（信息与通信工程专业论文）具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究.pdf

r e s e a r c ho f a s y m m e t r i cc o p l a n a r w a v e g u i d e f i l t e rw i t hd e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e at h e s i ss u b m i t t e dt o d a l i a nm a r i t i m eu n i v e r s i t y i np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro f e n g i n e e r i n g b y p e ih u i ( i n f o r m a t i o na n dt e l e c o m m u n i c a t i o ne n g i n e e r i n g ) t h e s i ss u p e r v i s o r ：p r o f e s s o r f a n gs h a o - j u n j u n e ，2 0 1 1 大连海事大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：本论文是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果， 撰写成博硕士学位论文 ：县查哒陷丝结捡的韭盟整基画这昱选邃墨研究：。除 论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已 在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何未加明确注明的其他个人或集体已 经公开发表或未公开发表的成果。本声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名：篮羹 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解大连海事大学有关保留、使用研究生学 位论文的规定，即：大连海事大学有权保留并向国家有关部门或机构送交学位论 文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连海事大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士 学位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据库( 中国科学技术信息研究所) 等数据库中，并以电子出版物形式出版发 行和提供信息服务。保密的论文在解密后遵守此规定。 本学位论文属于：保密口在年解密后适用本授权书。 不保密( 请在以上方框内打“寸) 论文作者签名：稳 导师签名： e tj t i l ：矽| f 年，7 月2 e i 中文摘要 摘要 微波平面电路滤波器的使用非常广泛，可采用蚀刻技术进行加工，尺寸小， 成本低，便于与无源、有源电路元件连接。c p w ( c o p l a n a rw a v e g u i d e ，共面波导) 有着优于其他微波平面传输线的特点，目前已广泛应用于微波滤波器的制作，为 了更灵活的使用共面波导这种传输线，可将c p w 两侧槽设计为不等宽，形成 a c p w ( a s y m m e t r i cc o p l a n a rw a v e g u i d e ，非对陈共面波导) ，这样在设计时就多了一 个可供优化的额外参数。在微带线、c p w 等平面传输线的金属地上蚀刻出d g s ( d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ，缺陷地) ，可改变传输线的频率特性，应用于微波平 面电路可在一定程度上减小电路尺寸，研究具有d g s 结构的a c p w 滤波器具有较 高的价值。 各种电磁仿真软件得益于射频电路的广泛研究，也进一步推动了射频电路的 发展。a g i l e n t 是业界著名仿真软件和测试仪器商，2 0 0 8 年a g i l e n t 推出了基于f d t d 算法的e m p r o 软件，可用来分析天线、高速i c 封装、r f 微波元件等。本文使用 的数值计算工具即为e m p r o 的最新版本e m p r 0 2 0 1 0 。 本文的主要内容和创新点有如下几点： 1 本文首先对c p w 等平面传输线、d g s 结构及滤波器理论做了简要介绍和 分析，可作为带有d g s 结构的a c p w 滤波器的理论依据。 2 用e m p r 0 2 0 1 0 对c p w 和a c p w 传输线的激励设置进行了大量仿真，对数 据结果进行分析，得到了在f d t d 计算中对c p w 及a c p w 的最优激励设置。 