（通信与信息系统专业论文）新型超宽带耦合器及滤波器小型化设计研究.pdf

硕士学位论文 摘要 随着微波技术的迅速发展，微波无源器件如滤波器、定向耦合器在微波通信、 微波导航、遥测遥控、卫星通信以及军事电子对抗领域的需求量不断增大。由于 无线电通信用户增多，频率资源的日益紧张，分配到各类通信系统的频率间隔越 来越密，为了满足在有限的频带范围上日益增多的容量要求，滤波器的结构开始 倾向于采用广义切比雪夫函数实现的交叉耦合形式。不相邻的谐振腔间引入交叉 耦合，可以在阻带产生有限传输零点，以此来增加截止频率的陡度，提高滤波器 的优越性。利用交叉耦合滤波特性，可将滤波器阶数减少到最低，大大降低了插 损，带内失真，与相同抑制性能的直接耦合滤波器比较，很好地实现了小型化趋 势。 定向耦合器作为微波系统的重要组成部分有着广泛的应用，如在混频器、放 大器、调制器和天线系统中用以合并或分离相位正交信号，或为监测电路提取监 测信号。但采用传统平行耦合线实现的紧耦合度的耦合器存在诸多制作加工方面 的缺陷，本文提出一种新型衬底型平行耦合结构来突破制作工艺的限制。衬底型 平行耦合结构是在传统平行耦合带状线下方加入与其平行的导体衬底来加强线间 耦合，从而完成紧耦合结构。本文设计制作了一种工作在0 3 5 g h z 3 8 g h z 频段 的6 d b 五级超宽带耦合器。设计的耦合器前两级采用衬底型平行耦合带状线结构， 后三级采用传统平行耦合带状线结构。在带状线级联处加载容性开路膜片补偿电 路，改善电路的匹配性能，降低器件的回波损耗。 本文滤波器设计中，以广义切比雪夫滤波器的综合与设计为主，着重研究了 滤波器小型化设计中交叉耦合的网络形式和阶跃阻抗谐振器的综合。首先系统地 讨论阶跃阻抗谐振器的基本特性，接着分析了广义切比雪夫传输函数的综合，并 实例综合了传输零点对称分布和非对称分布两种情况。最后本文设计了中心频率 为2 g h z 带宽为5 0 删z 的交叉耦合滤波器，证明了该方法的可行性，并获得很好的 试验结果，设计的滤波器体积减小了3 0 。 关键词：定向耦合器；衬底型耦合结构；广义切比雪夫函数；阶跃阻抗谐振 器；交叉耦合；同轴滤波器 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研究 a b s t r a c t w i lt 量l er a p i dd e v e l o p m e n to fm i c r o w a v et c c h n o l o g y ，m ed e m a n d s 向rm i c r 0 、a v e p a s s i v ec 0 恤p o n e n t s ， s u c ha s 矗l t e l 苫粕dd i i e c t i o n a l c o u p l e f ， u s e di 1 1m i c r 0 、v a v e c o 哪u n i c a t i o n s m i c r o w a v en a v i g a t i o n ，r e m o t ec o n 们l ，s a t e l l 沁c o r i l l t l u n i c a t i o n s 锄d m i “t a 巧 e l e c t r i cc o u i 】l t c m e 硒u r e sa r ci n c 佗舔i i l g b e c a u s e o f 证c r e a s i l l gr a d i o c o m m u n i c a t i o n su r s n l e _ 丘e q u e n c y 阳s o u r c e sb e c o m ei r i c r e 硒i n g l ys 仃i i l g e n t t h c 脚e n c ys p a c e 懿s i 印e dt 0t l l ev a r i o u s 咖e so fc o 叫m m i c a t i o ns y g t e m sb c c o m e sm o 陀 锄dm o 陀d e n i no r d e rt 0c o p cw i t l lt l l ei i i c r c 豁i l l gd 锄锄df o rc a p 时i l lr e s t r i c t c d s p e c t 阻lb 卸d w i d m s ，丘n 盯殉m c t u 聆t c n d st 0u m ef o mo fc r o s s - c o u p i i i l gw h i c hi s b a s c d0 nt h eg e n e m lc h e b y s