（无线电物理专业论文）fss在波导滤波器中的应用.pdf

摘要 摘要 伴随着现代无线通讯、通信相关行业的发展，对现在的滤波器以及双工器提 出了更高的要求，比如说小型化、频率选择性良好、低插损、寄生通带更远等等。 为达到以上目标，本论文致力于新型小型化波导滤波器及双工器的研究和设计。 本文介绍了滤波器综合设计的相关理论，并提出了两种自谐振膜片：f s s ( f r e q u e n c ys e l e c t i v es u r f a c e ) 带通膜片和f s s 带阻膜片，利用它们各自设计了一 款滤波器。而采取f s s 带通膜片和带阻膜片相互组合设计了一款混合f s s 波导滤 波器，并设计出样品。对比直接耦合腔滤波器，达到相同设计目标，所需的整体 体积缩小了5 0 左右，实现了小型化。另外，本文对f s s 双工器也有所研究。 关键词：插入损耗，寄生通带，滤波器，f s s a b s t r a c t a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，m o r er e q u e s ti sn e e d f o rw a v e g u i d ef i l t e r sa n dd i p l e x e r s ，s u c ha ss m a l ls i z e ，g o o df r e q u e n c y s e l e c t i v i t y , l o w i n s e r t i o nl o s sa n df a r t h e rp a r a s i t i cb a n d s n l ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st os t u d ya n d d e s i g nn e wc o m p a c tw a v e g u i d ef i l t e r sa n dd i p l e x e r sw i t ht h e s ec h a r a c t e r i s t i c s 1 1 1 e m a i nw o r k sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： s y s t e m a t i cf i l t e rd e s i g nt h e o r i e sa r er e v i e w e da n db r i n gf o r w a r dt w ok i n d so ff s s ( 丘e q u e n c ys e l e c t i v es u r f a c e ) i r i s e s ：t h eb a n d p a s sf s sa n d t h eb a n d s t o pf s s u s i n g t h e m ，w ed e s i g nt w ow a v e g u i d ef i l t e r s a n dw i t ht h eb a n d p a s sf s sa n dt h eb a n d s t o p f s sc o m b i n a t i o n ，w ed e s i g n e dan o v e lf s sw a v e g u i d ef i l t e r , m o r e o v e rw eg e ti tt o m a n u f a c t u r e c o m p a r e dw i t hd i r e c t l y c o u p l e dw a v e g u i d ef i l t e r , t or e a l i z et h es a m e d e s i g ng o a l ，t h es i z e so fw a v e g u i d ef i l t e ri sm i n i m i z e d o t h e r w i s e ，ac o m p a c td i p l e x e r i nt h ex b a n djsc o n s t r u c t e d k e y w o r d s ：l o wi n s e r t i o nl o s s ，f a r t h e rp a r a s i t i cb a n d s ，f i l t e r ，f s s i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 砷年f 月毕日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 导师签名：韭衄 日期：卅年( ) 月乞手日 第一章绪论 1 1 滤波器的研究背景 第一章绪论弟一早三百化 w pm a s o n 和r a s y k e s q 在2 0 世纪3 0 年代采用a b c d 参数的方法，推导 出了滤波器相位和衰减函数。