（电磁场与微波技术专业论文）高性能小型化微波无源器件研究.pdf

u n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e gr e e r e s e a r c ho n t h eh i g h p e r f o r m a n c ea n dc o m p a c t m i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n a u t h o r sn a m e ：c h a n gc h e n s p e c i a l i t y ：e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d a n dm i c r o w a v et e c h n o l o g y s u p e r v i s o r ：p r o f w e i d o n gc h e n f i n i s h e dt i m e ：m a y , 2 0 1 2 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究工作所取得的成 果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期：2 丝：i ! 兰 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定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，可以将学位论文编入中国学 位论文全文数据库等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、汇编学位论文。本人提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 圊签开口保密( 年) 作者签名：殛垣 签字日期：竺1 2 ：笸! 竺 导师签名： 签字日期：垄12 ：董：量 摘要 摘要 微波无源器件作为现代无线通信系统的重要组成部分，其高性能小型化的设计和实现方 式一直是无线通信射频系统研发的主要目标。目前，人们为此提出了一系列新颖的设计方法 和实现形式，如采用双多模结构、多层结构、缺陷地结构等，取得了较好的实现效果，但 仍然还存在许多实际问题需要深入探讨和研究。据此，本论文在高性能小型化微波无源器件 研制方面主要开展以下研究工作： 第一，广义切比雪夫滤波器综合技术的研究。针对高阶滤波器设计中的参数优化问题， 利用遗传算法的并行和全局搜索的特点，稳定有效地提取了广义切比雪夫滤波器耦合矩阵， 为后续章节的滤波器小型化设计提供了理论指导。 第二，双模谐振和介质加载的金属腔结构小型化无源器件的研究。金属腔结构无源器件 具有低损耗、高功率容量的特点，仍然是当前高功率无线通信系统不可或缺的基本组件。本 文采用矩形单腔双模谐振结构，获取了通带外的额外传输零点，研制了高带外抑制的矩形波 导双工器；采用圆形单腔双模谐振结构实现了四阶椭圆滤波器，与传统单模结构相比，体积 减小约5 0 ；采用矩形单腔高q 值介质加载结构，研制了低损耗、高带外抑制的金属腔混 合多工器。 第三，微带枝节线加载结构的微波无源器件研究。微带枝节线加载可以实现：1 通带外 附加零点，提高带外抑制；2 双模谐振结构，便于构造双频器件；3 慢波结构，减小主传输 线的有效长度，实现小型化。本文首先研究了枝节线加载结构等效电路模型；在传统 h a i r p i n - c o m b 滤波器引入枝节线结构，提供了通带外的额外传输零点，显著提高了带外抑制； 利用枝节线加载结构的双频特性，研制了小型化的宽带双频分支线耦合器和双频耦合线巴伦， 在两个频带同时准确实现了输出端口间的9 0 0 相差。 第四，微带缺陷地双模结构的微波无源器件研究。本文以方形微扰谐振环双模结构为基 础，建立了微带缺陷地双模结构等效电路模型，全面分析了该结构的通带频率特性。提出了 新的方形微扰谐振环缺陷地双模结构和枝节线加载方形谐振环缺陷地双模结构，据此研制了 三种双模双频段滤波器。与传统结构相比，滤波器尺寸减小约5 0 ，并且具有结构简单、 易于加工和集成的特点。 