3 用e m p r 0 2 0 1 0 对带有哑铃形d g s 的c p w 滤波器和带有哑铃形d g s 的 a c p s 滤波器进行了仿真和分析，验证了前述激励设置的准确性，并得到了两种滤 波器性能与物理参数间的关系。 4 在上述两种滤波器的基础上设计了一种a c p w - a d g s ( a c p w - a s y m m e t r i c d g s ) 滤波器，并与c p w - d g s 滤波器和a c p w - d g s 滤波器进行了比较。研究表 明，a d g s 结构能补偿a c p w 传输线带来的传输线两槽间的相位差。 最后对三种滤波器进行了实际加工和测试，测试结果与仿真结果比较吻合。 关键词：c p w 滤波器：a c p w 滤波器；缺陷地结构：e m p r 0 2 0 1 0 ；激励设置 s u c ha sd g s ( d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ) i nc p wm e t a lg r o u n dc a l li m p r o v ef i l t e r p e r f o r m a n c ea n dd e c r e a s ec i r c u i ts i z e ，w h i c hm a d ea c p wf i l t e r 谢t l ld g sh a v e i m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c e d i f f e r e n tk i n d so fe l e c t r o m a g n e t i s ma n de l e c t r o m a g n e t i cs i m u l a t i o ns o f t w a r e b e n e f i t e df r o mt h es t r i n g e n tr e s e a r c ho fr fd e v i c e sa p p l i c a t i o n s a g i l e n tt e c h n o l o g i e s i st h ef a m o u sp r o d u c e ra n ds u p p l i e ro fs i m u l m i o ns o f t w a r ea n dm e a s u r i n gd e v i c e s 2 0 0 8 ， a g i l e n ti n t r o d u c e dan e wd e s i g ns o f t w a r ee m p r ow h i c hc a nb eu s e dt oa n a l y z et h e a n t e n n a ，h i g hs p e e di cp a c k a g i n g ，r f m i c r o w a v ec o m p o n e n t s ，e t c t l l i sp a p e r s s i m u l a t i o nt o o li sg e n u i n ee m p r 0 2 010 t h em a i nc o n t e n ta n di n n o v a t i v ep o i n t so ft h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 1 1 l i sp a p e ri n t r o d u c e ds o m ep l a n a rt r a n s m i s s i o nl i n es u c ha sc p w ja c p wf i r s t ， t h e nd g sa n df i l t e rt h e o r yb r i e f l y , w h i c hd oh e l pt od e s i g na c p wf i l t e r 、析md g s 2 u s ee m p r 0 2 010t od oq u a n t i t i e so fs i m u l a t i o na b o u te x c i t a t i o ns e t u po fc p w t r a n s m i s s i o nl i n ea n da c p wt r a n s m i s s i o nl i n e b e s i d e s ，a n a l y z e dt h es i m u l m i o nr e s u l t s a n da t t a i n e dt h er u l eo fe x c i t a t i o ns e t u po fc p wa n da c p wi ne