后来c o h n 在世界上首次关于直接空腔滤波器给出 了简单有效的理论【2 】；利用集总和分布原型元件之间的联系，l e v y 给出了推导原 型元件公式【习；c a m e r o n 4 j 在设计滤波器的方法中引入了矩阵的概念。前人的种种 努力和尝试，为微波滤波器的良好发展史作出了卓越的贡献。而在我国，2 0 世纪 7 0 年代，也涌现处了一批微波专家，他们在国外研究成果的基础上，进一步完善 和发展了关于微波滤波器的设计理论和方法，提出了更多更好的研究新思路。在 现代的微波滤波器设计，除了用基础理论进行计算和分析之外，更多是采用了复 杂的计算机辅助( c a d ) 的。而随着微波滤波器网络综合法的进一步发展、低温 超导的应用和有源元件的引入应用，让微波滤波器研究领域至今仍然非常活跃。 现代移动通信领域正经历着第三代通信标准的洗礼，语音、数据、多媒体业 务三位一体，腔体结构更多的应用在移动通信基站之中。一般而言，移动通讯都 采用比较低的工作频率，如果采用传统金属滤波器，那就显得很笨重和庞大。而 采用超导薄膜材料来代替金属材料能达到不错的效果，不过由于其稳定性差、价 格高昂等原因，不可能获得普遍应用。现代微波通信系统如飞机机载通信设备、 通信卫星中包括了数以百计的滤波器、双工器，而它们大多数是采用双模滤波器 或是绝缘腔体滤波器，其体积和重量都特别大。介于此背景，如何利用普通金属 材料如铜、铝设计出小型化、高性能的波导滤波器就成为一个重要的课题。因此， 紧凑型波导滤波器研究对国家的信息化、现代化建设发挥重要作用。综上所述， 滤波器尺寸的缩小同时保证其性能的提高将是本课题的两大重要内容 1 2 国内外f s s 滤波器的研究历史以及现状 1 9 6 6 年，m a t t h a e i 在他的专著中就提到具有相同谐振频率但有不同q 值的 自谐振膜片可以通过入g 4 的波导连接起来形成宽通带的滤波器【5 】，这是所查文献 中对频率选择膜片f s s ( f r e q u e n c y s e l e c t i v e s u r f a c e ) 的最早的研究了。文献 6 】 电子科技大学硕士学位论文 中m a t t h a e i 对微波滤波器的设计方法进行了总结概括；文献 7 中r o s a m a r i a 对 凹形的f s s 膜片( 如图1 - i 所示) 进行了深入的研究，他采用基于严格场理论的 模式匹配法。由参数w 。，w b ，z 、v 从直接代数法计算得出每块膜片的z 参数如式 ( 1 1 ) 所示，由它可以计算散射矩阵参数。由此方法设计出一款宽带滤波器 ( f 0 = 2 8 g h z ，x 仁3 5 g h z ) 。 z ：阳( 器) 。( 呢) 7 ( 呒) ( 础) ，1 ( 1 1 ) 。i ( ) ( 露) ( 呒) 7 ( ) ( 茗) ( ) 7l 州 碟l 一口 图1 1 滤波器模型图 l1 2 f 嘭 图1 - 2 基于模式匹配法的电路模型 文献【8 】中a a k i r i l e n k o 采用复杂通孔的自谐振膜片，能够得到更短，频率选 择性更好的滤波器。随着计算机技术，计算电磁场理论的飞速发展，研究越来越 依赖于强大的电磁场仿真工具如c s t ，a d s 等，让研究人员的视野更加的开阔。 文献 9 中r k o z a k o w s k i 研究了椭圆形复合通孔f s s ( 图l - 3 ) ，方法是采用 a u t o m a t e dc a d 软件优化 2 第一章绪论 1 r o ? o 毋? 钆 a = a j - 龟 4 3 4 3 环o ，5 3 鱼+ a = 3 3 89ot 1 21 3 f r e q ( g h z ) 图1 3 单块膜片扫描散射参数s 1 1 响应 图1 - 4 设计图与测试结果 结果，不但提高了滤波器的设计精度，还大大缩短了设计的时间。设计师先 扫描单块膜片中参数变化时的散射参数响应，再用若干块膜片组合模型后优化参 数，得到了类似椭圆函数的高频率选择性能的滤波器( 如图1 4 ) 。 文献f 1 0 】图1 5 中是一款由p c b 板腐蚀而成的对称膜片，图中颜色较浅区域 表示表面金属被腐蚀掉的部分。膜片被设置了四个自由度臂长x 2 ，臂宽y 2 ， 中间保留金属方块的长l l 和宽1 2 。采用仿真软件对每个参数在一定范围内进行扫 描，得到三块所需的参数组合膜片，用一定长度波导连接构成滤波器。优化之， 最后得到的滤波器不仅体积小，结构简单，而且响应优越( 如图1 8 ) 。文献 1 1 中采用仿真软件，结合g e n e t i ca l g o r i t h m ( g a ) 的方法，也做过类似的研究。 