（无线电物理专业论文）ka波段tr组件的研制.pdf

摘要 本文研究的课题为“k a 波段t r 组件的研制”。主要工作是对毫米波t r 缌转的理论和设诗进行深入研究。 第一章是本文的绪论部分，瞽先论述了毫米波及其穗点，然后对瓷米波集成 电路的种类、特点、用途及电路设计原则和目前国内外爨米波t r 组件的发展动 态作了一个概述。最后简要介缨了本文所做研究工作的谋题来源和研究意义，本 章王馋荛整令漾熬静全瑟瑟爨抒下了基磷。 第二章分析了微带线的基本特性，介绍了微带线的膏效介电常数和特性阻抗 的设计公式，概昭介绍了微带线单长度电容的数值解法，对微带线的各种不连续 性遂行了较为谨缨熬讨论。 第三章着熏介绍了微带带邋、高通滤波耱的设计方法，并对蟊前滤波器的最 新发展进行了概述。对微带蛰功分器、不等功分器和微带定向耦合器谶行了软件 仿舆设计。同时用集总参数元件设计了一个低通滤波器。 第霆章究缨了毫寒波主要元器 孛稳主簧援零撵东静黪瞧。 第五章在前阐几章节理论分析和软件仿真的基础上窳际制作了k a 波段t r 组件，将其安装在1 2 0 r a m 9 0 m m 3 0 m m 的腔体内。进行了测试，并绘出了实际 测试结果。 关键蠲：毫米滚，t r 缝 串，隽带滤滚器，嚣滚毫路，畜潆窀路 a b s t r a c t t h i st h e s i si sm a i n l yo nt h et h e o r ya n d d e s i g no f “k ab a n di n t e g r a t e dt r a n s m i t t e r & r e c e i v e rm o d u l e ” c h a p t e r1i sab r i e f i n t r o d u c t i o no i lt h ec h a r a c t e ro f m i l l i m e t e r w a v e ，t h ec a t e g o r y a n da p p l i c a t i o no fi n t e g r a t e dc i r c u i t so fm i l l i m e t e r - w a v e ，a n dt h ed e v e l o p m e n to f t h et r a n s c e i v e r s a tl a s t ，t h es o u r c eo ft a s ka n di t ss i g n i f i c a n c eo fr e s e a r c ha r e i n t r o d u c e db r i e f l y t h i sc h a d t e ri st h eb a s i so f t h ew h o l ed i s s e r t a t i o n i nc h a p t e r2 , t h eb a s i ct r a i t so fm i l l i m e t e r - w a v em i c r o s t r i pl i n ea r ea n a l y z e d ，a n d t h e d e s i g nf o r m u l ao fi t sv a l i dp e r m i t t i v i t ya n dr e s i s t a n c es p e c i a l l yh a v e b e e n s u r v e y e d ，a sw e l la sar o u g hi n t r o d u c eo ft h en u m e r i c a lv a l u el e n g t hc a p a c i t a n c ea n d t h ed i s c o n t i n u i t i e so f m i c r o s t r i p i nc h a p t e r3 ，w ei n t r o d u c et h ed e s i g nm e t h o do fm i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e ra n d s u r v e yi t sn e wd e v e l o p m e n t w ed e s i g n e d s o m em i c r o s t r i pf i l t e r sa n dp r e s e n tt h e t h e o r e t i c a la n dm e a s u r e dr e s u r s ，w h i c hs h o w sg o o da g r e e m e n t s ，w ea i s op r e s e n tt h e s i m u l a t i o nr e s u l t so ft h ep o w e rd i v i d e ra n dd i r e c t i o nc o u p l e ra n dt h ew a v e g u i d e r - t o m