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上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 摘要 随着移动通信的飞速发展和微波电路的高度集成化，作为通信系统关键部件 的滤波器也要求向高性能、小型化的方向发展。同时，随着电子计算机的不断升 级，时域有限差分法( f d l ) 正成为分析这类电磁问题的强有力工具。本文主要 针对平面微波滤波器的小型化和高性能进行了较广泛的研究，结合基片集成波导、 双模结构、分形结构等一些新技术，提出了几种新型的低通、带通、带阻滤波器。 并用f d t d 法对其中的低通微带滤波器做了分析研究。论文主要包括以下内容： 首先，简述了f d t d 方法的基本原理，在此基础上，重点研究了用f d t d 计 算微带电路的难点问题，如p m l 层的边界条件处理和传输特性计算等。相关f d t d 计算理论是进行微带滤波器研究和分析的基础。后面微带低通滤波器的计算结果 表明了本章计算理论的正确性。 其次，详细研究了一种新型缺陷微带结构( d m s ) 的阻带特性以及其与缺陷 地结构( d g s ) 的区别。根据电磁仿真结果和等效电路原理提取了相应的集总参 数。d m s 结构更容易和有源微波电路集成，同时避免了电磁波从接地板的辐射。 设计了两种d m s 结构的三极点低通滤波器并用f d t d 算法分析了相关结果，在此 基础上还设计了一种d m s 结构的五极点低通滤波器。这三种d m s 结构的低通滤 波器均具有较好的高频阻带特性和低频通带特性。 第三，在分析三角形和圆形双模贴片滤波器的基础上，将分形结构应用于双 模微带贴片滤波器的设计中。分别设计了一类分形结构的三角形滤波器和一类分 形结构的圆形滤波器。分形结构能够更好得激励简并模的耦合，改善通带特性。 同时，两类滤波器的通带两侧均出现衰减极点，极大得提高了滤波器的频率选择 性。分形结构还能降低滤波器原有的谐振频率，有利于滤波器的小型化。 第四，介绍了基片集成波导的结构特点，研究了它的一些基本特性，如传播 模式、与矩形波导的等效条件等。设计了一种单个腔体的基片集成波导双模带通 滤波器。同时，通过使用凹型过渡和接地共面波导过渡两种转换方式，解决了基 片集成波导与微带线的过渡问题。该滤波器的品质因数高、插入损耗小，拓宽了 窄带滤波器的应用范围。 最后，讨论了用于开发人工异向介质材料的重要组成单元金属开口环 v 上海大学博士论文 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 ( s r r ) 和互补口环谐振器( c s i 汛) ，研究了它们的谐振特性及基于这两种结构 的平面带阻滤波器。提出将互补开口环谐振器刻蚀在微带线的导带上，从而充分 利用电场进行有效激励，降低了谐振器的谐振频率、拓宽了阻带带宽。同时根据 电磁仿真结果和等效电路原理提取了互补开口环谐振器的集总电路参数。在此基 础上设计了两种一维互补开口环谐振器带阻滤波器，这两种滤波器均具有较宽的 带宽和较深的阻带特性。 关键词：时域有限差分法，缺陷微带结构，低通滤波器，分形结构，双模带通滤 波器，基片集成波导，开口环谐振器，互补开口环谐振器，带阻滤波器 v i 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f m o b i l ee o m m u n i e a t i o ma n dt h eh i 曲i n t e g r a t i o no f m i e r o w a v e c i r c u i t s ，m i c r o w a v ef i l t e rw l f i e ha c t1 1 8i h ek e ye l e m e n t so fe o m m t m i c a t i o ns y s t e m , a d e m a n d e d t o w a r dt oh i g hp e r f o r m a n a n ds m a l ls i 猫a tt h es a m et i m e ，t h ei n c e s s a n tu p g r a d eo fe l e c t r o n i c e o m l m t e l m , t h ef i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ( f d i d ) m e t h o di 曩b e c o m i n gap o w e r f u lt o o lf o r a n a l y z i n gt h e s ee l e e l r o m a g n e t i ep r o b l e m s t h i sp a p e rd o e sa l o to f r e s e a r c hw o r k0 1 1m i n i a t u r i z a t i o n a n dh i g hp c d h m a n c eo fm i e r o w a v ef i l t e r s b yt a k i n gu o fn e wt e e l m o l o g i e s , s u c h 嬲s u b s t r a t e i