弧一 氏j 蟊托_ 6 4 2 o n o o o i l i 一 喾 电子科技大学硕士学位论文 1 ，矗一，一， ：ji 一 j i 如 o# 王j 。辱。：_ d ， ； 。 ，? l ：；、二 卜一。 。 1 d i 7 一 图1 5f s s 膜片形状 图1 7 滤波器效果图图1 - 8 测试结果 由以上的资料我们可以看出腔体滤波器设计方法越来越呈现多元化的趋势。 结合国内外的发展状况，本文中将重点研究基于频率选择膜片( f s s ) 的直接耦 合滤波器。大量的资料和初步的研究表明，频率选择膜片( f s s ) 有相当多的独 有的优势特点： 频率选择膜片( f s s ) 本身就相当于一个谐振电路，他们之间只需要约等 于四分之一长的波导连接就可以构成滤波器。因此可以让滤波器长度缩短5 0 左 右； f s s 的形状变化，频率响应也变化多样，可以按实际需要设计。 4 第一章绪论 由仿真软件得到寄生频带很远( 二倍中心频率以外) ； 1 3 本论文的主要内容 本论文以f s s 在波导滤波器中的应用作为研究课题。论文将对f s s 带通膜片 和带阻膜片进行了系统的研究，了解膜片相关参量对单元膜片的特性曲线的影响， 并将其总结研究，把所得出的结果应用于波导滤波器的设计之中，由此设计出多 款波导滤波器以及一款双工器，并加工成实物。 本文分的章节如下： 第一章：绪论。 第二章：微波滤波器基本相关理论。 第三章：单孔f s s 以及双孔f s s 滤波器的设计。 第四章：混合f s s 带通滤波器的设计和加工测试 第五章：f s s 双工器的设计 第六章：结束语。给出本论文有关结论以及当前技术展望。 电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章微波滤波器设计的基本理论 现代微波滤波器的设计一般是利用网络综合理论，以衰减和相移函数为基础， 首先推导出集总元件低通原型电路，经过频率变换，再转变到需要的低通、高通、 带通、带阻四种微波滤波器，最后，将集总元件原型中各元件用微波结构来实现。 网络综合法经过实际验证，计算相对简单，准确度良好，一般都能导出最佳设计。 因此，本一章节就是大概介绍下集总元件低通原型和频率变换方面的基础理论。 2 2 归一化的低通原型滤波器 集总元件低通原型滤波器是用现代网络综合法设计微波滤波器的基础，经过 适当的变换可以从它推导出各种低通、高通、带通、带阻微波滤波器的传输特性。 图2 1 为低通滤波器的理想化衰减一频率特性。 l 多 o 1 图2 - 1 低通滤波器的理想化衰减一频率特性 从上图我们可以知道，在- - 0 - c 0 1 范围内衰减为零，为“通带”， c o l7 后 衰减为无穷大，为“阻带”。由于不可能达到如此理想的结果，我们所做的只能是 力图逼近此曲线而已。频率响应会根据选取的逼近函数而呈现不同的响应。比如 常见就有以下几种。 6 第二章微波滤波器设计的基本理论 g o = g o ( a ) 捆 ( b ) 图2 2 低通原型滤波器的衰减一频率响应 k _ 9 2k 。= 岛 l l = g ! ( a ) l 3 = 9 3 n 为偶数 g n + 1 鼍g n + i k + i 2 名p 1 ( c ) n 为奇数 k = g 。 k + 1 2 9 ”l g n + l 亍g 日+ 1 ( b ) n 为偶数 n 为奇敷 图2 - 3 低通原型滤波器的电路 上图2 3 就是低通原型滤波器的电路图，而g o ，g l ，9 2 ，g 。，踟+ l 则分别代 表着各个元件的数值。上图两种电路都是低通原型滤波器，它们的响应是一致的。 利用电路的可逆性，左右两边的电阻都可以作为信号源的内阻。归纳各元件的物 理意义： g 。i ：1 一。= 串联电感或并联电容 g o = 若g l = q ，则为信号源的电阻弼 若g 。= 彳，则为信号源的电导q 晶= 若岛= q ，则为信号源的电阻群+ 。 若g 。= e ，则为信号源的电导q “ 通常我们在应用中会把各元件数值进行归一化。 比如说电阻或电导， 只= r 或g = g p ， 7 电子科技大学硕士学位论文 电感， 电容， 三= ( 等 ( 鲁 工= f ，堡a 01 j f ，t , 堕 图2 5 低通滤波器到带通滤波器元件转换示意图 2 3 2 由低通到带阻的频率变换 设低通原型的频率变量为缈，带阻滤波器的频率变量为缈，如图2 - 6 所示。 