（通信与信息系统专业论文）小型化微带带通滤波器和平面魔t结构的设计与分析.pdf

硕i j 论文小型化微带带通滤波器和、卜面臆t 结构的设计j 分析 摘要 随着现代技术的迅速发展，无线通信技术正在向高速、多频段、大容量方向发展。 高性能、小型化和多频段滤波器的设计及理论分析，是目前微波、毫米波电路研究中的 热点问题之一。四端口的魔t 器件由于很容易实现等功率同相反相的功分作用，在微波 技术领域中有着广泛的应用。结合基片集成波导( 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 i w ) 和双面平行带线( d o u b l e s i d e dp a r a l l e l s t r i pl i n e ，d s p s l ) 的多层平面魔t 结构，克服了 传统波导魔t 立体结构大，带宽较窄的缺点，在微波集成化、小型化电路中具有重要的 应用价值。 本文提出一种十字型的微带分支结构，结合传统1 4 波长和1 2 波长的宽带带通滤波 器，通过控制由十字型丌路分支产生的传输零点的位置，能实现具有较好边缘选择特性 的三通带滤波器结构。另外应用新提出的e 面s i w 等功分结构，在代替传统t y 型s i w 等功分器结构的基础上，引入槽线到s i w 的耦合传输，所设计的新型魔t 结构比以往 s i w 平面魔t 结构的体积减小一半，相对带宽增加到1 8 。应用类似的理论分析，结合e 面d s p s l 结构的等功分网络结构，引入传统槽线平面魔t 结构的等效电路，设计出了另 一种多层的d s p s l 平面魔t 结构。应用e 面d s p s l 结构本身的等功分特性，去除了部 分1 4 或者1 2 阻抗匹配传输线，同时引入槽线到d s p s l 的耦合结构，使得d s p s l 平面 魔t 结构相对带宽达到4 0 以上，而且体积有较明显的减小，但其传输性能与宽带槽线 平面魔t 结构相当。以上结构在微波多频通信系统和微波平面集成电路中具有较好的应 用前景。 关键词：微带滤波器，魔t ，基片集成波导( s i w ) ，双面平行带线( d s p s l ) ，三通带，功 分器 a b s t r a c t硕i ：论文 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 ft h em o d e mt e c h n o l o g y , l a r g e c a p a c i t y a r et h em a i ni n t e r e s t so fw i r e l e s s h i g h s p e e d m u l t i - b a n da n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y h i g h p e r f o r m a n c e ，m i n i a t u r i z a t i o na n dm u l t i b a n d f i l t e r sa r et h ek e yp o i n t si nm o d e m m i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rc i r c u i t s a sw ek n o w , t h ef o u rp o r tm a g i c ts t r u c t u r ei se a s 3 7t o a c h i e v e i n p h a s e o u t - - o f - p h a s ep o w e rd i s t r i b u t i o n a n dp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h e m i c r o w a v et e c h n o l o g y t h ep l a n a rm a g i c ts t r u c t u r e sb a s e do ns iw ( s u b s t r a t e - i n t e g r a t e d w a v e g u i d e ) a n dd s p s l ( d o u b l e s i d e dp a r a l l e l - s t r i pl i n e ) ，a r ev e r yc o n v e n i e n tt oo v e r c o m e t h ed r a w b a c k so ft h ec o n v e n t i o n a lw a v e g u i d em a g i c ts t r u c t u r e ，s u c ha s3 - ds t r u c t u r e ， n a r r o w e rf r e q u e n c yb a n d w i d t h ；a n dh a v ei m p o r t a n ta p p l i c a t i o n si nm i c r o w a v ei n t e g r a t e da n d m i n i a t u r ec i r c u i t s an e wc r o s s e do p e ns t f f bs t r u c t u r ei sp r o p o s e di nt h i sw o r k b a s e do nt h ec o n v e n t i o n a l1 4 o r1 2w a v e l e n g t hb r o a d b a n db a n d p a s sf i l t e r , t w ot r i b a n df i l t e r sw i t hs h a r pr o l l - o f fs k i n s e l e c t i v i t yc a nb er e a l i z e db yc h a n g i n gt h el o c a t i o n so ft h et r a n s m i s s i o nz e r o sc r e a t e db yt h e c r o s s e do p e ns t u b s an e we p l a n es i wp o w e rd i v i d e ri s p r o p o s e d t o r e p l a c et h e c o n v e n t i o n a lt y - j u n c t i o ns i wp o w e rd i v i d e r ，t h en e wp l a n a rs i wm a g i c tu s i n gt h ep o w e r t r a n s m i s s i o nf r o ms l o t l i n et os i w ，h a sn e a r l y5 0 s i z er e d u c t i o nc o m p a r e dw i t ht h ef o r m e r s t r u c t u r e s a n dt h ef r a c t i o n a lb a n d w i d t hf o rt h em a g i c ts t r u c t u r ei sa b o u t18 a n o t h e r m u l t i - l a y e rp l a n a rd s p s lm a g i c - ts t r u c t u r eb a s e do nt h ee p l a n ed s p s lp o w e rd i v i d e ra n d c o n v e n t i o n a ls l o t l i n em a g i c - tc i r c u i t ，i sa l s op r o p o s e du s i n gt h es a m ea n a l y s i sm e t h o dw i t h t h ep l a n a rs i wm a g i c - t d u et ot h ei n t r i n s i ce q u a lp o w e rd i v i d i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h e e p l a n ed s p s ls t r u c t u r e ，s o m er e d u n d a n tq u a r t e r h a l fw a v e l e n g t ht r a n s m i s s i o nl i n e sa r en o t r e q u i r e d ，a n dt h ef r a c t i o n a lb a n d w i d t ho ft h em a g i c - ti s o v e r4 0 ，d u et ot h eb r o a d b a n d c o u p l i n gb e t w e e nt h es l o t l i n ea n dd s p s ls t r u c t u r e m o s to fa l l ，f u r t h e rs i z er e d u c t i o nh a s b e e na c h i e v e df o r t h em a g i c t ，w h i l et h em a g i c ts t r u c t u r ea l m o s tk e e p sb r o a d b a n d t r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca st h ec o n v e n t i o n a ls