（无线电物理专业论文）金属柱加载多模滤波器技术.pdf

摘要摘要随着无线通信技术的发展，要求滤波器具有尺寸小、插入损耗低、频率选择性优良等特性。本文针对上述目标展开研究，致力于小型化波导滤波器技术的研究和设计。本文介绍了滤波器综合设计理论，并设计了一款c 波段金属柱加载双模滤波器及一款k a 波段毫米波金属柱加载双模滤波器。加工和测试了滤波器的实验样品，测试结果和仿真结果吻合较好，并有效的减小了滤波器的体积。在腔体滤波器的设计过程中，为了提高产品的成品率以及降低生产成本增加其可调性，本文采用了器件结构设计误差修正技术，以及调谐螺钉，并取得了良好效果。关键词：双模、波导滤波器、金属柱加载a b s t r a c ta b s t r a c tw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，w a v e g u i d ef i l t e r sw i t hs m a l ls i z e ，l o wi n s e r t i o nl o s sa n dg o o df r e q u e n c y - s e l e c t i v i t ya l en e e d e d t h ep u r p o s eo ft h i st h e s i si st os t u d ya n dd 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 sw i t ht h e s ec h a r a c t e r i s t i c s t h em a i nw o f 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 di nt h i st h e s i sacb a n dp o s t l o a d e dd u a l - m o d ef i l t e ra n dak ab a n dp o s t - l o a d e dd u a l - m o d ef i l t e rh a v e b e e nf a b r i c a t e da n dt h et e s t e dr e s u l tc o n f i r m e dt h ec o n c e p ta n dt h es i m u l a t e dr e s u l t s a n di tc a nr e d u c es i z eo ff i l t e re f f e c t i v e l y i no r d e rt ol o w e rd o w nt h ef a b r i c a t i o nc o s t ，e r r o rc o r r e c t i o nt e c h n i q u ea n dt u n i n gs c r e wa r eu s e di nt h ed e s i g no fw a v e g u i d ef i l t e r s i nt h i st h e s i s ，t h i st e c h n i q u ei sa l s oe x p l a i n e d k e y w o r d s ：d u a l m o d e ，w a v e g u i d ef i l t e r , p o s t - l o a d e d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：猫日期：力口僻红月方飞日论文使用授权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：剔币签名咖导师签名：里! ! ! 兰日期：刀f 刁年红月芗oe l第一章绪论第一章绪论微波滤波器【1 1 是微波系统中一种关键的射频器件。用来分离或组合各种不同频率信号的重要元件。例如滤除镜频干扰、衰减噪声、频分复用，而在振荡电路、放大电路、倍频电路、混频电路中微波滤波器同样扮演了一个重要的角色。1 1 微波滤波器的研究背景及意义随着无线通信的个人化、宽带化，可利用的频谱资源日益紧张，日益要求高性能的终端结构，促进了微波滤波器等射频元件的小型化，同时要要求具有质量轻、价格便宜等特点。在军事应用方面因其需要宽带可调设备进行测量接收，高选择性宽带波导滤波器、电可调滤波器等可以满足这一要求。卫星通信不但要求滤波器质量轻，体积小、插损小、而且还要要求滤波器必须具有很好的幅度和相位特性。为满足这些要求，双模波导滤波器以及介质谐振腔滤波器得到了快速的发展。而在移动通信中的基站设备需要插损小，功率容量大的滤波器，同时考虑到要大批量生产，滤波器又应该具有尺寸小，价格便宜等特点。包括同轴谐振腔滤波器、介质谐振腔滤波器等顺应了这一发展的要求。而伴随着手机等移动手持式设备的快速发展，运用微电子机械系统的声表面波滤波器技术得到了快速发展。在对微波滤波器学习研究过程中，国内外的许多专家和学者做出了巨大贡献。1 9 1 5 年，德国科学家k w w a g n e r 首创了“瓦格纳滤波器 的设计方法，而在同时，美国的g a c a n b e l l 发明了以图像参数而著名的设计方法。