关键词：微波无源器件；小型化设计：双模结构：介质加载：枝节线加载：缺陷地结构 a b s t r a c t a b s t r a c t m i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n t sa r ei m p o r t m tp a r t so fm o d e mw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s y s t e m s ，s o t h e d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n m e t h o d sf o rt h e i rh i g h - p e r f o r m a n c ea n d m i n i a t u r i z a t i o nh a v eb e e nt h ec r u c i a lg o a lo f t h ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nr fs y s t e md e v e l o p m e n t ， u pt on o w , as e r i e so f n o v e lm e t h o d ss u c h t h eu s eo f d u a l m u l t i - m o d es t r u c t u r e ，t h em u l t i l a y e r s t r u c t u r ea n dd e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r ee t c h a v eb e e np u tf o r t ha n dm a d es o m ei m p r o v e m e n t s ，b u t t h e r e 淝s t i l lm a n yp r a c t i c a lp r o b l e m st ob ei n v e s t i g a t e d a c c o r d i n g l y , t h ef o l l o w i n gr e s e a r c h e s a r ec a r r i e do u to nt h eh i g h - p e r f o r m a n c ea n dm i n i a t u r i z a t i o nm i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n t si n t h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , t h es y n t h e s i sm e t h o df o rg e n e r a l i z e dc h e b y s h e vf i l t e r i st h o r o u g h l yi n v e s t i g a t e d w i t ht h ea d v a n t a g eo fp a r a l l e lo p e r a t i o na n dg l o b a ls e a r c h ) as t a b l ea n de f f i c i e n tm e t h o db a s e do n g e n e t i ca l g o r i t h m si su s e dt oe x t r a c tt h ec o u p h n gm a t r i xo f t h eg e n e r a l i z e dc h e b y s h e v f i r e r a n d t h em e t h o dp r o v i d e sat h e o r e t i c a lg u i d a n c ef o rt h ef i l t e rm i n i a t u r i z a t i o nd e s i g ni nt h ef o l l o w i n g c h a p t e r s s e c o n d l y , t h em i n i a t u r i z a t i o nm e t a l c a v i t yp a s s i v ec o m p o n e n t sw i t hd u a l - m o d er e s o n a t o r s t r u c t u r ea n dd i e l e c t r i cl o a d e ds t r u c t u r ea r cr e s e a r c h e d m e t a l - c a v i t yp a s s i v ec o m p o n e n t sw i t h l o w - l o s sa n dh i g hp o w e rc a p a c i t ya r es t i l li n d i s p e n s a b l ei nt h ec u r r e n th i g h - p o w e rw i r e l e s s c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a ne x t r at r a n s m i s s i o nz e r oo u to ft h ep a s s b a n dc a nb eo b