m p r 0 2 01o 3 s i m u l a t e dc p wf i l t e rw i t hd g sa n da c p sf i l t e rw i t hd g s ，t h er e s u l t sv a l i d a t e d t h ee x c i t a t i o ns e t u pr u l eo fc p w b a s e do nt h et w of i l t e r s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dan e w a c p wf i l t e r 诵t l la d g s ( a c p w - a s y m m e t r i cd o s ) ，a n dm a d ec o m p a r et oc p w 二d g s f i l t e r 、a c p w 二d g sf i l t e ra sw e l l a tl a s t ，m a n u f a c t u r e da n dt e s t e dt h et h r e ef i l t e r s ，t h e t e s tr e s u l t sa g r e ew e l lw i t ht h es i m u l m i o nr e s u l t s k e yw o r d s ：s y m m e t r i c a lc o p l a n a rw a v e g u i d ef i l t e r ：a s y m m e t r i c a lc o p l a n a r w a v e g u i d ef i l t e r ；d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ；e m p r 0 2 0 10 ；e x c i t a t i o ns e t u p 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究意义。j 1 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文完成的主要工作4 第2 章a c p w - d g s 滤波器的相关理论6 2 1 微波平面传输线简介6 2 1 1 微带线6 2 1 2 槽线7 2 1 3c p w 8 2 1 4a c p w 10 2 1 5a c p s 1 2 2 2d g s 结构及应用13 2 2 1 d g s 综述1 3 2 2 2 哑铃型d g s 结构的等效电路1 6 2 3 微波滤波器基本概念18 2 3 1 微波滤波器概述一l8 2 3 2 滤波器的指标一1 9 2 4 本章小结1 9 第3 章基于e m p r 0 2 0 1 0 的c p w 和a c p w 传输线仿真研究2 0 3 1e m p r 0 2 0 10 简介2 0 3 2 基于e m p r 0 2 0 10 的c p w 传输线激励仿真及分析2 3 3 2 1 介电常数对传输损耗的影响2 6 3 2 2 中心导带宽度对传输损耗的影响2 7 3 2 3 槽宽对传输损耗的影响2 9 3 3 基于e m p r 0 2 0 1 0 的a c p w 传输线激励仿真及分析3 2 3 3 1 中心导带对a c p w 传输线损耗的影响3 2 3 3 2 槽宽对a c p w 传输线损耗的影响3 3 目录 3 3 3 激励线距中心导带中心的距离对传输损耗的影响3 5 3 4 本章小结3 7 第4 章c p w - d g s 滤波器和a c p s d g s 滤波器研究3 8 4 1 基于哑铃型d g s 的c p w 滤波器研究3 8 4 1 1 哑铃型d g s 的c p w 滤波器结构3 8 4 1 2 哑铃形d g s 的c p w 滤波器的性能分析4 1 4 2 3 小结4 3 4 2 基于哑铃形d g s 的a c p s 滤波器研究4 3 4 2 1 哑铃形d g s 的a c p s 滤波器结构一4 3 4 2 2 哑铃形d g s 的a c p s 滤波器的性能分析4 6 4 2 3 小结4 8 4 3 本章小结4 8 第5 章基于哑铃形a d g s 的a c p w 滤波器研究4 9 5 1 哑铃形a d g s 的a c p w 滤波器的仿真与分析4 9 5 2 滤波器的加工、测试以及性能分析5 4 5 2 1 滤波器的加工5 4 5 2 2 滤波器的测试5 4 5 3 3 测试结果分析5 8 5 3 本章小结5 9 结 论6 0 参考文献6 1 攻读学位期间公开发表论文一6 6 致谢6 7 研究生履历一6 8 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 第1 章绪论 1 1 选题背景与研究意义 随着人类进入高速发展的信息时代，对无线通信技术的要求越来越高，而频谱 资源仍然是有限的，人们正在努力向频率更高频谱资源更富裕的频段发展，这对 通信系统中器件的小型化、集成化和宽带特性提出了很高的要求。