i c r o s t r i pt r a n s i t i o na sw e l l i nt h el a s tp a r t ，w ep r e s e n t e db o t ht h es i m u l a t i o na n dt h e m e a s u r e dr e s u l t so fal u m p e dl o w p a s sf i l t e r i nc h a p t e r4 ，w ep r e s e n tt h em a i nc h a r a c t e ro fa c t i v ed e v i c e so fm i l l i m e t e r w a v e ， w h i c hi st h eb a s eo fs e l e c t i o na c t i v ed e v i c ew h e nt h es y s t e mo ft r a n s m i t t e r & r e c e i v e rm o d u i ei ss t r u c t u r e d i nc h a p t e r5 k ab a n di n t e g r a t e dt r a n s m i s s i o n & r e c e i v e rm o d u l ei sf a b r i c a t e d o nt h eb a s i so ft h et h e o r ym e n t i o n e da b o v em a di sm e a s u r e di nt h eb o xo f 12 0 r a m 9 0 m m 3 0 r a ma n dt h er e s u l ta r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：t rm o d u l e ，m i l l i m e t e r - w a v e ，m i c r o s t r i pf i l t e r , p o w e rd i v i d e r d i r e c t i o nc o u p l e r , a c t i v ec i r c u i t ，p a s s i v ec i r c u i t i o o m s p s 数字来寨系统暂 究 独创性声明 本人声臻繇避爨戆学位谵文熬零太在菇嬲措导下避镗熬氍究王终及墩褥鹣 碜 究蔽聚。据我掰翔，除了文中特刚加以标注辩致谢酶遗方外，论文中不瓴含 其他人媳经发表域撰写过的研究成果，也不包含为获彳譬电子料技大学或其寂教 弯税构翡学谴或诞书褥使蜃逮翁耪辩；与蔽一阏工裕鹣褥悫对本磅究掰擞麓任 何嚣融均已在谂文审俸了明确的说嘲并表承落意。 签铄二? 黔麓麓k 妒j 笨绡港 一 t 关于论文使用授权的说明 零学整潦文露者完全孔酥邀子科技大学有关穰爨、镬霪攀鼗谂交 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，允许论文被囊瓣嚣簧阕。本人授投邀予辩技大学珂菠将学像论文 的盒部藏部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫擒等复制手段保存、汇编学链论文。 ( 保密的学位论文在解密厢应遵守她规定) 签毫；。：趁主。导帮签名：i l 垒蕴 日期：沙j 年月e l 电子科技大学硕士论文 1 1 引言： 第一章绪论 毫米波是介于微波与红外激光之间，频率范围为3 0 g - - 3 0 0 g 的电磁频谱。 由于红外和光系统在穿透烟尘、云雾等恶劣环境和夜间工作的局限性，以及微 波频谱已经非常拥挤的状况，而毫米波兼有微波和红外的优点，可以弥补红外 和微波所面临的不足，所以它进入了一个特别重要的发展时期。毫米波是近年来 国内外通信开发的主要频段之一。其特点是波束窄，保密和抗干扰能力强，容 量大，容易做到图像、数字兼容，数、模兼容。系统体积小，重量轻，低压供 电且具有全天候工作能力。 亳米波的典型特点是它的波长短、频带宽以及它的大气传播特点，它的优 点、缺点及典型应用都与这三个特征有关。 在毫米波频段，电磁能量在大气中传播时与大气中气体、浮悬微粒以及含 水物质的相互作用要比它们与微波能量的相互作用要强得多。在整个毫米波频 段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口”，它们的中心频率在3 5 ，9 4 ，1 4 0 和 2 2 0 g h z 附近，相应波长为8 6 ，3 2 ，2 1 ，和1 4 m m 。这些“窗口”的带宽分 别为1 6 ，2 3 ，2 6 和7 0 g h z 。因而任何一个毫米波“窗口”的可用带宽几乎都可 以把包括微波频段在内的所有低频频段容纳在内。这些带宽特性，在雷达中可 用窄脉冲和宽带调制技术获得目标的细部特征，在通信中能传送更多的信息， 大大拓宽现已十分拥挤的通信频谱，为更多的用户提供互不干扰的通道，也能 为各种系统提供高质量的电磁兼容特性。 