t a i n e db yu s i n g s i n g l e - c a v i t yd u a l - m o d er e c t a n g l ew a v e g u i d er e s o n a t o r , a n dar e c t a n g l ew a v e g u i d ed u p l e x e rw i t h h i g ho u t - o f - b a n dr e j e c t i o ni sd e v e l o p e d af o u rp o l e se l l i p t i c f i l t e ri sr e a l i z e db ys i n g l e 。c a v i t y d u a l m o d ec i r c u l a rw a v e g u i d er e s o n a t o r c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a ls i n g - m o d es l r u c t u r e ， t h ed i m e n s i o nc a nb er e d u c e db ya b o u t5 0 ah y b r i dm e t a l - c a v i t ym u l t i p l e x e rw i t hl o w - l o s sa n d k g ho u t - o f - b a n dr e j e c t i o ni sa c h i e v e db ys i n g - c a v i t yd i e l e c t r i cl o a d e dr e c t a n g l er e s o n a t o rw i t h h i g l l q v a l u e t h i r d l y , n o v e l m i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n t sw i t hs t u b - t a p p e dm i c r o s t r i pl i n e a r e r e s e a r c h e d u s i n gs t u b - t a p p e dm i c r o s t r i pl i n e ，t h ef o l l o w i n gf u n c t i o n sc 姐b ea c h i e v e d ：1 a ne x t r a t r a n s m i s s i o nz e r oo u to ft h ep a s s b a n di so b t a i n e dt oi m p r o v eo u t o f - b a n dr e j e c t i o n ；2 d u a l 。m o d e r e s o n a t o ri sd e r i v e dt oa c h i e v ed u a l - b a n dc o m p o n e n t s ；3 s l o w w a v es t r u c t u r ei sr e a l i z e dt or e d u c e t h el e n g t ho ft h et r a n s m i s s i o nl i n ea n dm a k et h ec o m p o n e n t sm i n i a t u r i z a t i o n t h ee q u i v a l e n t c i r c u i tm o d eo f t h es t u b - t a p p e dm i c r o s t r i pl i n ei sr e s e a r c h e d a ni m p r o v e dh a i r p i n - c o m bb a n d p a s s f i l t e rw i t ht a p p e do p e ns t u b si so b t a i n e d c o m p a r i n gw i t ht h ec o n v e n t i o n a lh a i r p i n - c o m bf i l t e r , t h e o u t o f - b a n dr e j e c t i o ni sr e m a r k a b l yi m p r o v e db ys t u b - t a p p e dm i e r o s t r i pl i n e ab r o a d b a n da n d a b s t r a c t d u a l b a n db r a n c hl i n ec o u p l e ra n dac o u p l e rl i n eb a l u na r er e a l i z e db yu s i n gt h ed u a l b a n d c h a r a c t e r i s t i c so ft h es t u b - t a p p e dt r a n s m i s s i o nl i n e c o m p a r i n gw i t ht h eo t h e rd e s i g n s ，t h ep h a s e d i f f e r e n c e so ft h et w oo u t p u tp o n si nd u a l b a n da r eb o t h9 0 。