滤波器正是通 信系统中非常重要的器件，特定频段的有用信号通过滤波器能得到有效传输，无 用信号经过滤波器能得到减弱，从而各通信频道间的干扰被降低，这使得频谱资 源得到了有效利用，减少了浪费，以此来保障通信设备工作正制i 】【2 】。 微波平面滤波器的特点是使用微波平面传输线，其中微带线在各种微波平面 传输线中的加工、分析和设计都是较为方便的，是使用最广泛的平面电路之一， 然而随着微波毫米波技术特别是单片微波集成电路的发展，微带线在损耗及色散 等特性上的不足己不能忽略，在此背景下，共面波导( c o p l a n a r w a v e g u i d e ，c p w ) 得到越来越高的关注。与微带传输线相比，c p w 有着易于制作，易实现无源、有 源器件在电路中的串并联( 无需在介质板上打孔) ，以及提高电路密度等优点。c p w 不仅可以作为微波集成电路中的连接线，还能制作各种微波无源器件；目前c p w 己应用于微波、毫米波、光学和高温超导集成电路等，并己在一些电路中取代微 带线，在微波集成电路中占据着越来越重要的地位，特别是在毫米波、亚毫米波 及光学集成电路中将成为主流。c p w 滤波器也理所当然的得到了广泛的研究【3 - 1 0 1 。 人们在c p w 的基础上发展了一种新型的传输线一a c p w ( a s y m m e t r i c c o p l a n a rw a v e g u i d e ，非对称共面波导) ，a c p w 与c p w 相比，其中心导带与两侧 地之间的缝隙宽度是不同的，是c p w 的一种推广。a c p w 传输线也可以用来构造 各种电路器件，包括滤波器。a c p w 中心导带两侧槽宽不同，在设计a c p w 滤波 器时的参量要比c p w 多，具有更大的优化空间；在单片微波集成电路技术中，采 用a c p w 结构，使元件的位置更具有灵活性，尤其对形状不规则的电路布局帮助 很大。因此研究a c p w 滤波器具有重要而广泛的意义。 a c p w 滤波器比c p w 滤波器具有更大的优化空间，相比对称c p w ，a c p w 中心导带与两侧底板的间距不同，或者说槽宽比不等于1 ，如图1 1 所示。因此 a c p w 比c p w 多一个设计参量，而滤波器作为一种平面电路，往往会用到多段传 第l 章绪论 输线，这样a c p w 滤波器的设计参量要比c p w 多数个，也就是说在优化过程中， a c p w 滤波器要比c p w 多数个自由度。 e 三三= 至= = 三3e 三三= 至三三= ( 砖釉 e 薯 e b e 互= 口蓝e z 2 口互e z z j 互e z z = e z z j = c z j = c z z = 巴翻b e z z 】= e z z j 艺艺z 互盈= c z 互j 昌墨墨薯j = e 薯z j = 艺罨翻 秘鳓 图1 1c p w 与a c p w 示意图：( a ) 无底板c p w ，( b ) 无底板a c p w ，( c ) 有底板c p w ，( d ) 有底 板a c p w f i 9 1 1c p wa n da c p w ：( a ) c p w w i t h o u tc o n d u c t o rb a c k e d ，( b ) a c p ww i t h o u tc o n d u c t o rb a c k e d ， ( c ) c p ww i t hc o n d u c t o rb a c k e d , ( d ) a c p ww i t hc o n d u c t o rb a c k e d c p w 和a c p w 两侧地具有一定宽度，在电路中应用这两种结构时可以尽可能 的将两侧地利用起来，人们发现在地上蚀刻出周期或非周期形状的结构，即缺陷 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 ) ，能得到很好的滤波特性。d g s 具有带阻 和慢波的特性，将d g s 应用到c p w 和a c p w 结构中变成c p w - d g s 滤波器和 a c p w - d g s 滤波器能得到更好的性能，这样的滤波器在某种程度上能满足小型化、 低成本的要求。 本论文所进行的研究得到了两项国家自然科学基金的支持，分别是非对称共 面波导特性及其应用的研究，项目编号：6 0 7 7 1 4 0 3 2 和基于非对称共面波导的 定向耦合器和滤波器研究，项目编号：6 1 0 7 1 0 4 4 。 