n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s n l ，) ，d u a l - m o d es t r u c t u r e ，a n df r a e t a ls t l u c t u m ，e t c ，s o l n ek i n d so fn o v e l f i l t e r s ，s u c h l o w - p a s sf i l t e r s ，b a n d - p a s sf i l t e r sa n db a n d - s t o pf i l t e r s , a p r o p o s e d f d t da n a l y s i s o f l o w - p a s sf i l t e r si ss t u d i e d t h cd i s s e r t a t i o ni ss u m m a r i z e d 鸽f o l l o w s ： f i r s t l y , t h ep r i n c i p a lt h e o r yo ff l y i d ( f i n i t e - d i f f e r e n c et i m e - d o m a i n ) i sb r i e f l yd i s c u s s e d a n d t h e nt h ed i t t i e u l tq u e s t i o n st h a tu s ef d t dt oc o m p u t em i e r o s t r i pc i r c u i t sa 托r e s e a r e h c d s u e l aa st h e i x , o a r ye o n d i t i o mo f p m la n dt r a n s m i s s i o nc h a r a e t 幽t i c s t i a c s ct h e o r i e sa mt h ef o t m d a t i o mo f s t u d y i n ga n da n a l y z i n gm i e r o s t r i pf i l t e r s t h ec o m p u t er e s u l t so fm i c t , , s t r i pl o w - p a s sf i l t e r s , w h i c h a r cp r o p o s e di nt h en e x tc h a p t e r , i n d i c a t et h a tl 五口c o m p u t i n gt h e o r i e sa b o u tm i e r o s t r i pc i r c u i t sa 坞 c 0 n 吼 s e c o n d l y , f u l l ya n a l y s i st h es t o p - b a n dc h a r a c t e r i s t i c so fam i e r o s t r i ps t n l c 1 l m ( o m s ) a n d 曲峙 d i f f e r e n c e sb c 咐e e nd m $ a n dd e f e e m tg r o u n d e ds l r t l e t u r e t h el u m p e dc i r c u i tp a r a l n c t e r sa 坤 e x l r a c t l x lf r o me ms i m u l a t i o na n de q u i v a l e n tc i r c u i tt h e o r y t h i s $ 1 1 u c t u mc b ee a s i l yi n t e g r a t e d w i t ho t h e ra c t i v ec i r c u i t s ，a n d - , v o i d st h el e a k a g et h r o u g l lt h eg r o u n dp l a n e t w ot y p e so f t h r e e - p o l e l o w - p a s sf i l t e r su s i n gd m $ a p r o p o s e d , a n dt h ef d t di su s e dt oa n a l y s i st h er e l a t e dr e s u l t s b a s e d o i lt w ot y p e so ft h r e e - p o l ef i l t e r s , at y p eo ff i v e - p o l el o w - p a s sf i l t e r si sp r o p o s e d 1 1 1 r t y p e so f f i l t e r sa l lh a v eg o o ds t o p - b a n de t i e si nh i g hf r e q u e n c i e sa n de x c e l l e n t p a s s - b a n d e h a z a e t e r i s t i e