，a n dn oa d d i t i o n a lp h a s ec o r r e c t i o ni s n e e d e d f i n a l l gm i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n t sw i t hm i c r o s t r i pd g sa n dd u a l - m o d es t r u c t u r ea r e s t u d i e d b a s e do ns q u a r er i n gd u a l - m o d er e s o n a t o rs t r u c t u r e ，t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lf o r m i c r o s t r i pd g sa n dd u a l - m o d e s t r u c t u r ei sd e r i v e da n dt h ef r e q u e n c yr e s p o n s e so ft h i ss t r u c t u r e a r ec o m p r e h e n s i v e l ya n a l y z e d t h en o v e ls q u a r er i n gd u a l - m o d es t r u c t u r ew i t hd g sa n ds q u a r e r i n gd u a l m o d es t r u c t u r ew i 也t a p p e ds t u b sa r ep r o p o s e da n dt h r e ed i f f e r e n tt y p e so fd u a l - m o d e d u a l b a n df i l t e ra r er e a l i z e d t h ed i m e n s i o no f t h ep r o p o s e df i l t e r sc a n h ed e c r e a s e dt oa b o u t5 0 o f t h ec o n v e n t i o n a ld e s i g n a n dt h es t r u c t u r ei sc o m p a c ta n de a s yf a b r i c a t i o n k e yw o r d s ：m i c r o w a v ep a s s i v ec o m p o n e n t s ，m i n i a t u r i z a t i o nd e s i g n , d u a l m o d es t r u c t u r e ， d i e l e c t r i c - l o a d e d , s t u b - t a p p e dl o a d e d , d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e 目录 目录 摘要i a b s t r a c t 一i i 目录i v 图目录i 第l 章绪论。1 1 1 研究背景和意义l 1 2 国内外研究现状2 1 3 本文的主要研究内容6 第2 章微波网络理论8 2 1 引言8 2 2 二端口网络8 2 2 1 二端口网络的网络参数8 2 2 2 二端口网络的连接形式9 2 3 三端口和四端口网络。1 2 2 3 1 三端口网络1 2 2 3 2 四端口网络1 3 2 4 本章小结l5 第3 章基于遗传算法的广义切比雪夫滤波器综合1 6 3 1 引言1 6 3 2 滤波器基础理论j 16 3 2 1 滤波器低通原型及其分类1 6 3 2 2 频率变换18 3 3 广义切比雪夫滤波器耦合电路模型与传递函数综合1 9 3 3 1 广义切比雪夫滤波器简介1 9 3 3 2 广义切比雪夫滤波器耦合电路模型2 0 3 3 3 广义切比雪夫传递函数综合。