（无线电物理专业论文）无线通信系统中小型化微带滤波器的研究.pdf

摘要 摘要 本文针对无线通信系统中的高性能、小型化微带滤波器展开了研究，在滤波 器谐波抑制、小型化方面提出了多种设计方案，并在此基础上设计了多种新型的 微带滤波器。 第一章介绍了无线通信系统中微带滤波器的研究背景和意义，回顾了高性能 小型化微带滤波器的研究现状。目前，高性能、小型化微带滤波器研究主要从新 型封装技术、小型化谐振器、慢波加载、双负材料传输线等几个方面考虑。虽然 人们在这几个方面作了很多工作，但还是有很多问题需要解决。 第二章运用传输线理论分析了阶梯阻抗谐振器的谐振特性，主要分析了两个 截面和三个截面阶梯阻抗谐振器的谐振条件和电长度，为滤波器的设计提供了理 论依据。利用三截面阶梯阻抗谐振器设计了具有谐波抑制作用的小型化微带带通 滤波器。利用阶梯阻抗谐振器的通带可调的特性，设计了可用于无线局域网通信 系统的双通带滤波器，给出了设计理论。 第三章介绍了耦合谐振滤波器设计的一般理论。利用传统的开环均匀阻抗谐 振器设计了一个四阶耦合谐振微带带通滤波器，利用奇偶模理论计算了滤波器的 s 参数，并利用全波电磁仿真软件计算了s 参数。在传统耦合谐振微带滤波器的基 础上，提出了一种谐振器嵌入形式的结构，使滤波器结构更紧凑。利用在滤波器 结构中组成滤波器的各谐振器的基本谐振频率相同、各次谐波不同的特点，使得 谐波抑制达到了4 5 f o 。为了进一步减小滤波器尺寸，本文还设计了一个双层结构 的微带带通滤波器。与单层结构的滤波器相比，尺寸缩小了一半，且滤波器的谐 波抑制也很好。 第四章设计了电容加载的微带带通滤波器。介绍了双模滤波器的工作原理， 在传统双模滤波器设计的基础上，提出了一种新型的电容加载结构，利用传输线 理论分析了这种加载形式的特性，利用这种加载结构设计了一个小型的微带双模 滤波器，与目前报道的小型化程度最好的双模滤波器相比，该滤波器能够在相同 尺寸的情况下做到更好的工作性能。利用缝隙电容加载设计了一个小型的微带带 通滤波器，与没有加载的环形谐振器相比，在同样的工作频率条件下，尺寸减小 很多。 摘要 第五章对全文的研究进行了总结，展望了下一步的工作。 关键词：无线通信系统，微波网络，微带滤波器，集总参数等效电路，传输 线理论 i i a b s t r a c t 一一一 a b s t r a c t r e s e a r c h e so nh i g h p e r f o r m a n c ea n dc o m p a c tm i c r o s t r i pf i l t e r si nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e mh a v eb e e nd o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n s e v e r a ld e s i g ns c h e m e sf o r f i l t e rh a r m o n i cs u p p r e s s i o na n dm i n i a t u r i z a t i o n s a rep r e s e n t e d b a s e do nm e s e s c h e m e s ，s o m et y p e so f n e wm i c r o s t r i pf i l t e r sa r ed e s i g n e d i nc h a p t e r1 ，r e s e a r c hb a c k g r o u n da n ds i g n i f i c a t i o no f m i c r o s t r i pf i l t e ri nw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e ma r ei n t r o d u c e da n da d v a n c e s 白rn l es t u d yo f h i g hp e r f o r m a n c e a n dc o m p a c t m i c r o s t r i pf i l t e r sa l er e v i e w e d a tp r e s e n t , r e s e a r c h e so nh i g hp e r f o r m a n c e a n dc o m p a c tf i l t e ra r em a i n l yd e v e l o p e df r o mn e w p a c k a g et e c h n o l o g y , m i n i a t u r i z e d r e s o n a t o r , s l o ww a v el o a d i n g , a n dd o u b l en e g a t i v em a t e r i a lt r a n s m i s s i o nl i i l e e t c a l t h o u g hm u c hw o r