（电磁场与微波技术专业论文）缺陷地结构在陶瓷基板滤波器中的应用.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着移动通信和个人通信业务的飞速发展，作为微波系统不可或缺器件的 滤波器的小型化研究已成为项迫切的任务，近几年来，通过在金属接地板上 蚀刻出周期或非周期的缺陷地结构来抑制某些频段上电磁波的传输，在滤波器 的高频率选择性与小型化设计中得到广泛应用。另外，为充分利用有限的频谱 资源，双频带带通滤波器的设计越来越重要。利用缺陷地结构来产生第二通带， 既合理利用频谱资源，又满足系统对小型化的要求。本论文就新的缺陷地结构 ( d g s ) 、滤波器小型化和用缺陷地结构产生双频带带通滤波器的设计方法进行 了分析和研究。论文主要内容如下： 第一章和第二章，简述了d g s 在国内外的发展历史和现状，介绍了滤波器 的基本设计原理； 第三章，提出了一种改进的哑铃形缺陷地结构，设计了一个小型化的低通 滤波器，其具有稳定的阻带特性，带内回波损耗在2 0 d b 以下； 第四章，根据滤波器小型化的实际需要，提出了一种新型的d g s 来设计制 作小型化低通滤波器。将其与传统哑铃形d g s 的特性进行了比较，提取了其等 效电路模型，分析了其参数对传输特性的影响。该低通滤波器具有极高的频率 选择性、很好的带内特性及小型化等特点。测量结果和仿真结果吻合很好； 第五章，基于谐振器的谐振条件，提出了两种新的d g s “准e 形 d g s 和五边形d g s 。利用这两种d g s 设计了应用于无线局域网( w l a n ) 的双频带带 通滤波器，通过零度馈线方式控制滤波器传输零点的位置。其具有宽带宽、低 插损的特点。最后对其中一个进行了加工和实验测量，其结果很好地符合理论 值。 关键词：微带线滤波器，缺陷地结构，小型化，频率选择性，低通滤波器， 双频带带通 v 上海大学硕士学位论文 a bs t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n t o fm o b i l ec o m m u n i c a t i o n sa n d p e r s o n a l c o m m u n i c a t i o n s ，i tb e c o m e sa nu r g e n tt a s kt om i n i a t u r i z ef i l t e r sw h i c he m e r g ef i t sa k i n do fi n d i s p e n s a b l ee l e m e n t si nm i c r o w a v es y s t e m s i nr e c e n ty e a r s ，d e f e c t e d g r o u n ds t r u c t u r e s ，w h i c ha r ee t c h e db yp e r i o d i co rn o n - p e r i o d i co nt h em e t a l l i c g r o u n dp l a n et or e s t r a i nt h et r a n s m i s s i o n so fe l e c t r o m a g n e t i cw a v eo ns o m ec e r t a i n f r e q u e n c ys e g m e n t s ，a r ew i d e l ya p p l i e di nf i l t e re n g i n e e r i n go fh i g hf r e q u e n c y s e l e c t i v i t ya n dm i n i a t u r i z a t i o n i na d d i t i o n ，t ou t i l i z et h el i m i t e df r e q u e n c yr e s o u r c e s u f f i c i e n t l y , t h ed e s i g no fd u a l - b a n db a n a s sf i l t e r sb e c o m e sm o r ea n dm o r e i m p o r t a n t t h es e c o n dp a s s - b a n dp r o d u c e db yd g s n o to n l ym a k e su s eo ff r e q u e n c y r e s o u r c e sb u ta l s os a t i s f i e st h ed e m a n do fm i n i a t u r i z a t i o ni ns