（电磁场与微波技术专业论文）毫米波悬置微带线双工器的设计.pdf

t h ed esi g no fm i l l i m e t e r 硷v e s u s p e n d e ds u bs t r a t es t i u p l i n e d u p l e x e r s ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s i t y f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g e n g i n e e r i n g b y w a n gy i w e n s u p e r v i s e db y p r o f q i a nc h e n g s t a t ek e yl a b o r a t o r yo fm i l l i m e t e rw a v e s s o u t h e a s tu n i v e r s i t y m a r c h2 0 1 0 东南大学学位论文独创性声明 本人卢明所交的学位论文是我个人在导师指导卜进行的研究i ：作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过 的研究成果，也不包含为获得尔南人学或其它教育机构的学位或证i5 而使t l j 过的材料。与我 一同i ：作的同忠对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明免：表示了谢意。 研究生签名：二啦日期：衄 东南大学学位论文使用授权声明 尔南人学、中国科学技术信息研究所、国家图1 5 馆有权保留本人所送交学何论文的复印 件和电子文文件，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文文l ；，l ：的内容和 纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被夯阅和借阅，可以公布( 包 括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以 电子信息形式刊登) 授权东南大学研究生院办理。 弛蛾聊签彩监嗍竺! 生力 摘要 摘要 双工器在数字微波通信系统中有着广泛的应用。由于悬置微带线结构很好的 综合了微带线平面化及波导高q 值的优点，因而研究悬置微带线双工器具有重要 意义。 本文重点研究了悬置微带线| f l j 隙耦合滤波器，利用全波仿真软件获得耦合系 数和外部品质因数与滤波器结构参数的对应关系并进行曲线拟合，再结合低通滤 波器原型综合出滤波器初始结构参数。在此基础上，综合并精确仿真设计了两款 悬置微带线i 日j 隙耦合带通滤波器。仿真结果表明两款滤波器的中心频率分别位于 2 3 9 7 g h z 和2 4 9 7 g h z ；带宽分别为4 5 7 1 d h z 和5 1 8 m h z ，插入损耗小于l d b ，回波损耗 大于1 9 d b ，基本满足设计要求。 将两款滤波器通过t 型接头连接得到毫米波悬置微带线双工器的初始模型， 在此基础上进行精确的全波电磁场仿真优化。仿真结果表明，双工器通带中心频 率分别位于2 3 9 7 g h z 平1 2 4 9 7 g h z 。通带带宽分别为4 1 8 m h z 和5 1 0 m t t z ，插入损耗小 于l d b ，回波损耗大于1 9 d b ；带外抑制良好，在距离中心频率1 g h z 处衰减大于7 0 d b ， 基本满足设计要求。 因数 关键词：双工器悬置微带线间隙耦合结构滤波器 耦合系数外部品质 a b s t r a c t a b s t r a c t a sw ek n o w ，d i p l e x e rp l a y sa ni m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s i g no fd i g it a l m i c r o w a v ec o m m u n i c a t i o ns y s t e m s d u et oi t sc o m b i n a t i o no fc o m p l a n a t i o n a n dw a v eg u i d eh i g h qv a l u e ，t h er e s e a r c ho fs u s p e n d e dm i c r o s t r i p1 i n e e n d c o u p e dd i p l e x e ri so fg r e a ts i g n if i c a n c e t h i st h e s i sf o c u s e so nt h er e s e a r c ho fs u s p e n d e dm i c r o s t r i p1 i n e e n d c o u p l e df i l t