（电磁场与微波技术专业论文）微带环形双模带通滤波器研究.pdf

摘要 微带结构的滤波器由于具有尺寸小、重量轻、成本低、易于集成等优点，在微波集成 电路( m i c ) 与射频集成电路( r f i c ) 中有着广泛的应用。微带滤波器的种类和结构多种多样， 其中基于双模谐振腔的带通滤波器由于其优越的性能指标成为近年来的研究热点。本文主 要研究采用环形双模谐振腔的微带带通滤波器的设计问题，相比于矩形、圆形、三角形等 谐振腔，环形谐振腔的主要优点是尺寸小，而缺点则是损耗较大。为降低采用环形双模谐 振腔的滤波器的插入损耗，本文提出了一种异面馈电的设计思路，根据这一设计思路，在 设计微带结构环形双模谐振腔滤波器时，其输入输出结构被设置在谐振腔与金属底板之 间的介质层中，同时，这种设计思路还可以应用于共面波导结构的滤波器。仿真和实验结 果表明根据这一设计思路设计的双模带通滤波器的插入损耗能够获得显著的改善。此外， 本文还提出了一种能够有效抑制环形双模谐振腔带通滤波器的寄生通带的新的滤波器结 构，仿真与实验结果都验证了这种滤波器结构的有效性。 关键词：微波滤波器，微带线，双模谐振器，环形谐振腔 a b s t r a c t t h ef i l t e r sc o n s t r u c t e do nm i c r o s t r i p 1 i n ea r ew i d e l ya p p l i e dt om i c r o w a v ei n t e g r a t e d c i r c u i t s ( m i c s ) a n dr f i c sd u e t ot h ea d v a n t a g e ss u c ha ss m a l ls i z e ，l i g h tw e i g h t ，l o wc o s t ，a n d e a s yi n t e g r a t i o nw i t ho t h e rm i c r o w a v ec o m p o n e n t s m i c r o s t r i pf i l t e r sm a y b ed i v i d e di n t om a n y t y p e s ，i nw h i c ht h eb a n d p a s sf i l t e r su s i n gd u a l m o d e r e s o n a t o r sh a v eb e e na t t r a c t i n gm u c h a t t e n t i o nb e c a u s eo ft h e i re x c e l l e n tp e r f o m m n c e i nt h i sp a p e r ，ak i n do fm i c r o s t r i pb a n d p a s s f i l t e r su s i n gd u a l m o d er i n gr e s o n a t o r sa r ei n v e s t i g a t e d a ni m p o r t a n ta d v a n t a g eo ft h ef i l t e r si s r d a f i v es m a l ls i z ea n dt h e i rm a i nd r a w b a c ki sr e l a t i v el a r g el o s s ，c o m p a r i n gw i t ho t h e r m i c r o s t r i pr e s o n a t o r ss u c ha ss q u a r ep a t c h e s ，c i r c u l a rp a t c h e s ，a n dt r i a n g u l a rp a t c h i no r d e rt o r e d u c et h ei n s e a i o nl o s so ft h eb a n a s sf i l t e r su s i n gd u a l m o d er i n gr e s o n a t o r s ，an e wd e s i g n f o rt h ef e e d i n gs t r u c t u r eo ft h ef i l t e r si sp r o p o s e d b a s e do nt h en e wi d e a ，an e wm i c r o s t r i p b a n d d a s sf i l t e ra n dan e wc p wb a n d p a s sf i l t e ra r ep r o p o s e di nt h ep a p e r b o t hs i m u l a t i o na n d e x p e r i m e n ts h o w t h a tt h en e wf i l t e r sh a v eag o o dp e r f o r m