伴随着相关技术的发展，众多的研究人员例如：o j z o b e l 、r m f o s t e r 、w c a u 一2 和e l n o r t o n对采用集总元器件的滤波器理论进行了系统研究。1 9 4 0 年开始出现了精确的滤波器设计方法，该方法包括两个步骤。一：首先确定符合设计要求的传递函数；二：由之前确定的传递函数所估定的频率响应来合成电路。c o h n 【3 j 首次提出了方便实用直接耦合腔理论为以后滤波器发展奠定了基础；电子科技大学硕士学位论文l e v y t 4 】对集总和分布原型的元件进行了研究，并得到了准确的设计公式。c o h n 5 】首次把计算机优化技术引入到微波滤波器的设计中，较之前的滤波器设计周期相比缩短了设计时间，同时提高了设计精度。为以后计算机设计微波器件以及优化技术发展奠定了基础。六七十年代，国内微波专家学者像甘本祓、吴万春【6 】、李嗣范【7 】和林为干【8 1 、吴须大【弘l o 】等，对国内外微波滤波器设计理论进行了补充完善，为国内的相关领域的发展研究奠定了良好基础。采用模式匹配法【。2 】可以对滤波器进行准确的设计，在这方面德国m i c i a n公司贡献突出，p e t e r w k r a u b 和j a n m r e i t e r 基于模式匹配法开发了电磁场综合和优化c a d 软件w a v e w i z a r d 【1 3 】。能快速精确的对滤波器进行模拟优化设计。近年来伴随微波、毫米波技术发展、新材料、新工艺的出现，使得微波、毫米波器件研制周期缩短，为满足要求小型化高性能的滤波器成为发展的热点。1 2 国内外金属柱加载滤波器的发展历史及现状国内外小型化滤波器的研究现状：文献【1 4 】中作者在对平面微波传输带滤波器研究时，得出在开环谐振器的末端加载集总电容，会使滤波器的谐振频率下降的结论，同时会明显的减少滤波器的尺寸；尺寸减小的程度由电容加载大小所确定。电容加载越大尺寸则减小的越明显，文中所设计的滤波器为普通的平行线耦合滤波器尺寸的6 6 。在滤波器的设计中，通过在谐振腔中进行电容加载可以实现滤波器结构的小型化【l5 】作者并给出了详细的理论推导，由相应的传输线理论可知一段长的传输线和较短的两端加电容的传输线是等效的。由此可以通过加载电容的大小可以控制传输线的长度，同时电容加载对高次谐波也有一定得抑制作用。文献【i6 】中作者通过在谐振腔中进行脊波导加载方式，设计了一款x 波段结构紧凑性能优良的滤波器。作者使用模式匹配法，分析了谐振腔中的场分布，得出脊波导加载不但可以有效的减少谐振腔的体积，而且还可有效地抑制高次谐波。实测结果也很好的吻合了理论的分析。文献【1 7 】作者采用半波长t e m 模谐振器设计一款宽带滤波器，通过对谐振腔的场分析，在两壁四角对称处加入四个垂直于电厂的电极，实现了电容加载。使得滤波器的尺寸缩小了五分之一，对其它指标也有所改善。2第一章绪论文献【1 8 】中作者使用电磁仿真软件，对谐振腔进行电容加载技术的基础上又采用了介质加载技术，设计出了结构更加紧凑的滤波器。是对电容加载设计小型化滤波技术基础上的探索和发展，同时相关的理论分析有待于进一步研究。文献【1 9 1 介绍了两种结构形式的同轴腔体滤波器，其中一种为四分之一波导波长电容加载型，在开路端通过调谐螺钉调整腔体频率。此种结构可以实现小型化，而且具有较高的q 值。通过引入传输零点可以改善滤波器的带外抑制，在滤波器中添加短路支节就可以实现这一目的，它等效为在电路中引入了一个谐振电路【2 0 。2 1 】。通过调整支节的高度，可以获得在相应的频率点上产生传输零点，从而提高了滤波器的带外抑制。较普通滤波器则通过增加级数才能提高滤波器的带外抑制相比，实现了滤波器的小型化。文献1 2 2 】中作者介绍了电容加载滤波器的设计理论，并且设计了紧凑型电容加载双模滤波器有效的减少了滤波器的体积。纵观该领域的发展，小型化、高性能的滤波器已经成为发展的趋势。而关于波导滤波器中的电容加载技术的报道很少。设计周期长、场分析复杂成为过去阻碍该领域发展的一大障碍。现在随着商用电磁仿真软件发展，使得设计成本降低而效率大为提高。同时也为本文将对电容加载的多模滤波器进行研究提供了条件。1 3 本论文的主要工作和创新点论文共分为六章，结构如下：第一章：绪论。概述微波滤波器的发展历史。第二章：微波滤波器设计的基本理论。介绍了微波滤波器设计基本理论，对滤波器的设计有一个整体的概念。第三章：多模滤波器的研究。介绍多模滤波器的发展历史，并对空腔双模滤波器进行了优化设计，最后在此基础上设计了一款金属柱加载双模滤波器。第四章：金属柱加载多模谐振腔与金属柱加载多模滤波器特性研究。第五章：金属柱加载多模滤波器与毫米波多模滤波器设计。第六章：误差分析与调试方法。电子科技大学硕士学位论文第七章：结束语。对所做的工作进行总结。本课题创新之处：通过对双模滤波器理论的研究学习，成功设计出了一款c波段金属柱加载双模滤波器，并提出了通过在波导口加载金属柱增强耦合成功设计了k a 波段金属柱加载毫米波双模滤波器。4第二章微波滤波器设计基本理论第二章微波滤波器设计基本理论现代微波滤波器的网络设计是以衰减和相移函数为基础，利用网络综合理论，先求出集总元件低通原型电路，再利用频率变换函数，变换为所需的低通、高通、带通、带阻微波滤波器，然后将集总元件原型中各元件用微波结构来实现 2 3 - 2 5 。