（无线电物理专业论文）通信中宽带滤波器的研究.pdf

摘要 摘要 随着射频、天线和微电子技术的快速发展，特别是低成本高处理、高采样速 率v l s i 超大规模集成芯片的突破性进展，使得超宽带无线通信的普及成为了可 能。为了适应超宽带技术的快速发展，研制性能优良、结构可靠的超宽带器件已 经逐步成为国内外学术界的热点。超宽带滤波器作为关键器件之一广受各国学者 关注，并获得了快速发展。 本文在研究经典超宽带滤波器结构的基础上，分类总结了较有代表性的三类 超宽带滤波器，并对每种结构的实现方法做了介绍。之后立足于经典宽带滤波器 综合理论，结合当今符号计算软件推导出了新型宽带滤波器设计公式，并应用公 式设计、仿真、加工出了两款宽带滤波器，验证了公式的实用性和设计步骤的正 确性。根据带宽范围的不同，给出了应用于不同带宽的实现形式，扩展了公式的 应用范围并针对每种形式提出了非平面实现结构，丰富了宽带滤波器的设计。最 后对各章节进行了概括性总结并对本论文值得探讨与深入的地方提出了展望。 关键词：宽带滤波器综合影像参数宽带等价理论非平面实现结构波 导宽带滤波器 a b s t r a c t w i t ht h er a d i o ，a n t e n n aa n dt h er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y , e s p e c i a l l yi nl o w - c o s t ，h i 曲p r o c e s s i n ga n dh i g hs a m p l i n gr a t ev l s iv e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t e dc h i pb r e a k t h r o u g h ，m a k i n gt h ep o p u l a r i t y o fu l t r a - w i d e b a n dw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n si n t op o s s i b l e i no r d e rt om e e tt h er a p i dd e v e l o p m e n to f u l t r a - w i d e b a n d t e c h n o l o g y , d e v e l o p e d e x c e l l e n t p e r f o r m a n c e ，r e l i a b l e s t r u c t u r e u l t r a - w i d e b a n dd e v i c e sh a v eg r a d u a l l yb e c o m eah o ta c a d e m i cc i r c l e sa th o m ea n d a b r o a d u l t r a - w i d e b a n df i l t e ra so n eo ft h ek e yc o m p o n e n t so fw i d e b a n ds y s t e m ， s c h o l a r sf r o mv a r i o u sc o u n t r i e sg i v ei tm u c hc o n c e r na n du l t r a - w i d e b a n df i l t e ro b t a i n e d r a p i dd e v e l o p m e n t i nt h i sp a p e r , b a s e do nc l a s s i cu l t r a - w i d e b a n df i l t e rs t r u c t u r e ，w es u mu pt h r e e t y p e su l t r a - w i d e b a n df i l t e r sa n ds t r u c t u r e so fe a c hi m p l e m e n t a t i o nm e t h o d a f t e rt h e f i l t e rs y n t h e s i sb a s i n go nt h ec l a s s i c a lt h e o r yo fb r o a d b a n d ，c o m b i n e dw i t ht o d a y s s y m b o l i cc a l c u l a t i o ns o f t w a r e ，w ed e r i v ea n e w t y p eo f b r o a d b a n df i l t e rd e s i g nf o r m u l a s a n da p p l yt h ef o r m u l