a n c e f u r t h e r m o r e ，an e wb a n d p a s s f i l t e rw i t hh a r m o n i cs u p p r e s s i o ni sp r o p o s e d k e yw o r d s ：m i c r o w a v ef i l t e r s ，m i c r o s t r i pl i n e ，d u a l - m o d er e s o n a t o r s ，r i n gr e s o n a t o r s i i 南京邮电大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工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，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的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。 研究生签名：重! 塾! 日期：皇! ! ：! ：耋， 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留 本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文。本人电子文档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，允许论文被查阅和借阅，可以公布 ( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权 南京邮电大学研究生部办理。 溉生始耋堕重：导师觚鼬吼竺堡至寥 南京l l l l i 乱大学硕上研究生学位论文 第一章绪论 i i 微波滤波器简介 第一章绪论 顾名思义，滤波器是一种可以滤除不需要的杂波并让需要的信号通过的器件。在电信 发展的早期，滤波器就在电路中扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断的 进展1 1 l 。我们可以利用滤波器来分开或组合不同的频率，如在变频器、倍频器和多路通信 中；也可以用其抑制无用的干扰信号，如在混频器、振荡器中。几乎所有的微波接收机、 发射机和测试设备中都要用到滤波器。 在微波频段，由于常规集总参数器件的尺寸与波长可以比拟，因而不能再用集总参数 的电感电容来实现滤波器，而应该采用半集总参数或分布式参数结构【2 l 。多数微波系统由 许多有源和无源部件所组成，难以通过设计和制造来获得精确的频率特性，相比之下，设 计和制作无源微波滤波器，可实现精确的预计频率特性。因而，通常这样设计微波系统， 即把所有会带来麻烦的部件的频响设计得比较宽一点，以减少它们对整个系统的影响。因 为滤波器是系统中带宽最窄的部件，所以往往是这些滤波器限制了系统增益和群时延这类 参数的频率平坦度i j 】。微波滤波器是无源微波元件的主角之一，它不仅能完成本身的任务， 而且能代替其他一些微波元件的功能，或者把另外一些微波元件看成微波滤波器结构来进 行设计，比如定向耦合器、阻抗匹配器、时延网络等。 1 1 1 微波滤波器的技术指标 微波滤波器的主要性能参数列出如f ： 通带带宽与中心频率：微波滤波器设计中所指的带宽一般为3 d b 带宽，即插入损耗达 到最小衰减的3 d b 时对应的上下限截止频率z 和正之间的频带宽度，f , - 与l 的中心被称 之为中心频率五，相对带宽定义为绝对带宽与中心频率五的比值，表达式如下 f b w ：堕掣 ( 1 1 ) 查塞堕生查兰堡主堕窒竺堂堡堡兰 一塑二皇! 旦 插入损耗：在电路中由于插入元器件所导致的信号损耗，可以用网络插入前的负载功 率e l 与插入后的负载功率p j n 的比值来表示，即端口匹配时传输系数的倒数，在某一特定 频率下的插入损耗儿( 用分贝表示) 定义为 1 l = - 1 0 1 9 p 每, - 1 0 l g 南( d b 户邯z 小d b ) ( 1 - 2 ) 与3 d b 带宽相对应，在滤波器设计中，一般认为通带插损不超过3 d b 。对阻带衰减的标准 各不相同，一般认为至少大于1 5 d b 。实际常用l s ：。l 参数表示。 回波损耗：输入功率己与反射功率p 的比值，即端口接匹配负载时的反射系数的倒数， 若以d b 为量度单位，定义为 皿= 1 0 1 0 9 詈= 一i s ，- i ( d b ) ( 1 - 3 ) 回波损耗表征了通带内的驻波特性，与外部电路的匹配状况，一般认为至少要大于1 0 d b 。 同样，为了方便起见，也常用隅。i 参数来表示。 矩形系数：描述滤波器对频带外信号的衰减程度，过渡带越陡峭，选择性越好。理想 滤波器的幅频特性应该是一个矩形。为了描述滤波器接近矩形的程度，定义一个指标为矩 形系数，其定义式为 = b b w o j ( 1 4 ) 即滤波器的传输系数下降到中心频率最大传输系数的o 1 倍时的带宽b 。