e r s d u r i n gt h ed e s i g n ，f u l 卜w a v es i m u l a t i o nw a sa p p l l e d t og e tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ep a r a m e t e r so ft h ef il t e rs t r u c t u r e s a n dt h ec o u p l i n gc o e f f i c i e n t sa sw e l ia st h ee x t e r n a lq u a l i t yf a c t o r s v a l u e s h e n c e t h eo r i g i n a lp a r a m e t e r so ft h ef i1t e rs t r u c t u r e sw e r e c a l c u l a t e d i n c o r p o r a t i n g t h ef u l l 一w a v es i m u l a t i o n w i t ht h e l o w p a s s p r o t o t y p e t w od if f e r e n td e s i g n sw e r ec a r r i e do u ta f t e rt h eu n i t yo ft h e a c c u r a t es y n t h e s i sa n ds i m u l a t i o nb a s e do nt h et h e o r e t i c a lp a r a m e t e r s a f t e re x p e r i m e n t s ，t h eo p ti m iz a ti o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec e n t e r f r e q u e n c ie so ft w of i1t e r sw e r el o c a t e da t2 3 9 7 g h za n d2 4 9 7 g h zw it ht h e b a n d w i d t h4 5 7 m h za n d5 1 8 m h z b o t ho ft h er e t u r nl o s s e sw e r e m o r et h a n1 9 d b w h i c hs a t i s f i e do u rd e m a n d s b a s e do nt h ed e s i g no fb a n d p a s sf i l t e r s ，ak - b a n dd i p l e x e rw a sp r o p o s e d a n ds i m u l a t e da f t e rc o n n e c t i n gt w od i f f e r e n tf i l t e r sw i t ht h et j u n c t i o n t h eo p t i m i z a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ec e n t e rf r e q u e n c i e so ft h et w o p a s s b a n d sw e r el o c a t e da t2 3 9 7 g h za n d2 4 9 7 g h zw it ht h eb a n d w id t h4 1 8 m h z a n d5 1 0 m h z b e s i d e s w ef o u n dt h a tt h ei n s e r t i o nl o s sw a sl e s st h a ni d b a n dt h er e t u r nl o s sw a sm o r et h a n1 9 0 b ，t h ei n h i b i t i o nd e g r e ei sg o o d ， t h ea t t e n u a t i o nisb e t t e rt h a n7 0 d b1 g h za w a yf r o mc e n t e rf r e q u e n c yw h i c h r e a li z e do u rd e s i g ng o a l s k e yw o r d s ：s u s p e n d e ds u b s t r a t es t r i p l i n e ，e n d c o u p l e d ，d u p l e x e r ，c o u p l i n g c o e f f i c i e n t ，e x t e r n a lq u a l i t yf a c t o r 