l o t l i n em a g i c - ts t r u c t u r e s ；a l lt h es t r u c t u r e s d e s i g n e di n t h i sw o r ka r ee x p e c t e dt of i n dp o t e n t i a la p p l i c a t i o n si nm i c r o w a v em u l t i - b a n d c o m m u n i c a t i o ns y s t e m sa n dp l a n a rm i c r o w a v ei n t e g r a t ec i r c u i t s k e yw o r d s ：m i c r o s t r i pf i l t e r , m a g i c - t - s i w ( 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 ) ，d s p s l f d o u b l e s i d e dp a r a l l e l s t r i pl i n e ) ，t r i - b a n d ，p o w e rd i v i d e r 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 硕i i k 文小型化微带带通滤波器和、r 血魔t 结构的设计j 分析 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 近几年无线通信技术进入了高速发展的时期，人类对通信信息传输系统的要求也越 来越高，滤波器在系统当中扮演着重要的角色。图1 1 是一种基于f d m a f d d 系统( 频 分多址频分双工) 的典型移动电话射频电路方框图，是第一代移动通信系统中最常用的 一种【l 】。其中虚线部分表示的是无线通信系统设备中的滤波器，此类器件在射频有源电 路中的输入输出级之间普遍存在，并且每种滤波器结构都有不同的功能和特性要求。如 何实现高性能小型化的滤波器结构是无线通信系统中研究的重要问题之一。 图1 1 一种类型的移动电话射频电路方块图 随着信息化浪潮的推进，现代社会产生了巨大的信息要求，通信技术正在向着高速、 多频段、大容量方向发展。目自 移动通信中所使用的主要频率为0 8 1 9 g h z ，全球g s m 频段分为4 段，即8 5 0 9 0 0 18 0 0 19 0 0 m h z 。在宽带移动化方面，i e e e8 0 2 工作组先后 制定了w l a n 和w i m a x 等技术规范，希望能沿着固定、游牧便携、移动这样的演进 路线逐步实现宽带移动化，常用的w l a n 通信频段标准为i e e e8 0 2 11 b g ( 2 4 2 5 g h z ) 和i e e e8 0 2 1l a ( 5 2 5 8 g h z ) 。为了在移动环境下实现宽带数据传输，i e e e8 0 2 1 6 w i m a x 成了宽带移动的重要罩程碑，促进了移动宽带的演进和发展，2 3 2 4 g h z 和 3 4 3 6 g h z 频段均被划分为w i m a x 的全球性统一无线电频段。 但目自订人们能够使用的频段资源是非常有限的，尤其是在射频和微波低频段，其频 1 绪论 硕i j 论文 谱资源已经使用殆尽。另外，传统的单频通信系统的缺点已经同渐显露，在很大程度上 难以满足当今无线通信的技术要求，而实现高频段的各种双频和多频通信系统是今后无 线通信发展的一个重要方向。因此如何研究设计出高性能、小型化和多频段的滤波器， 是目自订微波、毫米波电路设计的关键环节之一。 四端口的魔t 器件在微波技术领域中有着广泛的应用，可用来组成微波阻抗电桥、 平衡混频器、功率分配器、和差器、天线双工器、平衡相位检波器、鉴频器、调制器等， 但是传统的波导魔t 是立体结构，体积大，并且由于宽带的匹配电路很难实现，所以其 工作带宽较窄，而这些缺陷极大地限制了其应用的范吲引。传统的槽线( s l o t l i n e ) 结构 以其易实现宽带匹配、结构设计简单、易加工等优点，被广泛应用于平面魔t 设计之中。 近年来，微波领域学者吴柯教授等人【3 h 5 1 提出了一种平面集成的波导结构一基片集成波 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 ，s i w ) ，s i w 具有矩形波导和微带线的双重优点，例如 体积小、重量轻、高功率容量和高q 特性，另外通过简单的过渡变换可以很方便地与微 带线、共面波导、带状线等平面传输线相连接，结构紧凑，易于集成，和 m m i c ( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 具有很好的兼容性。