2 3 3 4 耦合矩阵综合技术2 6 3 4 1 遗传算法简介2 6 3 4 2 遗传算法的基本元素2 7 3 4 3 遗传算法的求解过程2 7 3 4 4 广义切比雪夫耦合矩阵遗传算法求解2 9 3 5 广义切比雪夫滤波器耦合矩阵综合计算实例3 l 目录 3 5 1c a s c a d e d t r i p l e t ( c t ) 结构滤波器综合3 1 3 5 2c a s c a d e dq u a d r u p l e t ( c q ) 结构滤波器综合3 2 3 6 本章小结3 3 第4 章金属腔结构小型化高性能无源器件研究3 4 4 1 引言。3 4 4 2 带有传输零点的1 5 g h z 单模双模混合波导双工器3 4 4 2 1 矩形波导传输模式分析3 5 4 2 2 接收滤波器和发射滤波器设计3 9 4 2 3 波导结环行器4 0 4 2 4 波导低通滤波器4 2 4 2 5 波导双工器整体设计4 3 4 3 四腔圆波导双模滤波器。4 5 4 3 1 圆波导传输模式分析4 5 4 3 2 双模圆波导耦合机理及其实现4 8 4 3 3 圆波导双模滤波器的实现。5 l 4 4 介质加载金属空腔混合多工器5 2 4 4 1t e o l 万模介质谐振结构分析5 3 4 4 2 多工器的设计5 5 4 4 3 多工器的实现和测试结果。5 7 4 5 本章小结5 9 第5 章枝节线加载结构的无源器件研究一6 0 5 1 引言。6 0 5 2 传输线加载结构分析一6 0 5 2 1 电容加载慢波结构特性分析。6 0 5 2 2 枝节线加载结构特性分析6 2 5 3 改进的加载开路枝节线发卡滤波器6 3 5 3 1 加载开路枝节线发卡谐振器6 3 5 3 2 加载开路枝节线发卡滤波器的实现与讨论6 5 5 4 宽带双频分支线耦合器设计6 7 5 4 1 分支线耦合器电路分析6 7 5 4 2 宽带双频分支线耦合器的实现7 0 5 5 枝节线加载双频耦合线巴伦7 4 5 5 1 利用对称四端口网络的巴伦实现7 4 5 5 2 枝节线加载巴伦结构7 6 v 目录 5 。5 3 枝节线加载巴伦设计与实现7 7 5 6 本章小结7 9 第6 章微带缺陷地双模结构的双频滤波器研究8 0 6 1 引言8 0 6 2 微带贴片双模谐振器一8 0 6 3 基于缺陷地结构的双模谐振环双通带滤波器8 2 6 3 1 双模方形微带谐振环一8 2 6 3 2 双模谐振环双通带滤波器。8 4 6 3 3 改进的双模谐振环双通带滤波器9 0 6 4 基于缺陷地结构的枝节线加载双通带滤波器9 2 6 4 1 枝节线加载双模滤波器9 2 6 4 2 缺陷地枝节线加载双通带滤波器设计9 3 6 5 本章小结9 5 第7 章总结与展望9 6 7 1 总结9 6 7 2 展望9 7 参考文献9 8 作者在攻读博士学位期间完成的学术论文一1 0 8 致谢一1 0 9 图目录 图目录 图1 i 频分双工( f d d ) 通信系统框图1 图1 ，2 电容加载传输线结构示意图2 图1 3d g s 结构示意图3 图1 4 折叠线结构示意图3 闭1 5 阶跃阻抗谐振器结构示意图5 图1 6 基片集成波导结构示意图。6 图2 1 二端口网络参数示意图8 图2 2 二端口网络并联连接示意图1 0 图2 3 二端口网络串联连接示意图1 l 图2 4 二端口网络级联连接示意图l l 图3 1 滤波器低通原型及其对偶形式。1 7 图3 2 各种低通原型的频率响应18 图3 3 广义切比雪夫滤波器二端口网络2 0 图3 4 广义切比雪夫滤波器等效电路模型2 0 图3 5 遗传算法优化求解流程图2 8 图3 6 单点交叉操作示意图2 9 图3 7 变异操作示意图2 9 图3 8 耦合矩阵提取方法流程图3 0 图3 9c a s c a d e d t r i p l e ( c t ) 结构示意图3 1 图3 王03 阶c t 结构滤波器频率响应3 2 圈3 11c a s c a d e dq u a d r u p l e t ( c q ) 结构示意图3 2 圈3 1 24 阶c q 结构滤波器频率响应3 3 图4 11 5 g h z 波导双工器结构功能框图3 5 图4 2 矩形波导示意图3 5 图4 3 矩形波导谐振腔结构示意图一3 8 图4 4 传输零点在通带右边的谐振腔结构及其频率响应曲线3 8 图4 ，5 传输零点在通带左边的谐振腔结构及其频率响应曲线3 9 图4 6 接收滤波器和发射滤波结构示意图4 0 图4 7 哳波导结腔波导环行器结构图4 l 图4 8 频率响应曲线的仿真结果4 l 图4 9 波纹波导低通滤波器的结构图4 2 图4 1 0 波导低通滤波器等效电路示意图4 2 v i 图目录 图4 11 波纹波导低通滤波器频率响应曲线4 3 图4 1 2 端口转换结构示意图4 3 图4 1 3 端口转换结构的频率响应仿真曲线4 4 图4 1 41 5 g h z 单模双模混合波导结构示意图4 4 图4 1 515 g h z 单模双模混合波导双工器实物图4 4 图4 1 61 5 g h z 单模双模混合波导双工器测试结果4 5 图4 1 7 圆波导结构示意图4 5 图4 1 8 四腔圆波导双模滤波器的结构示意图4 9 图4 19 四个模式耦合实现示意图4 9 图4 2 0 等效耦合路径示意图一5 0 图4 2 l 实现尬4 负耦合的四个模式耦合示意图5 0 图4 2 2 四腔圆波导滤波器结构模型5 l 图4 2 3 四腔圆波导滤波器仿真结果5l 图4 2 4 四腔圆波导滤波器实物图5 2 图4 2 5 四腔圆波导滤波器测试曲线5 2 图4 2 6 四工器功能框图5 3 图4 2 7r e o 。