h e v 缸l c t i o n t h ei i l t 叩o s i t i o no fc r o s s 啪u p l i n gb e t 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sm t h ep r o d u c t i o nb yu s m gt l l e 觚d i t i o n a lp a r a l l e l c o u p l e dl i n et or e a l i z et h es 仃o n gc o u p l i n g i f l 廿1 i sp a p e r i ti s p r e s e n t e dan e wt ) ，p eo fs u b l a y e 卜t y p ec o u p l i n g 蛐m c t u r ep a r a l l e l l i n et 0b r e a kt h r o u g h 廿l el i m h a t i o n so fm a n u f a c t u r m gp r o c e s s t h i sn e ws 仉j c t u r ei sr e a l i z e db ya d d i l l gt h e u n d e r l a yc o n d u c t o ru n d e rt h ee d g e c o u p i e ds t r i p l i n ea n dp a r a l l e l i n gw 曲i tf o rs 锄e l e n 咖t i l ed e s 咖a 1 1 df a b r i c a t i o nm e t h o do fa6 一d bc o u p l e rw o r k e di nu l t r a 州i d eb 锄d 劬mo 3 5 g h zt o3 8 g h zh a v eb e e ns t a t e dj nd e t a j l n ec o u p l c rh 嬲5s e c t i o n s c o m p r i s i n gt w os e c t i o n so fu s i n gu n d e r l a ys t r u c t u r e 锄d t h r e es e c t i o n so fu s i i l g c o n v e n “o n a i s 仃i p l i n e n ec a p a c i t i v e o p e n l i n e i sl o a d e dt 0t h ec 伽p l e rw i m d i s c o n t i n u i 妙o f 矧p l i n e sf o rc o m p e n s a t i n gc i r c u i t t h i sm e t h o dc 锄i m p r o v et l l e c i r c u i t sm a t c hp e 哟咖a n c ea n dr e d u c et i l ec o m p o n e n t sr e t u ml o s s f i l t e r d e s i 印i sb a s e d 伽c h e b y s h e vf i i t e rs y n m e s i s ，锄d 矗) c u s e s o nt l l e m i n i a 似r 晓a t i o no fc r o s s c o u p l i n gf i l t e rb y s y n t h e s 泣i n gw i t hn e 似o r kf 0 m sa n d s t e p i m p e d a n c er e s 0 n a t o r a r e rs y s t e m a t i c l yd i s c u s s i n gt h e 如n d a m e n t a lc h a r a c t e r i s t i c s 硕士学位论文 o f 咖p i m p e d 锄c er e s o n a c o r a m 扑a l y s i so ft l l eg 锄e r a l i z e dc h e b y s h e v 仃a m s f 打 如n c t i o n 锄ds ”t h e s i z a t i o no f 舯d t o t y p en e 研o r kc o m ：s p o n d i n gt 0 跏lo fs y m m e 仃i c 锄da s y m m e 仃i cd i s 仃i b