因此，结合槽线结构 的平面s i w 魔t 成为一种可以用于代替传统波导魔t 的理想结构，但小型宽带的多层 平面s i w 魔t 结构仍然是设计的一个难点。 双面平行带线( d o u b l e s i d e dp a r a l l e l s t r i pl i n e ，d s p s l ) 结构首先由w h e e l e r 于19 6 4 年 提出【6 】，由于当时加工制造与理论上的不完善并未得到足够的重视。近十几年来，随着 微波工程理论的不断完善，微波电路小型化集成化和可靠性的迫切需求，以及多层制造 工艺的同渐成熟，d s p s l 也丌始受到关注。d s p s l 结构具有易实现高低阻抗线、宽带 传输匹配、平衡结构电路的优良特性，近些年来香港城市大学的薛泉教授等人 7 1 - 1 9 应用 d s p s l 结构设计出了多种滤波器、双工器、等功分网络结构，但结合槽线的d s p s l 平 面宽带魔t 结构理论的分析和结构设计还较少。 1 2 国内外研究现状 多频带通滤波器近年来成为了无线通信技术一个设计的热点，三通带的微带带通滤 波器在多频收发机中具有重要的应用价值。以往的三通带带通滤波器常采用由 s y a m a s h i t ai 1 0 1 提出的s i r ( s t e p p e di m p e d a n c er e s o n a t o r ) 结构，通过控制三节s i r 结构 不同的阻抗比，来调节基频以及二次和三次谐波的位置，以此实现三通带滤波器的设 计。但是，由于s i r 结构各谐波之问的关系不是独立的，而且谐波产生的通带带宽很难 满足特性带宽的需要，因而增加了电路的设计难度，并且多级之i 日j 的耦合使得带内的插 入损耗较大影响了滤波器结构的传输特性。针对s i r 结构三通带滤波器设计的缺点， 多级d b r ( d u a lb e h a v i o r sr e s o n a t o r s ) 结构】被应用于三通带或者多频带通滤波器结构的 2 硕i ：i k 文小型化微带带通滤波器和、i ，面魔t 结构的设汁弓分析 设计中。此种结构可以实现通带较好的边缘选择特性，但是此种结构由于各路阻抗比控 制要求非常严格，而且多级之间的级联增加了整体滤波器电路的尺寸，同时也增加了结 构设计的复杂度。为了实现高性能的带通滤波器结构，在通带的低频端和高频端插入传 输零点是一种比较理想的方式。结合传统的宽带带通滤波器，应用十字型不等长开路线 结构，通过控制两丌路线的阻抗比和传输零点的位置，可以有效地实现高性能，结构简 单的三通带滤波器结构，并且可以有效减小滤波器结构的整体尺寸。 以往的s i w 平面魔t 结构，主要基于t y 型的s i w 等功分网络i l2 1 。应用槽线结构 与s i w 结构的耦合可以很方便地实现s i w 平面魔t 结构，并且使s i w 平面魔t 结构的 带宽提高到1 0 以上。但是t y 型的s i w 等功分网络由于需要增加多余的感性余属柱 以消除分支部分的不连续性，一方面增加了结构的设计复杂度；另一方面也使得该类结 构的工作带宽受到限制，并且t y 型分支结构的体积较大。通过多层结构的e 面s i w 等 功分结构可以使以往的t y 型s i w 平面魔t 结构的体积减小一半，并且由于中间层金 属面的引入，使得该类研w 平面魔t 结构省去了多余感性金属柱的添加，在简化设计的 同时可以使该类s i w 平面魔t 结构的工作带宽接近2 0 ，可以更好地满足微波电路小型 化集成化的要求。 基于槽线和微带线、共面波导结构的平面魔t 结构的工作带宽可以达到4 0 以上f 1 3 】 1 2 0 j ，但是应用共面波导和槽线耦合的平面魔t 结构由于需要增加空桥来抑制高次模， 因此增加了此类结构设计的复杂度和加工成本。一般的微带与槽线耦合的平面魔t 结构， 各端口之间需要增加一系列的1 4 或者1 2 波长传输线来实现端口之问良好的阻抗匹配， 一方面使得结构设计复杂；另一方面增大了整体平面魔t 的结构。应用薛泉教授等人提 出的e 面d s p s l 等多层功分结构，可以有效地简化平面魔t 结构的设计，减小结构的 体积，并且应用传统槽线魔t 结构的简化等效电路，可以很方便地实现宽带的d s p s l 平面魔t 结构。 1 3 本论文的主要工作 结合十字型的不等长丌路结构与传统宽带滤波器结构，可以有效地实现结构简单、 体积小、高性能的三通带滤波器结构。应用s i w 和d s p s l 的e 面等功分结构，结合槽 线耦合的平面魔t 结构，能很容易实现结构设计简单、体积小、宽带的平面魔t 结构。 本论文的主要工作安排如下： 在第二章中首先介绍十字型开路分支结构的理论设计，通过a b c d 矩阵理沦获得与 1 4 波长连接线的等效公式，并且介绍s i w 和d s p s l 结构的理论基础、基本特性及没汁 方法。 在第三章中首先介绍两种常见的宽带带通滤波器结构，通过第二章中得出的十字型 开路分支结构的理论代替两种常见宽带带通滤波器结构中的1 4 传输连接线，由所得的 3 l 绪论 顾i ：论文 阻抗关系式和传输零点关系式，设计出两种针对不同频段的三通带滤波器结构。