kh a sb e e nd o n ei nt h e s ea s p e c t s ，t h e r ea r em a n y p r o b l e m sn e e d e d t 0b er e s o l v e d i nc h a p t e r2 ，r e s o n a n c ep r o p e r t i e so fs t e p p e d i m p e d a n c e r e s o n a t o ra r ea l l a l y z e d w i t ht r a n s m i s s i o nl i n e t h e o r y r e s o n a n c ec o n d i t i o n sa n de l e c t r i c a l l e n g t h e s o f t w o 。s e c t i o na n dt r i 。s e c t i o ns t e p p e d - i m p e d a n c er e s o n a t o r sa r em a i n l ya n a l y z e d ，w h i c h p r o v i d et h et h e o r yf o u n d a t i o nf o rf i l t e rd e s i g n c o m p a c tm i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e r s w i t hh a r m o n i cs u p p r e s s i o na r ed e s i g n e dw i t ht r i - s e c t i o ns t e p p e d i m p e d a n c er e s o n a t o r t u n a b l ep a s s b a n dp r o p e r t yo ft h es t e p p e d i m p e d a n c er e s o n a t o ri su s e df o rt h ed e s i 鲫 o fd u a l - b a n db a n d p a s sf i l t e rt h a tc a l lb e a p p l i e dt ow i r e l e s sl o c a la r c 组n e 附o r k c o m m u n i c a t i o ns y s t e m d e s i g nt h e o r yf o rt h i st y p eo ff i l t e ri sp r e s e n t e d i nc h a p t e r3 ，g e n e r a lt h e o r yo fc o u p l e d r e s o n a t o rf i l t e ri si n t r o d u c e d c o r 饥t i o m l o p e r 卜l o o pu n i f o r mi m p e d a n c er e s o n a t o r s a r eu s e dt od e s i g naf o u r - p o l ec o u p l e d r e s o n a n c em i c r o s t r i pb a n a p a s sf i l t e r sp a r a m e t e r so ft h ef i l t e ra r ec o m p u t e db yu s i n g t h ee v e n 。o d d m o d et h e o r ya n db ye m p l o y i n gf u l l w a v ee m s i m u l a t o lb a s e do nn l e c o n v e n t i o n a lc o u p l e dr e s o n a n c em i c r o s t r i pf i l t e r , a ne m b e d d e d r e s o n a t o rt o p o l o g yi s p r o p o s e dw h i c hm a k e st h ef i l t e rh a v eam o r ec o m p a c t s i z e b yu s i n gt h ec h a r a c t e ro f i n c o r p o r a t i n gr e s o n a t o r st h a th a v es a m ef u n d a m e n t a lr e s o n a n tf r e q u e n c yb u tw i t h d i f f e r e n ts p u r i o u sf r e q u e n c i e si nt h ef i l t e r s t r u c t u r e , t h es p u r i o u sr e s p o n s e sc a nb