1 2 国内外动态： 尽管毫米波优点明显，但毫米波系统的发展受到许多因素的限制，毫米波 系统研制面临的主要问题是可靠性和低制造成本，初期分立电路成本过高给系 统批量装备带来了阻力，特别对一次性使用的弹载系统更是如此。为了保证毫 米波元部件和系统的小体积，轻重量，和高可靠性，并尽可能实现低成本批量 生产，毫米波r f 元部件和子系统一直在沿着波导立体电路一混合集成电路 ( m i c ) 一单片集成电路( m m i c ) 在向前发展。1 9 9 1 年国外最早有文献报道在 一个单片的上实现k a 波段t r 模块。现在毫米波频段将整个t r 模块集成 在g a a s 基片上的技术已经很成熟。 美国和欧洲高性能、高可靠性的军用毫米波系统直在向前发展，日本则在 毫米波卫星民用系统研制方面取得了重大突破。至今人们已经提出不少毫米波 电子科技大学硕士论文 民用系统，可用来传输高清晰电视信号等高速数据的无线局域网和。”车辆防撞 雷达是潜在市场大，并最具有应用前景的两种民用系统。提高系统个重要方 向是尽量减小系统功率，降低对供电电源的电压要求。国外已有文献报道用两节 3 v 电池供电的g a a sm m i cr r 模块。o ” 我国毫米波技术开发应用正在迅速进行。在毫米波频段，国内与国外水平的 主要差距还是在元器件和工艺方面，国外已大量采用单片集成技术，而国内还 仅在波导立体电路和混合集成技术方面作了些基础性工作，影响了毫米波系统 研制的进度。 根据国外的发展过程和国内的实际研制情况，鉴于我国目前g a a s 技术与国 际水平有不小的差距，电路制作水平和工艺条件尚有待完善，短期内要实现毫 米波前端的单片集成还不现实，为此，通过混合集成技术实现毫米波系统是一 种切实可行的方案。 1 3 本论文的主要工作： 本文研究的课题“k a 波段t r 组件的研制”来源于航天部科工集团5 0 4 所 横向项目。 主要技术指标： 1 射频频率：3 3 5 5 g h z ： 第一中频频率：1 0 5 g h z ； 第二中频频率：5 0 m h z ： 2 工作带宽：l o m h z ； 3 输入信号动态范围：一1 3 4 d b m 一- - 6 6 d b m ： 输出信号： 一3 d b m 一+ t d b m ： 4 ，噪声系数：5 o d b ： 5 输出l d b 压缩点：1 2 d b m ； 6 接收、发射前端p i n 开关隔离度3 0 d b ； 接收通道隔离度：4 0 d b ： 7 系统增益：净增益l o o d b ： 8 一致性：接收通道幅度：0 3 d b ； 9 功耗：1 6 w ： 本论文的工作主要包括： 1 对指标要求进行认真的分析，然后提出相应的设计方案 2 对微带线结构，特性进行基本的理论分析之后设计了相关的无源电路， 具体有：波导一微带的对脊鳍线过渡，波导一微带探针过渡，两路等功分及不等 电子科技大学硕士论文 分功分器，毫米波带通滤波器，并用微带实现了几种滤波器。 3 根据具体指标，考虑到性价比和国外对某些元部件禁运的实际情况，有针 对性地对有源单片器件进行比较、选取。 在设计制作过程中遇到了许多实际问题，通过多次实验解决了这些问题， 最终基本达到以上指标。 - 电子科技大学硕士论文 2 1 微带线1 m 1 第二章毫米波微带线特性 微带线是由宽为w 、厚为t 的金属导带，介电常数为s 。、厚为h 的介质基片， 以及最下面的接地板所构成( 如图2 1 所示) 。这种微带线又称为标准微带线， 除了标准微带线之外还有一些变态形式的微带线，诸如倒置微带和悬置微带( 如 图2 3 所示) 这里我们只讨论标准微带线。标准微带线可以看成双线传输线演变 而来，图2 2 表示了演变过程。 图2 1 蔓孤i 益i f l i i l l 1 7 图2 2 互霉工墨琶三叠g 丑工嗣仁芏j 三已量曼王3 墨 7 _ 万r 7 7 乃7 7 万7 7 万7 _ 乃7 7 力7 7 7 了7 7 刀7 _ ( a ) 倒置微带 ( b ) 悬置微带 图2 3 2 1 1 微带线的特性阻抗和相速 特性阻抗和相速是任何微波传输线的最主要的两个参量，前者与阻抗匹配有 关，后者决定传输线电长度和其几何长度的关系。研究微带线的各种特性，首先 是从这两个参量出发。用电磁场理论可以证明：微带线传输的电磁波不是纯粹的 横电磁波，而会出现各种杂型波，但如尽量缩小微带横切面尺寸，使条带宽度w 和基片高度h 均远小于五( 2 s ，) ( 其中兄为工作波长，s ，为基片对真空的相对介 电常数，如图2 1 所示) ，则杂型波极小，可以近似看成t e m 波。对于t e m 波， 根据长线方程，传输线的特性阻抗z 。和相速v 。分别为： ，心 氐2 j 百 ( 2 1 ) 电子科技大学硕士论文 一。丽1 2 2 其中厶和c 。分别为传输线的分布电感和分布电容。 所以， z o = j l _ l 0y 口 当传输线全部处于空气中时，v 。= c = 3 x 1 0 8 m s 。当传输线全部处于相对介 电常数为的介质中时，则v ，= c i 。微带线的部分电场在介质中，部分在空 气中，所以其相速必然介于全填充介质和全填充空气情况的相速之间。