ad e s i g n ，s i m u l a t ea n dp r o c e s so u to ft w ob r o a d b a n df i l t e r s ， v e i l f y i n gt h ep r a c t i c a l i t yo ff o r m u l aa n dc o r r e c t n e s so ft h ed e s i g ns t e p s a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tb a n d w i d t hr a n g e ，w eg i v et h ed i f f e r e n tf o r m st oe x p a n dt h ea p p l i c a t i o n s c o p eo ft h ef o r m u l aa n df o re a c hr e a l i z a t i o nw eg i v et h en o n p l a n a rs t r u c t u r e f i n a l l y , w es u mu pe a c hc h a p t e ra n dp r o s p e c tt h ea r e an e e d e di n - d e p t he x p l o r e k e yw o r d s ：b r o a d b a n df i l t e rs y n t h e s i si m a g ep a r a m e t e r s b r o a d b a n de q u i v a l e n t t h e o r yn o n - p l a n a rr e a l i z a t i o ns t r u c t u r ew a v e g u i d eb r o a d b a n df i l t e r i i 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。 签名：通塾日期：劢o 年f 月 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：地导师签名： 日期：训。年g 月l 髫日 2 第一章绪论 第一章绪论 1 1超宽带无线通信概述及研究背景 根据f c c 的规定【l 】，超宽带信号有两种定义：第一种是指l o d b 带宽超过 5 0 0 m h z 的任意波形。第二种是指相对带宽大于2 0 的任意波形，相对带宽的定义 为，7 = 2 x 魄一无) + 五) ，其中厶、五分别表示1 0 d r 相对带宽的高、低频率。 实际超宽带技术在1 9 4 0 年就已经出现，源于时域电磁学中对某类微波固态网络瞬 时特性的冲激响应描述；到1 9 6 0 年，超宽带技术开始应用于雷达领域；1 9 7 2 年在 美国申请了第一个超宽带脉冲检测器专利；1 9 7 8 年出现了较完整的超宽带通信系 统；1 9 8 4 年超宽带系统进行了长距离试验，作用距离达到l o 千米；自1 9 9 0 年美 国国防部高级计划局对超宽带技术开始进行论证；2 0 0 2 年2 月美国联邦通信委员 会f c c ( f e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n ) 发布了超宽带技术的“f i r s tr e p o r ta n d o r d e r ”，自此u w b ( u l t r aw i d eb a n d 超宽带) 技术开始了商业应用【2 1 ，这是 u w b 技术发展史上的一个里程碑。自此超宽带技术，特别是超宽带无线通信技术 得到了迅猛发展。 超宽带与现存通信技术最根本的区别在于其无需载波，从而大大降低了发射、 接收设备的复杂性，从根本上降低了成本，超宽带技术的优点主要有以下几点【3 】： 1 系统容量大，频谱利用率高。由于不用产生载波可以直接发射脉冲序列， 因此超宽带系统具有宽频谱和低功率的特点。 2 结构简单，安全性高。因为无需载波、变频，也不需要本振和混频，致使 系统结构变得非常简单。由于超宽带信号采用跳时扩频技术射频带宽大、发 射功率谱密度低，使得超宽带信号隐蔽于其他信号之中传统接收机无法识别，因 此提高了系统的安全性。 3 有效抗多径衰落能力。多径效应是指在传播中由于多次反射造成存在延时 的多个信号都被系统接收。经过反射和延时到达接收端的信号不在时域脉冲接收 时问段内，取样门呈关闭状态，因此干扰信号不会影响系统性能。 4 低发射功率。因为超宽带系统扩频增益比较大，即使采用低增益全向天线 也能使用小于l m w 的发射功率实现数千米范围内的通信。 综合以上优点，u w b 技术在民用领域存在巨大市场，美国f c c 预言，u w b 电子科技大学硕士学位论文 技术可带来一场产业革命。