日录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第1 章绪论1 1 1 双工器介绍1 1 2 双工器的研究现状和发展趋势1 第2 章悬置微带线双工器的原理分析4 2 1 双工器设计分析4 2 2 悬置微带线与滤波器基本单元特性介绍8 2 2 1 悬胃微带线结构9 2 2 2 悬置微带线结构等效介电常数与特征阻抗9 2 2 3 悬置微带线物理结构的特性影响1 3 第3 章悬置微带线i 日j 隙耦合带通滤波器的设计1 5 3 1 集总参数带通滤波器设计1 6 3 1 1 微带带通滤波器设计的一般公式1 7 3 1 2 间隙耦合传输线结构滤波器的介绍1 9 3 2 悬置微带线带通滤波器的设计2 1 3 2 1 滤波器谐振器耦合系数2 l 3 2 2 外部品质因数及其方程2 5 3 2 3 谐振器耦合结构综合3 0 3 3 基于耦合系数和外部品质因数的带通滤波器设计3 1 3 3 n 皆振器耦合系数综合3 2 3 3 2 谐振器输入输出结构外部品质因数综合3 5 3 3 3 带通滤波器的仞始综合3 6 3 3 4 带通滤波器的仿真优化3 8 第4 章双工器的优化设计4 2 4 1 双工器的仿真模型4 2 4 2 双工器的仿真优化4 3 第5 章总结与展望。4 6 致谢4 7 参考文献4 8 i v 第1 章绪论 第1 章绪论 双工器作为通信系统中不可或缺的选频模块一直在微波毫米波电路系统中 扮演着重要的角色。本章在简短介绍了设计的双工器所应用的l m d s 系统后，将对 双工器的结构与作用进行简短的介绍，并分别列举几种常见类型的双工器，介绍 其优缺点。 1 1 双工器介绍 图1 1 收发信机框图 如图1 1 所示为一个典型收发信机的框图，收发信机后需一个双工器与一架 天线连接。通信过程中，无线信号的接收发射都需要通过天线，如果给收信机和 发信机各配给一个天线，不但增加了成本与体积，而且在两天线传递信号时，天 线之间还会互相干扰，所以设计者一般希望收发机共享一副天线，这就需要对双 工技术进行研究。简单的说，双工器就是为了解决收发共享一副天线而又使其不 相互影响的问题而设计的微波器件。若通信系统中收发使用同一频段，那么双工 器就是一个收发丌关，当发信机工作时，开关接通天线与发信机，将收信机断丌， 信号通过天线变成电磁波发射；当天线接收信号时，控制电路将发信机断丌，马 上接通天线与收信机，接收天线传来的信号。如果收发位于不同的频段，那么收 发可以同时进行，这种工作方式称为频分双工( f d d ) 。为了使收发信号可以同 时工作而又不相互影响，必须在天线后端接双工器将发射机与接收机隔离丌来。 双工器兼有发射频带滤波器和接收频带滤波器。 1 2 双工器的研究现状和发展趋势 由于双工器在通信系统中有着重要的作用，多年来双工器的研究工作没有停 止过。目前，通信系统前端中双工器的种类很多，下面将一一介绍陌1 ： 东南人学顾l j 学位论文 波导双工器： 波导双工器在通信系统中应用的时间最久也最成熟。波导双工器的优点是损 耗低，实际应用中频率可以达到i o o g 但这种双工器的缺点是体积很大，成本较 高，调谐困难。 同轴双工器： 同轴双工器和波导双工器相比，同轴双工器体积要小得多。和波导双工器一 样，谐振回路由于其电磁场全部封闭在同轴腔内，故几乎没有辐射损耗。如用空 气作为介质且内外表面镀银，则其介质损耗，欧姆损耗都很小，因此，品质因数 可以达到几千。并且具有稳定性高，屏蔽性好，生产复制性强等优点。但在移动 通信频段内，其体积仍显较大。若将同轴腔内导体制成螺旋状，电磁波沿螺旋内 导体传输时，沿螺旋线轴向的相速度被降低。可以使电波沿螺旋线轴向传输过程 中的波长大为缩短，从而尺寸得以降低。但是因为电波沿螺旋线轴向传输，各匝 导线要受到相邻导线磁场的作用，使导线内的电流集中到线圈外侧，导线截面上 电流密度的不均匀就相当于截面减小，等效电阻增加。因此，导致q 值下降，所 以这种螺旋结构比同轴结构的品质因数要低。 介质双工器： 介质双工器由介质滤波器构成。所谓介质滤波器就是利用介质谐振器所够成 的滤波器。而介质谐振器是利用电磁波在介质内部进行反复全反射的特性而构成 的。因为当电磁波在高介电常数的物质早传播时，其波长会缩短，利用这一特点 就可以构成介质微波谐振器。介质谐振器可由介电常数比空气介电常数高出 2 0 1 0 0 倍的陶瓷构成。介质滤波器与以往的空腔谐振器相比，可以实现所希望双 工器小型化。因此，早在七十年代，介质滤波器已广泛应用于微波通信领域。但 是目前为止，它还没有得到广泛的应用，这主要是因为成本较高，实现批量的生 产比较困难。 s a w 双工器： s a w 双工器由s a w 滤波器构成。声表面波( s a w ) 滤波器是目前应用最多的信 号处理器件，可以实现任意精度的频率特性，这是其它射频滤波器难以实现的。 故s a w 滤波器现在得到了越来越广泛的应用。 s a w 滤波器的主要特点：设计灵活性大，模拟数字兼容，群延迟时间偏差和 频率选择性优良( 中频，低于1 g h z ) ，输入输出阻抗误差小，温度特性优异( 适 用于窄带滤波器) ，抗电磁干扰( e m i ) 性能好，可靠性高，制作的器件体积小 重量轻，且能实现多种复杂的功能。