g 太 一 t 一 图2 - 6 低通原型响应及其相应的带阻滤波器响应 由于缈，_ 0 的点，变换成= 0 和缈= o o 的点；而缈= o o 的点， 点，故由低通到带阻的变换式应是： 土：上f ，旦一一c o o 国叫o ) o 0 3 j 式中 = o ) 2 - c o l o ) o = q 吐 变换成彩= c o o 的 ( 2 - 1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 - 1 5 ) 公式( 2 1 3 ) 中，叫为低通原型的截止频率，形为带阻滤波器的相对带宽，为 阻带中，d 、刎币4 4 4 - ，0 2 为上边带频率，q 为下边带频率。 1 0 第二章微波滤波器设计的基本理论 式中 低通原型滤波器中电感元件的电纳经过公式( 2 1 3 ) 变换后可得 七0 9 l5 去w 旧一詈卜缈q 一击c o l p 一= 一i l ，= 力m 一一 tz - 1 吖 科l 缈 p ， 、 ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) 由此司见，低通原型的电感兀件燹换到带遭滤波器中为e g , 感l ，和电答c p 相开 联，元件数值间的关系可由公式( 2 1 7 ) 和公式( 2 - 1 8 ) 来确定。 同理，低通原型中的电容c ，其容抗变换到带阻滤波器中为 、 七：南f 旦一堕1 = 缈t 一了1 ( 2 - 1 9 ) 一：f i = ，一一 国c w 叫c 7 l 彩j 5 缈c 式中 t = 而1 鬲 2 - 2 。) e ：w c o ；c ( 2 - 2 1 ) 由此可见，低通原型的电容元件变换到带阻滤波器中为电感l s 和电容c s 相 并联，元件数值间的关系可由公式( 2 2 0 ) 和公式( 2 2 1 ) 来确定。图2 7 是低通滤波器 到带阻滤波器元件转换示意图。 等高 易 g 电子科技大学硕士学位论文 t l c 矿一卜一 l p l sc s 沪岫卜川 图2 7 低通滤波器到带阻滤波器元件转换示意图 1 2 第三章单孔f s s 膜片和双孔f $ s 膜片波导滤波器的设计 第三章单孑lf s s 膜片和双子lf s s 膜片波导滤波器的设计 3 1 波导概述 波导具有运行高功率容量以及低损耗的优点，但是它体积大而且价格昂贵。 波导按形状分有几种，我们课题更多的是用矩形波导。矩形波导是最早用于传输 微波信号的传输线类型之一，而且今天仍然由很多应用。用于从1 g i - i z 到超过 2 2 0 g h z 波段的各种标准波导的大量元件，例如耦合器、检波器、隔离器、衰减器 以及槽线等都能买到。由于今年来的小型化和集成化趋势，大量微波电路现时都 采用平面传输线，而不是用波导来制造。然而，在很多应用中，例如高功率系统、 毫米波系统以及一些精密检测应用中仍然需要波导。 3 2 分布参数元件等效电路 在低频电路中基本元件有电感l 、电容c 、电阻r 以及理想变压器，应用它 们可以构成各种低频网络。但在微波电路中，由于元件尺寸与波长可以比拟，一 切元件都要考虑到电磁波动的影响。微波元件的基本结构都是利用微波传输线中 的不连续性来实现，这些不连续性都可以等效成一集总元件电感或电容，并用它 们来构成复杂的微波元器件。 3 2 1 电容膜片等效电路 y 奉f l b 上 万 6 ， 万 图3 - t 矩形波导中电容膜片及其等效电路 图3 1 示出矩形波导中电容膜片及其等效电路，当传输主模玛。时，不连续性 膜片处要激励起高次模，由于碣。模电场只有y 分量，没有x 分量，而不连续性又 只在y 方向上，x 方向是连续的，故满足边界条件的高次模应没有x 分量的电场， 因此，该不连续性可等效成一个集总电容元件，用容纳声表示。其归一电纳可近 电子科技大学硕士学位论文 似为： 否y o = 等h c s c ( 型2 b ) t l 其中以是波导波长，b 是波导高度，6 7 是膜片间距。 下面图3 - 2 是几种电容膜片的等效电路和近似公式： 下区圆3 b 土匿羹圆王d 亘目毒b 2 2 土ii ny 玎闽 上i _ j 匪霎圆 6 ， - = ：= = - = ：i ：= = = = ： 1 屯窭墨墨娶墨圆 i ， 辛 b4 6 。砌 一= l n f _ 8 8 m k 五 2 b b4 b ，x b 一一- m c s c 一 噍 2 b b 勋砌 一= 一m c s c 一 ( 3 - 1 ) o t o 出i b = 石4 b h 畦搬型2 b ) 。厂甲 飞、。 7 图3 - 2 几种电容膜片的等效电路和近似公式 3 2 2 电感膜片及其等效电路 yt l x 图3 - 3 矩形波导中电感膜片结构及其等效电路 图3 - 3 示出的是矩形波导中电感膜片结构及其等效电路。波导中传输的是码。 模在该不连续性膜片上要激励起高次模，这些高次模在膜片口径上的磁场储能大 于电场储能，故可等效成一个集总电感元件，用感纳一声表示，其归一电纳值可 近似为： 否= 专= 知2 ( 堕2 a ) p 2 ， k 日 。l l 1 4 西西西 摹 第三章单孔f s s 膜片和双孔f s s 膜片波导滤波器的设计 式中以是波导波长，口是波导宽度，万是两膜片间的距离。 