u t i o n st i l e nf o l i o w af i i t e rw 汕c e n 衙舶q u e i l c yo f2 g i z 觚d b a l l d w i d u lo f5 0 m h zi sd e s i g n e d mt h ec r o s s - c o u p i i n gc a t h ee x p e r i m e n tr e s u l t s h o w st 1 1 e 佗a s i b i i 时o f t l l ed e s 咖1 1 1 ed e s 啦r e d u c e st l l ef i l t e rv o l u m eb y3 0 k e y w o r d s ： d i r e c t i o n a lc o u p l e r ； s u b s i a y e rc o u p n gs t r u c t u r e ； g e n e r a l i z e d c h e b y s h e vf n c t i o n ；s t e p - i m p e d a n c el 垴o n a t o r ；c r d s s c o u p l j n g ；c o a 豇a lf i l t e r i 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研究 图1 1 图1 - 2 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 6 图3 7 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 1 1 图4 1 图4 2 图4 3 插图索引 射频电路模块图2 微波信号发生器示意图3 定向耦合器示意图7 平行耦合线9 衬底型平行耦合带状线示意图1 4 衬底型平行耦合带状线侧视图。1 4 衬底型平行耦合带状线偶、奇模激励的电场分布示意图。1 5 5 级超宽带耦合器实物图1 7 i s l 4 i 参量仿真值与实测值比较。1 8 耦合系数电磁仿真值与实测值比较1 8 阶跃不连续处加载容性开路膜片示意图及其等效电路1 9 加载容性开路膜片前后l 端口回波损耗比较2 0 加载容性开路膜片前后电路i s l 3 i 参量比较2 0 s i r 的基本结构2 l s i r 的基本单元电学参数2 2 s i r 的谐振条件2 3 阻抗比和归一化谐振器长度的关系2 4 刀级集总参数谐振器基本结构2 5 阶跃阻抗同轴腔实现谐振腔示意图2 8 7 阶切比雪夫型滤波器等效集总电路2 8 通过耦合杆实现两个耦合腔之间的耦合2 9 耦合杆长度变化与耦合系数的关系2 9 7 阶滤波器示意图3 0 滤波器s 参量仿真图3 0 二端口交叉耦合网络3 8 交叉耦合滤波器结构图4l 交叉耦合滤波器s 参量仿真图4 2 i v 硕士学位论文 附表索引 表2 1传统平行耦合结构和衬底型平行耦合结构尺寸比较。1 6 表2 2 后三级侧边耦合带状结构耦合节尺寸1 7 表3 1同轴i j i r 和同轴s 瓜尺寸比较3 l 表4 1 滤波器阶数在2 n l o 时传输零点的阶数3 3 v 兰州理工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：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本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。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者躲影饷状日期硌钿宇日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所将本学位论文收录到中 国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 导师签名： 日期： 日期： 形年 矽年 月 6 月 7 日 夕日 硕士学位论文 1 1 滤波器设计技术及发展 第一章绪论 微波滤波器是雷达系统、通信系统和测量系统等必不可少的组成部分，同时 也是最为重要，技术含量最高的微波无源器件，其性能的优劣直接影响整个通信 系统的质量。随着无线通信的迅猛发展，频率资源的日益紧张，因此对用来分离 或合成不同频段信号的滤波器性能要求不断的提高，且需要滤波器具有体积小， 质量轻，低价位等优点。 在军事应用中，需要宽带可调的设备用于测量接收，因此产生了很多高性能 的滤波器，例如高选择性宽带波导滤波器，电可调滤波器等。