e i i i a b s t r a c t s u p p r e s s e du pt o4 5 f 0 i no r d e rt of u r t h e rd e c r e a s et h es i z eo ft h ef i l t e r , at w o l a y e r m i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e ri sa l s od e s i g n e d c o m p a r e dw i t has i n g l el a y e rs n l l c t u i ef i l t e r , as i g n i f i c a n ts i z er e d u c t i o no fa b o u t5 0 i so b t a i n e d f u r t h e r m o r e ，h a r m o n i c s u p p r e s s i o ni sa l s og o o d i nc h a p t e r4 ，m i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e r sb a s e do nc a p a c i t a n c el o a d i n ga r ed e s i g n e d p r i n c i p l eo fd u a l - m o d ef i l t e ri si n t r o d u c e d b a s e do nc o n v e n t i o n a ld u a l - m o d ef i l t e r d e s i g n ，an e wc a p a c i t a n c el o a d i n gs t r u c t u r ei sp r o p o s e d t h ec h a r a c t e r so ft h i st y p eo f l o a d i n gs 仃u c t u r ea r ea n a l y z e d 、析t l lt r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y ac o m p a c tm i e r o s t r i p d u a l - m o d ef i l t e ri sd e s i g n e db ye m p l o y i n gt h el o a d i n gs t r u c t u r e w h e nt h ec i r c u i ta r e a i sk e p tt h es a m ea sp r e s e n t l yr e p o r t e ds m a l ld u a l m o d ef i l t e r , t h ep r o p o s e dd u a l - - m o d e f i l t e rh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e am i n i a t u r i z a t i o nm i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e ri sd e s i g n e d b yu s i n gg a p c a p a c i t a n c el o a d i n g t h ec i r c u i ts i z ei sd e c r e a s e dal o ta tt h es a m ec e n t e r f r e q u e n c yw h e nc o m p a r e dw i t hu n l o a d e dr i n gr e s o n a t o r i nc h a p t e r5 ，t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e da n df u t u r ew o r ki s p r e d i c t e d k e yw o r d s ：w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , m i c r o w a v en e t w o r k ，m i c r o s t r i p f i l t e r , l u m p e d p a r a m e t e re q u i v a l e n tc i r c u i t ，t r a n s m i s s i o nl i n et h e o r y i v 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： 皇墨垒日期：砒年胁月夕日 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。 