y s t e m s i nt h i sp a p e r , n o v e ld e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e s ( d g s s ) ，m i n i a t u r i z a t i o no ff i l t e r sa n dd e s i g no f d u a l b a n db a n a s sf i l t e r sw i t hd g s sa r em a i n l ya n a l y z e da n ds t u d i e da sd e s c r i b e d a sf o l l o w s ： i nc h a p t e r1a n dc h a p t e r2 ，b r i e fi n t r o d u c t i o n so fd g s h i s t o r ya n ds t a t u sh o m e a n do v e r s e a sa r ep r e s e n t e d f u r t h e r m o r e ，t h eb a s i cd e s i g np r i n c i p l e so ff i l t e r sa r e d e s c r i b e d c h a p t e r3p r o p o s e sam o d i f i e dd u m b b e l ld g s b a s e do nt h ep r o p o s e dd g s ，a m i n i a t u r i z e dl o w - p a s sf i l t e ri sd e s i g n e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l t e rh a sas t a b l e s t o p - b a n dc h a r a c t e r i s t i ca n di t sr e t u ml o s si nb a n di sb e l o w2 0 d b i nc h a p t e r4 ，t os a t i s f yt h ep r a c t i c a ln e e do fm i n i a t u r i z a t i o no ff i l t e r s ，an o v e l d g si sp r e s e n t e df o rm i n i a t u r ed e s i g no fl o w p a s sf i l t e r ac o m p a r i s o nb e t w e e nt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p o s e dd g sa n dt h et r a d i t i o n a ld u m b b e l l - s h a p ed g si s p e r f o r m e d t h ee q u i v a l e n tc i r c u i ti se x t r a c t e da n dt h ei n f l u e n c e so fd g sp a r a m e t e r s o nt r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i c sa r ea l s oa n a l y z e d t h ed e s i g n e dl o w p a s sf i l t e rh a s e x c e l l e n tf r e q u e n c ys e l e c t i v i t y , g o o di n - b a n da n dm i n i a t u r i z a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s t h e v i 上海大学硕士学位论文 m e a s u r e dr e s u l t ss h o wg o o da g r e e m e n tw i t ht h es i m u l a t e do n e s b a s e do nt h er e s o n a t i n gc o n d i t i o n so fr e s o n a t o r s ，c h a p t e r5d e a l sw i t ht w o n o v e ld g s s ，n a m e l y , q u a s i es h 印e dd g sa n dp e n t a g o nd g s t h e