为满足目前宽带h i t e n l e t 无线接入和宽带多媒体业务增 长的需要，民用u w b 技术的研究主要集中在短距离高速连接和高速无线个域网 ( w p a n ，w i r e l e s sp e r s o n a la r e an e t ) 上。表1 - 1 给出了美国f c c 授权的u w b 技 术应用领域的相应频段划分。 表1 - 1f c c 授权的超宽带应用领域及频段划分 应用领域使用频段 透地雷达成像系统9 6 0 m h z 以下，3 1 g h z - 1 0 6 g h z 墙内成像系统9 6 0 m h z 以下，3 1 g h z - 1 0 6 g h z 穿墙成像系统 9 6 0 m h z 以下，1 9 9 g h z 1 0 6 g h z 医疗系统3 1 g h z 1 0 6 g h z 监视系统1 9 9 g h z 1o 6 g h z 汽车雷达系统2 4 0 7 5 g h z 以上 通信与测量系统3 1 g h z 1 0 6 g h z 1 2超宽带滤波器国内外研究现状 作为超宽带系统的关键部件，超宽带滤波器的研制广受国内外专家学者的关 注。现代超宽带滤波器在结构上主要包括微带、悬置带线( s s l ) 和共面波导( c p w ) 及它们的混合结构。在实现形式上主要分为以下三种形式： 低通滤波器+ 高通滤波器 高通滤波器+ 带阻滤波器 带通滤波器 上述u w b 滤波器虽然采用了不同的形式和结构，但都实现了宽带滤波特性。 应用低通+ 高通形式来实现超宽带滤波的典型结构是由w o l f g a n gm e n z e l 等于 2 0 0 5 年提出的悬置带线超宽带滤波器【4 】，如图1 1 所示。图( a ) 中，滤波器左半部 分是一个低通滤波器，右半部分是一个高通滤波器，截止频率分别为1 l g h z 和 3 6 g h z ，通过将两滤波器级联实现了超宽带滤波特性。针对直接级联带内特性较 差的情况，在两滤波器之间加入一级匹配结构可使通带内特性得到有效改善。最 终达到的通带内性能为回波损耗大于2 0 d b 、插入损耗小于0 4 d b 。 2 第一章绪论 图1 - 2 级联环型超宽带漳渡器 直接构成带通滤波器的典型结构分别是j i a - s h e n g h o n g 小组和l d z h u 小组提 出的超宽带滤波器结构。两个小组分别对两种滤波器进行了一系列的研究在提 高性能、缩小体积等方面不遗余力。 j i a s h e n g h o n g 小组提出的结构基于经典滤波器综合理论，其基本形式如图 1 3 所示嗍。因将微带线进行了弯折并使多个短截线共用一个接地孔。滤波器的外 形尺寸大大减小。但电造成了输入、输出端在一侧的不便。 电子科拄大学硕士学位论文 圈 霆 图j - 3 r i a - s h e n g h o g 小组提出的超宽带滤波器基本形式 而后j i a s h e n g h o n g 小组对此基本形式引入了一系列功能结构：如引入输入、 输出耦合使通带两边产生传输零点【”，如图i 一4 所示。零点位置由平行耦合线长度 及线间距共同调节这种结构不单引入了传输零点增加了带外抑制度，还使输入、 输出端在器件两侧，方便了其在系统中的连接。 r m 1 t 3 目 j 8 ) ! i 身理尺寸 ( b ) 仿真结构 囤1 4 嫱入、输出耦合超宽带滤波器 f c c 规定的超宽带范围中还包含了其他射频制式，如w l a n ( w i m l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ) 的频率为5 8 3 g h z 会对超宽带信号形成干扰。j i a - s h e n g h o n g 小组应 用嵌入式靴刺结构在通带内形成带宽很窄的阻带柬抑制此类信号的干扰鸭所述结 构如图1 - 5 所示，图中的g 值控制阻带带宽，靴刺线长度控制阻带中心频率。 第一章绪论 ( a ) 物理尺寸 雹1 - 5 嵌 式靴刺超宽带滤波器 ( b ) 仿真结构 不仅如此，j i a - s h e n gh o n g 小组还在滤波器中加入电路来控制是否产生阻带 如图1 - 6 所示加入的电路可以控制二极管的通断从而决定嵌入式靴刺是否起作 用。 a ) 可控嵌入式靴蒯 ( c ) 实物图 ( b ) 控制电路 图1 6 阻带可控式超宽带滤波器 d ) 测试结祟 季 圜秽 电子科技大学碗士学位论文 l e iz h u 小组基于阶梯阻抗多模理论提出了一种新颖的宽带滤波器结构 9 1 ，其 基本形式如图1 7 所示。从图中可知。这种形式的宽带滤波器可以产生五个极点， 并通过改变中间低阻抗线与两侧高阻抗线宽度的比例调整各极点间的距离从而达 到控制带宽的目的。 a ) 模型结构 b ) 仿真与测试 图1 7l e iz h u 小组提出的超宽带滤波器基本形式 l e iz h u 小组在此结构的基础上做出了诸多改进：如改变两侧高阻抗线与中间 低阻抗线的耦合位置，使1 i g h z 处的寄生谐振无法被激励起来，从而达到消除寄 生通带的目的【1 0 - 1 1 ，其结构和响应如图1 8 所示。 