褓密篡一篡名：盈 签名：至垄鱼导师签名：三丛三 日期：硝年，2 ，月，j 7 日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景和意义 科学技术的发展使得人类社会进入了信息时代，信息时代的主要标志之一就 是信息的快速广泛的传递。信息传递必须通过两种方式：有线传输方式和无线传 输方式。目前的固定电话、有线电视、有线互联网络都属于有线传输。移动通信、 卫星通信属于无线通信。随着科学技术的进一步发展，人类对通信的需求越来越 高，无线通信技术将发挥越来越重要的作用。图卜l 是一种典型的移动电话射频 电路方框图，图中的虚线部分表示在该无线通信设备中的滤波元件。从图中可以 看出，信号的接收和发射都离不开滤波器，它们的尺寸以及工作性能直接影响整 个无线通信设备的体积以及工作性能。 l ， 图1 - 1 一种典型的移动电话射频方框图 无线通信技术和集成电路技术的迅猛发展，对无线通信电子设备提出了更高 的要求，集成化、小型化、高可靠性已经成为无线通信系统发展的必然趋势，这 就要求电路在满足电气性能的同时，尽可能减少电路占用空间。为适应这一发展 趋势，近年来出现了多芯片组件( m c m ) 、片上系统( s o c ) 、封装系统( s o p ) 等新的 封装形式。这些新的封装形式，通过将不同信号的集成电路高密度地混合集成在 一起，能够有效地减小系统的体积，从而实现了无线通信系统的小型化。目前， 随着半导体技术的发展，无线通信系统中的有源电路已经实现了微型化并且能够 有效地采用现代封装技术进行集成。而系统中的天线、滤波器、耦合器等无源电 路尽管可以在一定程度上集成在现代封装系统中，但是，由于其工作性能的特殊 1 电子科技大学博十学位论文 要求及其特定的工作原理，还不能从设计上完全实现小型化，仍然面临着小型化、 高性能化的关键技术难题。 采用传统方法设计的滤波器尺寸一般比较大，在工作性能上也存在着一定的 局限性，往往不能够满足现代无线通信系统的要求，急需从小型化和高性能设计 两个方面进行改进。目前，国内外针对这一研究热点进行了广泛的研究，提出了 一些新的设计方法，并且取得了一定的成效。从设计上实现滤波器小型化，不仅 可以减小滤波器自身的尺寸面积，而且更加有利于系统的封装集成，进一步实现 无线通信系统的小型化。因此，性能优良、高集成度的微波滤波器研究成为现代 无线通信系统研究中一个十分关键的工作。微带滤波器因为重量轻、体积小、制 造成本低且易于与其他微波电路集成等优点而广泛应用在无线通信系统中。所以 本文所设计的滤波器都是采用微带结构。 本论文所研究的课题正是基于上述背景提出来的。论文所涉及的内容包括以 下几个方面：阶梯阻抗谐振器( s t e p p e d i m p e d a n c er e s o n a t o r ，s i r ) 谐振特性的理 论分析；基于三截面阶梯阻抗小型化微带带通、微带双通带滤波器的分析与设计； 耦合谐振微带滤波器的分析与设计；双模滤波器的小型化理论分析与设计。 1 2 国内外研究现状 针对无线通信系统中滤波器的高性能、小型化设计这一研究目标，国内外进 行了广泛的研究，总结起来主要有以下五个方面的工作： ( 1 ) 采取新型的封装技术 三维多芯片组件技术( m c m ) 是目前采用得较多的封装技术，m c m 技术具体 包括低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术、高温共烧陶瓷技术( h t c c ) 、以及液晶聚合体技术 ( l c p ) 等，其中以l t c c 技术应用最为成熟。所谓l t c c 技术，就是将低温烧铸陶 瓷粉制成厚度精确而且致密的生瓷带，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精 密导体浆料印刷等工艺制出所需要的电路图形，并在多个无源器件的三维电路基 板表面粘贴有源器件，制成无源有源集成的功能模块【1 1 。 图卜2 为l t c c 多层微波无源滤波器的一般结构【2 1 。微带电路印刷在l t c c 基片 上，上下两层为屏蔽层，用于屏蔽器件内外的电磁场，中间为起滤波作用的电路 结构( 在多层滤波器中通常称为图案层) 。图案层的具体样式和层数根据所要求的滤 波器参数( 如中心频率、插损等) 确定。图1 3 是日本村田公司开发的几种l t c c 滤波 器的示意副3 。5 1 。正是由于l t c c 多层微波滤波器具有上述独特的结构，所以与传统 2 第一苹绪论 的分离器件相比，它具有以下几个优点：( a ) 通过滤波器元件的垂直摆放实现三维 结构，可在介质层内埋置无源元件，缩小了器件体积；( b ) e h 于避免了分离器件的 使用，降低了设备成本也减少了组装时间；( c ) 具有良好的高频性能；( d ) 具有良好 的温度特性；( e ) 采用这种多层结构有利于实现谐振器的各种耦合，优化滤波器性 能，其可靠性也比较高。 保护层 屏蔽层 图案层 图案层 屏蔽层及保护 图l - 2i ，t c c 多层微波无源滤波器的结构示意图 孱圉禽 匪鞫筐劐匪枣鞫 尉廖国 图1 - 3 日本村田公司开发的几种l t c c 滤波器结构 目前，在l t c c 多层微波无源滤波器的研究、开发和应用中，只有美国、日 本等少数国家掌握了比较成熟的技术。