yc a nb eu s e dt o d e s i g nd u a l - b a n db a n a s sf i l t e r s ，w h i c ha r ea p p l i e di nw i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ( w l a n ) az e r o d e g r e ef e e ds t r u c t u r ei se m p l o y e dt oc o n t r o lt r a n s m i s s i o nz e r o l o c a t i o n t h ef i l t e rh a sc h a r a c t e r i s t i c so fw i d eb a n d w i d t ha n dl o wi n s e r t i o nl o s s f i n a l l y , o n eo ft h ef i l t e r sw a sf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d m o r e o v e r , b o t hs i m u l a t e d a n dm e a s u r e dr e s u l t sd e m o n s t r a t e dg o o da g r e e m e n t k e y w o r d s ：m i c r o s t r i pf 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 ，m i n i a t u r i z a t i o n , f r e q u e n c y s e l e c t i v i t y , l o w p a s sf i l t e r , d u a l - b a n db a n d p a s s v 上海大学硕士学位论文 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：遂缉e l 期：塑皿 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) i i 上海大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 光子带隙结构( p h o t o n i cb a n dg a p ，简称为p b g ) 是一种周期性结构，它的研 究起源于光学领域，又称为光子晶体( p h o t o n i cc r y s t a l ) e 1 1 。它通过在微带线背面 的金属接地板上周期地蚀刻出图形来实现，在某一频率上具有带阻特性【2 1 ，其特 性可以通过光子晶体的周期性结构来改变。基于p b g 结构的各种有源和无源电 路近年来得到了广泛应用。例如，一种十字形p b g 结构的微带线在一定的频率 范围内呈现出了良好的宽阻带特性【3 】；采用p b g 结构的功率放大器来提高直流 转换效率与输出功掣4 】；另外p b g 结构被广泛应用于天线的设计中，用来改善 天线的性能【5 】。 然而在微波毫米波电路中，p b g 结构由于电路模型复杂、尺寸过大，使其 在结构紧凑的微波毫米波组件的应用中受到限制。在p b g 结构的基础上，j i p a r k 等人于19 9 9 年提出了缺陷地结构( d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ，简称d g s ) 6 。与 p b g 结构类似，d g s 结构也是通过在金属接地板上蚀刻出图形，以改变电路衬 底材料有效介电常数的分布，从而改变微带线的分布电感和分布电容，使得具有 d g s 结构的微带线呈现慢波效应和带阻特性，传统的蚀刻缺陷图案有哑铃形【8 1 和h 形【9 1 。相对于p b g 结构来说，d g s 结构尺寸更小，故能大大减小介质板尺 寸、降低介质损耗和经济成本、便于电路集成化；另外它无需建立周期结构，单 元的等效电路易于提取，便于快速分析。因此，从d g s 结构提出以来，基于d g s 结构的微波器件大量涌现并广泛应用，例如，应用于低通滤波器设计以及倍频器 【i o 】和功率放大器的谐波抑制1 1 1 。 随着滤波器、天线以及陶瓷材料的发展，同时，为了满足日新月异的无线通 信技术对系统小型化便携化的要求，将会提出更多新的d g s 结构并应用于微波 毫米波器件中。d g s 结构由于其独特的性能，也必将成为无线通信系统发展的 一个重要方向。 上海太学硕i 学位论文 1 2 国内外的研究历史与现状 121d g s 结构研究概况 在p b g 结构的研究基础上，1 9 9 9 年p a r k 等人提出了缺陷地结构。