第一种 三通带滤波器结构应用满足w l a n ( 2 4 g h z ，5 2 5 g h z ) 币nw i m a x ( 3 5 g h z ) 频段的需要， 第二种三通带滤波器结构应用满足g s m ( 1 8 g h z ) 、w i m a x ( 3 5 g h z ) 和w l a n ( 5 4 5 g h z ) 频段的需要；与以往三通带滤波器结构相比，十字形三通带滤波器结构设计 更加简单灵活，可以较好地满足多频通信中不同传输频段的需要。 在第四章中首先介绍槽线结构的基本特性，接着介绍e 面s i w 结构的设计；通过电 场分布的理论来解释e 面功分器所具有的等幅反相的传输特性，该结构与t y 型等功分 s i w 结构相比，结构体积减小了一半，并且传输带宽有了明显的提高。最后结合槽线与 e 面s i w 功分的耦合传输，设计出宽带的e 面s i w 平面魔t 结构，通过槽线到s i w 能 量的耦合传输，较好地实现了该平面s i w 魔t 结构小型化、宽带化、结构设计简单化的 显著优点，在微波平面小型化集成电路中具有良好的应用前景。 在第五章中通过传统槽线平面魔t 结构的等效电路来设计分析所提出的多层 d s p s l 平面魔t 结构。该d s p s l 平面魔t 结构简化了传统槽线魔t 结构的设计方法，一 方面减少了传统槽线魔t 各端口匹配传输线的连接；另一方面所采用的多层e 面d s p s l 等功分结构显著了减小结构的体积。应用所提取的等效电路，可以很方便地设计出满足 所需频段的宽带魔t 结构，最后通过与其他结构实验测试结果的对比，说明该结构所具 有显著的优点。 在第六章中将对本文的工作进行总结，并且指出课题中结构设计存在的一些问题和 不足之处，并针对所提出的问题提出下一步需要改进的相关方案，对下_ 步工作提出总 的展望。 4 m ! | 论女 小型化微带泣被# 自r 面虚t 蚺枷醢，n * 2 十字型分支结构，s i w 和d s p s l 结构的简介 2 1 十字型分支结构与i 4 波长传输线之间的等效 在传统的微带滤波器、功分器等结构中，m 4 传输线具有广泛的应用，通常采用) j 4 阻 抗变换器束进行阻抗变换。近年来利用a b c d 矩阵方法提取的t 型分支结构，在双频 威尔金森功率分配器 2 。l1 2 2 ，双频混合环吲和微带滤波器结构i “i 中取得t i 。泛的应 用。存滤波器结构中应用t 型分支线，一方面可以减小结构的体积，另一方向利用t 型 分支线本身的丌路结构，可以很方便地实现一个传输零点。通过控制传输零点的位置， 既可以用柬抑制滤波器结构的高次谐波同时也可以用柬改良滤波器结构的边缘选择特 性。关于应用a b c d 矩阵提取的t 型分支线的等效公式在滤波器结构中的应用昂早由 常凯等人i ”】提出。图2 l l 显示了传统2 4 或者i 您滤波器结构以及t 型结与m 连接线 的等效电路罔。 l 。烬：。孑呤。 i 卜_ 石+ _ 百斗气刊 z 2 侥 ”一 z0 0 i ；，i a 伯) 目2 1l ( a ) 传统的肼或者肌滤波器结构：( b ) tr c j 分支与z 4 传输线之同的等效 幽2ll ( a ) 中备开路线之问2 4 的连接线阻抗为z ，电长度为岛，对应等效的t 掣结各 部分的阻抗为z 一z 2 ，电长度为o - 和如。 其中m 4 传输连接线对应的a b c d 矩阵为： 2 l ，型分支结构s i w 和d s p s l 结构的简介 顸l j 论文 c a 三 = 嚣：三。 t 型分支对应的a b c d 矩阵可表示为： ( 2 1 1 ) 睇a t 9 1 似ic o 训s o l 。j z 姗, s i n 0 儿：二。：0 母甚y , s i n 0 , 弘c o s i n s 0j。1 q 2 母li 1 j 由于t 型分支用来代替2 4 的传输连接线，所以0 0 = 9 0 0 ，由( 2 1 1 ) = ( 2 1 2 ) 可得t 型 分支与2 4 的传输线等效的阻抗关系式如下： z l = z t a n0 。z 2 = z ：# t a n02 ( 1 一t a n 2o1 ) ( 2 1 3 ) 为了实现紧凑的t 型分支结构，臼取值应小于4 5 0 ( 2 0 0 0 = 9 0 0 ) 。图2 1 2 表示了z l ， z 2 随秽l 变化的曲线图，当口接近4 5 0 时，z l z 接近为l ，而z ! z 接近无穷大，在t 型分 支仍部分看进去的阻抗= z 2 t a n 0 2 = ，因此晓可以看成丌路结构而忽略掉。整个t 型 分支可以看成一段阻抗为z 的9 0 0 的传输线。虽然z l ，z 2 的值可以有多种组合和选择， 但考虑到实际加工精度的限制，一般z l ，z 2 应小于1 2 0 q 。另外，根据性能指标的要求调 整兜的大小，可以随意控制由晓产生的传输零点的位置，在各类滤波器结构中可以用 来抑制高次谐波或者改善滤波器的边缘选择特性。 