si nl o wf r e q u e n c i e s t h i r d l y , b a s e do na n a l y s i so ft r i a n g u l a ra n de i m l l a rd u a l - m o d ep a t c hf i l t e r s ，t h ef r a e t a l s t r u c t t t ma a p p l i e di nd e s i g n i n gd u a l - m o d em i e r o s t r i pp a t e l af i l t e r s ac l a s so ff r a e t a l s h a p e d t r i a n g u l a rf i l t e r sa n dac l a s so ff r a e t a l - s h a p e dc i r c u l a rt i l t e r sa p r o p o s e d t h ed e g e n e r a t e - m o d e s c 蛆b ew e l le x c i t e d w h i c hi m p r o v e st h ep a s s - b a n de h a r a e t 耐s t i e s t w oc l a s s e so ff i l t e r sa l lh a v e a t t u a f i o np o l 舒a te a e l as i d eo fp a s s - b a n d , w h i c he t t i e i e n t l yi m p r o v e dt h ef r e q u e n c ys e l e c t i v i t y f r a e t a l $ 1 r u c l u l ea l s oc a nr e d u c et i l er e s o n a n tf r e q u e n c yo fi n i t i a lf i l t e r s ，w h i c hm a k i n gf o rt h e f i l t e r s f o u r t h l y , t h eb a s i cs l z u c i i i mo fs u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s l w ) i si n t r o d u c e da n ds o i l a e f u n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s s u c ha sm m s m i s s i o nm o d ea n dt l a ee q u i v a l e n tc o n d i t i o n 鹪r e c t a n g u l a r 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 w a v e g u i d e r e s e a r c h e d as i n g l ec a v i t ys i wd u a l - m o d eh a n d - p a s sf i l t e ri s i n t r o d u c e d t h e e r a n s i t i o n so fs i ww i t hm i c r o s t r i pm s o l v e db yu s i n gc o n c a v et r a n s i t i o ne n dg r o u n d e dc o p l e n a r w a v e g u i d et r a n s i t i o n t h i sk i n do ff i l t e rh a sh i g hq u a l i t yf a c t o re n dl o wi n s t f i o nl o s s , w h i c h e x p e n d st h ea p p l i c a t i o n so f n a r r o w - b e n df i l t e r s f i n a l l y , t h es p l i tr i n gr e s o n a t o r ( s a r ) e n dc o m p l e m e n t a r ys p l i tr i n gr e s c m a t e r ( c s r r ) t h a ta c t a sf u n d a m e n t a lc o m p o s i t eu n i t st oi n a k em e t a m a t e r i a la d i s c u s s e d t h er e s o n a n tp e r f o n n e n c ee n d t h ep l a n a rb e n d - s t o pf i l t e r st h a tb a s e do ns r re n dc s r ra r e s e a r c h e d t h ec o m p l e m e n t a r ys p l i t r i n gr e s o n a