相对于 p b g 结构来说，d g s 结构微带线的主要优点在于无需建立周期结构即可在某些 频率点产生谐振，具有良好的阻带特性。而且只要用简单的l c 等效电路模型就 可表征它的特性，可进行电路级的快速分析。因此，在d g s 结构提出的近十年 来，它的传输特性的研究和应用逐渐成为微波电路设计领域的一个研究热点，出 现了各种各样的基于d g s 结构的微波器件和应用1 2 - 2 s 。例如ab o u t e j d a r 等人 将级联的d g s 结构用于微带低通滤波器的设计，如图1 1 所示 2 = i ，通过选择最 佳级联数和控制两开口环之间的耦合，实现了最低通带损耗和最宽阻带宽度。 陶1 1 开口环缺陷地结构( 叫和级联的缺陷地结构低通滤波器 wnc h e r t 等人采用u 形缺陷地来设计双频带通滤波器【2 4 1 ，如图1 - 2 所示， 通过加入第一对缺陷地柬产生第二通带，通过加入第二对缺陷地来抑制带外高次 皆波。在不增加滤波器面积的情况下，有效地实现了双频和谐波抑制。 栩 圆 i * 大学i 学位* 文 图i - 2 加入第一对缺陷地和第二对缺陷地的积频带通滤波器 d g s 结构也被广泛应用于微带天线中用束抑制表面波和高次谐波，改善双 极化贴片天线中的端口隔离度，减小交叉极化辐射，提高天线的效率等等6 1 ”。 例如，yjs u n g 等人利用h 形d g s 结构的宽频带带阻特性来抑制天线的高次谐 波，大人降低了天线的谐波辐射功率，如图i 一3 所示。 w _ 5 2 _ 图1 - 3h 形缺陷地结构贴片天线 y o t m k y uc h u n g 等人在双频l e 交极化贴片天线中使用d g s 微带馈电线提高 了端口的隔离度6 i ，如图1 - 4 所示，工作频率为2 g h z 和25 g h z 时，改善值选 2 0 d b ，另外，微带线的镜像阻抗的调整岜不需要改变微带线的长度，只要改变 d g s 结构的大小就可实现，因此，使用特性阻抗为7 5 0 的d g s 结构微带线就可 以实现1 5 0 0 的高阻抗线，大大降低了实现难度。 粼 祜 弱 海太# 砸学位论女 图1 4 缺陷地微带馈线贴片天线 d g s 结构还被应用于功率放大器、功分器以及倍频器中1 01 2 。众所周知，微 带线的特性阻抗与介质的介电常数和介质板的厚度有关，但实际中可实现的微带 线的最大特性阻抗值通常存1 2 0 1 3 0 0 ，因为当微带线的阻抗较高时，微带的金 属导带的宽度与介质基底的高度的比值将变得很小，以致难于加工实现。而若在 微带的金属接地板l ：蚀刻出, d g s 结构，那么d g s 结构将给微带线提供一个额外的 有效电感，因此d g s 结构可以用来制作高阻抗的微带线。如图l 一5 所示，l i m 等人 将d g s 结构用于4 ：1 的w i l k i n s o n 功分器的设计”i 实现了高选1 5 0 0 的高阻抗线， 其导带宽度比常规微带线的宽度增加了2 3 8 ，电路面积减小8 3 ：j e o n gy , c 等 人将d g s 结构和前向馈电结构用于一种新型倍频器的设计 1 ，用前向馈电环抑制 基频，用d g s 结构抑制次谐波、四次谐波等等。通过前馈结构 h d g s 结构的结 合使用，在输出端只得到2 倍频率，示意图如图1 6 所示。 ( a 1 顶视图m ) 【j ：视幽 圈1 5 具有d g s 结构的4 ：1 w i l k i n s o n 功分器 4 上海大学硕士学位论文 如咖珈咖 p o i n t b 咖抓珈咖 p o i n t c 图1 - 6 基于前馈结构和d g s 结构的倍频器示意图 1 2 2 陶瓷材料发展及滤波器研究概况 电子陶瓷材料是特种陶瓷材料领域中最具活力、最有发展前途的重要组成部 分。它是以电、磁、光、热和力学等性能及其相互转换为主要特征，在电子、通 讯、自动控制、汽车、航空、核技术和生物技术等众多高技术领域中为关键材料， 其产值约占整个特种陶瓷总产值的7 0 t 2 6 1 ，有着显著的社会效益和可观的经济 效益。 电子陶瓷材料的开发应用首先依赖于新材料的发现和人工合成。由于现代科 学技术的发展，化学与材料科学的发展有机结合，产生了材料化学；物理与材料 科学紧密结合形成了材料物理。随着新化合物、固溶体、多晶型等不断涌现，电 子陶瓷领域中，合成化合物及材料特性方面取得了某些重大进展。目前国内外主 要采用a h 0 3 陶瓷作为集成电路基板材料，然而随着电子元器件向高性能、高密 度、大功率、小型化、低成本方向发展，迫切希望采用高导热系数陶瓷基板，理 论上最适宜的候选材料有金刚石( c ) 、立方氮化硼( b n ) 、氧化铍( b e o ) 、碳 化硅( s i c ) 和氮化铝( a 1 n ) 等。 