本章将从低通原型滤波器的基本概念出发，介绍了频率变换、k 、j 变换器等方面的知识。以及电容加载缩短传输线理论，为电容加载双模滤波器的设计奠定了理论基础。2 1 概述通过频率响应可以描述滤波器的特性，按其特性的不同可具体分为低通滤波器、高通滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。描述滤波器特性的指标有：( 1 ) 中心频率f o ，即工作频带中心。a ，( 2 ) 带宽c 或者相对带宽w = 等。) q( 3 ) 通带衰减，即通带内最大衰减。( 4 ) n 带衰减。此外，对于某些特殊滤波器则要考虑其具体要求，例如：有耗滤波器，还要考虑通带内最低插入衰减；对于大功率滤波器，还要考虑其功率容量；对于可调滤波器，则要考虑其调谐范围等。分析和研制微波滤波器的方法一般可以分为：r 分布参数法jr 影像参数法1jl 集总参数法il 网络综合法分布参数法是应用传输线理论或波导理论，根据插入衰减函数或相移函数，确定微波滤波器元件结构。影像参数法是以影像参数为基础，将低频网络理论设计出的等效电路中的各个元件，用微波结构来模拟。网络综合法是以衰减和相移函数为基础，利用网络综合理论，先求出集总元件低通原型电路，然后，再将集电子科技大学硕士学位论文总元件原型电路中各元件原型电路中各元件用微波结构来实现。2 2 滤波器转移函数和衰减滤波器的基础是谐振电路，它是一个二端口网络，对通带内频率信号呈现匹配传输，对阻带频率信号呈现失配衰减，从而实现信号频谱过滤功能。如图2 1所示，实际工程中通常用插入衰减l 来叙述滤波器的特性。t lt 2i蚌f!c s 】p l图2 - 1 滤波器等效二端口网络三定义为：网络输入端口的入射功率p f 与负载所得到的功率r 之比，前提是网络输出端口接匹配负载，其物理表达式为：扛每2 去。击上式中，f 为输入端口的电压反射系数，是频率的函数。在实际的设计过程中，插入衰减频率特性是已知的，插入衰减频率特性三需要满足下列两个条件：( 2 1 )也就是说三事先指定。( 1 ) 插入衰减三= p ，p , 1 。表达式的物理意义为：无功率放大作用。( 2 ) 插入衰减三是频率的偶函数，数学表达式为：l = i + p ( c 0 2 )最常用的插入衰减频率特性有三种，如下：( 1 ) 最大平坦式，取p ( 0 2 ) = 砌2 月( 2 ) 切比雪夫式( 等波纹式) ，耿6( 2 2 )( 2 - 3 )第二章微波滤波器设计基本理论( 3 ) 椭圆函数式，取尸( 国2 ) = 占砰( 缈)p ( 缈2 ) = 占2 c ：( 彩)2 3 切比雪夫低通原型滤波器( 2 - 4 )( 2 - 5 )图2 2 所示的频率响应，为“切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性，其数学表达式：l al a r0彩?国图2 - 2 切比雪夫低通原型滤波器的频率响应lc 缈，= 。，g i + 6 c o s 2 ，z 。s 一1 ( 筹) ) 。，鱼舛c 2 6 ，lc 缈，= - 。，g 1 + g c o s h 2 刀c o s h 叫( 筹) ) 耐c 2 7 ，f 红1f = 1 0 l1 0j一1(2-8)上式中，l ，为通带内衰减最大值。设其通带波纹为厶，并对元件进行归一化处理，即g o = l ，叫= 1 ，则其它各元件数值也就随之确定。运用下式计算得到：g l = 一2 a i( 2 9 )：掣( i = 2 ，3 ，n )岛一i 岛一1g n + l = t 袖2 ( 鲁)( n 为偶数)= 1( n 为奇数)7( 2 - 1 0 )( 2 1 1 )电子科技大学硕士学位论文式中参数为：2 4 频率变换肛k ( 舞)七：、1 0 l l o _ 1同t n h ( 2 劫3q = 咖 学 名( 2 1 2 )( 2 1 3 )( 2 - 1 4 )( 2 1 5 )b ，= y 2 + s i n 2 ( n )，：。，2 ，。2 舶，将滤波器的衰减特性的频率变量经过适当的变换，得到以新的频率缈为变量的衰减特性，用它来表示带通、带阻等类型的滤波器。这种方法叫做“频率变换 ，与0 3 的关系式称为变换式，。2 4 1 低通到带通的频率变换假定低通原型滤波器变量为，所要进行变换的带通滤波器的频率变量则为d 。由于在低通原型频率为0 的点上，变换成了带通滤波器= c o o 的点上；而在低通的无限大频率点上，则变换成带通的护点和无限大上。因此由低通原型滤波器到带通滤波器的变换式为：譬l 旦一一c o ol( 2 1 7 )矿l 国、其中上式中矿：( 0 2 - - c o i( 2 1 8 )c o o = 扫万( 2 1 9 )第二章微波滤波器设计基本理论l a rl a r( a ) 低逋( b ) 帚j 盥图2 - 3 低通原型响应变换成带通滤波器的响应公式( 2 1 7 ) 0 7 ，c 0 7 为低通原型的频率变量，缈为带通滤波器的频率变量。在低通原型中0 4 为截止频率；在带通滤波器中为通带的中心频带，哆为上边带频率点，铂为下边带频率点，为相对带宽。由公式( 2 - 1 7 ) 可以将低通原型滤波器中电感元件变换成以下形式：缈z = 参l 罢一警 f = 国厶一去c 2 也。