下面图3 - 4 是几种电容膜片的等效电路和近似公式： 仁出 仁出 仁高 专= 知2 型2 a k 口 。 昙= 鲁以2 f ，型2 a ) 。+ c s c 2 型2 a ) b 2 2 - - - g i 2 礤 图3 - 4 几种电感膜片的等效电路和近似公式 3 2 3 电感柱及其等效电路 图3 5 示出的是矩形波导中的电感柱及其等效电路。当波导中传输t e l o 模时， t e l o 模无y 方向磁场，而不连续性在y 方是连续的，故这些高次模没有y 方向磁 场分量，是t e 模。高次模的磁场储能大于电场储能，呈现感性。 y + l x 图3 - 5 等效电路中的各变量【1 2 】为： n 净n 铂- 2 s i n ：o + 2 轰掣”别一坨一，) b 3 ， s l e o ts - s i n 2 8 + 一主：咖胁础一c 别叫他一- p 4 ， 一2 、 ，、肌九7 0 = 万五a( 3 - 5 ) 口7 口冒图一 量 一 电子科技大学硕士学位论文 = 秒m 2 ( ，一恙卜2 护 p 6 ， 弘誓一( 寄) c 。s e c 2 0 i - 去f + ( 等等) 2 ( + 怎) p 7 ， 弘薏c o s 目 x ： 茎! ： 一2 x o xb + x ：+ 1 ，：一生a r c t g ( x b ) 2r e ( 3 8 ) ( 3 9 ) ( 3 1 0 ) 上式中，厶= c f oy 9 自由空间的波长，疋= 2 衫板夏丽为波导波长。 3 3 单孑lf s s 膜片 我们所提出的单孔f s s 膜片通带滤波器除开它的寄生通带要比传统的半波长 滤波器要远以外，长度规模也基本少了近二分之一。这种新型过滤器是基于出色 的自谐振膜片，即在薄片上开的小厚度窗口，这表现为半集总元件。设计中的这 些结构是快速计算和准确，这是一个优势。其简单实物形式使他们服从严格的分 析通过模式匹配法。 单孔f s s 膜片实际上是一种凹形膜片，我们以前用的直接耦合腔滤波器中用 的膜片，它们的窗口位置是在中心的，但凹形膜片的窗口位置却是在上面，其本 身的q 值比较低，适合做宽通带的滤波器。单孔f s s 膜片的显示效果图如下所示： 1 6 第三章单孔f s s 膜片和双孔f s s 膜片波导滤波器的设计 t h i c k n e s s ：t 图3 - 8 单孔f s s 膜片的形状示意图 经过相关文章的参考和一段时间的研究，我们认为单孔f s s 膜片的等效电路 应该是下面这种情况： t r 图3 - 9f s s 单孔膜片的等效电路图 在a d s 仿真软件上设置好参数，模拟单元单孔f s s 膜片的频幅响应曲线，可 以得到下图： 6 06 3 6 66 97 27 5 7 88 18 ，48 7 9 0 9 39 6 9 9 f r e q ，g l - i z 图3 1 0 单元单孔f s s 膜片的频幅响应曲线 电子科技大带硕士学伉论文 从上图可以知道，s 1 1 在78 g h z 左右取到一个极点，而s 2 1 的下降则显得比 较平滑，此类f s s 膜片比较适合做宽带带通滤波器。 现在我们通过c s t 这种工作软件来验证单孔f s s 膜片的形状参数对谐振频 率、带宽、寄生通带的影响。模型图如下： 图3 - 1 i 仿真模型图 在c s t 里面对膜片宽度w 进行扫描，结果如下 图3 - 1 2 膜片宽度w 对谐振频率的影响 可知道随着w 增大，频率往低端移动。 在c s t 里面对膜片槽深度h 进行扫描，结果如下： 第三章单i lf s s 膜片和双孔f s s 膜片波导滤波器的设计 r e 口r 州 图3 - l3 膜片窗口高度h 对谐振频度的影响 l 女1 1n 击 图3 1 4 膜片窗口高度h 对通带带通的影响 可知随着槽高h 的增加，频率向高端移动，而带宽变宽 下面进行f s s 带通部分的耦合分析，如图所示： 0 “h m 一 | _ 一= 譬鬈胪 = 一l _ = = 譬铃蕊 电子科技火学硕士学值论文 圈3 - 15 耦舍分析的仿真模型 对之间波导段l 进行扫描： f r a m e r s ，6 旧3 - 1 6 波导段l 变化对带宽的影响 随着l 增大，带宽变小： 现有滤波器设计指标如下： 通带中心频率：f 0 = 8g h z 通带带宽：a f = 2 6 g i - i z相对带宽3 25 通带：s 】1 - 2 0 d b 阻带：s 2 1 - 4 0 d b 固门- 6 g h z1 2 = 】0 g h z 通带波纹： r i p p l e - 0 2d b 波导： 2 86 * 5 m m 我们在此固定波导口的参数，采取标准波导尺、jb b - 8 4 ：a = 2 86 m mb - 5 m i l l ； 为便于加工虬及考虑到实际数据的限制，将膜片的厚度设定为i m m 。