s a w 滤波器的不足之处是：基片材料昂贵， 对基片的定向，切割，研磨，抛光和制造工艺要求高，高频承受功率低，带内插 损相对较大( 5 d b ) ，所以主要用于小型化要求很高的移动通信终端( 比如手机) 。 2 第1 章绪论 悬置微带线结构双工器： 由于微带线传输模式为准t e m 模式，在k u 及以上波段由于色散和衰减问题而 限制微带线的应用。而对于波导材质的滤波器，由于其q 值很高，在插入衰减和 带外性能上都与微带线滤波器有着本质的飞跃。因而在k u 及以上波段，波导结构 的双工器一直得到了广泛的应用。 但是与微带线不同，波导中的滤波结构是由腔体的不连续的变化所决定，在 工业加工中误差难以控制，这些不连续的变化也难以控制。所以波导材质的滤波 器对于腔体加工精度的要求很高，这也再一定程度上制约了波导滤波器的应用。 近些年来出现的悬置微带线结构很好的综合了上面两种实现形式的优点，其 结构通过将薄介质板悬置在腔体中实现。和微带线一样，悬置微带线也是一种印 制电路板技术，但是它的q 值比微带线要高的多，其阻抗变化范围很宽，与波导 结构相比，悬置微带线结构性对于腔体的容差比波导结构要高。 悬置微带线结构很好的综合了微带线平面化以及波导结构高q 值的优点，也 为双工器的设计提供了新思路。本文就将在此基础上设计一款工作频带在k 波段 的悬置微带线双工器。 东南人学顾i ：学位论义 第2 章悬置微带线双工器的原理分析 双工器可由两个滤波器通过一定的匹配电路连接而成，其中两个滤波器的设 计是双工器设计的重点，而适当的匹配电路则可以提高两个滤波器的隔离度。本 章对双工器整体进行了分析，并重点介绍了悬置微带线带通滤波器的原理，性能 和设计方法。 2 1 双工器设计分析 在通信系统中，收发信机共享- n 天线，如果不采取一定的隔离措施，会造 成严重的收发干扰，影响收信效果，严重时会使收信机无法工作。 发信机产生的射频功率对接收机的影响有两个方面，一是发信频率上的信号 在接收机前级产生阻塞，要消除这种影响，必须使进入接收机前级的本机发射信 号抑制到阻塞电平以下，二是发信频谱在收信通带内的噪声会直接进入接收机， 因而影响信噪比，所以必须在发信输出端抑制这部分噪声，使它低于接收机本身 在天线输入端的等效噪声功率。前一种影响的消除，要依靠在接收机的输入端接 入收信滤波器，以阻止发信功率进入接收机；后一种要依靠在发信机输出端接入 发信滤波器，以抑制发信频率在收信频率上的噪声功率。此外，还可以用环行器 来隔离收发滤波器，这样能够提高收发信问的隔离度。 p o r 3 图2 1 双t 器三端口网络不意图 如图2 2 所示，最简单的双工器是一个理想的环行器或者理想的o d b 定向耦合 器。由端口1 发送的信号送至天线端n 3 ，而端1 3 2 无任何输出，从天线口3 接收 来的信号也只能进入端11 2 ，不会进入端口1 ，从而满足收发信机之间的隔离度。 从理论上说，这种双工器可以实现收发同频，进而大大节约频率资源，但是目前 这类方向性极强的部件还难以生产。 4 第2 章悬置微带线双t 器的原理分析 天 天线端口3 2 图2 2o d b 耦合器祠l 理想环行器 如图2 3 所示，双工器的设计方案之二是采用频率选择性部件来完成收、发 通道的分、合路功能。它的分支接头采用简单的t 型接头，而将带通滤波器分别 调谐于收频和发频，从而满足端口1 和端1 ：3 2 之问的隔离度。当其中一路作为发信 频通道时，在另一端口收到该频率信号的强弱用隔离度表示，即可称为接收端异 频隔离度，它取决于接收端滤波器的选择性；另外，发信端滤波器的作用是防止 发信频中含有接收频成分的信号泄漏到接收端口去，称为接收端同频隔离度，它 取决于发信端滤波器的选择性。 在一般情况下，发信频中含有的接收频成分是相当弱的，在这方面双工器不 做具体要求，因此隔离度通常只的是前者，即接收端异频隔离度或者称收发隔离 度。如果这样，可省去发信滤波器使双工器更加简单。但在一般情况下，由于通 信系统中存在干扰问题，必须限制发信频的扩散，因此不可省略发信滤波器，这 种方案只采用了选频部件，因此结构简洁，整齐，成本低，但其收发频率间隔( 保 护频带) 必须满足一定的数值才有足够的隔离度。在频率资源紧张的情况下，应 采用如图2 4 所示第三种方案。这种方案在天线和带通滤波器之间加入环行器。 在实际工程设计中，当增加滤波器级数而选择性已无明显改变，同时时延指标和 插损指标受到限制时，应采用上述的第三种方案，以便得到合理的收发频率间隔 以及隔离度，为了进一步的提高系统损耗指针，可将发信滤波器的级数减小到合 适的数值，特殊情况下也可以省去。 在给定指标的情况下，可以选择上述三种方案之一。通常，应根据通带3 d b 宽度和收发频率的边带频率i 、日j 隔两个数据以确定双工器的结构，包括滤波器的级 数和分支接头的形式1 。根据本文双工器的指标要求，选择第二种方案，即选频 双工器。设： 卟等圳。耻等枷。 沿。 