1 2 国内外研究现状 a c p w 最早是由法国学者vf o u a dh a n n a 于1 9 8 1 年提出来的【1 1 】；接着又有 t k i t a z a w a 采用变分法对a c p w 进行了研列1 2 】；1 9 9 3 年意大利学者g g h i o n e 发表 了非对称共面线和a c p w 的研究结剁1 3 】；1 9 9 3 年n i h a di d i b 等人对a c p w 的不 连续性进行了分析【1 4 】；19 9 9 年房少军教授采用保角变换方法对带金属底板的 a c p w 进行了准静态的分析与研究，并给出了场结构图【1 5 】；2 0 0 0 年a g o r u r 等人 对有限接地板的a c p w 进行了准静态的分析和研究1 1 6 】。 c p w 在国际范围内已得到了相当广泛的研究，关于c p w 滤波器的论文也层 出不穷，但是有关非对称c p w 滤波器的文献并不多见。1 9 9 8 年，美国u c l a ( j j i 州大学洛杉矶分校) 的j u n s e o kp a r k 等人提出了一种非对称结构的c p w 滤波器， 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 如图1 2 所示。该滤波器在c p w 的主传输线中引入了非对称结构，并取得了不错 的滤波特性。 ( a ) 滤波器结构测试结果 图1 2 一种非对称结构的c p w 滤波器 f i 9 1 2a na s y m m e t r i cs t r u c t u r eo f c p wf i l t e r ：( a ) f i l t e rs a u c t u r e ( b ) m e a s u r e dr e s u l t 2 0 0 4 年，新加坡南洋理工大学的j g a o 和l z h u 提出了一种非对称耦合c p w 滤波器，但这个滤波器的非对称性并非体现在主传输线的轴线方向，而是体现在 主传输线轴线的垂线上，该结构如图1 3 所示。 图1 3j g a o 和l z h u 提出的非对称c p w 耦合滤波器 f i 9 1 3a s y m m e t r i cc p wc o u p l e df i l t e rp r o p o s e db yj g a oa n dl z h u 印度科钦科技大学的m e n o ns k 等人在2 0 0 5 年的一篇文章中明确使用了 “a c p w 滤波器”这名称【m ，但其所提出的a c p w 滤波器并非由真正意义上的 a c p w 传输线构成，甚至也不同于通常意义上的c p w ，而是采用如图1 4 所示的 特殊结构，这是一种类似于平行双线或槽线的传输线，或者也可看作是一侧导体 位于无限远的a c p w 极端特例。 第1 章绪论 一 图1 4m e n o ns k 等人提出的 a c p w 滤波器” f i 9 1 4 a c p w f i l t e rp r o p o s e db ym e n o ns k e t e 除以上几种结构外，还有数种非对称状的c p w 滤波器散见于各学术刊物。大 家知道，微带滤波器由微带传输线构成，波导滤波器由波导构成，而这些滤波器 都是在对称c p w 传输线的基础上进行设计的，不能称之为真正的a c p w 滤波器， 从理论上讲，它们也不会达到真正a c p w 滤波器的性能，与本课题所要研究的基 于a c p w 传输线的滤波器并不是一个概念。对于非对称状c p w 滤波器，学术界 还缺乏较系统的研究。 1 3 本文完成的主要工作 本论文的研究目标是在参照文献 1 7 】给出的a c p w - d g s 滤波器和文献 1 8 】给 出的c p w - d g s 滤波器基础上，提出一种新型a c p w - a d g s 滤波器，运用业界较 新的电磁仿真软件e m p r 0 2 0 1 0 进行仿真，并对结果进行分析，所完成的主要工作 包括： 第一章阐述选题背景和研究意义，以及国内外研究现状。 第二章对几种平面传输线的结构、电场分布和传输模式进行了整理，从微带 线、槽线开始讨论，逐步过渡到本文重点研究的对象a c p w 及c p w 传输线； 随后对本文另外一个重要结构d g s 的形状及其等效电路进行了整理和分析；最后 简要介绍了微波滤波器的基本理论。 第三章对本文使用的电磁仿真软件- e m p r 0 2 0 1o 及其算法f d t d 进行了介 绍，并针对c p w 传输线和a c p w 传输线如何在e m p r 0 2 0 10 里进行激励做了大量 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 的仿真和讨论，得出了在e m p r 0 2 0 1 0 里如何对c p w 和a c p w 进行最佳激励设置 的规律。 第四章运用前述最佳激励设置对文献 1 7 】中的a c p w - d g s 滤波器和文献 1 8 】 中的c p w - d g s 滤波器进行讨论分析，同时也对最佳激励设置进行了验证。 