设计3 d 模 第。章单孔f s s 艟片和烈孑lf s s 幞片波导滤波器的设计 型如下两图所示 凹3 - ”c s t 中屙出结构模型图 利用c s t 仿真软件进行仿真，得到虫【】下图所示的计算结果，中心频率在8 g h z ， 通带下边带在67 g h z ，上边带在93 g h z ，带宽2 6 g h z 危右，在6 g h z 和1 0 0 h z 分别达到4 4 d b 和4 2 d g ，符台事先设定的指标。而从宽频带来看，它的寄生通带 也能在1 8 g h z 以外，很好地体现了在频率选择性的优势。 l 八 江 辫：i 、厂j 八 s 2 】 i i i f i ! o i 1 f ! 幽3 18 c s t 模拟训算结果 o 曲 电子科技大学硕士学位论文 表3 2 结构模型参数的大小( 单位：r a m ) 参量 数值( m m l 备注 a2 8 6波导长 b5 波导宽 z 1 膜片厚度 w 12 2 4 3 膜片1 ，8 通孔宽度 w 2 2 1 7 4 膜片2 ，7 通孔宽度 w 32 1 8 8 膜片3 ，6 通孔高度 w 42 3 0 5 膜片4 ，5 通孔宽度 d 1 1 2 1 膜片1 ，8 通孔高度 d 20 5 0 膜片2 ，7 通孔高度 d 30 5 0 膜片3 ，6 通孔高度 d 4o 9 2 膜片4 ，5 通孔高度 l o5端口长度 l 18 0 2 1 与2 ，7 与8 之间波导长度 l 27 7 3 2 与3 ，6 与7 之间波导长度 l 38 3 93 与4 ，5 与6 之间波导长度 l 3 - j 8 4 8 4 与5 之间波导长度 t o t o l ( l 0 + l 1 + l 2 + l 3 ) 木2 + l 3 - j + 8 木z 2 7 4 7 5 总长度 3 4 双孔f s s 膜片 前面我们介绍过单孔膜片，下面我们介绍主课题涉及到的另外一种膜片：双 孔f s s 膜片。从形状上来看，这种膜片类似于英文字母：h 。它是在一个薄膜片上 开上下两个窗口而成。在2 0 0 0 年a r sor b 提出的为了增加阻带陡度采用的复合 通孔膜片，它是低负载q 值膜片。简单的给出双孔f s s 膜片的显示效果图： 第三章单孔f s s 膜片和双孔f s s 膜片波导滤波器的设计 t h i c k n e s s ：t 图3 1 9 双孔f s s 膜片的显示效果图 同样的，我们先提出双孔膜片的等效电路图： t 丁 图3 2 0 双孔膜片的等效电路图 我们对带阻膜片进行试验仿真，它的频率响应曲线是这样的： f r e q ，g h z 图3 2 1 带阻膜片的频幅特性曲线 电子科技 学硕士学位论文 从上图可以知道，该单元带阻膜片能在8 3 g h z 左右取到一个零点，而左右的 s 1 1 曲线则平滑的下降，这样的频幅特性曲线告诉我们，这样的膜片适台做带阻滤 波器。通过c s t - s t u d i o 仿真软件扫描了带阻膜片的各个参数对频幅特性曲线的影 响。我们先建立单元带阻膜片来进行它各个参数的扫拙。 图3 2 2 单元带阻膜片的模拟结构图 对槽宽w 进行扫描，变化曲线如f 圈： i s l ，i in 击 f r e y 图3 2 3 w 的变化对s 1 i 曲线的影响 第三章单孔f s s 膜片和双孔f s s 膜片波导滤波器的设计 s 2 ，1 ind b 一慕吨形一 l -_- 髓焱 f i ：謦 豇 | ? ? f 眩 上 1 i ll i 盖 图3 2 4 w 的变化对s 2 1 曲线的影响 可知随着上孔或者下孔w 的增大，零点往低端移动。 对槽高h 进行扫描，可得图： 0 1 - 2 - 4 压4 s 1 ，1 ih 击 w 2 = 丘。一一2 一w 2 = v r ，：= 汐 ? = = - 一? 巅藿蠢笺 妄j o 。 、妻，= ：_ 窭三 毒 图3 2 5 槽高h 的变化对s 1 1 的影响 丫 ， 1 6 l ( ：广一 i 6 5 3 3 3 1 e ，乏 2 三= 二? 5 2 碍 2 4 , 5 一。： o 加 啦 哥； 枷 勋 电f 科技大学硕士学位论文 图3 2 6 槽高h 的变化对$ 2 1 的影响 随着h 的增加，零点往高端移动。 对f s s 带阻膜片之间耦台进行分析 建图所示： 图3 - 2 7 为耦台分析建立的模拟结构图 对波导段l 进行扫描： 第三章单孔f s s 膜片和双孔f s s 膜片波导滤波器的设计 s 2 ，1nc b f r e q i e n c y g 卜乜 j 1 = 7 = 一：二! 1 1 = 7 2 5 丫：= 7 j 了5 图3 2 8l 1 的变化对$ 2 1 的影响 零点向高端移动。 知道了双孑lf s s 膜片的形状参数对零点频率、带宽等的影响以后，我们再来 一，设计滤波器就事半功倍了。 