卫星通信要求滤波 器具有质量轻，体积小，频带窄以及低损耗等特点，因此，滤波器必须要有很好 的幅度特性和相位特性，顺应这些要求，出现了双模波导滤波器和介质谐振器滤 波器。移动通信中的基站设备需要低损耗，并能在很高的功率下工作的滤波器， 同时，它又要求滤波器有比较小的尺寸、低廉的价格以适应大批量生产，这些需 求导致了同轴谐振滤波器、介质谐振滤波器等的发展。移动手持设备例如手机等 也推动了运用微电子机械系统的声表面波器件技术。 二战以来，滤波器设计技术有了长足的发展。滤波器的设计【2 】主要包括以下两 个方面：一是滤波器网络传输函数设计，二是滤波器电路网络结构设计。微波滤 波器的网络传递函数主要有以下几个：巴特沃斯、切比雪夫、椭圆函数( 准椭圆函 数) 等。巴特沃斯函数响应滤波器又称为最平坦响应滤波器，虽然它在通带内时延 响应较好，但是在通带边缘下降很慢，在现代通信系统中很难满足设计要求。所 以现在大量应用后两种传输函数，切比雪夫函数滤波器的通带边缘下降很快，在 通带内有波纹，与同阶数的巴特沃斯滤波器相比，其时延响应要差一些。椭圆函 数在通带边缘具有切比雪夫函数滤波器相同的下降速度，而且在通带和阻带内都 有波纹；准椭圆函数在通带内及通带边缘具有椭圆函数特性，在阻带内具有切比 雪夫函数特性。微波滤波器的电路结构形式有两种：一是( 直接耦合) 级联直线型 结构，从输入端口到输出端口只有一个通路，比如交指滤波器，梳状线滤波器， 平行耦合线滤波器，阶梯阻抗变换滤波器，衰减模谐振器滤波器等；二是( 交叉耦 合) 多路结构，顾名思义，其在滤波器输入输出端口之间有多个通路，这种结构形 式的滤波器是非最小相位滤波器，因为其可以实现复平面右半面的传输零点，所 以这种多路结构【3 】在能实现任意有限频率的传输零点以外，通过调整右半平面传输 零点的位置，来调节滤波网络的相位性能。 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研究 1 2 无线通信中滤波器的重要性 各种各样的滤波器用于无线通信设备中。现在从常见的无线通信设备一 移动电话终端设备出发讲述滤波器的类型、功能和微型化的必要性。 图卜l 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【4 1 。 厂一一一一一一1 ：暖碉： lr l 灿 i l h l l 圃 = ：乞h 混频器 放大器i l ”黼心 滤波器r 分配器1 1i 合成器i 翌h 孰l 器 图l 1射频电路模块图 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。 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 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衰减沿、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 2 硕士学位论文 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。 1 3 定向耦合器的应用 在微波系统中，定向耦合器是一个应用广泛的微波元件，它是将微波信号 按一定的比例进行功率分配。在微波信号发生器中的功率监视、频率监视、功率 合成和微波接收机中的混频器等都要应用定向耦合器。此外，在功率增益控制、 平衡放大器、调相器、微波阻抗电桥等测量仪器中也要应用定向耦合器。在微波 反射计和矢量网络分析仪中，应用定向耦合器提取入射波和反射波的信息量，经 过处理，可以获得入射波和反射波的幅度值和相位值，为获得网络特性提供重要 参数。 输出 图l 2 微波信号发生器示意图 如图1 2 所示是一微波信号发生器，它的输出功率和输出频率是由功率计和 频率计( 或波长计) 来监视的。送入功率计和频率计的信号功率只占信号发生器输出 的一小部分，绝大部分功率从信号发生器的输出端输出。因此需要一种把功率分 成两路的装置。在图1 2 中，完成这一功能的元件就是定向耦合器。 由此可见，定向耦合器在微波系统中有着非常重要的应用。同时在微波通信 中，随着通信领域中对带宽的要求越来越高，研制宽带的、紧耦合的耦合器也成 为一个紧迫的课题。 1 4 国内外研究状况 2 0 世纪4 0 年代，m t t 辐射实验室发明和制作了种类繁多的波导型耦合器。 它们包括e 和日平面波导r 型结、倍兹孔耦合器、多孔定向耦合器、s c h w i n g e r 耦合器和使用同轴探针的各种类型的耦合器。