模介质谐振单元的结构一5 3 图4 2 8 修正c o h n 介质谐振单元模型5 4 图4 2 9 两个t e o 协介质谐振腔耦合磁场分布顶视图5 5 图4 3 0r e o ，。模介质谐振腔组成的c q 结构示意图5 7 图4 3 l 多工器整体优化电路模型5 7 图4 3 2 多工器整体优化后频率响应曲线5 8 图4 3 3 加工实物图和测试曲线一5 8 图5 1 电容加载传输线结构等效电路图6 l 图5 2 开路枝节线对称加载结构及其奇偶模等效电路6 2 图5 3 传统发卡滤波器结构示意图6 4 图5 4 加载开路枝节线发卡谐振器结构及其等效电路6 4 图5 5 改进开路枝节线发卡滤波器结构示意图6 5 图5 6 传统发卡滤波器实物图6 5 图5 7 传统发卡滤波器频率响应测试曲线一6 6 图5 8 改进后发卡滤波器实物图6 6 图5 9 改进后发卡滤波器频率响应测试曲线6 7 图5 1 0 单级分支线耦合器结构示意图6 8 图5 1 l 两节级联分支线耦合器的结构示意图6 8 图目录 图5 1 2 中间位置加载枝节线传输线结构示意图6 9 图5 1 3 宽带双频分支线耦合器结构示意图7 1 图5 1 4 宽带双数分支线稍合器结构7 l 图5 1 5 宽带双频分支线耦合器s 参数仿真曲线7 1 图5 1 6 输出端口相位差仿真曲线7 2 图5 1 7 宽带双频分支线耦合器实物图7 2 图5 1 8 宽带双频分支线耦合器s 参数测试曲线7 3 圈5 1 9 输出端口相位差测试曲线o 0q0b000000oiuq0 7 3 图5 2 0 微带线m a r c h a n d 巴伦示意图7 4 图5 2 l 奇一偶模激励等效电路图7 5 图5 2 2 枝节线加载巴伦结构图7 6 图5 2 3 各参数数值关系曲线7 6 图5 2 4 双频巴伦结构示意图7 7 图5 2 5 双频巴伦实物照片7 7 图5 2 6 双频巴伦频率响应仿真结果和测试结果图：7 8 图5 2 7 双频巴伦输出端口相位差仿真和测试曲线7 9 图6 1 微带贴片双模结构谐振腔模型。8 0 图6 2 两个耦合筒并模的等效电路图8 1 图6 3 一些微带双模谐振结构8 2 图6 4 双模方形微带谐振环结构示意图8 3 图6 5 双模方形微带谐振环频率响应曲线8 3 图6 6 方形微带谐振环传输线模型8 4 图6 7 双模双通带滤波器结构示意图8 5 图6 8 顶面谐振单元结构示意图8 6 图6 9 顶面谐振单元频率响应仿真曲线8 6 图6 1 0 底部谐振单元结构示意图8 7 图6 n 底部谐振单元频率响应仿真曲线一8 7 图6 1 2 底面谐振单元通带随g 。的变化曲线一8 8 图6 1 3 双模双通带滤波器等效电路图8 8 图6 1 4 滤波器通带随的变化8 9 图6 1 5 双模双通带滤波器实物图8 9 图6 1 6 双模双通带滤波器测试结果与仿真结果对比9 0 图6 1 7 改进的双模谐振环双通带滤波器结构示意图9 l 图6 1 8 改进的双模谐振环双通带滤波器实物图9 l 图目录 图6 1 9 改进的双模双通带滤波器测试结果与仿真结果对比9 2 图6 2 0 枝节线加载方形微带环结构示意图9 2 图6 2 l 枝节线加载方形微带环频率响应仿真曲线9 3 图6 2 2 底部枝节线加载滤波器示意图9 4 图6 2 3 枝节线加载双通带滤波器频率响应仿真曲线9 4 图6 2 4 枝节线加载双通带滤波器实物图9 5 图6 2 5 枝节线加载双通带滤波器测试曲线9 5 1 1 研究背景和意义 第1 章绪论 第1 章绪论 通信技术产业是上世纪8 0 年代以来发展最快的领域之一，不论是在国际还是 在国内都是如此，这是人类进入信息社会的重要标志之一。最近几十年来，随着 人们对移动通信需求的飞速增长，现代无线通信技术出现了非常迅猛的发展，因 此作为无线通信技术中的硬件组成部分，微波电路与系统受到越来越多的关注。 一卜典型的频分双工( f d d ) 通信系统【l 】如图1 1 所示，有源部分包括低噪声放大 器、功率放大器等元器件，无源部分包括滤波器、双工器、天线、巴伦、功分器 等。可以看到滤波器( 双工多工器) 、巴伦、功分器等无源元器件在现代无线 通信系统( 包括卫星通信，无线基站，手持设备等) 中各自扮演着重要的角色， 是微波电路与系统中不可或缺的重要元件。 