我国的l t c c 研究尚处于起步阶段，国内 的一些研究机构已经开展了该技术的研究工作，已报道文献主要集中在工艺、材 料、检测技术的探讨与研究上。从目前的研究进展来看，国内l t c c 电路设计存 在性能不稳定、设计周期长和成本偏高等问题，在以l t c c 技术为封装形式的滤 波器设计方面还需要做进一步研究。 ( 2 ) 在设计技术方面采用阶梯阻抗谐振器( s t e p p e d i m p e d a n c er e s o n a t o r ) 技术， 即s i r 技术 s i r 是由日本著名微波专家m m a k i m o t o 和s y a m a s h i t a 第一次提出来的【“7 1 ， 它由两段不同阻抗的传输线构成。文献【6 】首先提出了等效四分之一波长s i r 结构， 并运用传输线理论分析了该谐振器谐振时的电长度，得出了s i r 实现小型化设计 3 电子科技大学博十学位论文 需要满足的前提条件，然后利用所提出的s i r 设计出了小型化的带通滤波器。在 文献 6 】的研究基础上，文献 7 】做了进一步的分析，提出了等效四分之一波长和等 效半波长谐振器两种基本谐振器形式( 如图1 - 4 所示) 。由于其能够在有效减小谐振 器长度的情况下不减小无载q 值，因此s i r 自从被提出以来以后就在滤波器小型 化设计中被广泛采用。 、， 笏翟弼_ 1 静 麓毵缀弱戮缓搿缴缀黝 琵幺_ _ 五_ - 。么e 。o 【a )( b ) 图l - 4 阶梯阻抗谐振器基本结构 ( a ) 等效四分之一波长型；c o ) 等效半波长型 目前，针对s i r 在滤波器小型化设计中的研究可以分为两个方面： a 1 将s i r 的基本结构进行改进，提出一些新型的s i r 结构 图1 5 是半波长s i r 的几种变形结构。虽然它们的几何形状不同，但从电特性 看它们是等效的，都具有和基本形式的s i r 相似的谐振特性，但是它们在无线通 信系统微波滤波器的设计中能够实现比基本形式的s i r 更好的小型化效果，人们 可以根据不同的电路设计要求选择合适的谐振器。半波长s i r 在滤波器的设计中 具有很多优点，主要包括以下几个方面：首先，s i r 的电路板图结构形式多样，在 耦合电路集成化方面具有很大的灵活性；其次，半波长s i r 微带结构没有通孔， 与有源电路具有良好的兼容性，非常适合于混合集成电路的设计；最后，只要人 们选择合适的介质材料，s i r 的频率应用范围也很宽。鉴于s i r 的以上优点，所以 国际上对其进行了广泛的研究。例如，文献 8 提出了具有内部耦合的发卡式s i r 结构；文献【9 】提出了具有内部耦合的环形谐振器：文献 1 0 】提出了弧形贴片加载 s i r 结构；文献i 1 1 提出了三截面s i r 结构( 如图1 5 所示) 。将这些改进形式的s i r 应用到无源滤波器的小型化设计中，设计出了一系列具有良好工作性能并且小型 化程度很高的微波滤波器。 b ) 将s i r 的应用领域进行拓展，设计出其它形式的高性能、小型化滤波器 第一，利用s i r 的通带可调特性实现小型化、高性能的双通带滤波器设计。 例如，文献 1 2 1 3 的作者利用s i r 设计出了一系列可用于无线局域网通信的双通 带滤波器。图1 6 ( a ) 是利用阶梯阻抗平行耦合设计的一个小型化双通带滤波器【1 2 】。 4 第一章绪论 曰回 ( c )( d ) 图1 5 半波长s i r 的一些变形结构 ( a ) 发夹形；( b ) 具有内部耦合的发夹形；( c ) 弧形贴片加载；( d ) 三截面阶梯阻抗 平行线之间的耦合通过它们之间的距离和重叠长度来控制，图1 6 ( b ) 是该滤波器的 响应特性，电路的输入和输出结构采用耦合线方式，避免了外加匹配电路对滤波 器体积和特性的影响。采用平行耦合结构虽然可以降低双通带滤波器的体积，然 而，为了达到所需要的滤波器指标，通常需要增加滤波器的级数，但滤波器级数 的增加一方面增加了滤波器耦合设计的难度，同时又增加了滤波器的损耗和体积。 文献 1 3 采用环形结构阶梯阻抗谐振器构成双模工作的滤波器，可以进一步减小滤 波器的体积。图1 - 7 ( a ) 是一个通带位置可调节的小型双模双通带滤波器，整个谐振 器的长度保持固定，从而使第一个通带的中心工作频率不变，第二个通带的中心 频率可以通过调节谐振器的阻抗比来达到，图1 7 ( b ) 为该双模双带滤波器的仿真和 测试结果。 ( a )( b ) 图l _ 6 平行耦合线结构双通带滤波器及其响应特性 ( a ) 阶梯阻抗平行耦合双通带滤波器结构；( b ) 双通带滤波器频率响应 5 l ur 科技人学博f ，学忙论文 蚓”唧驯i 哪骤 蔷越 。z _ 基 a 5 1 0 “6 o 55 5 f r 恻g h z l ( 町( b ) 翻i 7 环形结构s i r 在般通带滤波器中的麻片 ( a ) 烈模作烈通带滤波器；( b ) 烈模烈通带滤波器频率响应特性 第二，利用s i r 的通带可调特性以及s i r 的分形结构实现滤波器的高次谐波 抑制，设计出具有良好谐波抑制特性的带通滤波器。