即有 c s ， v ， c ，我们用有效介电常数s 。这一参量来表示，并令v ，为： c v p 。_ 了一 、t 其中s 。的值介于1 一s ，之间。 微带线特性阻抗z o 和相速v 。的计算公式归纳；t i t = 耻互五砸1207：24 20兰+ 一4 4 旦+ 1 一旦1 hw lw 乞= 半+ 孚( ，+ 1 2 1 2 微带线的损耗 当旦 ( 2 3 ) t - 1 h 当竺1 仃 损耗是传输线的重要参量之一，微带线的损耗要比波导，同轴线大得多，所 以在设计微带电路时要予以重视。 i 。 ! 一一，i e = = 二= = = 二二= = 二二= _ ： 只 。t = = = = = = = = = = = = = = = = = j 图2 4 如有一行波通过图2 - 4 中长度为f 的一段传输线，入射功率为尸，输出功率 w 一厅 + 鼢一w 上厄互厄锄 = = = 乙 蜀 - 电子科技大学硕士论文 为p 。则有： 只= 只口_ 2 。( 其中口为衰减常数，是传输常数y = 口+ 妒的实部) 两边取对数得： 口= 寺，唔 。， 2 fp 可见，衰减常数也可表示为单位长度上输入功率和输出功率比值的自然对数之 半。 所以微带线的功率衰减为： 妒= 鼻一只= 鼻( 1 一。“) ( 2 - 5 ) 我们令f 值很小，以f 来表示，将e - 2 训展开幂级数后，取前两项得： 8 2 “1 2 a a l( 2 - 6 ) 故 a p = 只2 a - z ( 2 - 7 ) 或a = 去等= 考 其中p 2 叫a l 为单位长度上的功率损耗。微带线的损 耗分成介质损耗、导体损耗和辐射损耗三部分。所以p = p 。+ n + p ，( p 。，p 。，p ， 分别为单位长度上介质，导体和辐射损耗功率) ，故 归去c p a 乜协，2 等+ 笼+ 毒跏一栅c 托r 心- s ， 下面分别讨论微带线的这三种损耗： ( 1 ) 介质损耗：当电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格来回碰 撞，而产生的热损耗。 ( 2 ) 导体损耗：微带线的导体带条和接地板均具有有限的电导率，电流通 过时必然引起热损耗。在高频情况下，趋肤效应减小了微带导体的有效横截面积， 更加增大了这部分损耗。所以导体损耗是微带线损耗的主要部分。 ( 3 ) 辐射损耗：是由微带线结构的半开放性引起，减小横截面尺寸时，这 部分损耗很小，只在微带线的不均匀点才比较显著，为了避免辐射，减小衰减， 并防止对其他电路的影响，一般微带电路均装在金属的屏蔽盒中。 2 1 3 微带线的色散特性 实际上无论是敞开的还是屏蔽的微带线，均不能维持t e m 模的传播，因为微 带线中的波分布在空气和基带介质两种媒质中，为非均匀媒质，故其中不能传输 纯t e m 模。微带线中传播的真正模式是一种t e 模和t m 模组成的混合模式。频率 较低时，混合模就趋近于t e m 模。但在较高频率下，当传输线尺寸相对于四分之 一或半波长足够大时，就必须考虑微带线的色散特性。色散是指电磁波的传播速 度随其频率而变的现象。 ( 1 ) 波导波型 - 电子科技大学硕士论文 波导波型在金属带条和接地板之间存在。对于每一种波导波型，都存在一个 f 【佰界波长 。只有当工作波长小于屯，该波型才能传播，否则就很快衰减。丸主 要取决于微带线的横截面尺寸，几何尺寸及基片的介电常数。最易产生的波导波 型是其最低型t e l 。和t m o 。波。 a 7 e 。波型的临界波长恰好等于在横截面横方向存在半个驻波时的波长即 魄k 。= 2 w q ( 2 - 9 ) 其中横向尺寸矿为半个驻波波长。 由于电场在两边存在边缘效应，等效于宽度增加了zo 8 h ，所以 魄) 碣。= ( 2 w + 0 8 h ) q ( 2 - 1 0 ) b t m 。波型，其临界波长为 札) 。= 2 c h ( 其中h 为介质的厚度)( 2 1 1 ) ( 2 ) 表面波型 此种波型不需要导体带条，只要有接地板于介质基片即可维持存在，其机理 为：由于导体表面有一层介质，该层介质能吸引电磁场使其不向外扩散，而只能 沿导体板的表面传播，故称为表面波。表面波的大部分电磁能量集中于导体和介 质板附近，距离较远时，电磁场即按指数规律衰减。 表面波同样有各种波型，各种波型都有其相应的临界波长，对于最低的t e 型表面波，其临界波长为： 。) = 4 - 1 ( 2 - 1 2 ) 对于最低的t m 型表面波其临界波长为 阮) 。= 0 0 亦即在所有的工作波长下，它都可能存在。 表面波的相速在光速c 和厂_ 之间，而微带线准t e m 波的相速亦在此范 q s r 围内，当两者的相速相同时，则要发生强耦合而不能工作，t e 和t m 型表面波 和微带线准t e m 波产生强耦合时的频率分别为： t e 型：扁：兰：! ! ( 2 1 3 ) 8 h , 1 6 ，一1 f 型：南“碉c i q 2 ( 2 1 4 ) 2 2 微带线的不连续特性p 】 【7 微带电路中，由于电气性能和结构上的需要，微带电路的导体条带不可避免 的会出现一些不连续性的问题，例如微带滤波器，微带变阻器的不同特性阻抗微 带的连接处，即存在尺寸跳变：平行耦合微带带通滤波器的半波长谐振线的两端 即为微带截断；微带分支线电桥，分功率器等则包含一些分支t 接头。