与其3 d b 带宽之 比。理想的滤波器，矩形系数等于1 ，此时通频带外的信号全部衰减，具有最佳滤波性能。 品质因数q ：谐振器的频率选择性可以用品质因数q o 来描述，定义为在谐振频率点时， 平均储能与每周期损耗能量的比值，它的表达式如下式。 q 0 = 2 蒜滁k 。 ( 1 s ) 百丽丽丽蕊i m = “ ( 1 。5 ) 品质因数还可分为加载品质因数9 l 和外部品质因数珐三种情况，它们之间有如下关系。 西1=1+西1qq o ( 1 6 ) q 、7 2 塑塞塑堕查堂堕主堑塞生兰垡堡兰苎二里j ! 兰一 q 0 是与谐振器及其耦台结构紧密相关的参数，当谐振器( 结构、材料) 被最终确定下来之 后，q o 同时也被确定下来，这是其固有的物理参量，而采用不同的耦合结构时，会对谐振 器造成不同程度的微扰，导致函不同程度的降低。q o 是滤波器性能的最为关键的参数。 倪表示外部电路与滤波器总的能量耦合程度，一般而言，窄带滤波器要求较高的q e ，宽带 的则反之。 0 勺 = = 堕 最小插损点 d 忒矿f 划幺il 、 扩懒零点 心 f l 岛f 图1 1 典型微波带通滤波器的响应 波纹系数：用于描述频率响应曲线在滤波器通带内的变化程度的量，定义为通带内频 率响应曲线上幅度的最大值与最小值之差。 端口特性阻抗：连接到滤波器的输入输出终端传输线的特性阻抗，在实际工程中多数 情况下取5 0 或7 5 欧姆。 群时延：滤波器做为一个时延网络，当信号通过时相位要发生变化。插入相移办是频 率的函数，插入相移频率特性曲线的斜率就称为群时延，定义式为 铲娑( 1 7 ) d 珊 当通带内的相移是线性时，群时延为一固定值；否则信号就会产生畸变。 寄生通带：由于微波滤波器采用的是分布参数元件，频率响应具有周期性，随着工作 频率的升高，这些元件的感性和容性将发生转化，故在理想的阻带中会出现不期望的通带， 这就是寄生通带。在设计时，应尽消除寄生通带，或使之远离需要抑制的频段。 3 堕室业塑查兰塑土塑塑皇兰垡丝塞； 堑空堕堡 传输零点：传输零点又叫衰减极点或者陷波点，是指从通带到阻带过渡段中一个明显 的下陷点，传输零点的出现意味着滤波器的带外衰减快，抑制能力好。 图1 1 中画出了一个典型的两阶微波带通滤波器频率响应，可以对照理解滤波器的各 个指标的意义。 1 i 2 微波滤波器的分类 0 0 l 啪h f 日 f ( a ) 低通 ( b ) 高通 f i “d bf 饵一u f 、 ( c ) 带通( d ) 带阻 图1 2 理想滤波器的四种基本幅频响应 按照滤波器的工作特性分类，有低通、高通、带通和带阻四种基本类型，如图1 2 所 示。理想低通滤波器的工作特性是只允许低于截至频率的信号通过，高于截至频率的信号 衰减为零，图1 2 ( a ) 中阴影部分所示为通带，空白部分为阻带。其它类型的滤波器的工作 特性如图所示，它们的应用场合不同，其中高通滤波器在实际应用中相对使用较少。 ( a l 巴特沃兹响应( b ) 研比雪走响应 ( c ) 椭圆函数响应 图1 3 低通原型滤波器的幅度衰减特性 4 查室塑皇奎兰堡主竺塑生兰垡鲨壅 塑二翌堕笙 根据滤波器实现的传递函数一般可分为巴特沃兹、切比雪夫、椭圆三种类型1 4 j 。图1 3 分别给出巴特沃兹、切比雪夫和椭圆函数三种响应的低通滤波器的频率响应。“巴特沃兹 响应”也称为“最平坦响应”，这是因为滤波器在通带内的幅度衰减曲线非常的平滑，但 是通带到阻带的过渡带很难做得陡峭。切比雪夫滤波器的设计是使用切比雪夫多项式来逼 近滤波器的幅度衰减，其特点是在通带内有等波纹系数的幅度衰减曲线，因此“切比雪夫 响应”也叫“等波纹响应”。出于切比雪夫滤波器的设计相对于巴特沃兹滤波器需要更多 的部件，因而具有比较陡峭的通带到阻带的过渡带，即比较好的选择性。“椭圆函数滤波 器”的参数须用椭圆函数来进行计算，又叫“考尔滤波器”，它的幅度衰减函数在通带和 阻带内都具有切比雪夫波纹，能实现最陡峭的过渡带，因而它的带外抑制能力最强。 微波滤波器一般使用分布参数来实现，而微波谐振器的种类繁多，按照所用谐振器的 类型来分【l l ，可以分为介质滤波器、波导滤波器、同轴线滤波器、微带线滤波器，带状线 谐振器等构成的滤波器。其中每一种谐振器都有自己的优势和不足，因此根据滤波器的实 际应用和目的来选择不同类型的滤波器是很有必要的。 图1 4 介质滤波器示意图 介质滤波器采用高介电常数低损耗角正切的介质块作为谐振器，具有低损耗、可 接受的温度稳定性和小尺寸等特点，然而，受高成本和现在的加工技术的限制， 使它的使用范围限制在5 0 g h z 以下。如图l ，4 所示，中间的圆柱形突起即为介质 谐振器，可以利用微带线对介质谐振器馈电。 图1 5 波导滤波器示意图 波导滤波器采用波导谐振腔设计制作，具有低损耗、功率容量大和可实际应用到 1 0 0 g h z 等特点，不过其最大的缺点是，尺寸明显比其他可应用的谐振器大。近年 来，采用基片集成波导设计制作的滤波器【5 i 受到很大的关注，其既避免了精密复 5 查塞堂皇查堂堡! 塑窒生堂堡塑苎 ，塑! ! 堕 杂的机械加工技术，又保留了相对较高的品质因数。