在2 0 世纪5 0 年代中期到6 0 年代， 又发明了多种采用带状线或微带技术的耦合器。平面型传输线应用的增多，也导 致了新型平面耦合器的开发。 近年来，微波定向耦合器的研究中，主要集中在紧耦合的实现方面。当耦合 新型超宽带祸合器设计及滤波器小型化设计研究 系数小于6 d b 时，由于印刷电路板制作工艺的限制很难实现紧耦合所需的线间距， 为了突破这一限制，诸多文献提出了解决方法。第一种主要是在平行耦合线基础 上的结构变化，出现了l a n g e ，三线耦合等形式【5 7 1 。第二种是将平行耦合线分别 放置在介质层两面，从而产生宽边耦合来完成紧耦合f 8 1 lj 。第三种是采用分布元件 和集总元件的混合电路形式【1 2 以6 j 来完成紧耦合。以上几种改进方法都或多或少的 存在加工工艺缺陷，如l a n g e 、分布元件和集总元件的混合电路会同时引入金属焊 点，从而在电路中引入新的不连续性，影响耦合器性能；而三线结构、宽边耦合 结构虽然能够很好的完成紧耦合，但在对加工工艺提出很高的要求，需要高分辨 率的加工工艺才能完成。目前国内紧耦合定向耦合器研究较少，也主要集中在对 原有耦合结构的改进和性能改善方面，但缺少新型耦合结构的提出。 滤波器研究中，尤其是滤波器小型化研究中，主要集中在采用少的滤波器阶 数实现高选择性、高的带外抑制的滤波器。而这一方面的研究主要集中在滤波器 网络综合函数的研究。其中m a n h a e i 在其专著中对最平坦型和切比雪夫型微波滤 波器的经典设计方法作出较全面、系统的介绍【2 1 。7 0 年代初，w i l l i a m s 和k u r z r o k 提出用于分析交叉耦合的低阶滤波器【3 1 。a t i a 等对交叉耦合展开研究，总结出传输 零点对称分布时的偶模网络和对应的偶模矩阵的综合方法【1 7 】。c a m e r o n 从数学概 念上确定了这类滤波器的函数广义切比雪夫传输函数的综合过程【l 引。8 0 年代 初期，主要分析实数传输零点和综合广义切比雪夫滤波函数的低通原型电感和电 容值【1 9 2 i 】，研究对象主要是传输零点的数目不超过- 2 ( 为广义切比雪夫滤波函 数的阶数) 的广义切比雪夫滤波器的综合和设计，以及维耦合矩阵的综合。1 9 9 9 年c a m e r o n 把广义切比雪夫滤波器的传输零点由实数扩展到复数，从而将传输零 点和时延结合起来研究【2 2 】。上世纪末到本世纪初，s a b b a g h 和z a k i 等人用全波分 析法，对同轴腔结构进行模式匹配分析，准确实现了对称和非对称传输零点的广 义切比雪夫滤波函数滤波器的设计【2 3 2 引。2 0 0 3 年，c a m e r o n 提出在源与负载间引 入耦合，将传输零点的数目提高到等于广义切比雪夫函数滤波器的阶数，也将耦 合矩阵由维扩展到+ 2 维【2 9 】。2 0 0 5 年，m i l o s a v l j e v i c 提出一种准确计算具有最 大选择性能的传输零点位置的方法，其位置分布任意，最多可计算的四个传输零 点的情况【3 0 1 。 滤波器小型化研究中另一方面的研究主要集中谐振器结构的改善上，广泛采 用的均匀阻抗谐振器具有结构简单、尺寸小等特点，但同时由于结构简单使设计 参数有限，另外还存在本征频率整数倍的杂散响应的电缺陷。为了解决这些问题 而提出了阶跃阻抗谐振器【4 】，并随着阶跃阻抗谐振器的深入研究，涌现出一大批采 用阶跃阻抗谐振器设计滤波器的文献【3 卜3 2 】。 国内滤波器设计研究中已有对称广义切比雪夫滤波器的产品及文章。但在国 硕士学位论文 内文献上，尚未见到有关系统推导非对称广义切比雪夫滤波函数设计过程，以及 详细分析广义切比雪夫滤波器中耦合窗的变化对谐振、电耦合与磁耦合影响的报 道。 1 5 广义切比雪夫滤波器的优点 广义切比雪夫滤波器在通带范围内具有等波纹特性，而在阻带存在传输零点 ( 即衰减极点) 。广义切比雪夫滤波器的传输零点可以在阻带任意位置处，并且能 够在复频域中实现而不受限于实频域，因此计算、分析和设计相较于传统的椭圆 函数滤波器都更具有灵活性，它能实现对称的带外抑制的情况，也能实现非对称 的带外抑制的情况，能够实现很窄的带宽，并可通过在阻带增加传输零点来提高 带外的抑制性能，因此得出的矩形系数也很高。 同轴滤波器具有带宽窄、矩形系数高、功率容量高等优点，并且电磁屏蔽、 低损耗特性等优异特点。采用切比雪夫函数设计的同轴滤波器具有小型化的优势， 其应用前景非常广泛，是国内外广泛研究的热点。 目前，微波滤波器的小型化已成为一个热门的研究领域，在小型化的基础上提 高性能是滤波器研究的主要内容。