这些不连 电子科技大学硕士论文 续性在电路中的作用主要表现在3 个方面： ( 1 ) 、在这个地区发生能量的存储 ( 2 ) 、引起反射波 ( 3 ) 、由于上面两项，场通过不连续区而重新沿传输线传输时，它的相位和 振幅都可能与进入不连续性区域之前有所不同。 不连续性在电路的存在，对电路的影响是显而易见的，诸如加大电路的损耗， 出现相位的延迟。所以微带线的不连续性在本文中的微带滤波器的研究当中至关 重要。研究微带线不连续性的惯用方法是：首先假设微带线上的传播的是准t e m 波，且不连续性区域比工作波长小得多，根据不连续性所造成的场结构的摩| 生和 容性效果，确定合适的电路模型，再通过数学方法求得不连续性等效电路中的元 件值。 2 2 1 微带线开路 在微波电路中，经常会遇到微带终端开路的情况，由于导体带条和衬底导体 板之间有介质板隔开，所以实际上不便于直接短路，为了得到终端短路，通常必 须用开路线来等效短路，所以微带电路中终端开路的情况要比其他的传输线 多得多。 毒竺f蚕c 。 如图2 - - 5 所示：开路端电容引起微带线长度一个增量，因为很短的开路 线等效于一个电容，换句话说，开路的电容也就等效于- - + 段开路线。 - 等= 0 4 1 2 怒0 2 5 8 ) 哿8 c z 一 h jl 吮+ o f 、。 其中，。为有效介电常数，h 为介质基片的厚度。在。0 2 的范围内，与数值结果相比较，此式的精度为4 左右。 利用上式，我们可以求出开路电容： c o f1 g 。 w h c z 0 其中，c 为自由空间光速，t 为阻抗乙所对应的有效介电常数。 2 2 2 微带槽口 0 2 s f 兰5 0 ( 2 一1 6 ) 微带线条带上的槽i s l 即横向窄槽，可用来实现串联电感，其结构和等效电路 如图2 6 所示，其串联电感可由下列近似关系式得到： 鲁c 帅即愕厨 电子科技大学硕士论文 丁丁 z 。 z o = = = = = = = j = = = = = 3 _ a p 图2 - 6 槽口等效电路 式中，s 。和s ：分别是宽度为w 和w - b 的微带线的有效介电常数，z 。和z ：为相 应的阻抗。上式在0 茎b w _ 0 9 和d h 条件下适用。 2 2 3 宽度阶梯 宽度阶梯由不同宽度即不同阻抗的两根线的接头构成。其结构和等效电路如 图2 7 所示：它由接头上面的并联电容c ，和两侧的串联电感厶和三：组成。其并 联电容可由下列的关系式得到： 善( p f m ) = ( 4 3 8 6 1 n s ，+ 2 3 3 ) w 2 5 4 7 2 1 n e ，一3 1 7 ( 2 1 8 ) 嘶屹 哟 ， 其中s ，1 0 ，1 5 玉形，3 5 。该式的百分误差小于1 0 鼻 一 图2 7 宽度阶梯 2 2 4 直角弯头 直角弯头通常用来提供电路走线布置中的机动性，其结构和等效电路如图 2 8 所示。 重型童 zo 丰c a z a c ：= = = = = t = = = = = 了 图2 - 8 直角弯头 其中c b ，毛2 分别表示并联电容和串联电感，其值可由下式来近似得到 l ， 鱼( p f m ) = w 坠：二! 竺生些：竺二竺2 + 竖兰 。 m w h ( 2 1 9 ) ( 9 如，+ ，z s 砂协+ s z 勺+ ，。詈 孕( 桶。) ：l o o ( 4 f 刀h “2 1 ) ( b - b o ) 门 一电子科技大学硕士论文 2 2 5t 型接头 t 型接头的研究对毫米波电路的准确设计有看极其重要的作用，其结构和等 效电路如图9 所示。等效电路由主线串联电感厶，短线串联电感三：和接头电容 组成。在分支线耦合器和单刀双掷开关的设计中，电感厶和l 2 均起到非常重要 的作用。 其计算公式可由下式得到： c w l r ( p f m ) = 面丽1 0 0 + 。- 6 4 2 0 2 2 6 1 ( 2 5 _ z 0 2 1 0 0 ) 鲁c ”h ，m ，= 一 等( 一o 。s 鲁+ o 吲) + 嚣卜。吣( 鲁，詈 z 。 ( 2 - 2 2 ) 鲁c 删，m ，= ( 叫：詈- o 。， 鲁+ o ，s 鲁- 0 3 5 7 + o 0 2 8 3 s i n ( 万- - 0 7 5 ：r t 卜： 1 旦2 0 0 5 旦2 0( 2 2 3 ) 门九 其中三。：z o - f i ( c = 3 x l o s m s ) 为宽度为。的微带线单位长度电感( 。h m ) 。 c 2 2 6 缝隙 图2 - 9t 形接头 微带缝隙的不连续性是根据电路的需要故意引入的，用来提供个呈容性的 串联电抗，其等效电路为三电容的玎型网络，如图2 1 0 所示： 微带缝隙可用于直流抑制电路，端耦合滤波器，谐振器耦合元件等，等效电 路的电容c 1 和c 。：可用c 。和c 0 。表示为： c x = 去c 。 ( 2 - 2 4 ) ：丢f c 。一丢c 1 ( 2 - 2 5 ) 其中，c 。