东南人学硕i j 学位论文 式( 2 1 ) 中，馘邸为通带3 d b 宽度；六为上频率通带的下边带频率，z 为下频 率通带的上边带频率，b 。为3 d b 相对带宽，b ：为相对带宽。 天线端口3 端口l 潴口2 端口i端口2 f f d 2 3 选频舣j f ：器图 图2 4 典型舣i ：器 下面将分析双工器两带通滤波器之问的相互作用。单个双终端带通滤波器输 入端导纳特性如图2 5 所示。 y 。 0 ? 二 j 第2 章悬冒微带线双t 器的原理分析 1 0 八反：一 o 广f y l 一 ； 图2 6 并联带通滤波器公共端输入导纳特性 故本文中所设计双工器的形式如图2 7 所示，为使两带通滤波器间不相互影 响，各自通过入4 传输线阻抗变换后再接到天线端，收信滤波器输入端对发信滤 波器相当于短路，经入4 阻抗变换后变为丌路，就不会影响发信端。同理可得， 入4 阻抗变换也使发信滤波器不影响收信端。”。 图2 7 入4 阻抗变换双1 ：器 其等效电路| 6 】如图2 8 所示。设发信频率f 大于收信频率c ，调节c l 使并联 回路l 谐振于f ，故回路1 对c 呈感性，并与c 串联谐振于c ( 从z 到地) 。同理 并联回路2 谐振于c ，故回路2 对f 呈容性，并与l 串联谐振于f ( 从x 到地) n 1 。 从发射机来的信号经过z 点，由于回路l 对f 呈并联谐振，阻抗大，故对发射信号 的旁路作用小，由于z 点对地串联谐振于f ，故落入接受频段内的发射机噪声和 寄生分量将受到很大的抑制。由于x 点对地串联谐振于f ，即近似于对地短路， 经过入4 的阻抗变换作用后，对发射信号来说从y 点通向接收机一方的输入阻抗 近似于无穷大，所以发射信号f 只进入天线，而从y 点进入接收机这一小信号再 经过x 点旁路作用的进一步衰减，不致引起发射机到接收机的干扰。同理可以分 析由天线来的接收信号。 7 东南人学颀i ：学位论文 图2 8 舣i ：器等效不意图 以上是双工器的原理分析，具体设计步骤如下： 1 根据不同设计结构( i 日j 隙耦合型，平行耦合型，发央型，p c l s r r 型) ， 分别对两个不同频率的带通滤波器进行设计。 2 利用软件进行仿真、优化，使滤波器性能达到设计指针的要求。 3 两带通滤波器各自接入4 阻抗变换后相连接，进行双工器整体仿真。 4 优化，对匹配电路进行修正以期达到良好的隔离度。 2 2 悬置微带线与滤波器基本单元特性介绍 随着微波技术的发展与新的需求，微波传输线由最初的开放结构并行传输线 发展到笨重的同轴与波导传输线，再到带状线与微带线，见证了微波电路发展的 小型化的趋势。平面微带线工艺与实际应用也因其易于集成、体积小、易于大规 模加工等优点而得到了极大的发展。现在围绕平面电路加工工艺，为了弥补平面 微带电路低q 值、色散以及损耗大等不足，并满足实际应用中同益小型化和高集 成度的需求，一些平面传输线结构被提出。如果将整个微带电路的“地”平面去 掉，再加上外腔体构成的“地平面，则成了悬置微带线结构1 5 1 ，如图2 9 所示。 下面我们将讨论悬置微带线的结构与特性。 ( a ) 单面悬置微带线结构( b ) 舣面悬置微带线结构 图2 9 悬置微带线结构图 8 第2 章悬置微带线双t 器的原理分析 2 2 1 悬置微带线结构 悬置微带线的导带采用平面微带加工工艺印制在一个很薄的介质板上，然后 将其悬置在金属壳体中。由于没有接地面，悬置微带线结构上下两面都可以进行 电路版图设计，其一般通过两侧的会属腔体形成接地面瞄1 。它有多种结构，有单 面结构；有双面的结构，其上下导带是通过金属化过孔连接在一起的。双面结构 与单面结构相比，耦合性能要比单面结构强的多，对于宽带滤波器的制作比单面 结构有优势。悬置微带线的接地是在壳体的四周，如图2 9 所示，是一个三信道 的双面结构，两边是e m i 挚圈，其主要作用是支撑腔体的连接，提供接地以及各 个通道之间的隔离。传播的电磁场主要部分集中在介质板和接地板之问，由于传 输的波主要集中在空气介质中，再加上其结构的对称性，在它早面传播的波衰减 很小。 2 2 2 悬置微带线结构等效介电常数与特征阻抗 自从悬置微带线结构提出以来，就有很多针对其等效介电常数岛以及特征 阻抗z d 的研究，也陆续有很多模型或方程被提出。这些模型与方程多采用数值 分析的方法得出，只是在其取值区间内保持着比较良好的精度，但也足够满足实 际的工程应用。 考虑到实际工程应用多采用封闭腔体结构，下面给出封闭结构悬置微带线的 等效模型，如图2 1 0 所示。其四周都被金属封装，介质的介电常数为六，厚度为 h ，介质距离上接地板为h 。，距离下接地板为h i ，中心导带的宽度为w ，厚度为 t ，导带中心距离侧边的距离分别为s ，和s ，腔体的长度为a ，宽度为b 。 ( 这里 只给出常用的对称结构( 即s ，= s ，) 情况下悬置微带线的等效介电常数以及特 征阻抗z d 。) 