t o r ( c s r r ) w h i c he t c h e di nc o n d u c t o rs t r i po fm i c r o s t r i pl i n ei sp r o p o s e d t h ee l e c t r i c f i e l di sf u l l yu s e dt oe x c i t et h ec s r r , w h i c hc a nd e c r e a s e st h er e s o n a n tf r e q u e n c ya n dw i d e nt h e s t o p - b e n db a n d w i d t h a tt h es 锄et i m e , t h eh i m p e dc i r c u i tp a r a m e t e r sa me x t r a c t e df r o me m s i m u l a t i o ne n de q u i v a l e n tc i r c u i tt h e o r y b a s e d0 1 1t h i st y p ec s r r t w oi - dc s r rb e n d - s t o pf i l t e r s a r e p r o p o s e d , b o t h f i l t e r sa l l h a v e w i d e r b e n d w i d t h a n d d e e p e r s t o p - b a n d k e y w o r d s ：f i n i t e - d i f f e n m c et i m e - d o m a i n ( f d t d ) , d e f e c t e dm i c r o 矧ps t r u c t u r e ( d o s ) ，l o w - p a s s f i l t e r , f r a c t a ls l n t u r e , d u a l - m o d eb e n d - p a s sf i l t e r , s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，s p l i tr i n g r e s o n a t o r , c o m p l e m e n t a r ys p l i tr i n gr e s o n a t o r , b a n d - s t o pf i l t e r v m 上海大学博士论文 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 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发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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了谢意。 签名：鎏牲一日期掣7 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留论文及送交论文 复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 日期：绰：幽 上海大学博士论文 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 第一章绪论 1 1引言 滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，可利用它们来分开或组合不同 的频率，如在变频器、倍频器以及多路通信中。电磁波频谱是有限的，且须按应 用加以分配；而滤波器既可用来限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又 可用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。在阻抗匹配中也有类似滤波器的网 络，如在两个不同特性阻抗的传输线之间，或在有内阻的发生器与电抗负载( 如 参量放大器中的二极管) 之间。有时需要得到一定的相位( 或时延) 特性，如脉 冲压缩或展宽，或补偿其他滤波器或色散结构( 如一段波导) 所产生的相位失真 等，也需要滤波器。总之，从超长波经微波到光波以上的所有电磁波段，都需要 滤波器【旧。 军事方面，特别是雷达的发明，为微波技术发展的第一推动力。宽带和可调 设备的需求，引发了高选择性的波导滤波器、同轴谐振器、悬置线多工器和电调 滤波器的飞速发展。卫星通信工业的发展在幅度选择性和线性相位的基础上需要 小型、窄带和低损耗，这些需求导致了双模波导和介质谐振腔滤波器的发展，和 用于相邻多信道多工器设计的进步。个人移动通信中的基站需要低插损、高功率 容量、小尺寸、适宜大规模批量生产的价格适中的滤波器，于是同轴和介质谐振 腔滤波器以及超导滤波器的设计得到了长足的发展，并且与此同时减少成本的设 计方法( 包括计算机辅助设计) 也开始发展起来。个人移动通信中手持终端的发 展要求能够设计制造出适于大规模生产的价格低廉的滤波器，而且需要同时具有 合理的插入损耗和高的频率选择性，这些推动了集成陶瓷滤波器、声表面波滤波 器、有源滤波器和微机械( m e m s ) 滤波器的重要进步。