，矽l 国6国g、7其中厶= 器( 2 - 2 1 )g2 而w( 2 _ 2 2 )上式的物理意义为：低通原型滤波器经过变换成为带通滤波器，原型电路中的电感元件变换成了带通滤波器中的一个电感和电容的串联组合，各元件数值间的变换关系如式( 2 2 1 ) 矛1 1 ( 2 2 2 ) 所示。由公式( 2 1 7 ) 可以将低通原型滤波器中的电容容纳c 变换成下列形式：c = 等( 罢一詈) c = 缈q 一击c 2 彩，矿l 国国4、上式中：q = 篙( 2 - 2 4 )9电子科技大学硕士学位论文42 丽w( 2 - 2 5 )以纸l上式的物理意义为：低通原型滤波器经过变换成为带通滤波器，原型电路中的电容元件变换成了带通滤波器中的一个电感和电容的并联组合，各元件数值间的变换关系如式( 2 2 4 ) 和( 2 2 5 ) 所示。l -l sc so j n u 仃卜一l pc o - 一卜一c 图2 - 4 低通滤波器到带通滤波器元件转换示意图如图2 - 4 所示，为低通滤波器变换到带通滤波器元件的转换示意图，电感元件变换成了带通滤波器中的电容和电感的串联组合，相应的电容元件变换成了电容和电感的并联组合。2 4 2 低通到带阻的频率变换如图2 5 所示，假定低通原型滤波器的频率变量为缈，带阻滤波器中的频率变量为国，经过一定的频率变换可以将低通原型变换成带阻滤波器。g太、一t一一一、匿泰v气o图2 5 低通原型响应及其相应的带阻滤波器响应低通原型滤波器中的频率0 点，变换成带阻滤波器的频率d 点和无限频率处；而相应的带通原型的频率无限大点，则变换成缈= c o o a 。由此可将低通到带阻的变换式为：1 0第二章微波滤波器设计基本理论三：去r 旦一堕、1 ( 2 - 2 6 )石。丽l 瓦一言j式中w ：蛆( 2 2 7 )= 知鬲( 2 2 8 )公式( 2 2 6 ) 所示，其中为低通原型的频率变量，国为带阻滤波器的频率变量。在低通原型中q 为截止频率；在带阻滤波器中c o o 为阻带中心频带，皑为下边带频率，哆为上边带频率，矽为带阻滤波器的相对带宽。由公式( 2 2 6 ) 可以将低通原型滤波器中电感元件l 7 的电纳变换成以下形式：面1 l2 志怯一詈户韧q 一击陆2 9 ，= 一l 一一一i ，= 打儿一一z z y -形科彩厂p鸣、7式中乞= 等( 2 - 3 0 )q2 两1 面2 _ 3 1 )上式的电路意义为：低通原型变换成带阻滤波器的过程中，电感元件变换为电感乞和电容q 并联组合，它们之间的变换关系由式( 2 3 0 ) 式( 2 3 1 ) 来定。相应地，低通到带阻的变换中，电容c 的容抗变换式为：嘉=点舟心1cw o f c告一= 一i 一一ol = 打) ，一一i z - ，z -缈l 国j力e、7式中：铲而蕞( 2 - 3 3 )e = 等( 2 - 3 4 )上式的电路含义为：在低通到带阻滤波器的变换中，低通原型中的电容元件变换成了电感厶和电容c s 串联组合。它们之间的变换关系式由公式( 2 3 3 ) $ f l ( 2 3 4 )电子科技大学硕士学位论文而定。lon moco - 一卜一c l pl sc so _ 介w l 一卜图2 - 6 低通滤波器到带阻滤波器元件转换示意图如图2 - 6 所示，为低通滤波器到带阻滤波器元件转换的示意图。总结为：低通原型滤波器变换成带阻滤波器的过程中，低通原型中的电容元件变换成了电容和电感的并联组合，而电容则变换成了带阻滤波器中的电容和电感的串联组合。2 5k 、j 变换器为使相同类型的谐振器获得多重谐振，谐振器与谐振器须用变换器连接，即为倒置变换器k 或j 变换器。如图2 7 所示，第i 个谐振腔的串联电感和电容为厶和g 是，各谐振腔间的阻抗变换器是k o l ，k t 2 。由于图2 7 ( b ) 是图2 - 7 ( a ) 的对偶电路，因此我们只讨论电路( a ) 的设计原理。g a一4 lur r n nn m)k o lk 1 2k 2 3c 。上c 。2 上jj o ltj 1 2j 2 3t( b )- 恤n 1 1 1l 1 1 n + i图2 7 只有一种电抗元件的低通原型滤波器相应的阻抗变换器的设计公式为：1 2g b第二章微波滤波器设计基本理论x o i =k ” l =心，厶，厶。是任意选定的。与此相对应的导纳变换器的公式为：1 0 l2j i 。“。 i = l - n - i =以肿l =同样，对于q ，q ，c 口。，c 口。也是任意选定的。1 3( 2 3 5 )( 2 - 3 6 )( 2 - 3 7 )( 2 - 3 8 )( 2 3 9 )( 2 - 4 0 )电子科技大学硕士学位论文第三章多模滤波器的研究3 1 多模滤波器的概述早在四十年代波导谐振腔中的简并模式就引起了专家学者的重视，1 9 4 8 年r a g a n 给出了丁f 方形和圆柱谐振腔中两个兼并模式的应用。林为干院士对微波理论进行研究时发现圆柱谐振腔中存在多个简并模式，即个单独的谐振腔与多个谐振腔等效。并根据这一理论建立了一腔五模的多模滤波器1 州，多模滤波器的模型如图3 1 所示。图3 i 传统的切比雪夫滤波器( 上) 与f 面两个多模椭圆噬数滤波器对比图【11 9 5 3 午，c u r r i e ，mr 发表了关于球形谐振腔中多重简并模的文章并且给出了滤波器模型。】