第五章提出了一种a c p w - a d g s 滤波器，在e m p r 0 2 0 1 0 软件里进行了仿真优 化，还与c p w - d g s 滤波器、a c p w - d g s 滤波器进行了仿真比较，并对最终仿真 好的三种滤波器结构进行了加工和测试。 第2 章a c p w - d g s 滤波器的相关理论 第2 章a c p w d g s 滤波器的相关理论 本章旨在介绍微波平面传输线中的a c p w 、d g s 结构以及微波滤波器的基础 知识。 2 1 微波平面传输线简介 常见的微波平面传输线包括微带线、槽线、带状线、鳍线、c p w 等。其中a c p w 、 c p w 都是在微带线、槽线等经典平面传输线的基础之上发展而成的，本节通过对 微波平面传输线的介绍从而引入c p w 及a c p w 的概念。 2 1 1 微带线 微带线是由沉积在介质基片上的金属导体带条和接地板构成的传输线，如图 2 1 所示。构成微带的基板材料，带线尺寸与微带线的电性能参数之间存在严格的 对应关系。微带线的设计就是确定满足一定电性能参数的微带物理结构【1 9 】。 地 图2 1 微带线结构 f i g 2 1m i c r o s t r i ps t r u c t u r e 微带线是双导体系统，如果是无介质填充的空气微带线，则它传输的是t e m 模式的电磁波；但当金属导体带条和接地板之间填充介质时，由于场分布既要满 足导体表面的边界条件，又要满足介质与空气分界面上的边界条件，因而微带线 中传输的电磁波模式变成了电场和磁场的纵向分量都不为零的混合模。微带线的 电场主要集中在金属导体带条与接地板之间的介质区内，如图2 2 所示。在低频弱 色散条件下，微带线的工作模式是准t e m 模【2 0 1 。微带线的结构简单，其尺寸设计 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 公式有一定的近似条件，能得到比较满意的工程效果，而且微带线便于器件的安 装和电路调试，产品化程度很高，使得微带线成为微波电路中首选的电路结构。 图2 2 微带线电场分布 f i g 2 2e l e c t r i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f m i c r o s t r i p 2 1 2 槽线 槽线是由美国的c o h n 教授于1 9 6 8 年提出来的一种平面传输线，它是一种在 高介电常数介质板单侧敷一薄层含有槽的金属面的结构，如图2 3 所示。当介质板 的介电常数很高，比如s 为 到30时，那么槽线模式的电磁波工作波长将远远r 1 0 小于自由空间中的波长，电场集中分布在槽周围，辐射很小。 刊k 图2 3 槽线结构 f i g 2 3s t r u c t u r eo fs l o t l i n e 槽线与微带线相比突出的优点是可以利用槽线模式，如图2 4 所示。它的电场 跨过槽，磁场垂直于槽并且沿着槽线方向以每半个波长的间隔构成一个环。槽线 存在椭圆极化区，可用来构建一些非互易的铁氧体槽线设备，例如振荡器、锁存 器和循环器等。此外，槽线能很方便的与集总元件连接。槽线中传播的电磁波的 模式是准t e m 模，与此模式相关的参数如特性阻抗和相速都随频率以较低的速率 第2 章a c p w - d g s 滤波器的相关理论 变化。槽线截止频率，且具有低色散特性【2 l 】。假设介质板表面敷铜无限长和无限 宽，那么沿着槽线传播，频率下降到厂= 0 ，d c 趋于常数而且z 0 几近于0 。关于 槽线的传播特性，人们对相速和特性阻抗的关注较多，研究表明槽宽和金属厚度 对相速和特性阻抗的影响很重要，而且其重要性随着频率变大而增加【2 2 】。 ( a ) 槽线横截面的场分布( b ) 槽线纵向磁场分布 ii 少述一三 ( c ) 金属面的电流分布 图2 4 槽线的场分布示意图 f i g 2 4e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o no f s l o tl i n e ：( a ) e l e c t r o m a g n e t i cf i e l dd i s t r i b u t i o ni nc r o s s s e c t i o n ( b ) m a g n e t i cf i e l di nl o n g i t u d i n a ls e c t i o n ( c ) c u r r e n td i s t r i b u t i o n0 1 1m e t a ls u r f a c e 2 1 3c p w c p w 是由敷在一定厚度介质板上的三个共面导体带条构成的，包括中心导体 带条和两个半无限大的地。c p w 是由c p w e n 于1 9 6 9 年提出的一种平面传输线 2 3 】，结构如图2 5 所示，传统意义上的c p w 的中心导体带条两侧缝隙等宽。