除上述从滤波器的发展 要求进行分类外，微波滤波器还可以进行其它分类：按作用可分为低通、高通、 带通和带阻滤波器；按频带可分为宽带和窄带滤波器；按结构可分为同轴线型、 波导型、微带和带状线型滤波器等；按原型来分又可以分为集总参数原型和分布 参数原型3 , 4 1 。 本文由国家自然科学基金( n o 6 0 5 7 1 0 5 4 ) 、国舫科技预研基金( n o 5 1 4 3 7 0 8 0 2 0 4 q t 0 6 0 1 ) 以及上海市重点 学科建设项目( n o t 0 1 0 2 ) 资助 l 上海大学博士论文 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 总之，随着无线电技术的快速发展，微波滤波器已成为无源微波元件的主角 之一，无论是军用还是民用通信设备都需要功能多样、形式各异的微波滤波器。 由于每一种滤波器都有自己的优势和不足，因此根据滤波器的实际应用和目的来 选择不同类型的滤波器是很必要的。 1 2 现代移动通信系统中的微波滤波器 在移动通信领域，移动终端和基站设备的小型化和性能的提高成为迫切的需 要。在射频部件中，滤波器由于其划分信道和预选信号等功能是射频电路设计中 的重点之一。由于频谱资源的不可再生性，滤波器的角色更显关键，在小型化的 要求下，低的插入损耗和陡峭的频率选择性都是需要多加注意的指标要求。下面 以文献【5 】中的无线通信设备移动电话终端设备为例讲述滤波器的功能和微型 化的必要性。 图1 1 是一种基于f d m a - - f d d 系统( 频分多址一频分双工) 的典型的移动 电话射频电路方块图，是第一代移动通信中最常用的系统嘲。在图1 1 中接收器采 用双超外差系统，从天线接收的信号经接收端带通滤波器( 双工器的一部分) 处 理滤去噪声信号后，被低噪声放大器放大，通过混频器进行频率转化之后，经石 英晶体带通滤波器传送到中频端。石英晶体带通滤波器的作用是信道滤波，从多 重频率信号中获取特定信道信号。中频信号被再次放大，并转化成二次中频信号， 经检波和解调成为基带信号。 l i 天线双工器 图i - i 一种类型的移动电话射频电路方块图 f i g 1 - 1 a t y p e o f r f c i r c u i t f o r m o b i l c p h o n e 图1 1 中发射部分采用上变频系统处理预调制后的中频信号。因为由变频器输 2 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 出的信号包含有各种各样的杂散信号，首先是输入信号的原始谐波成分，这些没 用的信号通过发射端带通滤波器( 双工器的另一部分) 滤除，最后以电磁波的形 式从天线发射信号。 由此可见，滤波器在无线通信设备中相当重要，在射频有源电路中输入输出各 级之间普遍存在，各滤波器都有不同的功能和特性要求。接收端带通滤波器的必 要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接收器前端饱和；除去如镜频一类的 干扰信号；减小来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。所以接收端带通滤波器的 最佳性能包括高衰减以除去干扰，同时减少将直接影响接收端灵敏度的带通插损。 晶体带通滤波器的基本功能是信道选择，因此它必须有陡峭的沿衰减、好的群时 延等特性，以及作为窄带滤波器，有优异的温度稳定性。发射端带通滤波器的基 本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰，这些无 用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。另一个很重要 的功能是衰减掉发射信号中接收频率段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏度以下。 因此，发射端带通滤波器必须保持一个宽的阻带以抑制杂散信号，同时能维持低 的通带插损和在输出端处理大电平信号。 从实用观点看，对所有手持式电子设备，像便携移动电话而言，微型化是一个 重要的问题。尺寸和重量的减小会使随身携带的设备变得特别轻巧。很明显，对 于射频电路的微型化有很大的需求。差不多所有较低频段的中频和基带电路，包 括滤波器都能采用数字大规模集成电路，因此这些电路的微型化将随着半导体技 术的发展而进步。而在射频部分，虽然单片微波集成电路( m m i c ) 的出现预示着 射频有源电路如放大器、调制器、频率转换器的微型化越来越成为可能。但对射 频滤波器和振荡器等含有谐振器的电路的尺寸缩小的优化方面还存在许多有待解 决的问题。因此，滤波器尺寸的缩小和性能的提高将继续是两大重要课题。并且 很有可能将要在电路理论、材料、精巧工艺技术、精确的设计方法等方面开创一 个新的前沿。 1 3 提高平面微波滤波器性能的新技术及其应用 现在，在射频和微波电路中最常用的微型滤波器是平面结构( 如微带线，基 片集成波导等) 的微波滤波器。由于平面结构滤波器具有小的尺寸、通过光刻技 术易于加工、与其他有源电路元件的易于兼容等优点，许多电路使用此类滤波器。 