本等因素。在微带贴片天线的设计过程中，这些因素需要综合考虑来确定微波介质板的选材。 最常见的两种微波介质板基板材料是 T 5880 和 下面本文对 1微波介质板和 T 5880微波介质板的主要参数进行分析比较， 如表 表 波介质板的相关参数统计表 微波介质板种类 T 5880 基板材质 玻璃布环氧树脂基材 玻璃纤维丝强化合成材料相对介电常数 质损耗因数 中，相对介电常数征的是微波介质板基板材料储存电能能力的大小，当大时，微波介质板可以储存更多的电能，而微波电路中电信号的传输速率也会随之降低，因此在频率较高时，要求微波介质板具有较低的介电常数。 介质损耗因数 微波介质板介质损耗角正切，它表征的是电介质在交变电场作用下发热所造成的损耗的大小，由 于高频信号在传输过程中具有更高的损耗，在设计高频微波电路时就要求微波介质板具有较低的介质损耗因数。 波介质板是最常用的微波介质板， 它在 3下的频段范围内表现出非常稳定的特性，频率升高时损耗也会随之升高，与 T 5880 相比较， 下的微波电路设计，若采用 T 5880微波介质板完成本文的设计将会产生更小 的损耗。但从性价比角度考虑，本文选择使用 波介质板设计了 流天线，而性能较好的 T 5880主要被用于 5上的微波电路设计。 子晶体结构接收天线的分析与设计 为减小整流天线的整体尺寸，本文采用经典微带天线的设计方法，对 根据上节对微带天线理论的综述，总结出矩形微带天线的设计过程如下： 第一，确定微带天线的谐振频率和设计所 采用的微波介质板：本文所设计的微带接收天线工作在 采用的微波介质板为相对介电常数为 度为1 波介质板； 第二，确定微带天线高效率辐射贴片的宽 度：由上节中微带天线经典设计公 12式 以计算出工作在 微带接收天线宽度为 第三，确定微带天线辐射贴片的长度：由上节中微带天线经典设计公式 以计算出谐振频率为 微带接收天线宽度为 第四，选择微带天线的馈电方式：微带天 线的馈电方式主要有微带线馈电、同轴馈电、耦合馈电，为使得微带接收天线可以较好的与后端整流滤波电路整合，本文选用的馈电方式为微带线馈电。 而对于相对介电常数为 度为 1 50 欧姆馈电线的宽度为 第五，对模型进行修正优化，通过选择合适的匹配手段增强天线的反射特性：微带天线常用的匹配手段主要有通过改变 天线辐射贴片的结构改变天线的输入阻抗、在天线馈线端加载匹配枝节等手段。 本文主要通过在微带接收天线的辐射单元处加入缝隙结构用于改善微带天线的匹配特性。 根据以上设计过程，选用厚度为 1 波介质板（计经典微带天线，由公式 22以得出 形微带天线的主要设计尺寸，其宽度为 27度为 3150馈线宽度为 线模型如图 示： (a) 传统矩形微带天线模型示意图 (b) 传统矩形微带天线实物图 图 统矩形微带天线模型示意图 该天线在 1反射参数的仿真及实测图对比如图 示，其增益图如图 示： 13图 传统矩形微带天线反射参数11S 图 图 矩形微带天线增益图 由图 知该天线在 配状态达到最佳，且增益为 但由于天线表面波的存在，导致天线在 310带范围内还有多个谐振点，它们影响着天线的谐振状态，导致天 线的匹配无法达到最佳，并且在一定程度上降低了天线的增益。 一般情况下，我们采用改变天线辐射贴片 的结构，或在天线馈线处加匹配枝节等手段用于加强天线的匹配21，这种调节方式属于窄带谐调。在本节引入了光子晶体的新型结构用于改善天线的匹配状态22，提高天线增益，该结构在电路集成化、重量、成本等方面具有其独有的优势。 光子晶体结构是指具有光子带隙特征的人造周期性电介质结构23。在光子晶体结构中，一定范围内的电磁波在其中不 能传播。光子晶体结构能抑制天线产生的高次模，其禁带特性可以抑制沿微带天 线基底传播的表面波，这样可以在一定 14程度上提高天线的增益。 设计微波光子晶体天线一般基于以下原则 ：微波光子晶体数目不需要太多，一般取 45 个周期即可。为保证在引入微波光子晶体结构后，天线的性能不产生根本性质的改变，天线在整体设计中需处于中心对称位置。 在接地板上，光子晶体结构中方孔 边长的一般取四分之一波长即 4/理论上在方孔半径与方孔间距的比值为 14 时，效果最佳，故取方孔间距为 /2 对 带贴片天线引入光子晶体结构对其性能进行改善，天线模型如图 示，采用 波介质板进行设计，相对介电常数为 度为 1体参数指标如下：1W =30L=31W =16W =a=b=7 图 子晶体天线示意图 经 件仿真计算，该天线反射参数及增益如图 示： 图 光子晶体天线反射参数11S 图 15图 光子晶体天线增益图 由图 图 知， 该光子晶体天线在 振， 增益达到了 未采用光子晶体结构的微带贴片天线相比较，该天线的性能得到了明显的提高，主要体现在增益和反射参数上，首先 光子晶体天线的增益由 次，该光子晶体天线的反射参数也得到了明显的改善，谐振得到了加强，天线在该频点的反射波得到了很好的抑制，另一方面在高频段，原有的那些谐振点得到了明显 抑制，可见光子晶体在抑制天线所产生的表面波和高次模方面起到了很大作用。 