在 实际情况中，介质板厚度不能无限厚，两侧地的宽度也是有限的，介质板可能带 有金属底板，对于这几种不同情况组合就出现了几种不同的c p w ：介质板有限厚 且无背面金属地、介质板有限厚且带有背面金属地、金属地面有限宽介质板有限 厚且没有背面金属地和金属地面有限宽介质板有限厚且带有背面金属地【2 4 】。 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 图2 5c p w 结构不意图 f i g 2 5s t r u c t u r eo fc p w 通常把理想的c p w 结构看成是一对具有普通奇偶模的耦合槽线，奇模是c p w 模式，偶模是槽线模式，其主模是准t e m 模，不存在低频截止【2 4 】。然而中心导带 和地的次要电极之间的电场与空气介质边界里产生了表明电流的不连续性，引起 了椭圆极化区，故可以用来做非互易旋磁微波设备。 传输线的散射通常是由三种机理导致的：导体损耗、电介质损耗和辐射损耗。 应用在印刷电路板中c p w 的不连续性对信号传输和反射有很大的影响，目前对 c p w 的不连续性的研究有很多，d s r i a mk u m a r 等人对c p w 的不连续性进行了仿 真分析，包括终端开路、终端短路、波导阶跃和波导弯曲等情况，研究结果表明 对于不同类型c p w 的回波损耗和传输损耗与频率相关，这样就可以对应应用频带 来选择c p w 的类型。与微带线相比，c p w 有一些优势：容易与串联或并联元件 连接而无需对介质板钻孔，在毫米波频段介质板可以不用做得很薄，而且色散也 比微带线的小【2 5 1 。 对于c p w 的特性包括介电常数、特性阻抗等，已经有很多人做了研究。1 9 9 0 年c h i a - n a nc h a n g 等人首次用保角变换方法对c p w 进行了全波分析，文中作者设 中心导带的宽度为加，地距离导带中心的距离为b ，则槽宽为6 口，介质板厚度为 h ，介电常数为占，分析表明有效介电常数随着频率增加逐渐增大，在同一频率处 有效介电常数随着介质板介电常数的增加而增加，随着h b 的增加，即介质板厚度 第2 章a c p w - d g s 滤波器的相关理论 从小于地到导带中心的距离到接近这个距离变化时，有效介电常数也会随着频率 变大而增大；特性阻抗随着频率变大略有下降，而且介电常数越大，特性阻抗越 小；随着a b 比值的增加，特性阻抗下降得比较明显【2 6 1 。 2 1 4 a c p w a c p w 是在c p w 传输线上发展得到的一种新型传输线( 见图2 6 ) ，金属层两 个缝隙不等宽，与非对称耦合槽线( a s y m m e t r i cc o u p l e ds l o tl i n e ，a c s l ) 有相似之处， 如果对a c s l 进行反向激励即可等效得到a c p w 2 7 1 。a c s l 和a c p w 可以分别看 作是人们已经熟知的等宽耦合槽线结构和c p w 结构的修正。由于实际制作加工不 能保证两侧槽宽一定是相等的，有可能是非对称的结构。非对称的结构在有源和 无源微波电路中都有应用广泛，特别在设计微带线和槽线以及单片电路时，a c p w 能比较容易的实现与集总元件的连接，而且它比c p w 多一个优化参数，目前已经 有人对这种传输线特性进行了研究。 j l 毋 a ，、 r ，如 图2 6a c p w 横截面示意图 f i g 2 6c r o s ss e c t i o no f a c p w v i c t o rf o u n dh a n n a 等人采用保角变换的方法给出了传输线特性阻抗和单位长 度电容的计算公式，保角变换区如图2 7 所示。在对a c p w 进行分析时，假定地 面无限宽，带线的厚度忽略不计，空气介质分界面可以看作是理想磁边界即诺伊 曼边界，可得到： z o ：熹梨 ( 2 1 ) 白2 丽。丽 u j c 剐训 叫b ) 仁2 ， 其中尉矽，k 内是第一类完全椭圆积分，且k ( 后) = k ( 尼) ，k = ( 1 一k 2 ) “2 ， 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 七2 ：( t 4 - g ) ( t 5 - t 2 ) 。 ( f 5 一t 3 ) ( f 4 一t 2 ) z 2 ，。一 ，- h i 毛= 黼 ( 2 3 ) 口：兰垒：墨! ! 兰二兰! 毒e 璺兰! ! ：兰! ! ! ：垒! ! ： ( 2 4 ) 卵两五广一 q 4 乙 b 2 1 、：之上二j 办f l如 f t o 龟上垂 图2 7 保角变换平面示意图 f i 9 2 7p l a n es t r u c t u r eo f c o n f o r m a lm a p p i n g 假定介质板厚度有限为h ，将= 1 代入( 2 2 ) 式中z ，。一i 0 空气电容q 卅岛器 ( 2 5 ) q “岛瑞 q 5 ) 通过保角变换得到单位长度传输线电容c 2 c 2 = 2 c o ( 。