文献 2 7 】采用介电常数分别为1 0 和2 6 的陶瓷基板，设计了两个结构相同的 带通滤波器，对比两个滤波器发现：采用介电常数为2 6 的陶瓷基板比采用介电 常数为1 0 的陶瓷基板设计的滤波器面积减小5 6 6 7 ，有效实现了滤波器的小型 化设计。 上海大学硕士学位论文 在现代通信和信号处理领域，滤波器作为必不可少的组成部分扮演着一个重 要的角色，并日益凸显其巨大的应用价值。滤波器是种具有频率选择性的器件， 它对某一频率范围内的信号衰减很小使其能够顺利通过，而对其它频段的信号衰 减很大阻止其通过，起到滤除不需要的信号的作用。 1 9 1 5 年，德国科学家k w w a g n e r 和美国科学家g a c a n b e u 分别发明了 电气滤波器，这是最早有关滤波器的概念；1 9 1 7 年，两国的科学家分别发明了 l c 滤波器，接着，第一个多路复用系统产生，从此许多科研人员积极系统地对 采用集总电容和电感的滤波器进行研究；后来，基于传输线理论，特性参数滤波 器的设计理论被提了出来，它是将四端网络( 已知其特性阻抗、频率特性、相移 特性的定k 式、m 导式或最小电感的单元节) 组合成满足一定要求的滤波器， 该方法简单明了、便于掌握，广泛应用在现代滤波器的工程设计中。 不久，随着滤波器设计理论的深入和工作频率的日益升高，滤波器设计由原 先的集总元件l c 滤波器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐 振器 2 引。同时，滤波器在材料领域的进展，也极大地推动了滤波器的发展。1 9 3 9 年，e d r i c h t m e y e r 报道了介电谐振器，它利用了电磁波谐振，具有小尺寸和高 q 值两个显著的特点，然而由于当时的材料温度稳定性不高使该滤波器不足以实 际应用。直到2 0 世纪7 0 年代，随着温度稳定性系数较好的陶瓷材料的发展，介 电滤波器的应用才得到了迅速发展。随着陶瓷材料的发展，滤波器的应用得到迅 速发展，在现有的射频和微波通信器材中介电滤波器已成为最常见的元件之一。 l 一j 天线硬工鼻 图1 7 移动电话射频电路方块图 6 上海大学硕士学位论文 图1 7 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。 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。 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，必须通过带通滤波器提取有用信号并用功率放大 器放大。功率放大器是另一个噪声源，将产生杂散信号，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。 通过对该信号的收发过程分析可以看出，滤波器在无线通信过程中起着相当 重要的作用，在射频电路输入输出级之间普遍存在。同时，随着无线通信微型化 的发展要求，滤波器的小型化成为了一大重要研究课题，并且将会在材料、设计 理论等方面突破、创新。 图i - 8 半波长平行耦合线滤波器 目前最常用的滤波器形式是微带线滤波器和带状线滤波器。微带线滤波器由 于制图方便、通过光刻易于加工、易于和其它有源电路集成等优点，在微波毫米 波频段得到广泛应用。半波长平行耦合微带线带通滤波器是微波集成电路中广为 7 上海大学硕士学位论文 应用的带通滤波器形式，如图1 8 所示，其结构紧凑、第二寄生通带的中心频率 位于主通带中心频率的3 倍处，适用频率范围较大，用于宽带滤波器时相对带宽 可达2 0 。在此基础上，又引申和发展了多种结构，如平行耦合线分裂环滤波器， 应用阶跃阻抗谐振器的平行耦合微带线滤波器等。发夹型滤波器 2 9 】是由发夹型谐 振器并排排列耦合而成的，如图1 9 ，与平行耦合带通滤波器相比，其结构更为 紧凑，在电尺寸较为严格的系统中，发夹型滤波器得到更为广泛的应用。 刈斛向皆 图1 - 9 发夹型滤波器 此外，还有很多滤波器形式如波导滤波器、腔体滤波器、声表面波滤波器、 陶瓷介质滤波器等等，它们各自的特点满足了现代通信多样性的需求。 随着通信的小型化和高频化，d c s ( 1 8 0 h z ) 、p c s ( 1 9 g h z ) 、i s m ( 2 4 0 h z ) 制式的通信器件已经被使用，g p s 等卫星通信装置采用1 5 2 4 g h z 频段，而 w l a n 采用高达2 4 5 7 g h z 频段。同时，各种小体积的滤波器也相继出现，例 如，p h s l 9 0 0 用最小的2 级带通滤波器仅3 8 x 4 3x z 0 ( m m ) ；西门子公司研制 的3 级整块联体型片式介质滤波器，尺寸规格仅8 8x7 4 5 2 7 5 ( m m ) 5 7 5x 4 0 x 2 9 5 ( m m ) ，适用于i s m 9 1 5 、g p s l 5 0 0 等；w l a n 2 4 5 0 的最小型仅为3 2 5 5 0 1 9 ( r a m ) 。 