b ) 模型尺寸 b ) 仿真与剥试 图1 8 寄生频率抑制超宽带滤波器 l e iz h u 小组另一种移远寄生通带的方法是在低阻抗线的中间和两端加入三个 终端开路短截线”】，通过调整三个短截线的长度可以将前四个谐振模式调整到 3 1 1 06 g h z 范围内，并使第五个模式韵频率高于1 5 g h z 从而达到抑制寄生通带的 目的，如图1 9 所示。 第一章绪论 a ) 模型_ f 芒寸 ( b ) 中问短截线仿真( c ) 两测短雒线仿真 图i 9 极点可调超宽带滤波器 1 3论文内容安排及创新点 本文在对超宽带通信系统进行概括性介绍的基础上着重研究了系统中的重要 部件超宽带滤波器。文章首先总结了现今超宽带滤波器的发展情况，列举了 数种典型结构和实现方式。而后从滤波器综合理论出发，阐述了现代滤波器综合 理论的形成过程及宽带滤波器理论。立足宽带滤波器的理论基础，通过符号运算 软件推导出新型宽带滤波器设计公式。紧接着在新公式的基础上根据现有结构和 实际应用，归纳出用于不同带宽的宽带滤波器形式和非平面实现结构。最后，针 对毫米波凋落模波导滤波器提出一种新型耦合增强结构用以在波导滤波器中实现 更大的带宽，井与传统方式进行了比较。第六章对本文还需深入探讨的地方做了 展望。 论文结构安排： 第一章，概述了超宽带通信系统的发展历程和技术特点列举了超宽带的应 用领域和频段划分，并对现有超宽带滤波器进行了总结。 第二章从现代滤波器综合理论出发介绍滤波器的综合过程。 7 电子科技大学硕士学位论文 第三章，立足宽带滤波器综合理论，借助现代符号计算软件，推导出新型宽 带滤波器设计公式并对由该公式设计出的滤波器进行测试来验证公式的正确性。 第四章，根据现有结构和实际应用，归纳出用于不同带宽的滤波器实现形式 并提出相应的非平面结构，通过仿真验证其可行性。 第五章，针对毫米波凋落模波导滤波器提出一种新型耦合增强结构，用以增 加毫米波波导滤波器的带宽。 第六章，在总结全文的基础上提出待探讨和深入的问题。 论文主要创新点： 1 在继承现代宽带滤波器设计理论的基础上，借助先进的计算手段，提出超 宽带滤波器新型设计公式并应用公式设计、加工出实际样品，此设计公式在以往 刊物中未见发表。 2 根据不同带宽宽度所要求的结构特性和现有工艺、结构，归纳出用于不同 带宽的滤波器实现形式和非平面结构。 3 提出一种有效提高毫米波滤波器带宽的凋落模波导滤波器耦合增强结构， 并应用这种结构设计、加工出一款毫米波宽带滤波器。 8 第二章现代微波滤波器设计理论 第二章现代微波滤波器设计理论 2 1主要设计指标 滤波器特性可用其频率响应来描述，按响应的不同，可分为低通滤波器、带 通滤波器、高通滤波器和带阻滤波器。定义参数q 为归一化频率，表示实际角频 率缈与中心角频率( 截止角频率) 的比值，即： f l = 罢( 2 - 1 ) 归一化频率q 没有量纲，其作用是简化滤波器的设计过程。q 在各种滤波器 中的具体定义分别为：在低通滤波器和高通滤波器中表示实际角频率与截止角频 率的比值，即归一化截止频率为l ：在带通滤波器和带阻滤波器中表示实际角频率 与中心角频率的比值，即归一化中心频率为l 。 理想滤波器在加入系统后不会引入任何新的损耗，而在实际应用中滤波器的 固有功率损耗是无法避免的，插入损耗( i l ，i n s e r t i o nl o s s ) 定义了滤波器所引起的 功率损耗，其数学表达式为： i l = 1 0 1 。g 譬= 一1 0 l o g ( 1 一吖) ( 2 - 2 ) 其中，只是滤波器从信号源得到的输入功率：p l 是负载从滤波器得到的输出 功率；l 是从信号源端向负载端看去的反射系数。 不是所有来自于源的可用功率都传递给了负载，这种“损耗”称为回波损耗 ( r l ，r e t u r nl o s s ) ，其数学表达式为： r l = 一2 0 l o a f i ( 2 3 ) 完全匹配时( f = o ) 具有o o d b 的回波损耗( 无反射功率) ，全反射时( f = 1 ) 具有0 d b 的回波损耗( 所有功率被反射) 。 工程中常用电压驻波比( v s w r ，v o l t a g es t a n d i n gw a v er a d i o ) 描述失配程度， 其数学表达式为： 9 电子科技大学硕士学位论文 飚职= 芒= 诵l + l r ll i r i ( 2 4 ) 其中，v s w r 是一个实数，且1 v s w r j 0 1 l j 2 3 瓦，瓦 lj i n n + l 图3 3 只含一种电抗元件的低通原型 为使各联接线阻抗相等，设变换器的变比为常数，并联电容为未知量。 