每年在各微波相关的杂志上可以见到很多有关 微波滤波器小型化的文章，关于微波滤波器小型化的综述性文章可以参见文献 【1 ，4 3 3 3 5 1 。在微波滤波器小型化这一领域还有很多问题有待进一步的探索和解决。 1 6 本文的研究内容和主要贡献 第一章简要介绍了滤波器设计技术及其发展，分析了滤波器在无线通信中的重 要性。同时介绍了广义切比雪夫滤波器的诸多优点，说明了其在滤波器小型化设 计中的重要性。 第二章介绍了定向耦合器的基本知识，包括它的基本定义和主要指标。同时分 析了平行耦合线的网络参量及其等值网络。为了解决紧耦合定向耦合器设计中传 统耦合方式存在的诸多问题，提出了新型的衬底型平行耦合结构。并分析了衬底 型平行耦合线奇、偶模激励时的电场分布，得出衬底型平行耦合线奇、偶模阻抗 计算公式。应用新型的衬底型平行耦合结构设计制作了超宽带定向耦合器，并采 用容性开路膜片改善了电路匹配，获得了很好的试验结果，具有广泛的应用价值。 第三分析了s i r 的基本结构和特性。在介绍和定义阻抗比尼之后，提出 a ，4 ，九。2 和a ，s i r 的基本结构。随后介绍了s i r 型带通滤波器设计方法，并实 例设计了中心频率为2 g h z 带宽为5 0 m h z 的滤波器。 第四章主要介绍广义切比雪夫函数传输零点的确定，传输与反射函数多项式的 综合方法，及耦合矩阵的综合方法。同时结合同轴s i r 结构，并采用广义切比雪 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研究 夫函数实现滤波器交叉耦合网络，设计了同轴s i r 交叉藕合滤波器。设计的滤波 器与相同性能的直接耦合滤波器相比，其阶数更少；且由于阶跃阻抗谐振器的引 入使得滤波器的体积进一步的减小，很好的实现了滤波器小型化设计的要求。 第五章总结了本文的工作，并提出今后进一步工作的展望。 6 硕士学位论文 第二章衬底型超宽带耦合器设计 2 1 定向耦合器简介 定向耦合器作为微波系统的重要组成部分有着广泛的应用，如在混频器、放 大器、调制器和天线系统中用以合并或分离相位正交信号，或为监测电路提取监 测信号【3 6 1 。与普通滤波器不同，它是一个四端口器件，如图2 1 所示。其中1 4 和2 3 为两根传输线，线间有一定的耦合机制。当电磁波从端口l 输入时，除了 一部分能量直接从端口4 输出外，同时还有一部分能量传输到2 3 通道中，从端 口3 或2 输出。从端口3 输出而端口2 无输出时，称为“同向定向耦合器”( 指1 4 和2 3 通道的传输方向相同) ；从端口2 输出而端口3 无输出，称为搿反向定向耦 合器”。 2 定向耦合器 4 3 图2 1定向耦合器示意图 定向耦合器类型很多，可以从不同的角度进行分类。除了上面按传输方向分 为同向和反向定向耦合器外，还可以按传输线类型分类：如矩形波导型、圆波导 型、同轴线型和带状线型等；也可按耦合方式分类：如单孔耦合、多孔耦合、连 续耦合、支线耦合、波导接头耦合和环耦合等；按输出相位分类：如9 0 。定向耦 合器和1 8 0 。定向耦合器等。 顾名思义，既然叫做“定向耦合器 它的最重要的指标应当是：定向性和耦 合度。下面简单说明一下。 1 耦合系数 电压耦合系数定义为：主通道输入电压( 设由端口1 输入) 与副通道输出电 压( 设由端口2 输出) 之比，即 魄= 俐 协。 其功率耦合系数定义为： c 一鲁= 阱c 盔 2 ， 新型超宽带祸合器设计及滤波器小型化设计研究 通常用分贝表示： d 贝= 1 0 l g 罟 ( 2 - 3 ) l 式中e l 、易分别表示l 、2 端口的电压；毋、e 分别表示l 、2 端口的功率。 贝称为“分贝耦合系数一或简称为“分贝耦合一。显然，对耦合器这种无源 器件而言，输入功率总是大于输出功率，故分贝耦合系数必为负值。但习惯上只 说它的绝对值而不提及符号，例如说。3 分贝定向耦合器 ，实际上它的分贝耦合 系数为3 分贝。分贝耦合系数越大，表明耦合到副通道的能量越少，耦合度越弱。 按耦合强弱来划分定向耦合器时，常称3 分贝、6 分贝等定向耦合器为“紧耦 合定向耦合器 ，而2 0 分贝、3 0 分贝等为“弱耦合定向耦合器”。耦合强弱不同， 要求其结构也不相同，这是设计时必需考虑的。 2 定向性系数 在理想情况下，副通道中只有一个端口有输出时，另一个相反端口应没有输 出。但实际上由于设计或结构的原因，另一端口常有部分能量输出。用此正反向 两个输出功率之比的分贝数来表示定向传输的性能则称为“定向性系数或简 称“定向性 。设副通道中端口2 为输出端口，端口3 为隔离端口，则定向性系数 定义为： d d = 1 0 l g 竺 ( 2 4 ) 。b d 越大，说明定向性越好，或者说输入端口与隔离端口的隔离越好。