图1 - 8 ( a ) 是文献【1 4 的作者设 计的一个具有多阶谐波抑制效果的带通滤波器，它由四个不同的谐振器组成，这 四个谐振器的基本谐振频率相同，各次谐波位置不同，利用它们之问的相瓦叠加 达到抑制寄生通带的作用，图1 - 8 0 0 ) ) t s 该滤波器宽频范围内的仿真和测试结果。对 于常规的平行耦合带通滤波器，山于分布参数传输线段频率响应的周期性，使得 在离丌中心频率 的主通带外还会出现频率为中心频率整数倍的寄生通带。为抑 制这些寄生通带，文献【1 5 采用了如图1 - 9 ( a ) 所示的分形结构，使得= 次谐波得到 了根盘f 的抑制。囤l _ 9 f b 、比较r 阻抗没有分形、一次分形及两次分形的仿真结果 町以很明显看出，采用分形结构二次谐波得到了很好的抑制。 ( a )( b ) 目i - 8s i r 在谐波抑制滤波器殴计中的应h 4 a ) 平行耦台阶梯阻抗滤波器：( m 平行耦阶梯阻抗滤波器宽频范围的仿真帛测试结果 6 o”抽1埘n押船埘 日口il 生 第一章绪论 i - i - k o h j h ik 喊 j 1 一k 3 图1 - 9 变形s i r 在抑制滤波器谐波中的应用 ( a ) 分形结构平行耦合滤波器；c o ) 分形结构滤波器的频率响应 ( 3 ) 缺陷地结构( d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e , d g s ) 自从韩国学者j i p a r k 等人于1 9 9 9 年在研究光子带隙结构( 在微波频段也称 为电磁带隙结构) 的基础上提出了缺陷地结构以来【1 6 1 ，d g s 逐渐成为微波电路设 计领域的一个研究热点【1 心9 1 。这种设计形式的原理是通过在接地板上进行刻蚀来 改变接地平面上的电流分布，从而改变传输线的特性，增加传输线单位长度的电 容和电感，使其具有慢波效应。文献 2 0 1 比较了一段弯曲微带线在有缺陷地和无 缺陷地两种情况下的传输特性，通过比较发现缺陷地形式能够在传输线中产生慢 波效应。文献 2 1 采用在地板面上刻蚀双u 型槽的d g s 结构，如图1 1 0 ( a ) 所示， 研究结果表明其谐波抑制效果较好，且滤波器尺寸大大减小了。文献 2 2 】采用d g s 结构设计了一个超宽带滤波器，它通过级联一个高通滤波器和一个低通滤波器实 现超宽带，在低通滤波器的接地面上刻蚀不均匀的d g s 阵列，如图1 1 0 9 0 ) 所示。 ( a )( b ) 图1 1 0 缺陷地结构在滤波器小型化设计中的应用 ( a ) 缺陷地形式低通滤波器；( b ) 缺陷地形式超宽带滤波器 7 电子科技人学博十学位论文 ( 4 1 般模滤波器 双模谐振器是微波带通滤波器小型化最有效的于段之一，双模特性是w o l f f 在2 0 世纪7 0 年代初在设计和制作带通滤波器时首先发现的【3 ”】。谐振器中对于不 同的场分布有多个谐振模式和喈振频率，其中具有相同谐振频率的模式称为简并 模若在单个谐振器中加入微扰( 比如开槽、切角或加入小的贴片等) ，会改变原 正交简并模的l 乜场分却，使得对正交简并模之间发生耦台两个祸合简并模的 作用相于两个祸合谐振器，从而在保持谐振回路小变的情况f ，使谐振器的个 数减少半，有利十滤波器的小型化设计。由于取模谐振器在滤波器小型化设计 方面具有很大优势，所以很多学者对其进行了研究，设计了一系列小型的微带双 模滤波器”】。圈1 一1 1 ( a ) 是文献 3 1 的作者设计的六边形微带双模滤波器。图 1 - u f o ) y a 文献3 2 1 的作者设计的双层介质结构双模滤波器，每层介质板上分别有 一个方形谐振器，它们工作在不同的频带。利用这种结构可以很方便地设计小型 化的双通带滤波器。 ( 曲巾) 蚓i 1 1 般模滤波器 ( 曲 边形谐振器敢模滤波器；( b ) 烈层结构双带取模滤波器 f 5 1 采用左手传输线实现滤波器的小型化设计 左手材料虽初足在1 9 6 8 年俄罗斯物理学家v e s e l a g o 提出来的畔 ，这种传输 线之所以称为左手材料是因为电场强度量、磁感应强度厅、波矢i 满足左手螺旋 关系，而传统的右手材料满足右手螺旋关系。在射频电路的设计中应用左手传输 线其主要的一个优点就是它可以大大减小无源器件的尺寸。根据目前的研究情况 来看，大致可以分成以f 几种： a 1 通过加载集总电容和集总电感制备的t 手传输线 图l1 2 所不为同济人学加工的五年传输材料i ”j ，它是将贴片电容焊接在各段 飞么i r1日曼 一黧 兰兰塑堡 传输线之间，并在各段传输线中央打孔，把贴片电感嵌入到通孔当中，上侧与传输 线相连，f 侧与接地板相接。 n 一! ! 燃缱 卑 ”坚 ( a ) 刚】1 2 集总电容和集总电盛加载的左手传输线及等触电路 ( a ) 左于传输线；( b ) 等效电路 b 1 通过加载分布结构的电容和电感制各左手材料 与加载集总的电感和电容的结构相比，当系统工作在高频时分布结构的电感 和电容更有利于保证系统的工作性能，可咀被广泛应用在小型化的微波滤波器的 设计中1 洲l 。