一l ，硒k ( k 2 ) 则非对称c p w 的相对介电常数锄和特性阻抗z o 的公式分别为 ( 2 6 ) 勖= 警小扣，硒k ( k 2 ) 器 亿7 ) z o2 爵器 ( 2 8 ) 第2 章a c p w - d g s 滤波器的相关理论 当给定6 ( 6 + 4 + 吐) 的比例时，c p w 传输线的非对称性会导致特性阻抗的减 小和相对介电常数的增加( 这里定义非对称因子s ，当吒嘎时s = 1 - d d d 2 ；当d 2 吐 时s = l 一吐磊。非对称因子增加到2 5 $ j ，这些变化并不明显。当介质板厚度从 无限大减小到( 6 + 西+ 以) ，特性阻抗和相对介电常数各自的变化分别少于2 7 阿1 4 ，当厚度h 减小到( 6 + 4 + d 2 ) 3 时，特性阻抗和相对介电常数的分别少于1 0 和2 0 。因此，如果介质板厚度不满足条件厅( 6 + 4 + 吃) 时就不能忽略介质板厚 度的影响【2 8 】。 2 1 5a c p s a c p s ( a s y m m e t r i cc o p l a n a rs t i p l i n e ，非对称共面线) ，是用于微波集成电路的一 种微波平面传输线，如图2 8 所示，在介质板的一面敷一窄带金属条和一块金属地 就可构成a c p s 结构【2 9 】。如果认为离a c p s 无限远处存在地，就可以看作是种特 殊形式的a c p w ，即a c p w 的一侧缝隙和地都是有限宽，而另一侧缝隙无限宽且 地在无限远处。 7 - r 7 l 毋 h ， 、，? 。 图2 8 a c p s 结构示恿图 f i g 2 8s t r u c t u r eo f a c p s 对a c p s 的分析同样可以采用保角变换，与a c p w 的分析类似，文献 3 0 1 1 3 1 】 等给出了详细的分析过程和保角变换公式，这里不再赘述。 a c p s 传输线能用来实现1 8 0 0 反相功分器、混合耦合器，a c p s 功分器与微带 功分器相比有更好的功分性能，a c p s 混合耦合器与微带混合耦合器相比也有更好 的耦合性能，这样的a c p s 功分器和a c p s 混合耦合器常用在微波集成电路( m i c ) 和微波毫米波集成电路( m m i c ) 中3 2 】【3 3 】。由于a c p s 结构只有单个地平面，所以不 需要使用空气桥来抑制不连续性处的高次模，将a c p s 应用在m m i c 中就能大大 减小电路尺寸【蚓。a c p s 还能用来实现滤波器，文献【1 7 中给出了一种在a c p s 传 输线上使用d g s 结构来实现带阻特性的滤波器，本文第四章将对这种滤波器进行 具有缺陷地结构的非对称共面波导滤波器研究 详细的分析。 2 2d g s 结构及应用 2 2 1d g s 综述 d g s 是一种在微波电路的接地板上蚀刻出周期或非周期形状的结构，一种加 在微带线上的常用d g s 结构如图2 9 所示。 微带线 地面的 。一 二一口 i 一一下一1 g 令 一一i 一_ j 、形7 、 ( a ) 整体图 ， 微带线 x 二l 、r w ( b ) 横截面 ( c ) i e n ，傲带线 ( d ) 反面d g s 地 图2 9 哑铃型d g s 结构示意图 f i g 2 9d u m b b e l ld g ss t r u c t u r e ：( a ) o v e r a l ls t r u c t u r e ( ”c r o s ss e c t i o n ( c ) t o pm i c r o s t r i p ( d ) b a c kd g sg r o n d 1 3 第2 章a c p w - d g s 滤波器的相关理论 周期d g s 通过改变电路衬底材料的有效介电常数来改变微带线的分布电容电 感，从而有效地改善了微波电路的性能参数，达到减小电路尺寸的目的1 3 5 】。含有 d g s 结构的微带线具有带阻特性和慢波特性，使它在微波电路中得到广泛应用【3 6 1 。 d g s 是在p b g ( p h o t o n i cb a n d 。g a ps t r u c t u r e ) ，光子带隙结构) 的基础上提出来 的。光子带隙结构能阻止某个特定频带信号传播，是种周期结构。利用p b g 结构 可以抑制谐波、改善功率效率、提高电磁兼容性等f 3 7 j ，目前p b g 已经被用来改善 天线的辐射方向性【3 8 1 、谐波频率谐振的抑制3 卅和天线增益的提高【4 0 】，增强滤波器 频率选择特性抑制特定频带【4 1 , 4 2 】，还用于抑制有源电路的谐波和减小电路尺寸等 4 3 , 4 4 1 。p b g 的研究越来越多，到了19 9 9 年j o n g i mp a r k ，c h u l s o ok i m 等人提出 了一种哑铃型状的非周期p b g 结构【4 5 1 ，即为d g s 。 d