9 5 6 年，n as p e n c e r ，在发表的文章中给出了天于方形多模滤波器口”的论述。1 9 6 2 年，林先牛对正三角形波导中模式的简并特性进行了研究，井设计出了了单腔两级多模滤波器。2 0 0 1 年，m a r c o g t i g l i e l m ，发表了关于采用矩形腔设计双模滤波器的文章【州，| = i 于矩形腔拥有便于加工和调谐的优点，成为近年来研究的热点。从上面的研究以及微波理论我1 f i n d 道，在谐振腔中可能存在多个简并模式，利用其中的某些简并模式可以设计出多模滤波器。实现了滤波器的小型化，同时降低了生产成本。上山文献中所设计的传统多模滤波器圈3 2 采片j 的多是圆牲谐振腔、球形谐振腔、正三角谐振腔，给生产加工带束了难度同时还有不容易调谐的缺点。第三章多模滤渡器的研究圈32 传统多模滤踱器近年来伴随着微波技术的发展，小型化、高性能的微波滤波器己成为发展的趋势。xe l i a n g ，k a z a k i 、和al ! a t i a t 3 0 3 2 j 设计的矩形多模滤波器图3 3 以其具有频带选择肚好、带外抑制高、o 值高、以及易于加工、便于调谐等特点顺应了这一潮流。本章将对矩形双模滤波器进行系统研究，同时在其基础上进行电容加载以降低滤波器的生产成奉、增加其可调性、实现滤波器的小型化为最终目的。幽3 - 3 矩形多模滤波器电子科技大学硕士学位论文3 2 窄带多模滤波器的优化设计矩形波导滤波器主要研究内容是【2 9 】：1 ，怎样实现腔体内两个模式或多个模式之间的耦合设计问题。2 ，相邻腔体之间的耦合问题，本文采用的耦合波导均为凋落模波导【3 3 1 ，较耦合膜片变得容易加工提高了成品率。3 ，输入输出端的匹配问题设计。本课题设计的双模滤波器均采用标准波导口。下面我们将基于谐振腔的基本理论对双模滤波器的基本单元即单独谐振腔进行设计优化：图3 4 多模谐振腔立体图图3 - 4 为一个谐振腔立体图。在谐振腔中存在众多的谐振模式，模式之间的耦合由微扰产生【3 4 1 。在图3 4 中谐振腔的具体尺寸如下：长度为a ，宽为l ，高为b 。故谐振腔谐振波长为【3 5 】：凡=2( 3 1 )不难由上式求出谐振腔的谐振频率【3 6 】。在多模谐振腔中的简并模式是指在式( 3 1 ) 中，m 、s 、n 不完全相同时，而谐振波长相等即谐振频率相同。在如图3 - l 中所示的结构中，假设采用的简并模式为t e 咖。与t e p o q ，可知其在高度上的特征值为0 ，所以当t e 咖与t e p o q 简并时由谐振频率相等可以得到：( 等) 2 + ( 等) 2 = ( 等) 2 + ( 芋) 21 6( 3 2 )第三章多模滤波器的研究所以可得谐振腔的波数：口=，恕=( 3 3 )( 3 4 )在本文的设计过程中我们采用的两个简并模式均为t e 2 0 l 与t e l 0 2 3 7 - 3 8 】，所以由上面的计算公式可知谐振腔的长度a 与宽度l 近似相等。在此节中所设计的滤波器的谐振频率为8 g h z ，所以由式( 3 4 ) 可以求出a 和l 大约为4 2 m m ，出于方便设计的考虑谐振腔的高度与标准波导高度相等。具备了初始参数值之后在c s t 中我们可以建立相关的模型，从而得到单腔的s 曲线。从仿真的单腔s 曲线我们可以看出其具有两个传输极点，一个传输零点。并且传输零点的位置可以灵活的调整【3 2 1 ，使其位于通带的高端或者低端，使得滤波器的整体设计变得更加的灵活。具体设计过程如下：图3 5 单个多模谐振腔的平面图1 7电子科技大学硕士学位论文表3 1 单个双模腔( 零点位于通带高端) 的尺寸的初始值与优化结果f r e q ，g h z图3 6 单个双模腔( 零点在通带高端) 的s 参数曲线通过调整谐振腔长于宽的比值或者改变输入输出耦合端口的位置即可把传输零点移到通带的左侧，具体参数值的变化见表3 2 。1 8一一ro一d一一i，乙)一刁第三章多模滤波器的研究表3 2 单个双模腔( 零点位于低端) 的初始值与优化结果f r e q ，g h z图3 - 7 单个双模腔( 零点在低端) 的8 参数曲线3 2 1 零点位于低端多模滤波器优化设计有了上一节的基础，我们采用3 个同样尺寸的波导腔相连。波导腔的高度设为相同，优化相应的参数可得到零点位于低端双模滤波器，具体见下表：1 9电子科技大学硕士学位论文表3 0 艘模滤波器( 零点位于低端) 的虽终优化参数值及描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述h m 、h m n l波导宽度w 233 腔输出耦台口宽度b o波导高度f i n1l0 21 腔输入耦台波导眭度1 26 2谐振腔高度69 72 腔输 耦合波导长度第一个谐振腔宽度t o u l22 腔输出耦台波导蚝度a 24 22 5第二个谐振腔宽度08 73 腔输出耦台波导长度第三个谐振腔宽度i 腔输入耦合口偏移量l l3 97 9第一个谐振腔长度o f a22 腔输入耦台口偏移量4 0 1 6第二个谐振腔长度65 73 腔输入耦台口偏移量3 9 9 1第三个谐振腔长度1 腔输出耦台口偏移量w 11i 腔输入耦台口宽度o t b29 