应用对偶原理将低通原型转化为只含一种电抗元件的，变换器原型： 1 左端节转化 生 j 0 1l 下，1 图3 4 左端节等效示意图 2 3 电子科技大学硕士学位论文 匕：_ ，鳐i + 上 g ol = 触+ 鲁 ( 3 - 1 ) 转化过程如图3 4 所示，设等价比例系数为1 ，即匕= ，又因为j o = j a ， 从而有： 2 中间端节转化 p 工 一l 卫 j 0 1 图3 5 中间端节等效示意图 ( 3 - 2 ) l=-，馏-+=jmca-+面ao,(3-3)j092j 乙8 2 转化过程如图3 5 所示，设等价比例系数为1 ，即匕= l ，又因以：= ，从 而有： 3 右端节转化 c a 2 = 9 2 ： 上 j n n + l 碜声 图3 6 右端节等效示意图 2 4 g 8 ( 3 4 ) i | g幽旷 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 匕= _ ，叼。+ 六gi = 歹砌。+ 每 ( 3 - 5 ) 肘u 口 转化过程如图3 - 6 所示，设等价比例系数为1 ，即匕= ，又因为以肿。= ， 从而有： c 口a ：r2 州g n ：( 3 - 6 g gj ) l 口= 州： 7 从而可得，变换器低通原型元件值： f j k “i = ，j | ，k = 0 以 i c a t = g t ，k i s o d d c a i = g t ，；，k 一s e v e n ( 3 7 ) l嘭= g o ，； lg b = g 川，： 3 1 2确定变换器原型和短截线电路模型的影像参数 分别将两种模型分解为对称节，计算各自的影像参数。 f 影像阻抗( 或导纳) 影像参数 【 影像传输函数 其中，影像传输函数仅决定传输相位，对频率响应没有影响，因此本文对此 不作讨论。由于短截线以并联方式与主传输线相连，因此计算两种模型各端节的 影像导纳可以简化推导过程。 将变换器原型和短截线电路模型分解，如图3 7 、3 - 8 所示。 j 0 1 j 1 2 图3 7 变换器原型拆分示意图 2 5 i n ，n + l 电子科技大学硕士学位论文 图3 8 短截线模型拆分示意图 其中，设虼。= k ：= = 匕。+ = 】j i ，g i = g 2 = k 。 1 两种模型左端节影像导纳 变换器原型影像导纳如图3 - 9 所示： l i j 0 1j l 一i c a l 2 上一 i n n + l j - 下k 十 ic a n + 1 2 lljl 图3 1 l 变换器原型中间端节影像导纳 短截线电路影像导纳如图3 1 2 所示： l 乡 、 l l n + ， y b 2 上 i n n + 1 1 孟 lj g b 图3 1 3 变换器原型右端节影像导纳 磁咖。孚+ 互g b 短截线电路影像导纳如图3 1 4 所示： 2 8 ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) 【 其 d 秒区纽觚 一 2 ， k + 吼巳一伯 舄 + ，m 孙 志志 = = i 2 匕 ，j、 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 i y n 州 1 彳 y s 图3 1 4 短截线模型右端节影像导纳 = 盖峨川瓦( 7 2 + 而j y , + it a n 0 = 面- j y , q 槲 ( 3 - 1 5 ) 3 1 3变换器原型与短截线电路影像导纳宽带等价法则 i 左、右端节等价 等价法则： i 、r e y 加( o ) = r e y 加( 缈1 ) ，r e 圪( j o o ) = r e 圪( j o j l ) i i 、c o = 国l 时， 圪( j r o i ) = y m ( 一1 ) 等价过程： 法则一明显满足，下面应用法则二，设l = 匕，可得 r s l 华y s 2 - 华( 3 - 1 6 ， 2 中间端节等价 等价法则： i 、 缈= c o o 时，短截线电路的影像导纳，必须等于= 0 时相应的变换器原型 的影像导纳( 可乘以一比例系数h ) 。 i i 、缈= 劬时，短截线电路的影像导纳，必须等于c o = 。时相应的变换器原型 的影像导纳( 可乘以一比例系数h ) 。 等价过程： ( 1 ) 当彩= 0 9 0 ，= 0 时，可得： 2 9 电子科技大学硕士学位论文 驴l 压轩誓厩 p 乃 设匕i = h 可得j a = h k ，瓦c a k = 糕 ( 2 ) 当缈= q ，彩= 国i 时，使l i = j i l l i ，l 2 = 匕2 ，可得： y k , k + d i - - 砭毛( _ 4 c 口川l + 2 y k , k + l a 2 - 去( 。饧 铊 ( 3 1 8 ) 其中，彩。为低通原型的带边频率，b 为缈= q 时的口值，以上两式同时也符 合堕：善当，从而可验证计算的正确性。 c a mk + 1 2 3 1 4 全部设计公式 - ，一和h 均为比例常数，其作用是为获得合理或预定的导纳水平，一般情况下 源和负载阻抗均为5 0 0 h m 因此可取j a = l ，h = 5 0 。 匕怯2 。