和c 。分别是对称和反对称激励缝隙时的等效电路参量。 电子科技大学硕士论文 t 豇c k 2 t 2 豇 ( a )( b ) 图2 1 0( a ) 缝隙( b ) 等效电路 书 ，电子科技大学硕士论文 3 1 毫米波滤波器 第三章毫米波无源电路 毫米波带通滤波器己成为一种很重要的毫米波元件，广泛应用于毫米波的系 统中，是毫米波提取所需频段的一个功能部件。按其传输线的类型来分，可分成 微带滤波器，波导滤波器，带状线滤波器等。由于微带线在平面上作图和制版方 便，各种变阻形式和耦合微带线形式滤波器被广泛采用：但由于微带线的导体带 和接地板之间有一定厚度的介质层在，所以微带线的短路不易实现，所以很少采 用短路结构。此外微带线的损耗大，q 值低，结构不易调整，且微带滤波器的某 些指标( 如通带损耗和阻带衰减) 低于其他形式的滤波器。 3 1 1 平行耦合微带线带通滤波器的设计。1 带通滤波器一般是由低通原型滤波器转换而来，但带通和低通有所不同，其 滤波元件不再是三和c ，而是谐振元件。谐振元件可以是一个谐振腔体，或一段 , v 4 ，v 2 的开路线，短路线，或是在一段传输线的两端接电抗或电纳，分别和 输入端，负载端连接，等效于主线上并联或串联一个谐振电路，采用倒置转换器， 可将串并联电路转换为全部串联或全部并联电路，并且相互隔开，容易实现。 带通滤波器按微带结构又可以分为分支线带通滤波器和耦合线带通滤波器， 分支线滤波器在微带结构中实现容易，在窄带内设计也是较精确的，但有以下缺 点： ( 1 ) 伸展面积大，不如耦合式滤波器结构紧凑。 ( 2 ) 寄生通带中心频率为2 w ，而耦合式带通滤波器寄生通带中心频率为o 3 ，后者有利于对不需要的频率的抑制。 ( 3 )( 若分支线特性导纳变化大，其微带粗细悬殊太大，不易实现，而且 微带的不连续性加大了设计难度。而耦合式微带带通滤波器可调节线 的间距来满足综合设计要求。 微带带通滤波器的设计步骤如下： ( 1 ) 首先设计具有所求不同频率响应的低通滤波器原型。 ( 2 ) 把低通滤波器原型变换为带通滤波器，并具有指定的中心频率和频带 宽度。 ( 3 ) 用分布元件实现所设计的网络。 ( 4 ) 实验验证和调试滤波器。 带通滤波器的实验设计方法是基于耦合系数的测量，从而可以不考虑复杂的 电子科技大学硕士论文 等效电路，模式速度，色散和寄生元件等。 耦合微带带通滤波器由下图所示的耦合微带单元级联而成 巨兰型。 z z 。 口 二= = 二= = 图3 - 1 微带耦合单元 图3 - 2 耦合单元的等效电路 该耦合单元可等效成一个导纳倒置转换器和接在两边的两段电长度为0 ，特 性导纳为艺的传输线段的组合。现在写出图2 l 和图2 - - 2 的h 矩阵，将两者 进行比较，就可以求出j 来。 图2 一l 微带耦合单元的a 矩阵为： 阻】= 瓦z o e + z o oc o s 8 ，孕 孝务缈c o s 阳啪 墅旦 兰丝互。目 兰丝二圣塑 z 钟一z 。o 图2 - - 2 耦合微单元等效电路的a 矩阵为： 悱憾c o s js 岛i n o 一j 吼j 驷c o s 0 们磊。s i n 0 j = ( j r o + r o m s m 叭础懵s 抒口一刁 一j j c o s a 0 + 学吲，) s 枷c o s 占 乏z i o + z o o = 帆+ t o 办i n 臼 在中心附近，0 “9 0 。，故上式可以近似为： 冬粤：j | y o 斗y ，| j 一一j ，t ， z 。一z 。 j ” 又比较第一行第二列元素，得： 孕= 形 ( 同样在0 9 0 。的情况下删以) 由上式可以得出： ，= 垒当，瓦2 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) 曲 电子科技大学硕士论文 n z o 。- z o o 为奇偶模阻抗之差，般互手 z 。= 专，所以， 巧。因而， 起n - - 个把导纳变得很小的作用，因此将其看成导纳倒置转换器是合理的。 由上面的推导可得： 从而平行耦合微带线带通滤波器的设计公式如下 一j o l ：型l r o1 2 9 0 9 1 生：生_ ，从l 到即一1 ( 3 - 8 ) g o1 2 9 。g 一。 j j j “刀缈 1 r o2 w i 厮 其中g 为低通原型滤波器参量，w ：为低通原型滤波器的截止频率，为带通滤 波器相对带宽，只为传输线的特性导纳。 此种滤波器在微带结构中得到广泛应用，因为其结构紧凑，寄生通带的中心 频率比较高( 为3 w 。) ，并且在按照综合设计得到所要求的原型滤波器参量时， 有比较大的结构灵活度来具体实现。它适应的频带范围也比较大。按照上述的设 计方法，相对带宽矽最大可至2 0 。最窄可到2 3 。 3 1 2 平行耦合微带带通滤波器的仿真。“ 高频结构电磁仿真技术的发展使微波电路和m m i c 的e d a 软件日趋完善， 其主要贡献在于提供准确的微波元件模型，从而提供了很好的设计方案。但是对 于某些微波电路( 如共面波导，多层电路和集成的天线组件) 和在4 0 g 以上的毫米 波电路的模型化效果不是很明显。