4 02 腔输出耦台口偏移量w 2l1 03 01 腔输出耦合口宽度95 73 腔输出耦台口偏移蹙w 222 腔输入耦合口宽度根据表3 - 3 中的参数值得到了图3 - 8 所示的滤波器的整体示意图图3 - 8 双模滤波器( 零点住下低端) 整体示意圈依据表3 - 3 中的最终优化参数值，便得到了双模滤波器的仿真曲线具体如图3 - 9 所示：第三章多模滤波器的研究n ( ，) c ，)d 刁f r e q ，g h z图3 - 9 双模滤波器( 零点位于低端) s 参数曲线3 2 2 零点位于高端多模滤波器优化设计为了满足工程上对通带高端抑制的要求，这时需要将传输零点设计在通带的高端，设计方法同零点在低端的设计类似，具体的参数见下表3 - 4 ：表3 4 双模滤波器( 零点位于高端) 的最终优化参数值及描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述( r a m )( m m )a 02 8 5波导宽度w 231 2 1 43 腔输出耦合口宽度b 01 2 6 2波导高度t i n1l1 腔输入耦合波导长度b1 2 6 2谐振腔高度t i n29 7 62 腔输入耦合波导长度a l4 1 6 1第一个谐振腔宽度t o u t27 8 52 腔输出耦合波导长度a 24 1 4 9第二个谐振腔宽度t o u t3l3 腔输出耦合波导长度a 34 1 8 9第三个谐振腔宽度o f al9 5 11 腔输入耦合口偏移量l l4 0 1 3第一个谐振腔长度o f a23 6 12 腔输入耦合口偏移量1 24 0 6 1第二个谐振腔长度o f a35 3 73 腔输入耦合口偏移量1 33 9 7 0第三个谐振腔长度o f ol5 5 3l 腔输出耦合口偏移量w l11 0 9 ll 腔输入耦合口宽度0 f b23 6 l2 腔输出耦合口偏移量w 2l1 1 8 9l 腔输出耦合口宽度o f b31 2 7 53 腔输出耦合口偏移量w 221 1 0 52 腔输入耦合口宽度2 l电子科技大学硕士学位论文根据表3 - 4 中各最终参数值，得到了图3 1 0 滤波器的整体示意图和仿真曲线图3 - 1 1 ：圈3 1 0 零点位于高端滤渡器整体示意图雾士。，广2 1 、j4 0 1“f r e qg 圉3 - 1 1 双模滤波器( 零点位于高端) s 参赞曲线3 3 宽带多模滤波器的计算机优化设计在32 节中设计的零点位于通带高端和低端的两款双模滤波器均为窄带的滤波器，在本节中将设计一款中心频率8 g h z ，带宽为16 g h z 的超宽带双模滤波器。为了增强耦舍，谐振腔之问的耦台波导较之前设计窄带滤波器将明显变短，耦合口的宽度也明显变太，具体参数见下表：第三章多漠滤被器的研究表3 - 58 g h z 宽带艰模滤波器母终优化参数值段其描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述( r a m )h 、2 8s波导宽度2 lo3 腔输出猫舍口宽度1 26 2波导高度1 腔输入耦台波导睦度谐振腔高度2 腔输入耦舍波导眭度第一个谐振腔宽度t o u t22 腔输出耦台波导长度第二个谐振腔宽度t o u t316 03 腔输出耦台波导长度第三个谐振腔宽度o f al1 腔输入耦台口偏移量3 35 7第一十谐振腔挺度53 52 腔输 耦台口偏移量第二个谐振腔长度3 腔输八耦台口偏移量3 3 4 8第三个谐振腔长度o f oi1 腔输出耦台口偏移量1 脖输 耦合口宽度o r b252 82 腔输出耦台口偏移量1 腔输出耦舍口宽度3 腔输出耦台口偏移量w 221 65 l2 腔输 耦台口宽度根据表3 - 5 中的参数值得到了宽带滤波器的示意图，如图3 - 1 2 所示蹦3 - 1 2 宽带职横滤波器示意图电子科技大学硕士学位论文r rc 、j c ，) c ，)田刁刁f r e q ，g h z图3 1 3 宽带8 g i - i z 双模滤波器s 参数曲线通过分析发现，双模滤波器根据需要既可以设计成为窄带滤波器而且还可以设计成宽带的滤波器。可以满足众多工程需要，拥有广阔的市场前景。双模滤波器虽然拥有很多优点，但是为了进一步缩小其尺寸实现小型化，下节我们将在双模滤波器的基础上，对金属柱加载的谐振腔和金属柱加载的滤波器进行研究学习。第四章金属柱加载多横i 自扳腔与金属柱加载多模滤波器特眭研究第四章金属柱加载多模谐振腔与金属柱加载多模滤波器特性研究存第三章中我们主要研究了普通取模滤波器的特性，本章是在普通双模滤波器基础上对金属柱加载双模谐振腔进行研究。并对金属柱加载双模滤波器可以实现滤波器小型化方面同普通滤波器做了比较。41 金属柱加载谐振腔优化设计在取模谐振腔中加载金属柱不但可咀减小谐振腔的体积，而且可以通过适当改变加裁金属柱的位置实现改变谐振腔形状。以满足实际工程在长度上对滤波器的体积的要求。具体参数值如表4 - 1 所示。