6 邀 闰 h 邀 闷 51 01 5 2 02 53 03 54 04 5 翻( d e g ) 图2 1 2 z i ，乙z 2 1 z 随o l 变化曲线( 0 2 = 3 0 。) 1，_1 e o n 0 撕 螂 2 0 8 6 4 2 0 硕i ：论文小型化微带带通滤波器和、i ，血燧t 结构的设计j 分析 以上讨论的t 型分支结构可以很方便地减小滤波器的尺寸，同时，由于传输零点的 引入和可控性，可以在多种滤波器的设计中应用此类结构，以此改善滤波器的传输特性。 下面介绍新提出的十字型分支结构的设计理论。十字型结构由于使用上下两个不等 长的开路分支，所以可以产生两个传输零点，因此在多通带滤波器的结构设计中具有更 大的应用价值。十字型分支结构设计理论的关系式同样应用a b c d 矩阵理论来提取。图 2 1 3 为十字型分支结构与肌连接线的等效电路图，与t 型分支相比，多了一个阻抗为 z 3 电长度为易的开路支节。 z 侥 z r 2 晓 图2 1 3 十字犁分支与2 4 传输线之间的等效 其中2 4 传输线对应的a b c d 矩阵为( 2 1 1 ) ，十字型分支对应的a b c d 矩阵司表不为： 竺三 = u i 幽c o 。s 0 。，1 乃j z 螂i s i 。n 。0 1 l 协三2 ，历o r 1 o - 1 r e o s o i j z ls i n 0 1 ( 2 1 4 ) b t a n 0 3 z 3l j x ) s i n o l z 1c o s 。l _ j 彳s = i x = c o s 2 0l s i n 2 0 1 一z i - s i n o _ i z t i a n z o 了2 - t a n o 一3 肛2 j g l s n 。1 c o s 。l _ 生霉裟掣业 c s = 2 j s i n 01 c o s o1 z l 一坐粤型字迹 ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 1 7 ) 令( 2 1 1 ) = ( 2 1 4 ) ，可得十字型分支与2 4 的传输线等效的阻抗关系式如下： z i = z t a n o i ，t a n 0 2 z 2 + t a n 0 3 z 3 = ( 1 一t a n 2 0 , ) l z( 2 1 8 ) 由以上阻抗关系式，可以根据设计滤波器特性的需要来选择传输零点的位置，在减小 滤波器结构尺寸的前提下，进一步提高滤波器的综合特性。在第三章中将会具体应用十 字型分支结构，束设计工作在不同频段的三通带滤波器结构。 7 2 i 。j ，型分支 f i 构s i w 和d s p s l 结构的简介硕l ：论文 2 2s i w 结构的理论和特性 矩形波导是最早用于传输微波信号的传输线类型之一，而且在今天仍有很多应用， 虽然近年来大量微波电路都采用微带线和带状线等平面传输线，但是，在很多应用中， 例如高功率系统、毫米波系统及一些精密检测应用中仍然需要波导。规则金属波导是指 各种截面形状的无限长笔直的空心会属管，其截面形状和尺寸、管壁的结构材料及管内 介质填充情况沿其管轴方向均不改变。管壁材料一般用铜、铝等金属制成，有时其壁上 镀有金或银1 2 】。矩形波导( r e c t a n g u l a rw a v e g u i d e ) 是截面形状为矩形的金属波导管，波 导内通常充以空气( 如图2 2 1 所示) 。 图2 2 1 矩形波导 矩形波导可以传播t e 模和t m 模，且存在无限多的模式，关于矩形波导的场分布理 论可以结合边界条件对麦克斯韦方程组求解，具体的理论分析在 2 6 中有详细分析。与 其他的导波系统相比，金属波导具有导体损耗和介质损耗小、功率容量大、无辐射损耗、 结构简单等优点，因而被广泛应用于3 g h z - - 3 0 0 g h z 的微波毫米波波段的通信、雷达、 电子对抗、测量等系统中【2 1 。但是金属波导也有着不可忽视的缺点，那就是体积和重量 都比较大，机械加工成本很高，而且也难以与其他平面有源电路和元件进行连接1 2 1 ；另 外，多端口的金属波导器件由于宽带匹配比较难于实现，因此宽带的多端口波导器件的 设计也成为了一个难点。 传统的平面传输线结构如微带线、带状线和共面波导等具有易加工、制作成本低，很 容易实现微波平面电路集成化和小型化，但是这些平面传输线结构功率容量低、q 值不 高。针对传统金属波导和平面传输线的优缺点，近年来有些学者提出了新的结构设计平 台，这就是基片集成波导技术( s i w ) 。图2 2 2 为s i w 的结构示意图，s i w 结构上下两层 为金属覆铜，两排并行为周期性的金属柱，等效于矩形波导的两会属侧擘，上下两层金属 面和矩形波导结构相似。由于s i w 有着与传统矩形波导相等效的结构，两种结构几乎 具有相同的传播特性，s i w 结构中两排并行的金属柱相当于等效矩形波导的两个连续的 导电壁。 