因为随着频率的提高，寄生参量是一个无法全 面建模的量。因此引入分解法。分解法是把电路分解成更小的部分，求出每个部 分的参量，再根据场的理论把他们结合起来，就得到整个电路的响应。还有另 个方法就是采用理论工具进行初始化设计。它包括以下几个步骤： ( 1 ) 问题的确定，( 2 ) 产生特殊区域，( 3 ) 产生概念，( 4 ) 分析，( 5 ) 评估， ( 6 ) 初始化设计，( 7 ) 具体设计。目前e d a 软件只是进行最后一步。 考虑到仿真与实际制作出来的中心频率会出现偏差，通常实际测试结果中心 频率要比仿真结果下偏o 5 g 1 g 的现象。所以仿真的中心频率相应提高一些。图 2 - - 3 是5 级耦合单元带通滤波器的仿真结果。 o r r 匕 匕 十 + 匕 匕 吖 吖 十 一 r l p r l p 土匕土圪 = 1 i 磊 厶 电子科技大学硕士论文 0 - 1 0 一耳柙册叨、一 - e 3 - d 8 ( i s 1 1l d 川入 b p f 3 5 g 2 g 十d b ( i s 2 1 1 0 i b p f 3 5 g 2 g 、 腻 。 ff 3 1 3 谐振器 2 9 3 4 f r e q u e n c y ( o h z ) 图3 3 平行耦合微带带通滤波器的仿真 广义而言，所谓微带谐振器是指凡能限定电磁能量在其内部发生振荡的结构 均可称为谐振器。微带谐振器形式多样，大体而言，可分为集总参数谐振器与准集 总参数谐振器，以及分布参数谐振器或称为贴片谐振器。常见谐振器结构形式如 图3 4 所示。集总参数与准集总参数谐振器由如图3 - 4 ( a ) 所示的集总或准集总 电容电感构成。显然，这类结构将会在口= 1 三c 处发生谐振，然而，此类结构还 可能同时在更高频率处振荡。而在这些频率处，谐振器尺寸不再远远小于波长， 根据集总元件的定义，此时谐振器将不再属于集总或准集总元件了。 如图3 4 ( c ) 、( d ) 所示的分布式传输线谐振器又可称为四分之一波长谐振 器，因为它们的电长度均为a 。4 ，其中旯。为基波谐振频率的导波波长。同时， 它们还能在，= ( 2 n 一1 ) f o ( n = 2 ，3 ，) 的其他较高频率上产生振荡。另一种典 型的谐振结构是如图3 4 ( c ) 所示的半波长谐振器，长度为基波谐振波长的一半， 这种结构同时还在厂= - l ( n = 2 ，3 ，) ，事实上，在滤波器的具体实现过程中，这 种类型的线性滤波器可演变成各种不同的外形，例如开路环谐振器。 如图3 4 ( 7 r ) 所示的环形谐振器是另一种形式的谐振单元，r 为环的中部半 径当环的中部周长2 刀r “丑，。时，谐振器将在基波五处产生谐振，高次振荡模发 生在，= , o ( n = 2 ，3 ，) 。 由于具有对称结构，在纵交的两个轴向都能产生谐 振因此，这种结构具有独特的特性，它能传输一对具有相同谐振频率但具有纵交 场分布的衰减模我们可以利用它的这种特性来设计双模滤波器。类似的，我们还 电子科技大学硕士论文 可以将这种线形滤波器构造成各种外形，如方形环和折线环。 刍。 ( e )( f ) ( 9 ) ( h ) 图3 - 4 常见谐振器结构 为提高滤波器的功率容量，我们常常考虑使用贴片谐振单元。与窄带线谐振 器相比，贴片谐振单元具有较低的导电损耗。尽管贴片振荡器往往辐射较大，我们 可以通过将其封装在金属盒里来降低辐射损耗。虽然贴片振荡器往往尺寸较大， 当我们考虑的主要是高功率容量和低插入损耗时，就可以忽略这个问题。并且， 当滤波器工作频率变得很高时，其尺寸己不成为问题。根据应用方式，贴片可采用 不同实现形式，如图3 4 ( g ) 中的圆形，3 4 ( f ) 中的三角形。这些谐振单元可视为 侧边具有磁壁的波导腔体，腔体内的场分布可分解为t 。z 模，其中z 垂直于地 平面。例如，在柱坐标下( 庐，z ) ，圆盘贴片谐振器的腔体模式场可表示为： e z = 4 。以( a 。r 口) c o s ) ，：上( ! 譬) ：一jn a 。以( 。r d ) s i n ( ”) 掣曼? ：，( 3 - 9 ) 月j = 一l ( ：譬) ：一l ! ! 一4 。( 巧。r “) c o s ( ”) ! ) 耻 l r m u e 女= er = h z = 0 其中爿。为参考幅度，。为n 阶一类b e s s e l 函数，j 。为，。的导数，世。为 ，。的第m 个零点。对研= i 零点为： k m = 这些模式的谐振频率可由一下公式给出 3 8 3 1 7 l 1 9 4 1 1 8 30 5 4 2 4 4 2 0 1 1 9 电子科技大学硕士论文 ，： = 当! 崞一(3一10)nmo 厂 o 1 z 册e s r 其中 铲a 磅) 一z s c s - 口。为考虑边缘效应后的有效半径( d 。z 口当h a 时) 。因此，最低模，或者 基模为m f 孟。模，此时沿边缘方向没有电流。这种模式已被用来设计具有高功率 容量的超导体滤波器。 在许多实际滤波器设计中，往往需要估计微带谐振器的未加载品质因数q 。 例如，这可以用来估算是否达到带通滤波器的插入损耗要求。