- l2 匕1 j b 2 + 匕舢i ，l l 屯一去 3 0 ( 3 - 1 9 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 其中， y s l - c o i _ c a r ! t a n 0 l 驴等 p 2 2 ， ，赤( - 2 瓜瓦万币丽) 一 k 卅m2 面1 ( - 2 c 口t l + 瓜瓦万币丽) 3 2设计实例 本节将应用上一节推导出的新型短截线宽带滤波器设计公式计算、仿真出一 款中心频率6g h z 、相对带宽1 0 0 、带内波动o 1d b 的五阶宽带滤波器。 经查表可得，五阶o 1d b 带内波动( 定义。= 1 ) 的切比雪夫低通原型滤波器 元件值【1 6 】为： g i = 9 5 = 1 1 4 6 8 9 2 = 9 4 = 1 3 7 1 29 3 = 1 9 7 5 0 取h = 5 0 、j 一= l 可得： e l = 乓2 = 0 0 1 1 5 圪“i ，l = o 0 0 1 6 0 0 0 1 60 0 11 l0 0 0 5 8 k 舢m = 0 0 0 5 8 0 0 1l l0 0 0 1 60 0 0 1 6 经计算各联接线、短截线导纳如表3 1 所示 表3 - 1 f o = 6 g h z 、w = 1 0 0 终端短路式宽带滤波器特性导纳 !兰! ! ! ! 翌! 呈1 2 兰! 垡竺! 呈1 2 l0 0 1 3 10 0 2 换算为阻抗如表3 - 2 所示： 3 l 电子科技大学硕士学位论文 墨! ：! 血：! ! 竺：! 二! 唑璧塑壅墅茎蔓! 竖塑! 堡堡里堕 !互f ! ! 生 ! 出l ! ! ! 竺2 7 6 3 3 5 95 0 将计算结果代入二维仿真软件，建立理想的路仿真模型呻1 为 图3 - 1 5 = 6 g h z 、= 1 0 0 终端短路式竟带滤波器二维理想模型 从而可得到理想的频率响应结果如图3 1 6 所示。 硝斧 甜r m 卜二 l o 一+ ( a ) 理想仿真结果 耐 卜雠 p 1 ( b ) 理想仿真结果2 图3 一l6f o = 6 g h z 、胪= 1 0 ( p o 终端短路式宽带滤波器理想仿真结果 3 2 q 口i 芽 rll￥ o iin； 墨； tll￥ 嚣； 11n￥ 置； tlnt 嚣； 仑 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 由于软件在数学计算上的原因中心频率6 g i z 处出现了一个奇异点。为了去 除此奇异点并保证计算结果正确，可将短截线的电长度由9 0 度调整为9 0 叭度。 八八 掰0毽6弼6璎强6 图3 - 1 7 = 6 6 蜥、矿= 1 0 0 终端短路式宽带谗波器二维理想改进模型 f ：擀 l ! ji憨 i _ 辫埘社辩搿耵i# 斗 u。洲l 1 ：j 二 _ 牛+ 一一 。t 廿 i 睁f h a ) 改进模型仿真结果 引 ：j 1 1 l f ；k + h f l = j j ” ( b ) 改进模型仿真结果2 图3 - 1 8 = 6 g 船、= 1 0 m o 终端短路式宽带嚣波器改进模型仿真结果 可以从图3 1 8 中看到理想二维模型仿真结果没有得到理想的通带波纹、回波 和带宽，下面将分析其产生原因： 宽带理论将所有滤波器参数确定在中心频率和带边频率上，而不是像窄带近 似公式中只是确定在中心频率处。蝗宽带理论也仅是一种近似理论，不能将波形 完美搬移到所需频段。 电子科技大学硕士学位论文 根据嬲络理论可知如果两个嗣络在所有频率上均有相等的电阻( 或乘以一 固定系数) 两个网络将有一致的频率响应。窄带近似中只是将参数定义在中心频 率即可得到满意的结果，但随着带宽增加这种近似的失真逐渐扩大，从而发展出 了宽带理论来修正这种失真。虽然可以得到较满意的结果但近似中并没有将所有 频率的电阻对应起来，使得变换后的波形和原型响应无法完全一致井随着带宽的 增加带内波纹和回波的畸变逐渐增大。下面将给出5 、3 0 和6 0 三种带宽的理 想仿真曲线来具体说明宽带理论的近似程度。 5 相对带宽滤波器的参数和频率响应如表3 - 3 、图3 1 9 所示。从图中可看出 通带波纹、带宽和回波均十分理想，没有明显畸变。 表3 - 3 = 6 g z 、= 5 终端短路式宽带滤波器特性阻抗 i z i ( o h m ) z m ( o h m ) l7 7 1 85 0 a 冬 扩、厂、 厂弋， 厂、 _ 一 卜 l i 。f a ) 理想模型仿真结果 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 ( b ) 理坦凄堑仿翼结果2 图3 1 9 o = 6 g h a 、旷；5 终媸短路式宽带滤渡器理想模型仿真结果 3 0 相对带宽滤波器的参数和频率响应如表3 - 4 、图3 2 0 所示。从图中可看出 除带宽有略微缩小外，波纹和回波并没有明显畸变。 