8 m l 论z 小型化微带带通滤敞料和l 由斑i 结构的汁oj 分析 酗2 22s i w 结构幽 牟文荃教授和周雍教授等人2 w 2 ”通过解析矩量法，结合相关的物理概念，推导出了 s i w 与矩形波导的等效关系式如下： n 2 。a a r c c o t ( 警m 知 z 一) q 日q “ 其中目是s i w 的宽度，d 是与s i w 传输特性等效的矩形波导宽度，r 足金属柱半径。矿 是相邻两会届柱的问距。在实际结构的设i - i - q ，为了盼止s i w 产生能量泄露，金属柱的 半径r 和自j 隔矿的取值要满足下面的条件 r 0l k ，w 4 r ，r 02 a ( 2 22 ) 其中，k 为波导波长： k = k 为截止波长。 当 4 r 时，s i w 电场分布凹 ( 口= 1 4 m m , = 0 8 m m ，r = 02 5 m m , = 2 m ms i w 匠度l ；5 0 m m ) s i w 结构作为一种平面波导结构可以很方便地实现和其他平面传输线的过渡连接。 在实际应用中，常见的有到微带线、共面波导( c p w ) 等结构的过渡，而到微带的锥形过 渡尤为简单易行”9 1 删。 ( a ) 蚓2 25 ( a ) s i w 1j 微带线的t a p e r 过渡，( b ) 矩形波导与傲带线的场型分布 十化诒* 骷滤披# 虚1 蚰构的l j 分忻 幽2 25 ( a ) 为微带线刮s 1 w 的锥彤过渡结构示意图微带线传输的模式为准t e m 模 而矩形波导为t e 模式，图225 ( b ) 显示了两种结构的电场分怖图，通过锥形结构不断过 渡可以报方便地用微带线柬激励s 1w ，实现两种结构模，良好的转换并且锥形过渡 的尺寸也可以采辟i 商用仿真软件进行优化设计。 需要指出的足、当介质板较厚时出手微带线会属导带宽度会不断坐宽随着频率升 高长度加长，微带线的辐射损耗也会很大，因此锥形过渡般适用于介质板厚度较小、 做带线较短的结构。对丁介质板较厚的情况可以选择使川其他的过渡方式，如共而波 导的过渡方式p 】| - | ”i 这里不再做详细介绍。 2 3d s p s l 结构的理论和特性 d s p s l ( d o u b l e s i d e dp a r a l l e l - s t r i p l i n e ) 结构蜮早由w h e e l e r j j l 9 6 4 年提出，并且运用 数学保角映射法进行了初步的分析1 6 1 3 4 1 。但在过去的几十年里，由于加 技术的限制以 及取而结构的原因，因此很少被关注。随着射频电路加工技术的不断提高d s p s l 结构 本身加工的技术限制被完全克服，d s p s l 结构以其易实现高低阻抗线、宽带传输匹配、 平衡结构电路的优良特性，垣年来在多层结构的微波系统中得到了大量的应用。 一t h ，l ( a ( b 幽2 31d s p s l 结构l 玺_ ( a ) 二维蚓，( b ) 横截面蹦 图2 3l 为d s p s l 的结构图，d s p s l 结构是由e 下两条平行的会属带组成。由于 d s p s l 是上下对称的两条平行结构，采用镜像理论( 图2 32 ) 可以很方便地分析出其阻 抗公式【”。段介质基板厚度为h 的d s p s l 的特性阻抗可以近似为一段等宽的基板厚度 为h 2 的微带线的特性阻抗可表示为五= 2 2 2 。 f i r 。r - _ = 弓- m 笪也= 珊。+ 幽232 d s p s l 的镜像理论分忻 2 f ，型* 点构s i w d s p s i ，结构的简介 坝1 地史 由于d s p s l 结构支持准t e m 模式的传输，容易实现与微带线、共面波导的宽带过 渡结构图2 33 中为d s p s l 结构与微带线和共面波导的过渡传输结构图例。划： 嗣冀然“目i 矗一 ( b ) 幽2 33 d s p s l 的宽带过渡结构( a ) 微带线；( b ) 共面波导 由于d s p s l 是上下对称的结构，上f 两平行的金属带存在1 8 0 。的相位差，根据镜像 理论介质扳中问层的电压为零，所以在中间层插入一个无限大的导体平面将不会影响 d s p s l 的传输特性。图23 4 为d s p s l 结构在没有中l 瑚层金属面和插入中间层金属面时 的电场分抽图： )( 4 - ) c o n d u c t o r p l a n e ( a ) d s p s l 电场分布( b ) 插入导体扳结壮j 的电场分布 幽2 34d s p s l 结构电场分布蚓 由于中问层命属面的存在，可以报方便地实现e 面d s p s l 的等功分网络，作为三端 e l 的一个功分器则容易实现宽带b a l u n 和双工器结构d t 。陶2 35 为一个简堆的e 面 d s p s l 结构的功分器，端口1 为d s p s l 结构等功率输出端口2 ，3 为设计在介质基板上 f 而的微带线结构。 