3 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 平面滤波器的另一大优势是能通过采用不同的衬底材料而在很大的频率范围内得 以应用。传统的平面结构的滤波器( 如带状线滤波器) 存在的最大问题是，与其 他形式的滤波器相比平面滤波器的插入损耗比较大，使它很难应用于窄带滤波器 中，即使这样，平面结构滤波器仍被寄与厚型6 】。随着基片集成波导技术的研究发 展，新型基片集成波导窄带滤波器具有高的品质因数，低的插入损耗，特别适合 于高频段滤波器的应用开发。下面介绍一下本文中用于提高滤波器性能的几种新 技术，以及这些技术在微波电路上的应用。 一、缺陷地结构( d g s ) 自从韩国学者j lp a r k 等人于1 9 9 9 年在研究光子带隙结构( p b g 却b o t o n i c b a a d g a p ，在微波波段亦称为电磁带隙结构( e b g - - e l e c a - o nb a n dg a p ) ) 的基础上 提出了缺陷地结构( d g s - - d e f e e t e dg r o u n ds t r u c t u r e ) 以来【_ 7 】，d g s 逐渐成为微波电 路设计领域的一个研究热点 8 - 1 0 。如图1 2 所示，典型的d g s 是通过在接地板上 刻蚀单个哑铃状图形形成的。哑铃状的缺陷地结构扰乱了地平面上的分布电流， 从而改变传输线的特性，如有效电容、有效电感，从而使其具有了带隙( b a n d g a p ) 特性和慢波( s l o w - w a v e ) 特性。与传统的电磁带隙结构( 光子晶体) 相比，d g s 的结 构仅由个缺陷单元构成，它的带隙中心频率由该缺陷单元的结构决定，其占用 较小的电路面积，更适合于微波毫米波集成电路的实际应用 1 1 - 1 9 】。 介 图l - 2 刻蚀在徽带线接地板上的d g s 单兀立体图 f i g - 1 2 t h r e e - d i r a e a s i u n a lv i e w o f m e p r o l x 删d g s u n i t8 t i u n w h i c h i s e t c h e d i n t h e g r o u n d p l a n e o f a m i c r o s w i p l i n e d g s 在微波无源电路最典型的应用是基于其带隙特性和慢波特性设计的紧凑 结构的滤波器。例如a i m 等人将d g s 应用于设计低通滤波器【9 】，结构如图所示， 在不增加滤波器电路尺寸的基础上，该滤波器具有更宽更深的阻带，且在测量的 4 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 阻带内无寄生通带产生。l i m 等人提出了一种具有较高慢波因子的螺旋电感型 d g s 共面波导，使电路面积变得更小【l i 】。 ( a ) t o p wb ) b o m m l ” 1 虱1 - 3 d g s 低通滤波器( a ) 项图，底图 f i g i - 3d g si o w - p 日s s f i l t e r d g s 结构在有源电路和天线中也得到了广泛应用。它可以用来抑制功率放大 器和振荡器的高次谐波、增加其输出功率。例如l i m 将d g s 结构刻蚀在放大器输 出端接地板上【阍，其实验结果表明，放大器输出功率提高了1 3 w 抑制其2 次谐波 1 7 d b 。同时，在微带天线中加入d g s 结构可以有效抑制谐波 1 2 j 3 ，并可以用于降 低双频天线的发射端和接收端相互干扰的问题1 4 1 。 二、基片集成波导( s i w ) 基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，简称s i w ) 是一类新型波导， 其结构如图所示，s i w 是一种人工集成的波导结构，由两排线性紧密排列的金属 通孔或者销钉嵌入同一基片构成。s i w 能被集成在有源集成电路的同一块基片上， 具有共面电路结构( 微带线等) 的许多优点，诸如体积小、重量轻、便于现代微 波集成电路( m i c ) 以及单片微波集成电路( m m i c ) 的集成和封装等1 2 0 1 。同时， s i w 还秉承了传统矩形波导的品质因数高，便于设计等优点，因此正被广泛应用 于滤波器、天线、振荡器等微波平面电路c p 2 1 - 2 6 1 。 图l - 4 基片集成波导示意圈图1 5 基片集成波导电感销钉滤波器 f i g i - 4 c o n f i g u r a i o n o f t h e 目矗b 毗i n t e g r 咖d w a v e g u i d v ( s i w )f i g 1 - 5 i n d u c t i v e p o s t s i w f i l t e r 随着基片集成波导技术的发展，新型基片集成波导窄带滤波器克服了传统平 面滤波器插入损耗大、品质因数低等缺点，特别适合于毫米波滤波器的开发和应 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 用。此外s i w 传输线还可以结合光子晶体、缺陷地、双模谐振器等新技术，使得 结构更加紧凑。目前已经使用s i w 设计了不同类型的平面腔体结构的滤波器，如 金属销钉滤波器【2 l 】、低温共烧结陶瓷滤波别捌、双模滤波器【2 扪、缺陷地滤波器口4 l 等等。