圈4 - 1 金属拄加载 自振脏内部结构酗与整体示意图弋，岁电子科技大学硕士学位论文表4 1 金属柱加载双模谐振腔优化参数值及描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述( r a m )c r a m )a 02 8 5波导宽度h p 26 6 l金属柱2 的高度b 01 2 6 2波导高度h p 46 7 2金属柱4 的高度恤1 5 1 8输入耦合波导宽度w p 23 8 l金属柱2 的宽度w o u t1 5 8 9输出耦合波导宽度w p 43 9 7金属柱4 的宽度a l4 9 3 2谐振腔宽度l p 24 3 4金属柱2 的厚度l l5 2 3输入端空气段长度l p 44 0 8金属柱4 的厚度1 25 4 2金属柱间空气段长o 跑11 0 1 9柱2 对腔中心偏移量1 35 2 2输出端空气段长o f f 411 0 1 9柱4 对腔中心偏移量t i n4 5 8输入耦合波导长度o f a l3 7 5输入耦合口偏移量t o u t4 9 2输出耦合波导长度o f b l3 7 4输出耦合口偏移量通过优化各金属柱的高度、宽度、厚度以及谐振腔的宽度和长度，和耦合开口的宽度等得到了谐振腔的s 参数，如图4 2 所示。n ( ，) ( ，)勺df r e q ，g h z图4 2 金属柱加载谐振腔优化曲线4 2 波导口加载金属柱谐振腔优化设计在设计宽带滤波器时，输入输出耦合波导口的长度会变得很短，不利于加工第四章金属拄加载多模谐振腔与金属柱加载多模滤波器特性研究设计。这时可以通过在波导口加载金属柱达到增强耦合的目的。如图4 3 所示2：i 语一二= 蓄啦雕圈4 - 3 金属柱加载谐振腔内部结构与外形图表4 之波导口金属柱加袭双模谐振腔的晟终优化参数值及描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述f m m )f m m la 02 85波导宽度3金属柱宽度b 0波导高度h p26 0金属鞋高度1 36 2输入耦合波导宽度培金属柱厚度1 36 5输出耦合波导宽度1 1 1输入输出耦合波导长度4 23 6谐振腔宽度o h ll4 7输入耦台口偏移量l3 95 5谐振腔陈度l4 2输出耦台口偏移量通过对表4 - 2 中各参数值的优化，得到了谐振腔的s 参数如图4 _ 4 所示，3 04 0 一一i 歹习i 1 js 1 15 0一一- 一一一一一t 757 6777 b7 98 08 1828 3f r e qg h z幽4 4 波导口加载金属柱烈模谐振腔仿真曲线而电子科技大学硕士学位论文4 3 金属柱加载双模滤波器与普通双模滤波器比较为能够直观的看出金属柱加载双模滤波器在减小体积方面的优势，本节将根据相同的设计指标设计一款两腔普通双模滤波器和一款金属柱加载双模滤波器进行比较，具体设计过程如下：矽零缈! | ：口2图4 5 硬模滤波器内部结构与外形图表4 。3 飙模滤波器的最终优化参数值及描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述( 帆)蛐、2 85波导宽度1 l4 n 1 3谐振腔ik 度b o1 26 2波导高度1 l8 1谐振腔闻帮合波导睦度1 29 6i 腔输入耦台波导宽度t j t i1 腔输 耦台波导k 度1 29 6l 腔输出耦台波导宽度。矗l26 7l 腔输 耦台口偏穆量a l谐振腔1 宽度1 腔输山耦台口偏移量嚣i 一菘i二l李拿。，一yyl s 1 、j耄詈mr i i 一一、j口可j第四章金属柱加载多模营振腔与金属柱加载多模滤波器特性研究群柱i 瀵蠲图舡7 金属柱加载积模滤波嚣内部结构与外形图表4 4 金属柱加载双模滤波器的瑷终优化参数值及描述2参数优化值参数描述参数优化值参数描述( m i l l )( m m )a o波导宽度h p 3 _ 1金属牡3 的高度1 26 2波导高度h p 41金属柱4 的高度2 86 9谐振腔1 宽度l p l l金属柱1 厚度1 腔辅八耦台波导宽l p 2 137 9金属柱2 厚度1 20 01 脏输山耦台波导宽l p 3 - l金属柱3 厚度13 61 腔输八藕音波导陡33 5l 腔中输入空气段k两腔之问粑台波导托36 4柱l 与柱2 之间长度w p l 一135金属柱l 的宽度32 7柱2 与牲3 之间度w p 2 139 7金属柱2 的宽度1 腔中输山空气段kw p 3 1金属拄3 的宽度o f 犯168 4柱2 对腔中心偏移量w p 4 135 8金属柱4 的宽度柱4 对腔中心偏移量h p ll63 8金属枉1 的高度1 腔输八耦合口偏移挺h p 2l金属柱2 的高度o mll 肘空输出耦台口偏移量通过对表4 - 4 中各参数的优化设计，得到滤波嚣的s 参数曲线，如图4 - 8 所示：我们发现金属柱加载双模滤波器通带到阻带的过渡变得更加的陡峭，即捌有更好的带外抑制。电子科技大学硕士学位论文一rnrc ，) o 刁刁f r e q ，g h z图4 - 8 金属柱加载双模滤波器s 参数仿真曲线图4 - 9 双模滤波器( 上) 与金属柱加载双模滤波器( f ) 外形尺寸( 单位毫米) 比较图图4 9 为双模滤波器与金属柱加载双模滤波器尺寸比较图，两滤波器的高度相等。我们可以清楚的看到金属柱加载双模滤波器无论在长度还是宽度上较双模滤波器都明显的变小，整体体积缩小近5 0 。3 0第五章金属拄加载多模滤波器与毫米波多模滤波器设计第五章金属柱加载多模滤波器与毫米波多模滤波器设计e 面的章节中我们对普通双模滤波器和金属柱加载谐振腔以及滤波器进行了研究。