如何在滤波器小型化的同时降低其损耗、获得更高的品质因数，是当前科研 工作者面临的一个问题。在研究这一问题的同时，新的应用材料和技术相继被提 了出来。低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术是目前比较热门的种技术。它采用共烧技术 一次性烧结，降低了成本；同时它的层叠式电路结构有效减小了电路的尺寸；它 上海大学硕士学位论文 具有高品质因数、高稳定性。由于这些优势，使l t c c 技术提出以后很快就运用 到滤波器、双工器等无源器件的开发中。目前国内外已经提出了很多种l t c c 滤 波器结构阻3 1 1 。另外，应用高温超导材料的微波器件也日益广泛。新材料新技术 在新的通信领域中快速多样发展。 1 2 3 研究的目的和意义 随着无线局域网、蜂窝移动通信等无线通信技术的发展，作为微波系统重要 组成部分的滤波器的小型化已成为一个迫切趋势。在无线通信设备的射频前端 中，微型封装、易于加工、成本低廉一直是器件小型化的现实要求。不断地研究 出新型的d g s 结构来运用于滤波器的设计中，既可以满足以上小型化简单化的 要求，又可以很好地抑制谐波。另一方面，d g s 结构由于不受周期限制可以灵 活设计，所以还有很大的空间有待研究。 其次，为了充分利用有限的频谱资源，近几年来双频滤波器的研究越来越重 要，如全球移动通信系统( g s m ) 是工作在9 0 0 m h z 和1 8 0 0 m h z 。为了实现双频 利用，可以设计两个在不同频率下相互独立工作的滤波器电路，用开关在两电路 之间切换，但是这种电路结构复杂、体积很大：也可以通过谐振器的馈线设计来 达到双频通信的目的，但这有时也会增加介质基板的面积，不能最大限度实现小 型化的目的。所以在不增加电路复杂度和介质基板面积的情况下，研究新型的 d g s 结构来实现双频通信，也是本论文工作的一部分。 1 3 本论文的主要内容和工作 本论文的主要内容和工作： 1 概述了d g s 结构的研究概况以及滤波器设计的基本原理，分析了具有 d g s 结构的滤波器的等效电路； 2 在常规的哑铃形d g s 结构的基础上，提出了种改进的哑铃形d g s 结构， 对其单元的等效电路和带隙特性进行了分析，满足了对低通滤波器小型化的 需要，仿真结果显示了很好的低通特性； 3 提出了一种新型的d g s 结构，提取了它的等效电路模型，与传统的哑铃 形d g s 结构的特性进行了比较，并充分研究了其特性的变化规律。所设计的 9 上海大学硕士学位论文 低通滤波器实现了通信系统对极高的频率选择性、很好的带内特性和小型化 的要求； 4 基于谐振器的谐振条件，提出了两种新的d g s ：“准e 形 d g s 和五边形 d g s ，利用其中一种d g s 设计制作了应用于无线局域网( w l a n ) 的双频带带 通滤波器。 5 总结了d g s 结构的独特性能以及其在设计上的优点。 1 0 上海大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章滤波器设计的基本理论 微波滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，利用它们分离或阻隔不同 频率的信号。微波滤波器品种多样、性能各异，应用也极为广泛。滤波器按照其 选频特性主要分为四种类型，即低通、高通、带通和带阻，而在实际设计滤波器 时，一般先要确定一个低通原型，而后进行频率变换和元件变换得到所需类型的 滤波器。滤波器设计的理论已非常成熟，很多关于滤波器设计的书中都有对其基 本理论的详细论述【3 2 3 3 1 。因为各种低通、高通、带通和带阻滤波器，其传输特性 都可由原型特性推导出来，故本论文中只对低通原型滤波器、传输函数、频率变 换和元件变换等设计理论简单介绍。 2 2 低通原型滤波器分类 一个二端口滤波网络的传输函数是网络响应特性的数学描述，也就是散射参 量$ 2 1 的数学表达。在大多数情况下，一个无耗无源滤波网络的幅度平方传输函 数定义为： i $ 2 1 u g l 2 2 鬲而 g _ ) 式( 2 1 ) 中，占为波纹系数，c ( q ) 是特性函数，q 是频率变量。对于给定的如 式( 2 1 ) 的传输函数，滤波器的插入损耗响应定义为： 1 ) 1 q l o g 商d b ( 2 2 对于一个无耗无源的二端口网络，有i s 。1 2 + i 迎。