图1 5 为加载电感销钉的滤波器，该滤波器的中心频率在2 8 g h z ，中心带 宽达1 g h z ，插入损耗优于l d b 。 图1 6 刻蚀槽结构的基片集成波导阵列天线图1 7 基片集成波导振荡器 f i g i - 6 a r r a ya i i t c l l n a o f s i w w i t h e t c h e ds l o t sf i g 1 - 7 t h e s i w f e e d b a c k o i l l a t o r 基于s i w 结构简单、造价低廉的优点，s i w 也被广泛用于设计天线和有源微波 电路。图1 - 6 示意了在s 州中刻蚀槽结构的阵列天线 2 y , 图1 7 为采用s i w 腔体结构 的低成本振荡器1 2 6 1 。可以预见，随着无线通信技术的发展和毫米波及亚毫米波的深 入研究，基于s t w 结构的微波器件的应用会更加广泛。 三、开口环与互补开口环谐振器 金属开口环谐振器( s p l i t - r i n g r e s o n a t o r s ，s 砒u 是最近实现的一种新颖复合结构 材料_ “左手材料”( 1 e f t - h a n d e d m e t a m a t e r i a l s ，l h m ) 的重要组成单元【2 7 捌( 参见图 1 8 、1 - 9 ( a ) ) 。l h m 在某一频率范围内磁导率和介电常数同时为负，在其中传播 的电磁波的相速度和群速度方向相反，因而表现出许多奇特的物理现象，如反常 d o p p l e r 效应、反常c h e r e n k o v 效应、完美透镜效应 2 9 1 和负折射效应等，在无线通 讯、超灵敏传感器和医学诊断成像等领域具有潜在的应用前景。以一定周期排列 的金属丝表现为微波等离子行为，即存在一个等离子体频率，当电磁波的频率 小于时，该媒质具有负的介电常数；金属s r r 内外环间可以产生电磁波谐振， 即存在一个谐振频率咖，周期排列的s r r 仅在频率稍大于咖的极窄区域内具有 负的磁导率，因而s r r 的研究对于l h m 的制备具有重要的意义。 同时，随着s k r 研究的发展，互补开1 ：2 环谐振器( c o m p l e m e n t a r ys p l i t - r i n g r e s o n a t o r , c s r r ) 也成为目前一类新型谐振器结构【3 ”1 1 ，c s r r 结构与s r r 结构正 6 上海大学博士论文 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 好互补( 参见图1 9 ) ，即在金属贴片上刻蚀了一对开口相反的缺陷结构。这种结 构也可以用来构成左手材料，在谐振频率周围产生负的介电常数，也产生阻带。 目前c s r r 和s r r 也广泛应用于滤波器的设计，这种结构突出的优点在于它 们是一类亚波长结构的谐振器，一般情况下s r r 和c s r r 的尺寸是谐振波长的十 分之一，非常有利于滤波器的小型化和抑制滤波器中的寄生通带 3 2 - 3 引。图1 1 0 为 基于c s r r 的阶梯阻抗滤波器，可以看出在不增加原滤波器的尺寸情况下，通过 在阶梯阻抗谐振器上刻蚀c s r r 结构以后，有效得抑制了寄生通带的产生【朔。他 们也广泛应用于耦合器、振荡器、天线等微波电路。图1 1 1 为一种基于c s r r 的 微带耦合器示意图【3 s 1 。可见，s r r 和c s r r 除用于左手材料的开发和研究外，也 已成为平面微波电路提高性能和小型化的重要技术。 图1 - 8 异向介质材料( l h m )图1 - 9 ( a ) 开口环谐振器和互补开口环谐振器 f i g 1 - 8 l e f t - h a a d e d m e t e m a t e r i a lf i g i - 9 ( 0 s p l i tr i n gr e s o r t e r ( b ) c o m p l e m e n t a x ys p l i t - r i n g r e s o n a t o r 圈1 1 0 基于c s r r 的阶梯阻抗低通滤波器 f i g 1 - 1 0c s r r - b a s e ds t e p p c di i i 】p e d l o w p a s sf i l t e r 四、双模谐振器 圈l - l l 基于c s r r 的微带耦合器 f i 謇1 - 1 1c s r r - b a s e d m i e r o s t r i p c o u p l e r 双模特性是w o l f f 等人在2 0 世纪7 0 年代初用来设计和制作带通滤波器时发现 的【3 9 】。双模谐振器也称模耦合谐振器，是巧妙的利用了电路内简并模的一种谐振 器结构。对于谐振器内的一对正交简并模，若在边界上加入微扰结构( 比如开槽、 切角或加入小的贴片、内切角等) ，即可解除简并而使本征值分离，于是就在两个 频率上实现耦合谐振，一个简单的电路就可以作为复杂的双调谐电路来用，这样 能在保持电路结构不变的情况下使谐振器的个数较少一半。双模谐振器已经成为 7 上海大学博士论文微型平面微波滤波器的结构与性能研究 目前进行滤波器小型化最有效的手段之_ _ 4 0 4 2 1 。 