图1 - 1 3 ) 3 文献 3 6 1 作者用串联的交指电容和接地的弯曲微带线构成的 左手传输线设计的带阻滤波器，与传统的右手传输线设计的滤波器相比，尺寸大 为减小。文献3 7 1 采用左手右手混合传输线设计了可用丁超宽带系统的微带带通 滤波器，如图1 1 4 , o r 示。 ( 曲( b ) 图1 - 13 左手传输线住带阻滤波器中的席片i a ) 带阻滤波器；( b ) 用左手传输线与没有左手传输线的比较 ( a )( b ) 酎1 1 4 左手廿手传输线在带通滤波器中的麻川 a 1 地板面三个刻蚀单元( b ) 地板面四个刻蚀单兀 9 排 【uf 科技a # 博十学位论立 c ) 基于菇面波导的左手传输线 在复杂的微波电路设计中，往往需要将各种元器件进行串并联，l b 路密度高。 共面波导对基片的厚度不是很敏感，电路不连续时，引入的寄生参数很小，灵活 性大，不需要钻孔，它非常适台于无线通信中低成本的单、f 晴1 微波电路的设计，比 如：检波器、滤波器、天线和光电子设备等。近年来，拄丽波导结合，。手传输线 的微波滤波器在周内外也得到了广泛的研究 4 2 埘 。3 嘞 4 2 4 3 1 的作者采用矗y - 和 右手混合传输线设计了微带带通滤波器，如图1 1 5 所示。由于采用了左手右手 组合的传输线结构，自效地减小了电路面积。 j 呸一i - 鲎争 1 r j i 广i 舅r l 萄i i c l l r 1 r 一”1 一 c t = | l l ( a )( b )( c 1 捌1 - 15 共面波导左手右丁传输线带通滤波器 ( a ) 凹阶左右于传输线两阶左右手传输线：( c ) 一个左右手传输线单元等效电路 本实验室从2 0 0 4 年开始也在微波滤波器的设计方面开展了一些研究，总结起 来，主要有以下几个方面的工作： ( i ) 微带带通滤波器的研究 奉实验室王建朋博士在2 0 0 5 年设计了一个高选择性的微带带通滤波器，其结 构如图1 - 1 6 ( a ) f f f q 。该带通滤波器包括4 个谐扳器，两个半圆彤s i r 和两个带 有贴片分支的微带线。这四个谐振器构成了交叉耦合形式，微带线和半圆形s i r 之间丰要是磁耦合，两个微带线之问是电耦合，通过这两种不同形式的耦合在滤 波器的通带外产生衰减极点。图1 - 1 6 ( b ) 给出了该滤波器的仿真及测试结果，从图 1 - 1 6 ( b ) 中可以看出，在滤波器的通带外有两个衰减极点，位置分别在56 2 g h z 和 71 i g h z 处，这两个衰减极点使得所设计的滤波器具有良好的频率选择特性。从 陶i - 1 6 ( b ) “f 还可以看出在频率53 1 g h z 处，还有一个衰减极点，产生该极点的原 因是在频率为53 1 g h z 时，微带线贴片分支的开路端到馈线中心的距离约为四分 之导波波长，这样使得贴片和馈线的接点处形成了一个短路面，从而使得信号 存馈线贴片和地之叫形成了谐振。该微带滤波器具有比较小的尺、，其电路面积 为8 , 0 1 28 r a m2 ，即为0 4 9 3 , 07 9 2 ，其f 2 为中心j 二作频率r 60 g h z l 所对应的 第一章绪论 导波波长。 【a )【b ) 图1 1 6 微带带通滤波器 ( a ) 结构示意图；( b ) 仿真及测试结果 ( 2 ) 微带双通带带通滤波器的研究 通过前面的介绍可知，s i r 不仅具有小型化的特性，而且能够实现通带可调， 这一特点获得了国内外研究者的广泛关注，利用s i r 的通带可调特性设计小型化、 高性能的微带双通带滤波器已成为国内外的研究热点。本实验室针对这一课题也 开展了一些研究工作，主要体现在以下两个方面： a ) 微带窄带双通带滤波器 2 0 0 6 年，本实验室王建朋利用半圆形s i r 设计了一个可用于无线局域网的微 带窄带双通带滤波器，如图1 1 7 所示【4 7 1 。该滤波器由四部分组成，两个半圆形的 s i r 和两个t 形微带馈线。所采用的t 形微带馈线主要有两个作用：第一，t 形 微带馈线和两个半圆形s i r 产生平行耦合，从而把能量馈入到谐振器中；第二， 在双通带滤波器的通带外产生衰减极点，通过调节t 形微带馈线终端分支线的长 卜咱一 图1 1 7 微带窄带双通带滤波器结构示意图 l l 口sj旦me毋赢d_ 电子科技大学博十学位论文 度控制两个衰减极点的位置。此外，由于将t 形微带馈线放置在两个半圆形s i r 的自由空间内，不会占用额外的电路面积，能够有效实现电路的小型化设计，该 滤波器的面积为s = 万厂2 = 1 5 3 9 r a m 2 。图1 1 8 为该窄带双通带滤波器的仿真和测 试结果。 1234507 加均饿螂o h z 【a )【b ) 图1 1 8 微带窄带双通带滤波器仿真及测试结果 ( a ) a n s o re n s e m b l e 仿真结果：测试结果 b ) 小型化、高性能的微带宽带双通带滤波器的研究 本实验室王建朋所提出的新型微带宽带双通带滤波器结构如图1 1 9 所示【4 8 】。 