下面是一种常见品 质因数的定义，该定义对任何谐振器都适用。 q 。= c o 鼍群 m 1 i i 鬲五f t j z ， 引起损耗的因素是多方面的，其中最重要的三个因素是导体损耗，介质基片 及辐射引起的损耗。总的未加载品质因数可由引起微带谐振器中产生损耗的原因 综合考虑三种损耗得到： 上：上+ 上+ 土( 3 1 3 ) 包q 奶q ， 式中q c 口爿g 和q 分别为导体，介质，和辐射品质因数。还需注意的是，滤 波器在实际使用时往往封装在屏蔽腔体里，所以在这种情况下计算品质因数时还 需考虑封装损耗。因为此时计算品质因数需要知道与微带几何结构有关的电磁场 分布，屏蔽腔大小，以及所处边界条件，计算变得极为烦琐。随着以全波电磁 场模拟为基础的现代设计工具的发明，我们可以在计算机中建出它们的模型。然 而，下面的几个经验公式对指导滤波器设计还是非常有用的。 微带线谐振器导体q 值可由下式得出： q = ( 3 - 1 4 ) “c 飞 “。为导体衰减常数( 单位：奈陪单位长度) ， 。微带线导波波长。假设微带与地 之间为均匀场，q 可近似为： q “删景) 伊旧 h 为基带厚度，五和叩b 3 7 7 n ) 分别为自由空间波长和波阻抗，月；为导带表 面电阻。常见导体中，我们可认为r 。随，变化，f 为工作频率；但在超导体中， 月，随，2 变化。由于c = 杉，因此，对一般导体q 。与7 成正比，而对超导体而 言，q 。与频率成反比。采用厚基片可增加q ，但值得注意的是这同时会增加辐 射与不必要的耦台。考虑到基片介质损耗，可将介电常数设为复数s = 。一，s “， - 电于科技大学硕士论文 其中负虚数部分代表能量损耗。因此，介质基片中的损耗可视为由e o e ”引起的。 经验表明： 奶兰；= ( 3 1 6 ) t 3 为介质正切损耗。也就是说介质q 值可估算为： q 一= ( 3 - 1 7 ) u d a g a 。为介质衰减常数，单位为奈陪每单位长度。如果微带谐振器没有封装起来， 辐射品质因数般可定义为： q , = c o 鼍筹( 3 q 8 ，可琢萌矿 ) 然而，正如前面提到的，使用滤波器时，一般将其封装在导体腔内。此时， 我们应考虑的是屏蔽后的品质因数，而不是辐射品质因数。屏蔽品质因数一般定 义为： g = 国篙鬻( 3 - 1 9 )铷1 琢虱援丽矿 由于导体壁为非理想导体，谐振时将有屏蔽损耗，这种损耗可表达为： 只= 鲁0 _ n x _ h 1 2 舔 ( 3 2 0 ) 此处r 。为屏蔽腔壁的表面电阻，n 为腔壁的法向矢量，旦为谐振时的磁场。腔壁 可镀厚度至大于几倍趋肤深度的金。电磁场被屏蔽腔体截断，屏蔽腔通常处于谐 振器的近场区域内，此处电磁场会变弱，因为场衰减很快，以正比于1 r 3 ，( 静场) 或l ，2 ( 感应场) 的速度衰减，为腔壁至微带谐振器的距离。品质因数q 与圪成反 比，因此当屏蔽腔较大时，屏蔽品质因数较高。也就是说，我们可以通过优化谐振 器形状，或利用集总谐振器来改变基片中的场，以获得较高的q ，但这同时会使 q r 降低。 3 1 4 变形发夹式滤波器的设计 微带滤波器由于采用平面结构易于构造，以及易和其他有源器件集成，特别 近几年高温超导技术( h t s ) 和单片集成电路( m m i c ) 的发展，使之成为当今微波滤 波器微型化的一个热点，虽然旯，4 阶跃阻抗滤波器( s i r ) 是最适于微型化的 结构，但在实际电路中，a ，2s i r 更多用于射频电路，这是由于旯。2s i r 由带 状线结构组成，允许有更多的结构型式，且和有源器件有很好的兼容性“。通过 对传统发夹式滤波器进行改进，采用锥形线两路耦合馈入，并使用内部耦合s i r ， 设计了一种结构更加紧凑的 。2s i r 新型带通滤波器。 1 a 。2s i r 谐振器的结构及其特性： 电子科技大学硕士论文 五。2s i r 的基本结构如图3 5 所示，由开路端看去的输入导纳由文献 1 3 给出 h k 意r 警t a no 祟0 ( 1 祭t a n 簧2 ( 罴1r 羔t a n o 赫t a n 0 c 。一z ， 。2 z ( 1 2 2 ) 一一；)i2 、。 取y = 0 的谐振条件为： r = 兰= t a n 0 1 t a n 0 2 ( 3 - 2 2 ) z 1 设b = 日2 = 0 。则( 3 - 2 1 ) 简化为： ，k 堡些：迪车! 丝2 型： 。r z 一2 ( 1 + r z + r ：) t a n a + r 2t a n 40 ( 3 2 3 ) 谐振条件为： 臼= o o = a r c t a n 压z ( 3 2 4 ) 虽然带状线结构是微波电路中晟常见的谐振器结构，但他有内在的缺陷，就 是尺寸较大。为解决这问题，m m k i m o t os y a m s h i t a 等人提出了具有内部耦合 的s i r 结构，开路端的耦合效应可使谐振器电长度变小，从而使结构微型化，这 种谐振器有一个特征就是耦合线之间为低阻抗耦合。“” 2 变型发夹式带通滤波器的设计原理 传统发夹式滤波器采用如图3 8 、图3 9 所示结