天线 中频输出 图1 1 频分双工( f d d ) 通信系统框图 随着现代无线通信技术的迅速发展，人们对通信系统提出了更高的要求：小 型化、低功耗、高可靠性、高性能等。要求通信系统体积越来越小，性能越来越 好，因此对通信系统的小型化、高性能的研究得到了越来越多的关注。随着半导 体技术和工艺水平快速提高，出现了一系列新的工艺和实现方式，如系统级芯片 ( s o c ) 、系统级封装( s i p ) ，将系统中的一些关键元器件( 特别是有源元器件) 集成在一块芯片上，降低了功耗，提高了系统集成度，因此得到了广泛的应用。 但是在无线通信系统中，特别是基站设备中的滤波器，双工器，天线，功分 器等无源设备，由于其特殊的工作原理和工作性能要求，很难集成在一块芯片上。 而这些无源元器件的工作性能高低对系统的整体性能又有着直接的影响，同时其 第1 章绪论 尺寸大小也直接影响了无线通信系统的体积。因此无源元器件小型化和高性能问 题一直是研究的热点。 从2 0 世纪中期开始，微波技术得到了迅速的发展，对于通信系统中的各种 无源元器件，人们提出了很多设计理论和方法，但是传统的设计方法很难满足其 小型化和高性能的需求。因此针对这些迫切的需求，国内外学者、研究人员进行 了深入的研究，提出了系列行之有效的设计方法和实现结构。本文所研究的课 题就是基于这一背景提出的，即研究现代微波无源器件的小型化技术和高性能设 计这两个关键问题。通过深入研究几种前沿微波电路结构及其频率特性，将它们 应用于各种微波元器件设计中，实现了一系列高性能的滤波器、双工器、巴伦、 耦合器等元器件。 1 2 国内外研究现状 对于无线通信系统中无源元器件小型化和高性能设计，国内外的学者进行了 很多研究，取得了众多研究成果，总结起来主要集中在以下几个方面： 1 ) 慢波结构担3 慢波结构是实现无源元件小型化设计的一种有效方案，目前这种技术已广泛 应用于滤波器口谢3 、耦合器陇。嚣3 等无源元件的小型化、高性能设计中。慢波加载 的具体形式有很多种，可分为以下几种类型： a 在无源器件主传输线上进行电容或电感加载。 在无源器件的主传输线引入加载电容或电感来增加主传输线上单位长度的 等效电容或电感，从而实现了慢波效应，如图1 2 所示，具体又可以表现为集总 元件加载和分布参数加载两种形式。当工作频率较高时，相对于集总元件加载， 分布参数加载形式具有损耗小的优势，因而得到了广泛应用。 d 图1 2 电容加载传输线结构示意图 b 采用缺陷地( d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ，d g s ) 结构实现慢波加载。 1 9 9 9 年j i p a r k 等人在研究光子带隙( p b g ) 3 0 3 1 1 的基础上提出d g s 结构 3 2 j ， 第1 章绪论 如图1 3 所示。近年来，d g s 结构逐渐成为微波电路设计领域的一个研究热点。 与电磁带隙( e b g ) 结构类似，d g s 结构也是通过在接地板上刻蚀缺陷的图形构 造的，在接地板上刻蚀缺陷图形会扰乱接地板上传导电流的分布，从而改变传输 线的传输特性。适当的d g s 形式能够增加传输线单位长度的电容和电感，从传输 特性上来看相当于引入了慢波效应。 根据接地板上缺陷图形的不同可以分为微带缺陷地结构( m i c r o s t r i pd g s ) 、 共面波导缺陷地结构( c p wd g s ) 、槽线缺陷地结构( s l o t l i r i ed g s ) 等形式。 由于电磁特性的复杂性，d g s 结构的频率特性很难给出精确和严密的公式推导， 所以一般采用l c 电路模型去等效【3 ”5 1 。可以利用d g s 结构与传输线的串联或者 并联组合方式，实现阻带或者通带效应 3 6 - 3 7 】。 图1 3d g s 结构示意图m 1 c 通过折叠线、分型等结构【3 8 4 0 】进行加载实现慢波效应。 这种慢波结构的原理是在保持电路面积不变的情况下，在无源元件的内部引 入折叠线、分形等结构形式。折叠线( 如图1 4 所示) 、分形结构等可以增加信号 在无源元器件中的传输距离，使用较小的电路面积就可以获得满足设计要求的相 移，即实现了慢波效应。 l s y m m e t r y i p l a n e l 图1 4 折叠线结构示意图 3 第1 章绪论 2 ) 双多模结构 双多模结构是一种较为实用的小型化技术。谐振器中对于不同的场分布有 无穷多个谐振模式和谐振频率，其中具有相同谐振频率的模式称为简并模。以双 模结构为例，若在单个谐振器中加入微扰( 如加入小的贴片、开槽或切角等) ， 可改变原正交简并模的电场分布，使得一对正交简并模产生耦合，而两个耦合简 并模的作用相当于两个耦合谐振器，进而可以在保持谐振回路性能不变的情况下， 将谐振器的个数减少一半，因此可以减小电路体积或面积。 双多模结构最早出现于卫星通信系统的腔体元器件设计中，19 51 年林为干 提出了关于一腔多模的微波滤波器理论，该理论首次提到了多模谐振结构 4 l 】， 此