9 东南人学顾i ：学位论文 i - - 一s i - - - + - - - 一8 r - - - - - - 叫 卜一n 1 图2 1 0 封闭结构恳置微带线 根据w a 的不同，可将方程分为两个范围： 1 、窄导带( o w a 2 ) 特性阻抗为式( 2 2 ) 聆1 ( 2 - 2 ) ( 2 - 3 ) ( 2 - 4 ) 第2 章悬置微带线双丁器的腺理分析 z 。2 77。ly + 乏_ ：了：；i ：i ：戛r 孑酮 1w + 1 3 9 3 0 + o 6 6 7 0 l n fw + 1 4 4 4l i 6 l6 有效介电常数为式( 2 - 6 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 上述模型在1 a f t , 2 5 ，1 s ，4 和0 1 h b o 5 的时候是成立的，通过与 采用有限差分方法计算的结果对比显示，宽导带阻抗和介电常数的精确度在3 以内，而窄导带的阻抗和介电常数精确度在2 以内。 我们也给出了基于c s t 仿真软件的悬置微带线结构特征阻抗的定性扫描曲线 与分析。如图2 1 1 为c s t 仿真软件中悬置微带线特征阻抗仿真模型。介质基片选 择为r o g e s 5 8 8 0 板材( 介电常数2 2 ；厚度为1 0 m i1 ) ，各个扫描参数标示如图2 1 3 所示。 图2 1 l 闭合结构恳置微带线特征阻抗仿真模型 东南人学颂i ：学位论义 z m 西砒i m o d e l ) ， ，争”d j一 肝= b 2 一 h u = 8 87 胡 酝7 8 7 d 2 。 1 ) 骶曲= 晒 7 一 k 、- 糖7 d k _ 1 、_ k 叶 图2 悬鲨微带线特性阻抗扫描曲线 仿真扫描结果如图2 所示。结合腔体的宽度形i f 6 和高度，(，。) 的 扫描曲线进行观察，可以看出在悬置微带线宽度一定的情况下，如果悬置微带线 外腔体空间越大，那么悬置微带线阻抗越高。这种阻抗变化随着腔体尺寸的增加， 会趋于平缓直至收敛。在外腔体尺寸接近悬置微带线宽度的情况下，阻抗受腔体 尺寸影响最为明显。而在固定外腔体尺寸情况下，通过扫描悬置微带线特征阻抗 随导带宽度矿的变化可以看出本模型悬置微带线特性阻抗能达q 左右 ( 矿1 ) 。通过仿真也可以看出悬置微带线中电磁场能量大部分集中于上 下腔体的空气介质中，其等效介电常数六一般趋近于空气。也j 下是因为这种特殊 的结构和电磁场能量分布，悬置微带线结构有着如下特点： 由于悬置微带线介质基片厚度可以很薄，因此能量主要集中在空气介质中， 其损耗低于微带线，q 值则远高于微带线，一般可以达到数百； 等效介电常数六一般趋近于空气( 大多在1 2 附近) ，因此悬置微带线结构 温度稳定性高；而低六的等效介电常数会引起电路尺寸的增加，但在微波毫米波 频段这反而是一个优点有利于微波毫米波段电路的加工也扩宽了电路加工 容差； 介质支撑板的辐射以及其对媒质相位速度的影响基本可以忽略； 第2 章悬冒微带线双t 器的原理分析 可以实现的悬霄微带线阻抗变化范围比较大，最高可以达1 8 0 f 2 左右，扩展 了悬置微带线电路设计的灵活性与多样性( 如可进行高低阻抗线滤波器设计) ； 如对悬置微带线结构外腔体宽边与长边进行适当的选择，可以抑制波导模式 在其中传播( 在一般微带线外腔体设计中也尽量满足类似要求) ； 悬置微带线的工作带宽很宽。悬置微带线足闭合的导波结构，其能量限制于 腔体内； 由于没有直接接入地面，悬置微带在线下两面都可以进行电路版图设计，特 别是在一些需要引入强耦合结构的设计中( 如宽带滤波器等) ，双面宽边耦合悬 置微带线结构的这种特点有着突出的意义，有着独特的优势；此外，这种特点还 方便了悬置微带线系统与微带线系统、共面波导系统、槽线导波系统等的集成。 2 2 3 悬置微带线物理结构的特性影响 悬置微带线结构通常通过侧壁的会属面接地，而为了能够固定悬置微带线基 片，通常将悬置微带线基片部分央入外围腔体中。如下图2 1 3 所示，图( a ) 表 示理想的无侧壁影响的悬置微带线结构；图( b ) 表示实际应用中一般采用的侧壁 开槽结构。 k 一a 叫 ( a ) _ d 扣 一曩一d 卜 ( b ) ( a ) 理想无侧壁开槽的恳置微带线结构( b ) 实际应川侧壁开槽的悬置微带线结构 图2 1 3 悬置微带线外腔体侧壁结构图 1 3 东南人学顾i ：学位论文 前面的讨论中，悬置微带线电磁特性的讨论都采用图( a ) 理想结构口3 。而 在实际设计应用中，特别是在一些需要细致考虑因接地面而造成不连续性影响以 及接地面对谐振结构造成比较严重影响的情况下，研究其侧壁的凹槽对于悬置微 带线特性的影响是非常有必要也很有指导意义的。凹槽深度在很小的时候( 腔体 高度不变的情况下) 对于悬置微带线的特征阻抗和波长都很有明显的影响。而在 凹槽深度加大过程中，影响逐渐减弱，甚至可以忽略其影响。因此在设计中，应 尽量取小的b 值( 也就是设计更加低的腔体) 。但是在实际的加工中，一方面由 于加工的工艺存在极限，而且在实物尺, - j 很小的情况下，相对误差将很严重。在 实际工程过程中，也通常在加工精度和设计需求间进行权衡。应保持b 远小于a 的设计准则，即尽量使得所设计的外腔体宽度远大于其高度。