现在要求设计一滤波器，所给定的具体指标要求如下所示： 阻带中心频率： f 0 - - 8g h z 阻带带宽： f = 6 0 0 m i - i z 阻带：$ 2 1 - 4 0d b 通带： 5 5 7 1g h z 8 9 1 0 5g h zs 1 1 2 0 d b 通带波纹： r i p p l e = 0 2d b 波导： 2 8 6 * 5i n m 查看相关书籍所知，扁波导b b 8 4 频率范围是6 5 7 9 9 9g h z ，而且实验室正 好也有这样的资源。于是我们就采用b b 8 4 作为滤波器所用的波导。设置波导尺 寸：a = 2 8 6i 衄，i p 5m m ；为便于加工，将膜片的厚度设定为1 5 m m 。 采用c s t 仿真软件进行优化变量：空波导长度l n ，膜片通孔宽度a 1 1 ，高度 b n 。得到优化量如下表： 2 7 电子科技大学硕士学位论文 表3 3 各个优化变量的数据以及说明 参量 数值( m m )各注 a 2 8 6 波导长 b5波导宽 l o5 端口长度 t1 5膜片厚度 d1 中心导体宽度 s 11 0 5 0第1 腔的总长度 s 29 1 9 第2 腔的总长度 s 38 9 8第3 腔的总长度 a 1 a2 8 6 0 膜片a 上孔宽度 a 2 a1 6 3 3膜片a 下孔宽度 a 1 b2 5 6 9 膜片b 上孔宽度 a 2 b1 6 1 7膜片b 下孔宽度 a 1 c2 8 5 8 膜片c 上孔宽度 a 2 c 1 6 1 6 膜片c 下孔宽度 a 1 d2 8 1 3膜片d 上孔宽度 a 2 d1 6 7 9 膜片d 下孔宽度 b 1 a2 3 9膜片a 上孔高度 b 1 b1 5 0 膜片b 上孔高度 b 1 c2 3 9膜片c 上孔高度 b 1 d3 2 9 膜片d 上孔高度 b 2 a1 8 1膜片a 下孔高度 b 2 b2 4 9 膜片b 下孔高度 b 2 c 1 8 1 膜片c 下孔高度 b 2 do 7 1膜片d 下孔高度 l 1 9 0 0 第1 腔的空波导长度 l 27 7 0第2 腔的空波导长度 l 37 4 8 第3 腔的空波导长度 1 t4 0 1 8总长度 2 8 第三章单乙f s s 膜片和舣孔f s s 膜片波导滤波器的设计 目j 2 9 c s t 中画出精构模型幽 卜八a ； 卜川h 一， p 1 s l l d 剖3 3 0c s t 计算结粜 刚3 - 3 1 加j 产品图示 电子科技大学硕士学位论文 jf 劁，：，f z ：澎 旷一! “、 ： ：s 1 1 - ： f i jj 。j jjjj|jj i一：； s 2 1 - 1 图3 3 2 加工产品的测试结果 上图为加工实物照片及其测试结果，样品技术指标如下： 中心频率：7 9 g h z 一 阻带带宽：4 8 0 m h z 通带驻波比： 1 5 插入损耗： 4 5 d b 通带波纹： _ 0 2 d b 连接波导尺寸：2 8 5 m i n x l 2 6 2 m m 长度尽量短。 4 2 混合f s s 滤波器的设计 首先我们先来设计通带部分。根据相关理论结算，我们知道滤波器需要5 个 谐振腔。我们选择3 个带通膜片。波导口尺寸为2 8 5x1 2 6 2 m m ，根据前面f s s 带通滤波器的设计方法，我们先来模拟单个f s s 膜片，找到它的极点。单个f s s 带通膜片幅频特性曲线的仿真结果见图。 f r 圜g 3 l 电子科技大学硕士学位论文 图4 - 1 单个f s s 带通膜片的幅频特性曲线 有这样的基础以后，我们来设计阻带部分，利用f s s 带阻膜片所产生的零点 来提高滤波器的频率选择性。由于要在通带部分制造两个零点，我们需要模拟两 个带阻膜片分别在7 1 g 和9 g h z 产生零点。 巴 n ) e d r 而_ r 百两 i 。- i l 竺! ! ! ! i ih i 13 i 卜i 吲 _ j 6 57 o7 5& 08 59 059 8 俩g 七 图4 - 2 在9 g h z 产生零点的模拟结果 t 旭! q g h z 图4 - 3 在7 1 g h z 产生零点的模拟结果 在设计了带通和带阻部分以后，作为第三步，我们需要利用前面分析所得到 的数据把带通膜片和带阻膜片连接起来，组合成一个完整的波导滤波器。我们在 连接膜片的时候，是以假设四分之一波长1 2 3 m m 来连接的。这样直接连接起来可 以得到一个粗略的结果。 其结构如下图所示，中间三个带通膜片，结合二个带阻膜片分别在左右两边。 3 2 第四章混合f s s 带通滤波器的实验研究 o l - e l - ，) 图4 - 4 整个滤波器的结构示意图 懒，a 电 图4 5 直接连接起来初始的模拟结果 从上图可以看出，因为各个f s s 膜片之间的耦合的影响，直接连接起来的结 果并不是很理想，无论是通带部分还是零点位置都和设计目标有些出入。