图1 5 中示意了一种经典的 通过十字孔耦合的三阶波导腔体滤波器。 同轴滤波器采用同轴谐振腔设计制作，具有包括电磁屏蔽、低损耗特性和小尺寸 等优异特点，但要在1 0 g h z 以上使用，则由于其微小的物理尺寸，制作精度难以 达到。同轴滤波器可以方便地采用后面要提到的阶跃阻抗技术来进一步优化l l j 。 图1 6 同轴滤波器示意图 微带线谐振器和带状线谐振器具有小的尺寸、通过光刻技术易于加工、与其它有 源电路元件的易于集成等优点，许多电路更偏向此类谐振器。其另一大优势是能 通过采用不同介电常数的衬底材料从而在很大的频率范围内可以得到应用。然而， 和其他谐振器相比其插损明显比较大，使它很难在窄带滤波器中得到应用，目前 已经有新型的材料可以在某些应用场台解决这个问题，如采用h t s ( 高温超导体) 及l t c c ( 低温退火共烧结技术) 等先进技术制成的微带滤波器1 6 】。 图1 7 微带线结构示意图 因为本文中的滤波器设计主要基于微带结构，所以在这里着重介绍一些微带结构的滤 波器。微带线是采用光刻工艺制作在薄的介质基片上的一种微波集成传输线，其由金属底 板和介质基片以及另面的金属条带构成，加工方便，如图1 7 所示。微带线中导行的是 准t e m 波，可以非常方便地与其它微波元器件集成，一直是研究的热点【7 1 。基于微带结构 的滤波器形式多种多样，有专门的著作介绍【6 l 。由于采用光刻工艺加工，微带滤波器多采 用两维( 2 d ) 平面结构的半开放谐振器，相比波导和同轴等封闭三维( 3 d ) 腔体结构，在 设计上少了一维自由度，且品质因数相对较低，从而其插入损耗相对较大。最常见微带滤 6 堕室堕生查兰堡主堕壅圭兰竺鲨兰 塑二望堕堡 波器的有平行耦合线型、梳状线型、交指线型和发夹线型等。其中平行耦合线滤波器作为 出现比较早的一种滤波器，由于其简单易行的设计一直受到广泛的关注，在实际中被大量 使用。这种滤波器可以通过公式根据设计要求直接计算得到滤波器具体的尺寸。平行线滤 波器是由若干个平行耦合节依次级联而成的，其中单节四分之波长平行耦合微带线是构成 这种滤波器的基本单元，对它们的设计构成了整个滤波器设计的基础。图j 8 中列出了上 面提到的几种滤波器。具体的设计方法请参阅文献【6 j 。 平千一耦台线节 c ( a ) 平行耦合线滤波器 千千 仆占占 占 仆 7 一一 妙 ( c ) 梳状线滤波器 ( b ) 发夹线滤波器 千千千 奔士 占 占凸 岔 一一 。凸 ( d ) 交指线滤波器 图1 8 几种常见微带滤波器 近年来，由于各种数值方法的快速发展( m o m ，f d t d 等) ，商业全波分析软件的成 熟，以及计算机硬件水平的不断提升，使得以前难以被精确分析的一些混合结构可以直接 快速仿真加以设计，于是出现了很多微带共面波导【踟、微带槽线9 】等混合结构的 滤波器，在一定程度上突破了传统微带滤波器2 d 设计的局限性。特别的，由于l t c c ( 低 温退火共烧结陶瓷) 技术的出现，使得多层微带滤波器的加工更为简便易行，为设计提供 了非常大的自由度，已有许多全新结构和新特性的微带滤波器被设计出来【l 0 1 。 1 2 微带滤波器的设计方法 理想的滤波器应该是这样一种二端1 ：3 网络”j ：在通带范围内它能使信号完全传输，而 在阻带范围内使信号完全被抑制。然而在实际工程中，我们只能设计一个尽可能接近理想 滤波特性的滤波器。实际的滤波器总有一定的插入损耗的( 有用信号没有完全传输) ，另 外阻带的抑制也总是有限的( 有部分干扰信号通过) 。 7 宣塞塑皇查堂堡主翌壅竺兰堡堕兰 笙= ! 堕堡 目前在滤波器设计中多采用插入损耗法。这种设计方法先利用逼近函数来表示滤波器 插入损耗与频率的关系，然后加以实现。其一般包括四个环节： 根据系统要求确定滤波器的工作特性； 选择适当的可以描述上述工作特性的逼近函数的数学表达式： 确定滤波器的集总参数的网络结构； 选择合适的微波结构予以实现。 上述的最后一步是微波滤波器设计所特有的。 实际滤波器 的具体指标 分布参 数实现 归一化低通 原型滤波器 选择合适的 微波结构 蔫嚣喜嚣h 确定元件值 的逼近函数r 1 ”“儿”咀 确定元件真 值( l ，c ) 图1 9 微波滤波器设计的插入损耗法流程图 阻抗变换 频率变换 滤波器的工作特性如上一节开始所提到的，有四种基本类型：低通、带通、带阻和高 通。低通滤波器是其它几种滤波器的基础，可以通过将设计好的低通原型滤波器加以频率 变换从而得到其它三种类型响应。 确定了低通原型的截止频率后，就可以通过选择合适的逼近函数来实现所需的滤波器 工作指标，逼近函数有上节滤波器的第二种分类法所提到的几种，其工作指标及实现复杂 度都不同，一般最常用的是切比雪夫类型。 选定了函数之后可以通过查表来确定低通原型滤波器的元件值，然后通过频率反变换 得到所需的滤波器( 带通等) 元件真值。 最后一步，也是微波滤波器设计所特有的，即选择合适的微波结构加以实现，如上节 的第三种分类法。这一步是最为复杂的，不同结构的实现方法不尽相同，性能差别也很大， 要结台成本、设计指标以及应用场合等多种因素加以综合考虑才能确定具体实现方法。