图l 1 2 三种双模微带谐振嚣图l 1 3 圆形双模谐振器的表面电流分布 f i g i - 1 2 t h r e e d t m l - m o d c m i c m n i p f i & 1 - 1 3t h e a n t e n t d i s u i h i f i ma t c i r c u l a r r e s o n a t o rs u r f a c e 在平面电路中最常用的是微带双模谐振器，图1 1 2 为三种具有代表性的双模 微带谐振器。现以圆环谐振器为例，来说明双模谐振器的工作原理。若圆环谐振 器结构完整，那么两个简并模就是相互正交的( 两简并模分别记为办九，o ( x - m o d e ) 和刀西j o ( y - m o d e ) ，如图1 1 3 所示) ，没有耦合。若在= 4 5 0 的方向加入小的金 属微扰贴片结构( 参见图1 - 1 2 ( a ) ) ，贴片会改变原简并模的电场分布，使得谐振 频率发生改变，从而解除简并，使其按两个谐振器工作【4 3 1 。我们可以改变微扰贴 片的大小与形状来调节耦合系数。但是双模谐振器也有一些难以克服的缺点，如 由于结构较小导致它的导体损耗较大，以及耦合系数对微扰结构的大4 , t 1 1 常敏感 等，这对双模谐振器滤波器的设计制造提出了更高的要求。 1 4 论文的主要工作 本论文得到国家自然科学基金( n o 6 0 5 7 1 0 5 4 ) 、国防科技预研基金 ( n o 5 1 4 3 7 0 8 0 2 0 4 q t 0 6 0 1 ) 以及上海市重点学科建设项目( n o t 0 1 0 2 ) 的支持， 着重于研究现代平面微波滤波器的微型化和提高滤波器的性能这两个关键问题， 我们深入研究了几种前沿微波电路结构及其频率特性，并将它们应用于新型平面 微波滤波器设计和研究中。本论文的主要内容安排如下： 第一章简要介绍了微波滤波器的分类、应用，以及本文中用到的几种提高微 型滤波器的一些新技术，阐明了本研究的重要意义。 第二章简述了f d t d 方法的基本原理，在此基础上，重点讨论了用f d t d 计 算微带电路的p m l 层的边界条件处理和传输特性计算等难点问题，这些计算理论 为以后章节计算滤波器奠定了数学基础。 第三章首先研究了一种新型的缺陷微带结构的频率特性并根据等效电路原理 8 上海大学博士论文 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 提取了集总电路参数，进而用这种新的缺陷微带结构设计了两种三极点低通滤波 器，并用f d t d 验证了仿真结果的正确性。在此基础上，还设计了一种五极点低 通滤波器，这种滤波器具有更好的低通特性和高频阻带特性。 第四章主要将分形结构引入到双模微带贴片的设计中，设计了一类分形结构 的三角形双模带通滤波器和一类分形结构的圆形双模滤波器。这两类滤波器的输 入和输出端口通过微带线直接与贴片谐振器相连，减少了由于制造过程中的不确 定性带来的误差。同时分形结构降低了两类滤波器的谐振频率，并改善通带和阻 带性能。 第五章主要是设计了一种基片集成波导双模带通滤波器。我们分别采用微带 凹型过渡结构和接地共面波导过渡结构与基片集成波导谐振器相连，从而解决了 基片集成波导与平面传输线间的不同传输模式转换问题。同时这种窄带滤波器具 有很高的品质因数，拓宽了平面双模滤波器的应用范围。 第六章主要是将互补开口环谐振器刻蚀在微带线的导带上，从而更好地利用 电场的有效激励，来降低谐振器的谐振频率、拓宽阻带带宽。同时根据等效电路 原理提取了互补开口环谐振器的集总电路参数。在此基础上设计了两种一维互补 开口环谐振器带阻滤波器，这两种滤波器均具有较宽的带宽和较深的阻带。 第七章是对全文进行了概括和总结，回顾了全文的工作，提出了以后需要继 续解决的问题。 参考文献 f 1 】甘本祓，吴万春，现代微波滤波器的结构与设计( 上下册) d 田科学出版社，1 9 7 2 2 】g l m a t t h a e i ，l y o u n g , a n de m t j o n e s ，m i c r o w a v ef i l t e r s ：i m p e d a n c e - m a t c h i n gn e t w o r k , a n dc o 叩l i n gs t r u d e l s 【m 】n e w y o r k ：m c g r a w - h i l l ，1 9 6 4 【3 】l c h u n t e r , l b i l l o n e t , b j a r r ya n de g a f i l l o n , m i c r o w a v ef i l t e r - a p p f i c a f i o n sa n dt e c h o l o g y 叨， i e e et r a n s m i c r o w a v et h e o r yt e c h n i q u e s , 2 0 0 2 ；5 0 ( 3 ) ：7 9 4 - 8 0 5 【4 】r k 隅r v s n y d e r , a n dg m a t t h a e i ，d e s i g no f m i c r o w a v ef i l t e r s 唧，i e e et r a n s m i c r o w a v e t h e o r y t e