于是我 们需要进行优化，利用c s tm i c r o w a v es t u d i o ，我们可以得到模拟优化前后的数据 对比： 表4 1 模拟前后的局部数据对比 电子 技凡学硕士学位论文 0 m h s m ” d l 胁】 粥|w 啪d * 帅h l ：【m 9 - d m 1 自“ ”m m l d i h du p ms j r d o l “h 咖m t 1 舳d d k b 蛳 3w h d m l d n i t j ，w m h d l hb a n d * u j m 1 w l m h m o r h 2 3 4 4 i d t h 。_ 。p 婶s h dt h e h 伸m 1 0w l m h 舢_ s 0 0 b # h h u p f m d k m 蛳p 1 m q m h b 邮口州d h h m 1 目 - 峋k d m i h “州 t 峋h h 蝴m h “* q 1 5 r 。岫i m h m m 2 m 目m d ”附蝴hn d 曲p i m 1 j q h i “自* 岬m 1 5 m 山m d m * * 妇h m r 脯 口11 ”le *l m d m * h h q1 ”j * l m d m 唧_ 啪 1 u1 城 山m h m k t 岬- 酶 经a u t o c a d 画图，我们利用硬铝原料加工了滤波嚣。图4 - 6 为双工器的加 工实物。 尉4 - 6f s s 滤波器样品的照片 第四章混合f s s 带通滤波器的实验研究 4 3 滤波器的测试 图4 7 是滤波器的实际测试曲线和优化曲线之间的对比： 图4 7 优化曲线和测试曲线的对比 由图可以得到，样品测试曲线和模拟优化曲线大致上还是比较吻合的。通带 部分中心频率在8 0 5 g h z ，反射系数低于1 8d b ，通带部分插入损耗在0 8d b 左右， 带宽为8 0 0m h z 。而在7 1 2g h z 和8 9 5g h z ，阻带衰减都在4 9d b 以下。对比起 直接耦合腔滤波器，我们f s s 滤波器长度4 2 m m 仅仅为其三分之一左右，这无疑 表明f s s 在小型化方面取得了一定的突破。 电子科技大学硕士学位论文 5 1 双工器概述 第五章f s s 双工器的设计 三端口元件是具有三个端口波导的接头，在微波技术中常常被用来作为分路 元件或者功率分配器、合成器。而双工器就是一种三端口器，通常是用双工器来 隔离两个不同的信道。对于这样的三端口元件，我们的基本要求是损耗小、驻波 比小、频带宽。 双工器主要部分是两个滤波器，他们互相之间会有较大的电抗引入影响，所 以通带特性会遭到不同程度的破坏，如果直接连接可能会造成公共端的阻抗的不 匹配。我们采取的办法是重新进行双工器的相关参量优化，从而达到课题所需的 要求。因此，双工器的设计要比一般的滤波器设计要复杂得多。根据相关项目需 要，我们设计满足下面指标的双工器： 接收端r x 中心频率：4 9 7 5 g h z 带宽：2 6 0 m h z ( 4 8 4 5 - 5 0 0 5 g h z ) 驻波比： 1 2 5 插损： 8 5 d b 4 6 5 g h z 发射端t x 中心频率：4 5 2 5 g h z 带宽：2 6 0 m h z ( 4 3 9 5 4 6 5 5 g h z ) 驻波比： 1 2 5 插损： 8 5 d b 4 6 5 g h z 双工器的通道滤波器采用f s s 混合波导滤波器，而双工器选用了滤波器与h 面t 型接头直接相连的结构形式。 第五章f s s 双工器的设计 5 2 波导t 型接头 三端口功率分配的或者合成元件的结构形式其实有很多，就比如说常用的 e t 、h t 、对称y 分支电阻性功率分配器和威尔金森功率分配器。我们采用了最 简单的t 接头作为我们的三端口网络。一般来说，在双工器中分支波导与主波导 垂直，形状就像一个“t ”字，从而实现信号在双通道里面的传输。t 接头里面分 支波导与天线连接，作为接收信号和发射信号的公共渠道：而主波导的两端分别 与两个通道滤波器连接，分路传输发射信号和接收信号。 t 接头又分为e t 接头与h t 接头。他们是根据分支波导平面是与磁场还是 与电场所在平面一致来划分的。若与磁场平面一致，是为h t 接头；若与电场所 在平面一致，称为e t 接头【l3 1 ，如图5 1 。 3 5 3 波导双工器的设计 图5 1e t 接头 5 3 。1 双工器的通道滤波器的设计 2 接收端滤波器的设计： 根据切比雪夫低通原型的基础知识计算得，我们需要8 个谐振腔，由七个带 通膜片和一个带阻膜片构成。根据前面章节所说利用混合f s s 膜片波导滤波器的 设计方法，还有课题提供方的要求，我们采用s m a 接头馈入。其结构图如下所示： 电子科技大学硕士学位论文