2 ；一 1mt i 论t 小型化微带惜逝蹲被和、r 自琏r 鲇构的议汁1 析 m i d d l ei n e i a 】 g r o u n d 幽2 35e 面d s p s l 功分结构蹦 陶2 36 为渡结构的仿真结果图，所选的材料介电常数为2 6 5 ，介质板厚度为】m m d s p s l 端口1 微带线宽为3 5 m n l 端f _ | 2 ，3 的微带线宽为l3 7 m m ，整体结构的尺寸为 2 0 m m + 1 5 m m 。从仿真结果可以看j | 5 ，在o 一1 0 g h z 的频段内$ 2 1 和s 3 1 实现了等功分 特性，幅度在3 3 0 2d b 范围内，同时s 2 i 和$ 3 1 也基本保持了1 8 0 。的相位差。 f r e q u e n c y ( g h e ) 2 f 型分支结构s i w 和d s p s l 结构的简介 硕i j 论文 ，、 口， m 刁 - ， m 仍 正 f r e q u e n c y ( g h z ) ( b ) 图2 3 6e 面d s p s l 功分器仿真结果图( a ) 幅度特性；( b ) 相位特性 e 面d s p s l 结构本身就相当于一个e 面等功分结构，在魔t 的结构中可以看成差臂 端e 1 ，所以引进一个h 面等功分网络之后，就能够实现4 端口的魔t 结构，并且设计简 单易行。有关e 面d s p s l 结构与槽线结构结合设计的平面魔t 将在第五章中作详细介 绍。 2 4 本章小结 本章主要介绍了利用a b c d 矩阵推导十字型分支结构与1 4 波长传输线之间的等效 关系，并且得出了相应的阻抗关系式。简单介绍了s i w 和d s p s l 结构的原理特性以及 基本的设计方法理论；另外简单讨论了e 面d s p s l 等功分结构的传输特性和相位特性， 为下面课题中相关结构的设计做好初步的理论准备。 1 4 oct-of-勺11们ofe，m3nmcimq 硕i j 论文小型化微带带通滤波器和、r 面魔t 结构的设计。j 分析 3 十字型分支三通带滤波器结构 3 1开路三通带滤波器结构的设计与分析 3 1 1 如1 2 开路带通滤波器 在微带滤波器结构的设计中，a o 4 和五o 2 丌路的带通滤波器结构，由于设计简单，带宽 较宽，边缘选择性较好等优点得到了广泛的应用【3 8 1 。图3 1 1 为彬2 开路线带通滤波器 的一级电路结构图，输入输出端为z o = 5 0q 的微带线，两条2 0 2 的丌路线山阻抗为z 的 2 0 4 传输线连接，该带通滤波器的中心频率为如。 2 0 4 图3 1 1 弛带通滤波器电路结构 图3 1 2 为该结构的仿真结果图，所选的中心频率为矗= 5 6g h z ，相对带宽为5 4 ( 3 6 g h z 7 6g h z ) ，z = z o5 0q 。由于周期性谐波的影响，该结构的上阻带特性需要进行改 善，为了实现多频的通带特性，一种比较简单适用的方法是在带通滤波器结构通带的上 阻带和下阻带的两端捅入传输零点，以此获得滤波器较好的通带边缘选择特性。 盆 已 等 三 芒 o ) t o 芝 2 3 4 5 6 78 9 f r e q u e n c y ( g h z ) 图3 1 2 如2 带通滤波器仿真结果 1 5 o 竹 柏 刀 - - 一 一 一 - - - 3 卜，形分支二三通带滤波器结构硕i j 论义 3 1 2 十字型分支开路带通滤波器结构 结合3 1 1 中扎2 开路宽带滤波器结构，采用十字型分支结构代替2 0 2 丌路线之间五o 4 的连接线，在适当减小滤波器结构尺寸的前提下，通过调节十字型分支上下两个不等长 的丌路结构的长度，控制传输零点的位置，可以很方便地实现多通带的特性，而且通过 调整十字型分支各部分的阻抗值，可以实现具有较高q 值的三通带滤波器结构。所设计 的结构主要用于w l a n ( 2 4g h z ，5 2 5g h z ) 幂i w i m a x ( 3 5g h z ) 频段。 图3 1 3 开路三通带滤波器结构图 图3 1 3 为所提出的开路三通带滤波器结构图，十字型分支结构用来替代了a o 2 丌路 结构之间五o 4 的连接线，在第2 章中已经推导出十字型分支结构与五o 4 的连接线之间等 效的阻抗公式( 2 1 8 ) 。 z l ：z t a n 0 1 t a n 0 2 z 2 w t s x l 0 3 z 3 ：( i - t a n 2o , ) z 另外，由十字型分支两不等长结构产生的传输零点扁可以定义为： f o i f o = 兀4 0 i g = 2 ，3 ) ( 3 1 1 ) 图3 1 4 为传输零点 i 随缺的变化图，当z l ，石和臼l 的值固定以后，通过公式( 2 1 8 ) 计算出相应的阻抗值z 2 和z 3 ，可以很方便地调节f 9 i 的长度来控制传输零点f o i 的位置。 1 6 硕l j 论文 小型化微带带通滤波器和、l ，面魔t 结构的设计j 分析 一( d e g ) 图3 1 4 传