主要分为两个部分，上表面由典型s i r 单元组成的电路和下表面的刻蚀地结构， 上表面两个s i r 单元组成的电路实现双通带工作，下表面的刻蚀地结构位于相邻 两个s i r 单元之间，它能够增加相邻两个s i r 单元之问的耦合，耦合的增强能够 增加工作带宽【4 9 1 ，因此采取这种设计形式就能够设计出宽带双通带滤波器。图 1 2 0 为仿真和测试结果。 一输入穗出 靖口 翔馏地结相 图1 1 9 微带宽带双通带滤波器结构示意图 1 2 m口芒耋墨a 第一章绪论 ( a )( b ) 图1 2 0 微带双通带滤波器仿真及测试结果 ( a ) a n s o f lh f s s 仿真结果；( b ) 测试结果 ( 3 ) 超宽带滤波器的研究 目前国内外研究设计的超宽带带通滤波器在高频段寄生通带比较严重，如文 献 5 0 5 4 。针对这一问题，本实验室高山山设计了性能优良的具有谐波抑制功能 的超宽带微带带通滤波器，其结构如图1 2 l 所示。上表面由改进型s i r 及馈线组 成，下表面是具有刻蚀地的结构。位于改进型s i r 和馈线之间的刻蚀地结构具有 两个重要作用：第一，增强了改进型s i r 与馈线之间的耦合，从而增加带宽 5 0 - 5 1 】； 第二，具有抑制寄生通带的作用，从而使滤波器具有优良的谐波抑制功能 5 2 - 5 4 】。 图1 2 2 为该超宽带滤波器的仿真和测试结果。测试的3 d b 带宽从3 0 3 g h z 到1 0 6 5 g h z ，覆盖了整个超宽带所定义的通频带范围，仿真和测试出的通带内回波损耗 都较低，通带内群时延变化范围在0 3 2 0 5 3 n s 之间，整个变化不超过0 2 1 n s ， 显示出极小的群时延变化，满足了超宽带无线通信系统的要求。滤波器的电路面 积很小，只有1 2 x 2 r a m 2 。 d e f e c t e dg r o u n ds l t u c t u r e m o d 讯e ds i r ( a )嘞 图1 - 2 1 超宽带滤波器：( a ) 整体结构；( b ) 上层电路及下层的刻蚀地结构 1 3 o加渤渤枷渤莉加瑚 电子科技大学博士学位论文 喜 i 要 占 宝 2 o 【a )( b ) 图1 - 2 2 超宽带滤波器：( a ) 频率响应曲线；( b ) 群时延 1 3 本文的主要研究工作 本论文在无线通信系统这一应用背景下，针对微带滤波器传统设计方法在小 型化设计方面所存在的局限开展研究工作，研究目的是设计出小型化程度更高、 工作性能更好的无线通信系统微带滤波器。本文从器件原理和设计方法上进行创 新，设计一系列结构新颖的小型化、高性能的微带带通滤波器。 本文的研究工作概括起来，主要包括以下几个方面： 1 对s i r 的谐振特性做进一步研究，为本文所要设计的小型化微带滤波器 提供理论基础；在该理论分析基础上利用s i r 设计一些高性能、小型化的微带滤 波器。 尽管s i r 很早就被提出来了，并且被应用到了微带滤波器的小型化设计中， 但是国内外大部分研究工作都集中在利用它的小型化以及通带可调特点来设计出 小型化并具有谐波抑制特性的微带滤波器。本文拟在国内外已有研究工作的基础 上，利用s i r 通带可调特性，针对无线局域网通信系统这个实际应用目标，通过 对s i r 谐振特性的进一步理论分析，提出可适用于无线局域网通信的双通带滤波 器的设计理论，利用该理论设计满足无线局域网通信的双通带滤波器。另外，针 对滤波器高性能、小型化设计目标，提出具有多阶谐波抑制特性的微带带通滤波 器。使得这些滤波器可以被应用于无线通信系统射频前端电路中。 2 耦合谐振电路理论的研究及其在高性能、小型化微带带通滤波器设计中的 应用。 针对目前国内外利用耦合谐振电路设计小型化微带滤波器的研究现状，分析 并设计传统的耦合谐振微带滤波器，弄清这类滤波器设计的基本原理。在此基础 1 4 第一章绪论 上提出新型的谐振器结构，使得该结构能够有效地减小耦合谐振电路的尺寸，在 微带滤波器的小型化设计中具有广泛的应用价值和指导意义。本文拟对这种新型 结构进行深入的理论分析，并结合传输线理论、微波网络理论对它进行实际设计， 使得这种设计方法能够准确地指导实际电路设计。另外，在设计单层结构滤波器 的同时，为了进一步减小电路尺寸，本文还打算设计双层结构的耦合谐振电路微 带带通滤波器，使得所设计的滤波器具有好的性能和紧凑的结构。利用本文所提 出的结构使得所设计的滤波器的小型化程度以及工作性能与目前国际上的同类研 究相比处于先进水平。 3 电容加载滤波器的研究 用腔模理论和行波概念定性分析双模滤波器的工作原理及双模产生机理。在 此基础上，从减小系统体积、提高系统工作性能的角度出发，提出在环行谐振器 内部加载电容贴片，这样不会有效增加电路面积，使得所设计的双模滤波器具有 紧凑的结构且能够有效抑制多次谐波。利用缝隙电容加载设计了一个小型的微带 带通滤波器，与没有缝隙电容加载的环形谐振器相比，电路尺寸减小非常明显。 本文的研究工作为无线通信系统微带滤波器的高性能、小型化设计提供了理论基 础，本文所设计的一系列新颖的高性能、小型化微带滤波器在无线通信系统中具 有实际的应用价值。 1 5 电子科技大学博十学位论文 第二章基于阶梯阻抗谐振器的微带滤波器研究 2 1 引言 微带结构的滤波器由于采用印刷电路