理想情 况下p 。一0 ，d 一。实用中常对通带中的d 提出一个最低要求，例如大于1 8 分 贝。 2 2 平行耦合线分析 平行耦合线是耦合器设计中最常用的耦合形式。可以利用奇、偶模分析方法 求平行耦合线的网络参量。先求出为，( 口= 历) 耦合线单元的阻抗参量，然后由阻 抗参量矩阵再求出其它参量矩阵。图2 2 为一段长为，的平行耦合线单元，它是一 个四端口网络，端口标号如图所示。 在l 、2 端口同时加上等幅同向的恒流源必和等幅反向的恒流源艰，进行偶 模激励和奇模激励；在3 、4 端口也同时加上等幅同向的恒流源圪和等幅反向的恒 流源屹，进行偶模激励和奇模激励。四个端口的电流叠加后分别为： 硕士学位论文 ，d 1 3 4 图2 2平行耦合线 ，l = + 必 l = 一咒 ( 2 - 5 ) 1 3 = i 益+ i 益 1 4 = i 氢一i 氢 在恒流源的作用下，每根线上都将激励起电压与电流，因为是对称的平行耦 合线，并处在均匀的无限大媒质中，因此，由偶模激励所激起的两根线上的对应 点的电压、电流相等，且方向相同；由奇模激励所激起的两根线上的对应点的电 压、电流相等，但方向相反，即： c 。( z ) = 8 ( z ) 口( z ) = 一毛。( z ) 玩。( z ) = 以。( z ) u ：。( z ) = 一以。( z ) 9 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研冗 线上的总的电压、电流，将为各恒流源单独激励下，所激起的电压、电流的 代数和。因此，首先需要求出各恒流源单独激励下，所激起的电压、电流。当l 、 2 端口加恒流源进行偶模激励，3 、4 端口开路时，线上电压、电流呈驻波分布 状态，利用传输线理论，可求出线上任一点( z ) 的电流为： t 。= = 瑶等铲 ( 2 - 8 ) 线上的驻波电压分别状态应与驻波电流的分布相差a 4 ，即电压的波腹点为电 流的波节点，电压的波节点为电流的波腹点，于是： 以= 以。= 一弘帮 ( 2 - 9 ) 其中。 z o 。= ( 2 - 1 0 ) 称为1 禺俣阻玩 同理，当l 、2 端口加恒流源进行奇模激励，而3 、4 端口开路时，线上的 驻波分布的电压、电流为： 。= 一。= 磋絮铲 ( 2 - 【，：i 。刊：口= 嗝。琨篙静 ( 2 - 1 2 ) 其中： z o 口= ( 2 1 3 ) 杯刀笥俣阻沉。 按照同样的方法，在3 、4 端口分别加恒流源强、强进行偶、奇模激励，l 、 2 端口开路时，线上驻波电压、电流为： 。= = 坛券 沼 珑。= 以。= 中强盖嚣号 ( 2 - 1 5 ) c 。= 一口= 强筹 ( 2 1 6 ) 1 0 硕士学位论文 虻。= 一以口= 川强三笃号 ( 2 一7 ) 利用叠加原理，求出四个端口的电压分别为： u l = ( u ：8 + 吒。+ 吮p + 以。) ：= o u 2 = ( u ； 。+ u ：。+ 以p + u ：。) ：o = ( 以p + 以口+ 吠p + u ：。) ：- ， = e + 以口+ e e + 皖。) ：， ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 将式( 2 - 9 ) ，( 2 一1 2 ) ，( 2 一1 4 ) ，( 2 - 1 6 ) 分别代八式( 2 1 7 ) 一( 2 - 1 8 ) 甲，口j 得矾、觇、玩、砜与、磋、强、强的关系，再根据式( 2 5 ) 将奇、偶模 恒流源用端口的电流 、如、厶、厶表示，即： 磋= 华 堤：华 ( 2 2 2 ) ，刍：华 强：毕 可得到端口电压阢、现、现、砜与端口电流，l 、厶、厶、厶的关系式。例如： 卟讽磊筹讽拂筹讽以南讽疋南 将式( 2 - l8 ) 各式代入上式，并令口= ，整理得： 阢= 一( z 0 。+ z o 。) ! 竽厶一。一磊。) ! 譬如 叫z 。- z o 。) 警卜肥。川o d ) 警厶 可写成矩阵形式： 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研究 其中： 川也 z n 毛翻 z l ，= 吖( 瓦一z o o ) 孚 z 1 4 = 一j ( 瓦+ z o o ) 掣 由于平行耦合线单元是对称的、互易的四端口网路， z l l = = z 3 3 = 乙 z 1 2 = z 2 l - z 3 4 = z 4 3 z 1 3 = z 3 l = z 2 4 = z 4 2 z 1 4 = z 4 l = z 2 3 = z 3 2 所以 萎 = 萎i 萎i 茎i 萎 ( 2 - 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 2 6 ) ( 2 2 7 ) 其阻抗参量有如下关系： ( 2 2 8 ) 利用导纳矩阵等于阻抗矩阵的逆矩阵( p j = 【z r l ) ，及对称耦合线的奇、偶模 导纳与奇、偶模阻抗成倒数关系，由阻抗矩阵求出导纳矩阵，结果如下： k l ：b 3 ：一j f ( 。