图 1 。9 中给出了微波滤波器设计的基本流程图。 另外在设计带通滤波器时，有一种快速设计的实验方法。其通过大量的虚拟实验预先 拟合出一系列图表，然后利用图表逐步实现优化过的目标耦合系数矩阵，最终达到设计要 求指标。限于篇幅及与本文的相关程度，这里不详细加以介绍，具体请参阅文献i 6 1 。 8 堕室坚皇查堂堡主型塞皇堂竺笙兰一 一塑= 兰笪! l 最后，上面所提到的设计方法都是在中心频率附近近似得出的，因此只适用与相对带 宽不太大的滤波器，这同时也是微波滤波器具有特殊的寄生通带的原因。要实现宽带1 2 1 或宽阻带1 3 i 的滤波器，一般通过特殊的结构或设计方法。 1 3 仿真软件与测量仪器简介 本文中的所有设计使用的软件均为z | e l a n di e 3 d ，测量仪器为a g l i l e mh p 8 7 2 0 矢量网 络分析仪。下面分别对其进行简单的介绍。 1 3 1z e n l a n di e 3 d 仿真软件 i e 3 d 是z e l a n d 公司开发的一种基于谱域矩量法的电磁场全波仿真工具，可以解决多 层介质环境下三维金属结构的电流分布问题。它利用积分的方式求解m a x w e l l 方程组，从 而解决电磁波效应、不连续性效应、耦合效应和辐射效应问题。仿真结果包括s 、y 、z 参 数、v s w r 、r l c 等效电路、电流分布、近场分布和远场辐射方向图、方向性系数、效率 和r c s 等。i e 3 d 在微波，毫米波集成电路( m m i c ) 、r f 印制板电路、微带天线、线天线 和其它形式的r f 天线、h t s 电路、l c 的互联和高速数字电路封装方面是一个非常有用的 工具。结果准确，建模简单，仿真速度快是其主要优点。 1 3 2h p 8 2 7 0 矢量网络分析仪 a g i l e n t8 7 2 0 e s 矢量网络分析仪可进行全面的射频和微波元件测评。a g i l e n t8 7 2 0 e s 包 括集成的合成源、测试装置和调谐接收机。内置的s 参数测试装置提供正向和反向的全范 围幅度和相位测量。内部矢量精度增强技术包括全二端口、适配器移除和可选的t r l 校准。 a g i l e n t8 7 2 0 e 系列包括3 种t r5 阳3 种s 参数网络分析仪，覆盖范围分别为1 3 5 0 h z 、2 0 g h z 和4 0 g h z 。本实验室采用的是2 0g h z 的一种。 它具有下列特性：5 0 m h z 至2 0 g h z 的覆盖范围、1 0 0 d b 的动态范围、高测量精度、2 个测量通道、4 个显示通道、频率和功率扫描、快扫描和数据传输速度、通过失败测试， 强大的标记功能。此外还具备电校准( e c a l ) 功能、自动化内部使用测试序列。 9 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 4 本文的内容简介 第一章：微波滤波器的基础知识。详细介绍了它的主要技术指标的定义，它的大致分 类情况，以及设计流程。同时介绍了本论文中使用的电磁仿真分析软件i e 3 d 和测量仪器 a g i l e n t8 7 2 0 e s 矢量网络分析仪。 第二章：微带双模谐振器与滤波器。详细例举了微带双模谐振器，包括贴片型谐振器、 环型谐振器、改良型谐振器等，并对其特点用途进行了对比分析：接着给出了双模滤波器 的实现过程，设计准则及一些电路模型。 第三章：双模滤波器的馈电结构研究。在研究了环形滤波器的各种馈线方式的基础上， 提出了两种新型馈电方式的微带环形双模滤波器。利用i e 3 d 仿真软件对这两种双模带通 滤波器进行了仿真分析，并加工制作了实际电路。仿真和测量结果表明这两种馈电方式可 以减小馈线和谐振器之间的耦合损耗，从而在一定程度上减小了滤波器通带内的插入损 耗。 第四章：双模滤波器的谐波抑制。先大致介绍了目前已报道过的若干种带有谐波抑制 功能的微带环形滤波器，然后将一种新型的带有谐波抑制的馈电结构应用到微带双模谐 振器之上，并给出了详细的设计优化过程，最后加工并实测了样品，表明其成功的抑制了 滤波器的第一个寄生通带，同时保留了双模滤波器的高抑制，小尺寸的优点。 第五章：全文总结。总结全文、研究过程中的感想以及未来的工作展望等。 1 0 南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章微带双模滤波器 第二章微带双模滤波器 2 1 微带双模谐振器简介 微带滤波器的固有优势在于尺寸小，便于加工，但是在一些特定条件下，例如空间卫星 通信的应用要求滤波器的尺寸必须能够做的更小【4 1 ”】。可是随着尺寸的不断减小，微带滤 波器的性能则不可避免地出现下降，比如辐射损耗增加和匹配不稳定。针对这个日益突出 的矛盾，现阶段出现了下列类型的滤波器以满足要求：微带双模滤波器、慢波效应滤波器 【l6 】、多层结构微带滤波器【1 7 】等。本文的研究范围只限于双模滤波器，其它类型的可以在文 献1 6 】中找到。 ( a ) ( b ) 图2 1w o l l f1 9 7 2 年提出的环形双模滤波器 “双模”乃至“多模”的概念很早就被研究者提出过t t 馏1 ，其利用一个谐振腔里两个 或多个模式间的耦合来设计滤波器，在林为干先生t 1 9 1 的著作中多有讲述。上世纪七十年代 初由w o l l f t 2 0 1 首次将这个概念应用到微带环形谐振器，构成了个双模滤波器，如图2 1 所示。由于其优势明显，吸引了大量研究人员的注意，随后逐渐在微带滤波器的设计中得 到广泛的应用。这里的“双模”来自于谐振器的一对筒并模式，每个双模谐振器都具有双 调谐回路的特性，即同时可以产生两个谐振频率点：经过特殊设计的扰动之后，这两个谐 振频率可以适当地分开并加以相互耦合。因而，滤波器设计所需要的固有阶数可以减少一 半，便于设计出紧凑的结构，从定程度上解决了尺寸问题。此外，与单模滤波器相比较， 双模滤波器的百分比带宽可以做得更小，可以做到小于1 ，这是卫星通信中的组成多工 器的滤波器所要求的带宽，一般单模滤波器的带宽只能做到5 以上【2 ”。除滤波器和双工 器以外，双模谐振器还可以广泛用于设计振荡器、混频器和天线。圆极化、双极化及双频 天线都可以用微带双模谐振器非常方便的实现捌。 堕室坚皇盔堂塑坐堑生兰垡堕塞 竺= 童堂塑婴堡堕鲨竖 微带双模滤波器的损耗主要有两个原因( 2 3 1 ：由较细的微带线易引起较大的导体损耗和 由滤波器的半开放性的场结构引起的辐射损耗。严重的辐射损耗不仅影响滤波器的9 值， 而且降低了滤波器的其他电性能，如可能产生寄生通带。损耗问题会导致无法设计出高q 值的滤波器，在卫星通信中使用高q 滤波器较多的采用了高温超导( h t s ) 材料以解决损 耗问题。为了减少辐射损耗可以使用较薄的介质板材，但是这样往往又增加了导体损耗。 也可以给滤波器加屏蔽盒，但是这样增加了重量与尺寸，而且屏蔽盒的不当设置会激起高 次的寄生模式。 2 2 微带双模谐振器分类 常见的微带双模谐振器可以分为三大类：贴片型、环型及改良型，它们在结构上的共 同特点是同时满足轴对称和中心对称。其都有对简并模式，通过在谐振器4 5 。对角线方 向设置某种特定的微扰方式可使这一对简并主模的谐振频率适当分离并互相耦合。下面将 依次给出其结构示意图并对工作特点加以讨论。 2 2 1 贴片型双模谐振器 贴片型谐振器顾名思义，是采用整块形状规则的贴片构成的谐振器。常见微带贴片型 双模谐振器有方形贴片、圆形贴片和三角形贴片。这种类型谐振器的品质因数较高，但采 用微带结构时辐射损耗较大，适用于带状线( 三面线) 及有屏蔽盒的场合。 ( a )( b )( c ) 图2 2 方形贴片及其常见微扰方式 方形贴片是一种最为常见的谐振器，在微带天线设计中被大量运用，运用经典的传输 线法、腔模法和多模理论可以对其进行不同精度的分析口4 1 。它的一对简并主模为t m i o 与 t m o l 模，当贴片的长宽相等时，这两个主模的谐振频率相同，一般而言，其之间并不发生 耦合。但在对角线方向加了某种微扰时，它们之间就会发生耦合并产生谐振频率的分离， 这就是双模谐振器的最大特点。如图2 2 所示，( a ，为基本的未加扰动的方形谐振腔，( b ) 1 2 堕室塑鱼查堂堡圭竺塑圭堂垡堡窭 笙三里塑堡翌堡婆垫壁 中口5 1 与( c ) 中【2 6 l 为加过不同扰动后的。两个模式之间的分离程度取决于扰动量的大小，这样 就可以获得所需带宽的滤波器。 图2 3 圆形贴片及其常见扰动方式 圆形贴片也是常用的谐振器【3 】。其与方形贴片并没有实质上的区别，由于采用了无尖 角的设计，避免了产生较强的电场，提高了功率容量，其品质因数比方形贴片要高一些。 它的主模是t m i l 的一对极化简并模。如图2 1 3 所示，其同样在对角线方向有不同种类的微 扰方式。 图2 4 三角形贴片及其常见扰动方式 另一种常用的谐振腔是三角形贴片，直到最近几年才有研究人员在理论上对其进行了 完整地分析f 2 7 】，并利用它的一对简并主模成功地制作了双模滤波器。利用三角腔制作的双 模滤波器具有功率容量大，方便级联的优点。这种谐振器不需要正交馈电即能获得双模滤 波器的响应，因此其微扰方式与方形和圆形滤波器不大相同，如图2 4 ，其微扰通常取在 三角形的中心轴线上。 2 2 2 环型双模谐振器 微带环形谐振器直是研究的热点，已有专门的著作对其进行讨论分析【2 9 】。环形谐振 腔是一种基于微带传输线( 1 d ) 的全波长谐振器，由一段封闭的环形微带线构成。由于没 有终端的开路端辐射，因此比常用的半波长谐振器的品质因数要高些。如果采用微带结 构实现，其辐射损耗比贴片型谐振器要小很多，而且比同频率的贴片谐振器尺寸小很多， 在小型化方面有很大的优势，所以大量的微带双模滤波器设计采用环形谐振器，下面分别 对其加以介绍。 1 3 童塞业史查堂堡主翌! 塑生堂些堡茎 塑三妻堂堂翌堡壁墼堡 方环谐振器是最常见的谐振器。其边缘平整呈直线，与微带馈线进行耦合时，可以方 便地利用经典的平行耦合线理论。同贴片型谐振器一样，我们也可以用经典的腔模理论来 对其进行分析【3 】，其最低的谐振模式为t m l l o 模，谐振波长大约为环的周长，故又称之为 全波长谐振器。