本章主要内容是将按照前几章的设计基础，根据具体设计指标设计了金属林加载双模滤波器和毫米波双模滤波器，并进行了加工测试。51 金属柱加载多模滤波器的设计表5 - 17 9 7 5 m h z 金属柱加载烈模滤波器的设计指标中心频率通带7 9 3 0 z - 8 0 2 0 z带内反射捕损小于l d b带内波动小丁o8 d b带外抑制在f r 79 g h z 时) 抑制 f4 0d b本节所设计的金属杜加裁滤波器，是在3 2 节中我们设计的零点位于通带低端的窄带滤波器基础上，在谐振腔中电场集中位置加载金属柱。为满足设计要求，所设计的滤被器采用三腔非对称结构形式。该滤波器采用b j 8 4 的标准主波导，如图5 1 所示。瞄5 - 1 金属杜加载烈模滤波器示意蚓通过优化备金属柱的高度、宽度、厚度以及谐振腔的宽度和长度，和耦合丌电子科技大学硕士学位论文口的宽度等得到了滤波器的s 参数，如图5 2 所示，而具体的各优化参数值见表5 2 。表5 - 28 g h z 金属柱加载滤波器的最终优化参数值及描述参数优化值参数描述参数优化值参数描述( m m )( 姗)a 02 8 5波导宽度h p 2 _ 36 2 43 腔中柱2 的高度b 01 2 6 2波导高度h p 3 _ 36 4 63 腔中柱3 的高度b1 2 6 2谐振腔高度h l m _ 36 2 33 腔中柱4 的高度a l2 8 6 5第一个谐振腔宽度l p l 13 9 01 腔中柱1 的厚度a 22 7 6 8第二个谐振腔宽度l p 2 _ 13 7 81 腔中柱2 的厚度a 32 8 8 4第三个谐振腔长度l p 3 13 6 91 腔中柱3 的厚度w l11 3 1 61 腔输入耦合口宽度l p l 一23 8 22 腔中柱1 的厚度w 211 1 9 41 腔输出耦合口宽度l p 2 _ 23 8 02 腔中柱2 的厚度w l21 1 9 42 腔输入耦合口宽度l p 3 _ 23 8 02 腔中柱3 的厚度w 221 1 8 62 腔输出耦合口宽度l p l 33 7 73 腔中柱i 的厚度w l31 1 8 63 腔输入耦合口宽度1 p 2 _ 33 7 63 腔中柱2 的厚度w 231 2 8 53 腔输出耦合口宽度i p 3 _ 33 8 93 腔中柱3 的厚度t i n1l1 腔输入耦合波导长度1 113 3 31 腔中输入端空气段长t i n25 3 62 腔输入耦合波导长度1 2l3 6 0柱1 与柱2 之间的长度t o u t25 2 62 腔输出耦合波导长度1 3l3 3 0柱2 与柱4 之间的长度t o u t313 腔输出耦合波导长度1 413 2 11 腔中输出端空气段长w p l 13 51 腔中柱子1 宽度1 123 2 42 腔中输入端空气段长w p 2 _ l4 0 11 腔中柱2 的宽度1 223 5 3柱1 与柱2 之间盼氏度w p 3 13 8 31 腔中柱3 的宽度1 323 5 3柱2 与柱4 之间的长：度w p 4 _ l3 7 61 腔中柱4 的宽度1 423 2 52 腔中输山端空气段长w p l - 23 8 12 腔中柱1 的宽度l l33 1 03 腔中输入端空气段长w p 2 - 23 7 42 腔中柱2 的宽度1 2 33 4 3柱1 与柱2 之间的长度w p 3 _ 23 7 72 腔中柱3 的宽度1 3 33 7 4柱2 与柱4 之间的长度w p 4 _ 23 。7 52 腔中柱4 的宽度1 4 33 2 63 腔中输出端空气段长w p l33 53 腔中柱子1 宽度o f f 216 8 l1 腔中柱2 对中心偏移鼙w p 2 _ 33 7 63 腔中柱子2 宽度o 仃41。6 8 l1 腔中柱4 对中心偏移量3 2第五章金属柱加载多模滤波器与毫米波多模滤波器设计w p 333 7 l3 腔中柱子3 宽度o 舵26 7 22 腔中柱2 对中心偏移量w p 4 _ 33 6 53 腔中柱子4 宽度o 斛2_ 6 7 22 腔中柱4 对中心偏移量h p l 16 4 01 腔中柱1 的高度o 勉36 6 63 腔中柱2 对中心偏移量h p 216 2 31 腔中柱2 的高度o 肘36 6 63 腔中柱4 对中心偏移量h p 3 l6 4 21 腔中柱3 的高度o f a11 1 01 腔输入耦合口偏移量h p 4 _ l6 2 21 腔中柱4 的高度o r blo 7 8i 腔输出耦合口偏移量h p l j6 5 02 腔中柱1 的高度o n2o 。7 82 腔输入耦合口偏移量h p 2 _ 25 8 52 腔中柱2 的高度o f b20 7 62 腔输出耦合口偏移量h p 3 _ 26 4 92 腔中柱3 的高度o f a30 8 63 腔输入耦合口偏移量h p 4 _ 26 0 82 腔中柱4 的高度o f b31 2 43 腔输出耦合口偏移量h p l _ 36 3 63 腔中柱1 的高度按照以上参数进行设计的金属柱加载双模滤波器s 参数曲线如图5 - 2 所示。n c ，) c ，)口刁f r e q ，g h z图5 - 2 金属柱加载双模滤波器仿真s 参数曲线5 2 金属柱加载多模滤波器的加工测试在完成金属柱加载双模滤波器的仿真优化设计后进行实物加工，将滤波器分为上板和下腔两部分进行加工。装配时采用m 2 的螺钉进行