对仿真的光子晶体天线采用热转印法和酸 腐蚀法进行实物加工，得出实物如图 示。其中 a）所示的是该微波光子晶体天线的正面图，其中对天线加了缝隙结构，是为了使天线能够得到更好的匹配效果，图 b）所示的是该光子晶体天线的背面图，采用了 43 的周期性光子晶体结构，用于抑制天线的表面波，提高天线的增益。 (a)光子晶体结构天线实物图正面 (b)光子晶体结构天线实物图背面 图 子晶体天线实物图 16通过 7269C 40量网络分析仪对该光子晶体结构天线的反射参数进行测试，测试图如图 示所示，其中图 天线在 115带范围内的反射参数，图 天线在 13带范围内的反射参数： 图 子晶体结构微带天实物实测图 1图 子晶体结构微带天实物实测图 2由 7269C 40量网络分析仪测试得出的 数图分析可知，该光子晶体天线在 振，匹配程度良好，频带宽度为 200且在115通过引入光子晶体结构对天线表面波进行了抑制，使得天线的反射参数得到了明显的修正。 基于以上设计及实验测试结果可知，该光子晶体天线满足 流天线 17接收天线的设计要求。微波光子晶体结构 的引入，有效地抑制了天线的表面波，将天线的增益由原来的 高到了 且天线的匹配程度也得到了一定程度上的加强。 本章小结 本章主要研究了微带天线基本理论、辐射 机理，综述了微带天线主要设计方法。在此基础上通过对经典微带天线引入了光子晶体结构，抑制了表面波的传播，对其性能进行了改善。最终完成了作为 带整流天线接收部分的微波光子晶体天线的设计，天线增益为 子晶体结构的引入在不增加天线尺寸的前提下，有效地提高了天线增益，改善了天线的性能，增强了天线的匹配程度，加强了整流天线对于微波能量的接收能力。 18第 3 章 构低通滤波器的研究与设计 由于肖特基整流二极管属于非线性元器件 ，在进行整流工作时会产生二次谐波、三次谐波等高频分量，这些高频分量 若得不到合理的抑制，将反射回前端的接收电路，从而影响接收天线的工作性能 。故在接收天线与整流电路间加入低通滤波器的设计就很有必要了，这样做的主要作用在于：一方面可以抑制高次谐波，减少这些高次谐波对接收天线性能的影响 ；另一方面这些高次谐波可以再次被整流二极管加以利用，进行整流，从而提高整流电路的效率。 构低通滤波器综述 构低通滤波器原理综述 传统的低通滤波器，诸如开路短截线低通 滤波器、微带线高低阻抗低通滤波器等，只能提供最平坦型和切比雪夫型频响24，传统滤波器的普遍缺陷在于尺寸相对较大 , 阻带很窄。 为了使低通滤波器得到更加陡峭的下降沿， 获得较宽的阻带，传统低通滤波器一般是通过增加级数（即增加短路或开路短截线个数）来实现的，这需要以加大微带电路尺寸为代价。并且 在微带线加工过程中，微带线的阻抗越大，微带线越细，在微带线的阻抗达到一 定程度时，至更细，这就给实际的微带线加工 带来了很大的难度。为了使得低通滤波器拥有更好的频响特性和更小的电 路尺寸，近年来缺陷地式结构 ( 来越多地被应用于滤波器设计25。 1999 年， 韩国学者 人在光子晶体结构基础上， 提出了缺陷地式结构。构也是通过在微波介质板的地板上蚀刻出特定的缺陷形状，这些缺陷会改变地板上传导电流的分布情况26，进而通过与微带传输线的耦合，影响和改变着传输线的特性，这些特性主要包括了微带 传输线的等效电感、等效电容，以及微波介质板的有效介电常数，从而使得具有 构的微带传输线具备了良好的通带慢波特性和带阻特性27。与传统低通滤波器相比较， 构的低通滤波器结构紧凑、模型简单便于系统的集成，并且 其频响特性相对于传统低通滤波器来说 19也有了一定的改善，在工程上更易于实现。 常用的 构有哑铃形、 U 型槽、环形等28，如图 示： 图 常见 构示意图 低通滤波器的基本技术参数 在设计低通滤波器时，考察其性能的重要指标主要有：频率范围、频带宽度、插入损耗等，下面将对这些技术参数进行阐述。 1插入损耗：定量地描述了滤波器的功率相应幅度与 0准之间的差值，用于表征滤波器的损耗特性，其数学表达式为： ()= (其中，滤波器的输入功率，输出功率，由信号源到滤