当环的宽度远小于周长时，可以近似的用传输线来进行等效，可以极大地 提高分析效率。图2 5 中列出了方环谐振器及其常见的微扰方式，通常使用的方环谐振器 要切掉四周的边角以减少辐射损耗 8 1 ，如( b ) 所示。通过在对角线方向加不同的扰动就可以 使其两个简并模问产生耦合并频率分离。在一定的电路面积下，方环谐振器具有最低的谐 振频率。因此这种谐振器在双模滤波器设计中最为常见。( c ) 中所示的谐振器有特殊的性质， 即通过控制对角线上较大的加载贴片的大小就能实现不同传输函数的双模滤波器【2 9 l ( 切比 雪夫型或椭圆函数型) ，其工作特性将在下一节中加以讨论。 ( b )( c ) 图2 5 常见方环谐振器及其微扰方式 图2 6 常见圆环谐振器及其微扰方式 圆环谐振器的是最原始的环形谐振器，w o l f 最早提出的双模滤波器就是基于这种谐振 器的。图2 6 中列出了其几种常见的微扰方式：( b ) 中是最常见的切角型，这种扰动方式只 能激励起来类切比雪夫类型的滤波器响应( 默认在环左端及下端正交馈电时) ；( c ) 中的扰 动结构是一种可变集总参数电容加引3 1 】，这样就可以精确地控制扰动量大小，达到可调带 宽的效果。 1 4 南京毡大学硕士研究生学位论文 笫二章微带硬模滤波糯 ( 曲( b )( c ) 图2 7 三角环谐振器及其微扰方式 同方环圆环一样，三角环可以看作是三角腔的紧凑变形结构，其馈电方法与三角形双 模滤波器非常类似【3 1 1 ，而且一样有方便级联的优点。图2 7 中给出了基于三角环谐振器的 两种双模谐振实现方式。 2 2 3 改良型双模谐振器 普通的双模谐振器结构简单，实现非常方便，但也有很多不足之处。随着移动通信的 迅猛发展，滤波器的小型化直是研究的热门方向【1 1 , 虽然环形谐振器比贴片型的小很多， 但还远远达不到实用化的程度，这就要求研制出更小尺寸的谐振器；另外，同其它的分布 式谐振器一样，双模谐振器也具有多谐振的特性。实际的滤波器往往要求尽可能宽的阻带， 这就要求滤波器的杂散频率要尽可能的远。综上所述，由于实际的需要，必须研制一些特 殊的改良型谐振器以满足特殊的要求，下面将简单地介绍一些不同的改进方向及方法。 o r 月 z 2一 g ( a ) 阶跃阻抗结构 人 日 。抗貔 r b f b ) 电抗加载结构 图2 8 两种改良双模谐振器 图2 _ 8 中展示了两种改良后的双模谐振器：( a ) 阶跃阻抗型旧与( b ) 电抗加载型f 3 3 j 。阶 跃阻抗与电抗加载技术是谐振器小型化的基本途径，它们的共性是一方面降低了谐振主模 的频率，另一方面还可以使得第二个谐振模远离主模。这就意味着在小型化的同时还改善 了阻带的响应，这两种技术都有很大的应用前景。其缺点是会导致品质因数下降，并且在 加载程度很高时，没有准确的公式预估谐振频率，只能通过仿真软件来进行设计。电抗加 载的形式有很多种，可以是分布形式的加载也可以是集总形式的。如图2 9 ( a ) 中所示， 1 s 壹室塑皇查兰堡主塑塞生堂垡堡苎 塑：塞堂堂翌竖堡些矍 d g s ( d e f e c t e dg r o l h l ds t r u c t u r e ) 可以当作是一种电抗加载 34 1 ，当它与普通的分布加载结构 结合时，可以产生非常明显的缩小尺寸的效果1 3 5 1 ：图2 9 ( b ) 中利用多折线制作了一种慢波 效应的谐振器，其可以达到小型化的目的f 3 6 j ；图2 9 ( c ) 中是一种通过圆角化处理的贴片型 谐振器，避免出现较强的电场，因此可以提高滤波器的功率容量，同时还可以提升品质因 数【3 7 】；图2 9 ( d ) 中展示了小型化的另外一种思路，其通过将环形谐振器的边折入中心的空 白处，这样谐振器的面积会有一定程度的减小p 。 觳嬲日”5i + ( a ) d g s 一电抗加载结构 i 。”一；4 ； 丑 ( b ) 电抗加载慢波结构 阜日军 ( c ) 圆角化的贴片结构 2 2 4 双模谐振器总结 ( d ) 折线环结构 图2 9 其它几种改良双模谐振器 在这一小节里，我们介绍了常见的几种双模谐振器，包括贴片型、环形等，以及一些 基于此基础改进的设计，并对其特点进行了对比分析。它们各有优缺点，总体上来说，贴 片谐振器的插入损耗小、功率容量大，而环形谐振器的尺寸较小。在实际应用中，可以根 据设计要求灵活加以选择。 1 6 南京邮l h 大学顺士研究生学位论文 第二章微带双楼滤波 i 2 3 双模滤波器的实现 在上一节中介绍了很多种类的双模谐振器，接着在本节中，我们将按照双模滤波器的 设计规则，用一些特定的耦合结构来对双模谐振器进行激励馈电，并对不同响应的双模滤 波器进行分析对比，最后介绍滤波器一个电路模型。 2 3 1 双模滤波器的设计准则 在文献中，作者提出了双模滤波器的一个设计准则，直到目前为止出现的双模滤波 器都遵循这一准则。该设计准则如下： 输入输出端曰空间相差9 0 。( 对谐振主模而言) ； 谐振器中存在产生反射波的不连续点或其它替换方式； 采用对称的电路平面。 