+ 。) 垡乎 ( 2 2 9 ) k 2 ：砭l ：匕3 ：一( k 。一。) 垡孥 ( 2 3 0 ) k 3 ：b l - k ：一_ ( 一。) 掣 ( 2 3 1 ) k 4 ：y 4 1 ：砭3 = b 2 ：一j ( 口+ 。) 竺磐 ( 2 3 2 ) 1 2 p 一 修一 趔一2 蹭一2 d c 一 叻 乙 z + 一 p k m 协 五 z，二，吖 门 i i 一 严 乙 乙 硕士学位论文 2 3 衬底型平行耦合带状线 2 3 1 衬底型平行耦合带状线结构 在耦合器设计制作中，当耦合系数小于6 d b 时属于紧耦合。紧耦合电路的实 现是微波通信器件研究的一项重要内容，传统平行耦合线主要通过耦合线侧边间 的电磁传输产生耦合，这种结构只有在基板介电常数很高的情况下才能实现紧耦 合。例如要实现耦合系数为2 6 5 d b 和4 8 1 d b 的耦合节时，采用传统侧边耦合带 状线结构( 占，= 3 5 ，h = 6 3 5 删n ，t = o 0 3 5 衄) 实现时，这两节平行带状线带条间距 分别为0 0 0 4 5 m m 和0 0 4 8 蚴，两间距值均远小于o 1 衄。而在印刷电路板技术 中小于0 1 m m 的间距是很难实现的。 在平行耦合线基础上改进的紧耦合实现方法有以下几种：第一种是三线耦合 或多线耦合【孓7 】，如l 锄g e 等；第二种是将平行耦合线平行放置在薄介质层两面， 使两平行耦合线的耦合方式从侧边耦合变为上下面耦合，从而产生宽边耦合来完 成紧耦合【8 。1 1 】。第三种是采用分布元件和集总元件的混合电路形式【1 2 。1 6 】，这种混 合形式的电路是在分布元件间耦合的基础上引入集总元件间的耦合来完成紧耦 合。 以上几种改进方法都能实现紧耦合，但或多或少的存在加工工艺缺陷，如三 线结构或分布元件和集总元件混合电路实现，都需要引入跳线或焊点而引起不连 续性，这种附加的不连续性会影响耦合器性能，造成耦合度不稳定和差的回波特 性等问题。若采用宽边耦合结构，虽然可以实现紧耦合，但存在诸多缺点：线宽 相对较窄，尺寸敏感性强，因此对加工工艺的要求更高；在级间连接处由于线宽 变化较大，会引入更大的不连续性；宽边耦合对于两条耦合带线的相对定位要求 更高；馈线连接处必须引入金属化孔，增加了不连续性和加工工序等。 目前国内紧耦合定向耦合器研究较少，也主要集中在对原有耦合结构的改进 和性能改善方面，但缺少新型紧耦合结构的提出。 本文提出一种新型衬底型带状线紧耦合结构。这种衬底型平行耦合带状线可 归类为重入式结构【l5 1 。衬底型平行耦合结构是在侧边耦合带状线下方加入与其平 行且长度相同的导体衬底，其结构俯视图如图2 3 所示。图2 3 中a _ b 为对称轴， 即导体衬底是对称放置在平行耦合带状线下方。衬底导体带条的加入使得平行耦 合带状线的电磁耦合从单一的侧边耦合变为侧边耦合和宽边耦合的混合耦合方 式，从而加强了平行耦合带状线间的耦合。这种混合耦合方式的改进，改变了平 行耦合线的耦合只依赖于侧边间距和侧边面积的限制，从空间上增加了耦合面积， 这就降低了对平行耦合线带条线间距的要求，从而克服了印刷电路工艺对侧边耦 合带状线线间距的限制：同时这种紧耦合结构不需要高分辨率的制作过程。由于 该结构输入输出端口均位于同一平面，制作的耦合器不会引入跳线、焊点和金属 1 3 新型超宽带耦合器设计及滤波器小型化设计研究 化孔等不连续结构，降低了对加工工艺的难度和精度的要求。 a ) 图2 3衬底型平行耦合带状线示意图 2 3 2 衬底型平行耦合带状线分析 衬底型平行耦合带状线侧视图如图2 4 所示，在平行耦合带状线下方加入了 导体衬底，且导体衬底长度同耦合带条长度相等。图2 4 中上下层金属涂层为接 地面，斜划线部分表示介质填充，导体a 和b 为平行耦合带状线节，导体c 为导 体衬底，导体a 、b 和c 厚度均为t ( 图中未标出) ，下标n 表示耦合节阶数，吸、 分别为耦合带条宽度和线间距，为衬底导体宽度，吒为耦合带条与衬底导体 的间距，岛为上、下层盖板的厚度。 图2 4衬底型平行耦合带状线侧视图 同传统平行耦合结构一样，可以用奇、偶模分析法对衬底型平行耦合带状线 进行分析。在对称端口( 图2 3 中1 、2 端口或3 、4 端口) 分别加奇、偶模激励 来分析计算其