表3 4 矗= 6 、矿= 3 竹；终端短路式宽带滤波器特性阻抗 !互鱼! 竺!当口l 丝型 11 26 7 4 35 0 _ 悟一 - i 一4 - h斗h 一一 + 斗并一 l _ j 毕 l 摊n 9 料一 敞 i 上l # h圳8 j l 十h 十 l 。i 一 ； t 1 1 。 ) 理想模型仿真结果 电子科技大学碗士学位论文 一一 一：= = 一亡j j f l i 一一一一一一一一一一一一 fl f i j i 【一一一一， _ ( b ) 理想模型仿真结果2 圈3 - 2 0f o = 6 g h z 、矿= 3 0 终端短路式宽带滤波器理想模型仿真结果 6 0 相对带宽滤波器的参数和频率响应如表3 - 5 、图3 - 2 1 所示。从图中可看出 与3 0 相对带宽相比不仅带宽进一步缩小，渡纹和回波也开始出现畸变。 墨! ：!五：箜些：兰：竺丝竺些蔓堕苎苎堂兰墨量箜堡曼蔓 !互l 塑型! 】f ! 塑2 l3 l 7 4 6 05 0 十 计、h ! j之t 僻 。牲 锎 h 。廿一* f 降 i ；1什f # ： ：= _ # ： 丰_ ：鞲 卜 一i 】l r 卜 到 引 十一 # # ；t r ( a ) 理想捶型仿真结果 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 ( b ) 理摄模塑仿真结果 固3 2 1 = 6 g h z 、矿。6 0 终墙短路式宽带逮波器理想槿型仿真结果 通过以上论述和比较可得到如下结论：根据宽带理论推导出的公式同样适用 于窄带计算，而且计算精度高；当应用于宽带设计时会醢带宽的增加产生逐渐恶 化的畸变。这一结论与现代微波滤波器的结构与设计中记载的经典设计公式 得到的结果十分类似，而又因设计结果仍然较准确所以可作为初始值进行优化， 具有重要的实际意义。下面将对1 0 0 宽带滤波嚣进行_ _ - - - - 维电磁仿真设计以确定展 终加工尺寸。 在进行整体三维仿真前首先要确定各短截线、联接线的物理尺寸，其中线宽 由特性阻抗决定：线长由中心频率决定。具有某一特性阻抗的微带线宽可以由传 输线计算软件求得，但准确的物理尺寸应该由三维电磁仿真得出唧l 。图3 - 2 2 给出 了微带线宽度的仿真模型，其只需在建立积分线( 阻抗定义为z v ) 后进行端r a 仿 真即可计算出微带线的特性阻抗，如图3 - 2 3 所示。 固孓2 2 积分线设置 电子科技大学硕士学位论文 囤3 2 3 仅解算端口设置 各短截线、联接线特性阻抗所对应的线宽如表3 - 6 所示( 基片 t = 2 2 ，h = 0 5 0 8 m m ) 表3 - 6 ，0 = 6 g h z ，酽= 1 0 0 终端短路式宽带遣波器设计尺寸 i z ( o h m )w ( m m ) 17 63 307 2 虽然每条短截线都为四分之一波长，由于特性阻抗的不同，短截线之间的长 度略有不同。此时可以通过单根短截线的仿真确定每条短截线的长度。仿真模型 如图3 2 4 所示，方法是调整短截线长度，使极点恰好在中心频率位置处，类似于 腔体滤波器中的单腔仿真。 第三章新型短截线宽带滤波器设计公式 网 田孓2 4 短藏线长度确定模型 囝3 2 5 短藏线长度确定模型情翼结果 当确定了每条短截线、联接线的长度、宽度后，则可建立三维电磁仿真模型 如图3 2 6 所示( 基片t = 2 2 ，h = 0 5 0 8 m , n ) 。 瞰3 - 2 6 = 6 g m ，矿；1 终端短路式竟带滤波嚣兰堆仿真檀型 图3 - 2 7 为仿真结果，因为每一步设计都做了三维电磁仿真使得初次结果已经 十分准确。 j 9 电子科技大学硕士学位论文 暖3 - 2 7f o ；6 鼬、矿t 1 0 0 终端短路式竟带滤波誊慵结果 园为相对带宽达到1 0 0 ，所以经优化的结果用2 0 0 1 个点的插值算法进行频 率扫描，结果如图3 2 8 所示。 mfa 计= 等 卜_ 早 i 二l错j 4 7 f 一 7 j t一 图3 2 8 = 6 g h z 、矿= 1 0 0 终端短路式宽带淖波嚣优化结果 3 3 样品加工及测试 基片选用= 2 ，2 ，h = 0 5 0 8 r a m 的r t 5 8 8 0 ，图3 - 2 9 为基片加工图纸口删。 瞳3 2 9 基片加工瞳纸( 单位：r a m ) 第三章新型短截线宽带滤泣器设计公式 将基片与外腔体组装，如图3 - 3 0 所示 瞳3 - 3 0 基片与胜体组装 测试系统为r o h d e & s c h w a r z 的z v a 4 0 ，测试结果如图3 3 l 所示。 l m ，一 ，1 ， 1 l 。1 m ， j l 譬。“ 图3 3 1 测试结果 通带中心插损ol l d b 、驻波比1 1 5 ，带宽略有缩减符台之前的分析与仿真。 将铡试结果与仿真曲线相比较可看出两者基本一致，从而验证了公式推导和仿真 方法的正确性。 