上一节介绍过的所有谐振器都满足准则的第二和第三条，下面以一种双模环形带通滤 波器【2 卅为例，介绍其实现过程。 黑+ 蠖枷一蕞墨 ( a ) 双模谐振器 ( b ) 馈电结构 土凶 三吨 - 搭i 女绺冁嚣 嚣p o r l 2 ( c ) 正交馈电的双模滤波器 图2 1 0 双模滤波器的一般构成 如图2 1 0 所示，为了获得一个最简单的一阶双模带通滤波器，需要对双模谐振器进 行正交馈电。图中矾和如为可调节的两，当d d ：时，相当于在对称面上加入了不平衡 点，如准则的第二条中所述。通过控制d i 与吨阳j 的比例大小，就可以获得不同带宽的滤 波器。同时，谐振器与馈线间的耦合程度可以通过控制间隙g 与长度，来实现：g 越小， 越长，耦合越大，反之亦然。 1 7 南京i i l l l l 3 ) , ：学硕十研究生学位论文 第二章微带双模滤波 ( a ) 双模滤波器 ( b ) 模式分解级联形式 图2 1 1 等效模型( 一) 图2 1 1 给出了双模滤波器的一种等效级联模型。可以看出，由于对角线上的不对称结 构( d d ：) ，造成了谐振腔的两个简并主模t m o i 与t m i o 之间产生了耦合，而正交馈电 方式中，每个端口都只能对其中的一个特定模式进行馈电，如图2 1 1 ( b ) ，这样就用一个谐 振器组成了一个完整的传统的二阶单模滤波器，这就是双模滤波器名称的由来。 2 3 2 两种不同响应的双模滤波器 在上一小节中，我们曾提到由于吐d 2 而造成了谐振腔的两个简并主模t m o l 与t m l o 之间产生了耦合。实际上，在d 。d ：时，也有d 。 d 2 与d ， d 2 图2 1 2 双模滤波器的两种基本响应 在本小节中，我们将简要介绍一些关于双模滤波器的精确理论分析及其几种等效电路 模型，并给出零点产生的原因。作为例证的双模滤波器还是采用微带环形谐振腔，因为这 种谐振器可以方便的建模分析。 一卜一j b 鬟p o r t ：q 主 一。“一 2 上_ 上一 图2 1 3 滤波器结构中各部分的等效网络 图2 1 3 中给出了文献h 0 1 中报道的双模滤波器的各部分分解。由微带线的理论可知i7 1 ， 基本上所有的微带不连续性都有其等效的网络模型，所以就有可能将环形滤波器完整利用 1 9 麓黛 耀 一玎移燮m孵嚣现 m是289l 塑壹塑! 垫查堂堡主! ! 塑兰兰堡堕壅 堡三雯壁堑翌竖鲨塑堂 传输线与网络理论加以分析4 ”。图2 1 4 中给出了图2 1 3 中的滤波器完整的微波电路模型 这种分析方法是相当准确的。 图2 1 4 典型环形滤波器的网络模型 上面介绍的方法只能快速分析滤波器的性能，其局限性在于，对很多复杂的微波结构 来书，提取正确的网络参数本身就是非常复杂的问题；而且当电路元件密度很高的时候， 其互相耦合的效应会严重影响网络模型的正确性，如果将所有的影响因素全部考虑进去的 话，又会导致网络极度复杂，丧失了其分析上便捷的优点；再次，这种分析方法并不能解 释上一节提出的零点产生的机制和原理，对设计电路指导意义不大。下面将用经典的奇偶 模分析法对上述滤波器进行分析，这种方法的优点在于物理概念清晰，但不适合仿真计算， 恰好与上一种方法相反。 偶模式 一n 一s m w 一；叫垂歪卜 日 奇模式 广8 一” “匝1 图2 15 环形谐振器的奇偶模分解 、 由经典的奇偶模分析方法可知，具有对称结构的二端口网络总可以采用同相、反相的 对称激励( 奇偶模) 来方便地求得其网络特性。对环形双模滤波器来说，采用这种方法最 为合适，因为双模谐振器的两个谐振频率恰好对应了奇偶模【】，这样，我们就可以精确的 获得其谐振特性。其等效电路如图2 1 6 所示。由图中可以看出，对偶模式来说，出入端 口的相位经过一对反相的，变换器后保持一致，奇模则刚好相差1 8 0 度。这样根据文献2 7 1 ， 当偶模的谐振频率低于奇模时，由于相位叠加的效果，会在通带两旁产生两个传输零点； 反之则没有零点出现。再由图2 1 5 中可知，当声为电容加载时，偶模的频率会降低，奇 模的频率升高哆这就解释了为什么图2 1 2 中d ， d ，时会有零点的出现。更详细的讨论请 参见文献【4 2 1 4 3 1 。 2 0 南挛邮屯太学俩上母# 窥生学位避文 2 , 3 4 小结 奇模式z 第二章礅带双横谚被群 档模式五 图2 1 6 双模滤波器的等绶模型( 二) 在本节中，我们大致介绍了职模滤波器的构成及其几种分析方法，并且简要地说明了 传输零点出现的条件及其原理。 2 a 本章结束语 双模谐振器因为尺寸小、俸积小、损耗小、能实现较窄的酉分比带宽等优良特性越来 越广泛地应用于元线通信系统中商性能窄带带通滤波器的设汁中。本章主要介绍了至今为 止出现的多种徽带双模谐旅器，包括9 i 占拦型谐振器、环型谐振器以及改进型谐振器，并对 其进行了分析对比。然屠介绍了颓模滤波器的一般瑷计准则并给出了分析方法，最后 寸论 了艘模滤波器的电路与物理模型。 南京邮电人学顾士研究生学位论文 第三章新型馈电结构微带环形双模滤波器的研究 第三章新型馈电结构微带环形双模滤波器的研究 微带双模滤波器具有尺寸小、矩形系数好等优良特性，受到越来越广泛地关注，但由 于微带结构固