而外腔体的宽边也 和其腔体截止频率息息相关，设计中也应综合考虑这些影响。实际上，在很多悬 置微带滤波器设计中，通常采取在介质基片的两侧布满金属过孔的方式来形成上 下腔体接地面回路。在综合考虑过孔直径以及过孔间距离的情况下，通常两排过 孔就能达到类似p e c 的理想接地面效果和隔离效果。 1 4 第3 章问隙耦合传输线带通滤波器的综合 第3 章悬置微带线间隙耦合带通滤波器的设计 随着现代滤波器的发展与应用，滤波器的综合与设计有了很多成熟的方法， 这些方法可以为设计者提供灵活宽广的选择面。而几乎所有的滤波器综合流程都 包括下面的两个步骤：( 1 ) 依照实际所需滤波器的设计参数要求，依照网络综 合理论计算出滤波器的低通原型参数以及其低通原型等效网络；( 2 ) 选择利用 适当的等效电路结构，将滤波器低通原型参数转换为可以实现的物理参数以及物 理尺寸模型。在以往常用的滤波器设计方法中，第二步通常采用简单的电路模型 做近似等效，然后再依照实际的工程经验以及调试工作得出滤波器的相应特性。 而现今，随着电磁仿真( e m ) 软件的成熟和普及，工程中实际滤波器的设计 中越来越趋向于采用e m 仿真软件进行分析与优化，从而得到滤波器设计的物理尺 寸。然而，基于e m 仿真软件的辅助设计与优化虽然非常有效并且实用，但其优化 结果对于精确的初始值依赖程度也非常高。实际上，大部分的自动优化结果都并 不能满足实际设计需求，而且对于精度较高的优化其优化时间成本往往是不可接 受的。因此，结合已有的滤波器综合理论，将其与e m 仿真软件进行结合，实现滤 波器的快速、准确的综合有着十分重要的意义。一方面，如果运用成熟的滤波器 综合理论和等效电路，就可以方便的找出滤波器设计中较优的初始值，从而极大 程度的降低了e m 仿真软件优化的复杂度，提高其优化结构的实用性，并能大大的 节省设计时间；另一方面，如采用e m 仿真软件，能直观的进行滤波器参数或等效 电路的调试与分析从而避免了传统滤波器设计中较长的加工周期与高难度的调 试，这也大大简化了进行大量数据的分析与总结的过程。 l 低通原，魁参数f f f ，理论祸合系 l 数f f f ，鹭l ! 论外部i ! ；6 质 人j 数值 图3 1 基于滤波器等效电路综合理论和e m 仿真的滤波器设计流程 东南人学顾i ：学位论文 本章将采用滤波器等效电路综合理论与e m 仿真软件相结合的方法讨论悬置 微带线滤波器的初始综合与仿真优化旧3 ，滤波器将采用问隙耦合传输线结构。( 窄 带滤波器设计中通常采取弱耦合结构。) 本章将首先介绍集总参数带通滤波器设 计的一般方法和间隙耦合结构滤波器的谐振器结构与特性，并对基于e m 仿真的滤 波器参数提取理论与方法进行阐述。在这些基础上，本章最后将给出悬置微带线 问隙耦合带通滤波器的初始综合与仿真优化。 3 1 集总参数带通滤波器设计 根据滤波器综合理论，所有类型的滤波器均可映像成归一化的低通滤波器。 第3 帝间隙耦合传输线带通滤波： ；的综合 c 尸= 篆驴嘉 4 ， 在此转换过程中，低通滤波器中的l 和c 分别和带通滤波器中的l c 串联谐振 回路、l - c 并联谐振凹路建立了一种对应关系。根据这种对应关系就可以设计带 通滤波器了。不过，这种设计方法有自身一定的局限性，它只适用于工作频率较 低的情况。在这种情况下，电路尺寸与工作波长相差较大，因此电路尺寸的影响 基本可以忽不计略。而对于设计工作于微波波段的电路，电路尺寸甚至比工作波 段的波长还要长，传输在线的分布参数对电路有着重要且不可忽视的影响，这时 就必须寻求别的方法进行设计。 3 1 1 微带带通滤波器设计的一般公式 根据滤波器原理可知，集总参数带通滤波器是由串臂上的l c 串联谐振回路 和并臂上的l - c 并联谐振回路组成。在传输在线，要相问地将谐振组件串联和并 联在线上是比较困难的。但是微带电路结构中，将谐振组件都串联在线上相对容 易做到，倒置转换器能够很好的解决这一问题，它为我们设计电路带来了很大的 便利。 】e 图3 3 导纳倒置转换器 倒置转换器分为两种：一种是阻抗倒置转换器：另一种是导纳倒置转换器。两 种转换器在本质上没区别，本文的设计以导纳倒置转换器为例。如图3 3 所示， 对于倒置转换器有以下关系阳： y 一 一 y p 一 ( 3 5 ) 其中：j 为导纳倒置转换器的导纳。可以看出和匕之间有一倒置关系，匕越 大，则圪越小：l 是容性，圪是感性。 现在假设，在一个并接的并联谐振回路两端各接一个导纳倒置转换器。由电 1 7 东南人学硕i ：学位论文 路理论可知，导纳倒置转换器的4 = 品专 ，l c 并联谐振电路的a 矩 l 10l 阵：4 # 2 j w c - j - - 壶l j 则电路的总矩阵如为： 铲讹h h 卜l 三掣 ，矩阵外的负号只表示输出端电压电流 为反号，不影响电路的实质。因此可看出，电路总矩阵a 总实际上和一个串联阻 抗z ：w c 7 - 一1 ) 完全等效。