电子科技大学硕士学位论文 第四章新型宽带滤波器设计公式在不同带宽范围中的结构形式 第三章推导出的公式因在计算窄带或中等带宽时会得到较低的阻抗水平，而 带宽超过1 1 0 又会因阻抗过高同样难以实现，所以其较适用于计算带宽范围在 4 0 - - - 1 1 0 内的滤波器。而在保持联接线特性阻抗为5 0 0 h m 的情况下，短截线阻 抗在宽带范畴内变化很大，从而单一的形式无法满足实现任意带宽的需要，限制 了公式的应用范围。本章将就不同带宽的实现形式展开讨论。经归纳总结，大体 可以将宽带划分为如下两段分别用具有合理阻抗水平的形式加以实现： 第一段：4 0 一7 0 第二段：7 0 1 1 0 上一章加工出的微带滤波器是为了验证所推导公式的正确性并兼顾j n - r 的简 易性。然而实际通信系统中很少使用微带滤波器，其多是应用于滤波器的理论研 究中。由于第三章中所推导的公式和之前的经典公式最大的不同就是所有联接线 的特性阻抗均相等，这将使公式的应用范围不再局限于平面结构，而是可向更复 杂的带状线、同轴线等非平面结构方向发展。 4 1二分之一波长终端开路形式带状线结构宽带滤波器 单使用一种结构，无论是终端开路还是终端短路，各短截线支节的特性阻抗 都会随带宽的增大而增加。但两者之间也有差异，即相同带宽情况下终端开路形 式比终端短路形式的短截线特性阻抗要大。当相对带宽处于4 0 0 0 - - 7 0 范围内，如 果采用终端短路形式则会产生短截线支节特性阻抗较小，反映在基片上则为短截 线宽度较宽与联接线不成比例，而改用终端开路形式则会解决这个问题。 现在已经找到了适合4 0 0 0 - 7 0 相对带宽的实现形式，从而问题转变为如何应 用第三章推导的公式计算出终端开路形式各短截线支节的特性阻抗。从第三章中 宽带滤波器“直接推导依据 中可得用终端开路二分之一波长短截线替换终端短 路四分之一波长短截线的原则1 1 6 是： 1 两种短截线在上的导纳都是零，因此一定相等。 2 半波长开路短截线在带边频率q 上的输入阻抗要恰好等于四分之一波长 短路短截线在相同频率上的输入阻抗。 4 2 第四章新型宽带滤波器设计公式在不同带宽范围中的结构形式 根据上述原则只要将第三章的公式加以变换即可应用于半波长终端开路宽带 滤波器的计算，即在应用公式计算出】j ；，f k k = 2 n - i ，后，由式( 4 _ 1 ) 得出终端开路短截 线的特性阻抗，其中z u = o , z l ：= 鸭脱= 了2 x i 2 0 = 罢三，以= 望2 生2 = 罢万。 z。-芝z：=：uj+ij荔z乏。丽l t a n l l l = z 0 2 么z l 2 + + _ ，j 么z 工o ：2 。t 觚a n f l l ( 4 1 ) z 0 2 ：一z o lt a n 筹t a n o ) 1 7 一 现举例说明具体计算过程并进行两种形式的对比。本例将设计一个中心频率 5 g h z 、相对带宽5 0 、带内波动0 1 d b 的五阶宽带滤波器。为易于对比，本章所 有算例均采用0 i d b 波纹的五阶原型参数。 由第三章公式经计算可得终端短路形式各短截线、联接线特性阻抗为： 表4 - 1 = 5 g h z 、w = 5 0 终端短路式宽带滤波器特性阻抗 l2 4 4 55 0 选用s ，= 2 2 ，h = 0 5 0 8 m m 的r t 5 8 8 0 基片，由阻抗计算软件和三维电磁仿真软 件联合求得滤波器各短截线、联接线宽度如下表所示。 表4 - 2 f o = 5 g h z 、w = 5 0 终端短路式微带结构宽带滤波器设计尺寸 12 4 4 53 7 8 4 3 电子科技大学硕士学位论文 经计算四分之一波长为9 3 m m ，而最宽的短截线达到了6 7 6 m m 与联接线长度 不成比例，难以得到正确的仿真结果。 现应用式( 4 - 1 ) 计算半波长终端开路形式滤波器参数。经计算，终端开路形式 各短截线、联接线特性阻抗如下表，其中短截线为半波长；连接线为四分之一波 长，如表4 3 所示，可见所有短截线特性阻抗均处于合理范围之内。 表4 - 3 o = 5 g h z 、矿= 5 0 终端开路式宽带滤波器特性阻抗 15 9 0 35 0 经计算和仿真求得终端开路形式滤波器各短截线、联接线宽度如表4 4 所示。 表4 _ 4 f o = 5 g h z 、矽= 5 0 终端开路式微带结构宽带滤波器设计尺寸 二维理想仿真模型及结果如图4 - l 所示，从图中结果可知l 4 波长短路形式到 l 2 波长开路形式转换法则的计算准确度是比较高的。 ( a ) 二维模型 第四章新型宽带滤波嚣设计公式在不同带宽范围中的结构形式 ，q ( b ) 二维结果 囤牟i = 5 g h z 、酽= 5 0 。, 终端开路式宽带逮渡m - - - 维仿真 三维电磁仿真模型如图4 2 所示。 囤4 2 = 5 g h z 、矿= 僦终端开路式馓带结抽宽带谭渡器三维仿真援型 未经优化的2 0 0 1 个点插值算法仿真结果如图4 0 所示，从囤中可以看出回波 损耗较高，中心频率和带宽没有明显偏差。为了验