1 2 = 1 ，所以滤波器的反射损耗响 应可以定义为： 厶( q ) = l o l o g 1 一i 是l ( 皿) 【2 】d b( 2 3 ) 不同的特性函数c ( q ) 区分了不同的滤波器响应特性，典型的有：最大平 上海大学硕士学位论文 坦响应型( m a x i m a l l yf l a tr e s p o n s eo rb u t t e r w o r t hr e s p o n s e ) 、切比雪夫响应型 ( c h e b y s h e vr e s p o n s e ) 、椭圆函数响应型( e l l i p t i cf u n c t i o nr e s p o n s e ) 和高斯 响应型( g a u s s i a nr e s p o n s e ) 等等。 2 2 1 最大平坦响应型 最大平坦响应型也称为巴特沃斯型。对于在截止频率q 。= 1 处插入损耗 l ，= 3 0 1 d b 的最大平坦响应型滤波器的幅度平方的传输函数为： i 是。( q ) 1 2 = i 妄f ( 2 4 ) 式( 2 4 ) 中，n 是滤波器的阶数，对应于低通原型滤波网络中电抗性元件的数目。 其插入损耗的频率特性响应曲线如图2 1 。 f 岔 q c 口呻 图2 1 最大平坦响应型滤波器的插入损耗频响特性 2 2 2 切比雪夫响应型 切比雪夫响应型又称等波纹型，其响应曲线在通带内等波纹，在阻带内最大 平坦。幅度平方传输函数为： 嘲歹刚= 而1 ( 2 5 ) 式( 2 5 ) 中g 是波纹系数，若给定的通带内波纹为l ( 以d b 表示) ，则： 1 2 上海大学硕士学位论文 n 阶切比雪夫函数： ：添10f i o - i ( 2 6 ) 驰，- 嚣：鬻 亿7 ， 其响应曲线如图2 2 所示： f 宣 q cq 一 图2 2 切比雪夫响应型滤波器的插入损耗频响特性 2 2 3 椭圆函数响应型 椭圆函数响应型曲线在通带和阻带内都呈现等波纹，其幅度平方传输函数 为： 瞰q ) 1 2 2 而i ( 2 8 ) 式( 2 8 ) 中占是通带内的波纹系数，c ( q ) 定义为： 兀( q ，2 一q 2 ) m i 产l 一 兀( q ，2 q ，2 - f 2 2 ) f 暑l r i 卜l v 2 q 兀( q ；2 一q 2 ) n 而丽丝一 兀( q ，2 q ；2 - f 2 ) 1 3 n 为偶数 ( 2 9 ) n 为奇数且n 3 上海大学硕士学位论文 式( 2 9 ) 中，q f ( o 0 7 ，即一3 d b 。 2 ) 带内回波损耗i 也( s 1 1 ) 滤波器的回波损耗反映的是滤波器输入输出端口与外界阻抗的匹配程度。回 波损耗s 11 越小越好，一般s 11 0 1 ，即2 0 d b 。 3 ) 带宽b w 或相对带宽f b w b w = 无一无 ( 2 2 5 ) f b w ：婴1 0 0 ( 2 2 6 ) ) q 微波滤波器是一种频率隔离器件，它要求占用一定频段宽度的有用信号通 过，而其它频段的无用信号被阻隔掉，所以滤波器需要满足一定的带宽要求。 4 ) 带外衰减 由于要阻止带外无用信号的通过，因此带外衰减特性越大越好，一般用与截 止频率为一定比值的频率点的衰减值来表征。 5 ) 波纹系数： 滤波电路通带内的平坦度可以用波纹系数来描述，单位为分贝。波纹系数表 示在通带内信号响应的最大值和最小值的差值。 2 6 小结 本章简单地分析介绍了滤波器设计的基本理论，给出了低通原型滤波器、频 率变换、元件变换过程来设计低通、高通、带通、带阻等需求的滤波器类型，并 分析了微波滤波器几个重要的参数指标。本章内容为后面章节中滤波器的设计提 供准备。 h 脚 自 * i 第二i 章改进的哑铃型d g s 结构及应用 3 1 引言 缺陷地结构足在光于带隙结构( p b g l 的基础h 提出柬的，与p b g 结构类似， 缺陷地结构也足通过神金属接地板t 蚀刻m 周期或者非周期的缺陷，柬抑制某蝗 频段上l u 磁波的传输，表现出r 梆特性：另外，在地板上蚀刻出缺| ；f 形成了种 慢波结构，使电磁波的有效波长增加可以得到更加紧凑的电路结构。由于这此 独特性能，使其被广泛应用于微波屯路的设计当中。在文献3 4 q t ，d g s 结丰 被 用米设计性能优良的低通滤波器，如图3 - 1 所不 图3 - 1d o s 结构他通滤波嚣及其8 参数曲线 奉章提出，种新的改进的哑铃型d g s 结构，它m 两个扇形和个矩形连 接槽组成，该结构与传统赃铃型d g s 结构的特肚相似，可以通过电路理| 等敛 为。并联谐振电路奉覃分析r 其带隙特性并应用j 。低堪滤波器设汁，t 维t u 磁 场仿真结果验证了滤波器结构设计的台理性。 32 改进的哑铃型d g s 结构的设计 本章提出的改进的哑铃型d g s 结构单元圈如图3 - 2 f a ) 所示，它包含两个扇 形和一个矩形的连接槽。返啦我们绘出对比的常规哑铃型d g s 结构图( 女l i 目 上海大学硕士学位论文 3 - 2 0 , ) ) 。这里，选用的陶瓷介质基板的相对介电常数占，= 2