由此可知：一个并接的并联谐振回路两端各接一 半波长平行耦合线，电 器和并联电纳构成的滤 ( 3 - 6 ) ( 3 - 7 a ) ( 3 - 7 b ) ( 3 - 7 c ) 输入导纳，虼为输出导 由该公式可以推演出很 第3 章问隙耦合传输线带通滤波器的综合 3 1 2 间隙耦合传输线结构滤波器的介绍 在微带电路中可以有很多不同的方法去实现j 组件，比如半波长平行耦合线、 间隙耦合传输线和五4 传输线等等。这罩使用间隙耦合传输线来实现j 组件。由 电路理论可知，一条微带线中i n 被割丌一段问隙，可以看成是两条微带线通过一 个串联电容c ，：而互相耦合起来，同时在两条微带线的截断端与底衬之间的也存在 等效电容c 。，因此，可以将微带线的间隙等效为万型电路。 如图3 4 n 示，图中的b b = w o c , ：，。吃= w 0c l 根据微带电路理论，等效电 路参数b 。和b n 与j r o 的关系3 为： 抖陋。1 刮热卜留。1 隆针增一浯8 ， 矽为负的电长度，由公式可知在f b j 隙等效电路两端加一负电长度后，等效一 个电纳为虼的电纳倒置转换器。但是，该电路在实际使用中必须用在其相邻 电路具有相同导纳的传输线中，使其负值电长度加在相邻的传输线上，从而抵消 负的电长度。 口匹 图3 4 微带l 司隙的等效电路 微带电容间隙耦合传输线滤波器是用半波长传输线作为并联谐振器，用端电 容间隙作为耦合结构的直接耦合半波长滤波器。根据滤波器理论，可得出此滤波 器的导纳倒置转换器的导纳的公式n 2 1 ： 乩阿 、2 9 0 9 w ： ( 3 9 ) 丛i ：竺 r o i + n - , 2w ：g g p 一 ( 3 1 0 ) 1 9 东南人学顾l ：学位论文 ( 3 1 1 ) 式中g ；是低通原型滤波器的值，n 为滤波器的阶数，w ：是其归一边带频率：w 是带通滤波器的相对带宽。 假设电容间隙耦合结构工作在理想状态下，级联造成的不连续性可由参数 b j , j , l 来表示2 6 3 ： 3 心1 竺盟： 圣 ( 3 1 2 ) 一= ：一 u 虼t g j , j “) 2 印一扣1 ( 半 + 恤- 。( 警肛船 仔 o + 矛nb 川+ 。在频率为厶时是相等的。注意到式( 3 1 3 ) 等号右边的第二项代 表了对应j 阶半波长谐振器的j 变换器的负电长度。 微带线电容间隙耦合传输线滤波器的间隙s 川+ 。可由式( 3 1 4 ) 确定： c i , j + l b 1i +!-(3-14) 当w o = 2 矾为频带中心的频率时，谐振器的长度可由式( 3 1 5 ) 得出： o = 鲁够_ e 巧e 2 ( 3 _ 1 5 ) 巧1 ，巧2 是j 阶谐振器两端的寄生电容造成的长度误差，寄生电容c ；+ 1 和 级联电容1 是关联的，可通过式( 3 1 6 ) 求出： ：型羔生 。 1 0 三冗 ，：2 ：整! r j , 一j + l 生 ( 3 1 6 ) 2 0 第3 章间隙耦合传输线带通滤波； 的综合 3 2 悬置微带线带通滤波器的设计 由于本文中设计的双工器采用悬置微带线结构，因此上节所推导的公式并 不适用于本文；另一方面，由于现阶段悬置微带线结构的众多等效电路模型都并 不完善也不成熟，并不能帮助设计任意波段的悬置微带滤波器。其中一方面的原 因是因为这种结构的应用方式灵活多变，一定程度上加大了模型建立的难度也削 弱了实际应用中对通用模型的需求迫切度；另一方面，很多已有的滤波器设计理 论也可以平滑地应用各种于悬置微带线滤波器的设计，因此在成熟的电磁场仿真 软件的辅助下( 比如c s tm i c r o w a v es t u d i o ) ，当日仃悬置微带线结构滤波器的设 计多采用等效电路模型与电磁仿真软件相联合的方法5 1 。即在现有等效电路模型 的基础上近似得出所需参数的初始值，然后利用电磁仿真软件进行参数的调整与 优化。而近年来，伴随着计算机辅助技术( c a d ) 与电磁仿真( e m ) 软件的发展 与应用的成熟，基于e m 仿真软件外部品质因数提取以及耦合系数提取的滤波器设 计方法h 1 成为了滤波器设计研究热点之一。这种方法实用性很强也很灵活，能迅 速高效的满足滤波器设计中实际工程应用的众多需求。这种设计方法对于新型结 构滤波器的工程实践也提供了一个通用的流程与设计方法。在这些流程与设计方 法的基础上，设计者可以迅速掌握新型结构滤波器的设计，而悬置微带线滤波器 的设计与工程实践也将因此更加趋于精确。 3 2 1 滤波器谐振器耦合系数 图3 5 谐振器耦合 图3 5 为任意两谐振器间耦合示意图。图中的两个谐振器可以有各自不同的 结构和不同的自谐振频率。耦合系数k 定义为耦合能量与总储存能量的比值，可 以得出下式n 5 3 ： 七： 丝：墨空 + 丛堡：垦尘 而雨两而丽历丽再面丽 ( 3 - 1 7 ) 从上式( 3 - 1 7 ) 可以看出，等式右边第一项为电耦合系数，而等式右边第二 项为磁耦合系数。事实上，如想要基于上述公式( 3 1 7 ) 得出实际耦合系数，就 2 l 东南人学顾i j 学位论文 需要知道场结构的解析函数。这是比较难以实现的。另一方面，如果我们采用e m 全波仿真软件( i ：t o i c s t ) 或者通过实验找出与滤波器谐振