（电磁场与微波技术专业论文）超宽带带通滤波器的设计理论及其小型化研究.pdf

上海大学博士学位论文 摘要 在现代无线通信高速发展的背景之下，超宽带系统的研究具有广阔的应用 前景和巨大的市场价值。本论文对超宽带系统中关键部件之一的超宽带滤波器 进行了深入研究，在对国内外现有的超宽带滤波器进行充分调研的基础上首次 提出具有结构紧凑、低损耗、频率选择性好、宽阻带和易于加工等优点的五种 新型高性能超宽带滤波器设计，并给出了精确的综合理论和详细的设计方法。 这些滤波器的频率响应特性的实验值与理论值吻合得非常好，并且满足美国联 邦通信委员会( f c c ) 的要求。论文主要包括以下五个方面的研究内容： 第一、对超宽带滤波器的综合理论进行了研究，提出了一种基于分布参数的： 变换优化方法，实现了由a 水( 知是滤波器中心频率处的波导波长) 短 路枝节和2 0 2 连接线组成的超宽带滤波器的精确设计。并在此基础上提 出了用两段一l o 4 级联开路枝节代替, t o 4 短路枝节，在通带外产生传输零 点，从而实现滤波器小型化的方法； 第二、对平行耦合线的宽带等效电路模型进行了详细分析，并推导出双模谐振 平行耦合超宽带滤波器所能实现的具有等波纹特性的理想传输函数，结 合z 变换优化算法给出了滤波器的设计方法。实验结果说明，根据这种 方法设计得到的一个三级超宽带双模谐振平行耦合滤波器具有良好的通 带和阻带特性，并且插入损耗能够满足f c c 的要求； 第三、利用奇、偶模理论对带有两个2 0 4 ( 或3 2 0 4 ) 的正方环形谐振器进行了 系统分析，得到了谐振器传输零点的计算公式。并在此基础上提出了用 这种谐振器来设计相对带宽分别为6 0 0 , 4 和3 0 左右的正方环形双模超宽 带滤波器的基本思路； 第四、根据正方环形双模超宽带滤波器的频率响应的特点，提出了几种增加滤 波器阻带带宽的方法。并用这些方法设计出通带范围分别为3 1 - 5 1 g h z 和2 2 2 9 g h z 的具有宽阻带特性的超宽带滤波器。 第五、提出了一种新型双模超宽带环形滤波器结构。对影响滤波器的带宽、通 带内反射损耗和插入损耗特性的因素进行了详细的分析，提出了一种新 型耦合结构并给出了滤波器的设计方法。 关键词：高性能超宽带滤波器，z 变换优化方法，宽带等效电路模型，双模超宽 带滤波器，奇、偶模理论。 v 上海大学博士学位论文 a b s t r a c t u n d e rt h eb a c k g r o u n do fr a p i dd e v e l o p m e n to 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 t u d yo nt h eu l t r a - w i d e b a n d w b ) s y s t e m sh a sw i d ea p p l i c a t i o np r o s p e c t sa n d h u g em a r k e tv a l u e s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , s o m er e s e a r c hw o r k sa r ei m p l e m e n t e do n u w bb a n d p a s sf i l t e r , w h i c hi so n eo f t h ek e yp a s s i v ec o m p o n e n t si nu w bs y s t e m s a f t e rc o m p r e h e n s i v ei n v e s t i g a t i o n so nt h eu w bb a n d p a s sf i l t e r sc u r r e n t l ya v a i l a b l e , w ep r o p o s e df i v en e wt y p e so f h i g h - p e r f o r m a n c a ：u w bf i l t e r sf o rt h ef i r s tt i m e , a n d d e v e l o p e de f f i c i e n ta n da c c u r a t es y n t h e s i st h e o r ya n dd e s i g nm e t h o d sf o rt h e m t h e d e s i g n e d f i l t e r sa l e c o m p a c t , l o w - l e s s , e x h i b i ts h a r p a t t e n u a t i o n sa n d w i d e s t o p b a n d s 。a n da r ee a s yt of a b r i c a t eu n d e rm o d e r a t ef a b r i c a t i o np r e c i s i o n t h e m e a s u r e dc h a r a c t e r i s t i c so f t h ef i l t e r sa l 印* w e l lw i t ht h et h e o r e t i c a lp r e d i c t i o n s , a n d s a t i s f yw e l lt h ef e d e r a lc o m m u n i c a t i o n sc o m m i s s i o n si n d o o rl i m i t t h em a i n c o n t e n t so f t h ed i s s e r t a t i o ni n c l u d et h ef o l l o w i n gf i v ep a r t s ： f i r s t l y , b yu s i n gz - t r a n s f o r mt e c h n o l o g ya n do p t i m i z a t i o na l g o r i t h m ，an o v e l 日j n t h e s i sm e t h o db a s e do nd i s t r i b u t e dp a r a m e t e r si sd e v e l o p e dt od e s i g nt h eu w b f i l t e r sc o n s i s t i n go f , ! o 4 i st h ew a v e l e n g t ha tc e n t r a lf i e q u e n c yo ft h ef l i t e r ) s h o r t - c i r c u i t e dl i n e sa n d 如，2c o n n e c t e dl i n e sp r e c i s e l y o nt h eo t h e rh a n d , s h u n t t w o - s e c t i o no p e n - c i r c u i t e ds t u b sa r ee m p l o y e dt op r o d u c et r a n s m i s s i o nz e r o si nt h e l o w e ra n du p p e rs t o p b a n d so f t h ef i l t e ri no r d e rt og e tm i n i a t u r i z e dd e s i g n s s e c o n d l y , aw i d e b a n de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ft h ep a r a l l e l - c o u p l e dl i n e si s a n a l y z e di nd e t a i l ，a n dt h ei d e a lc h e b y s h e vt r a n s f e rf u n c t i o n sw h i c hc a nb er e a l i z e d b yt h ed u a l - m o d er e s o n a n tp a r a l l e l - c o u p l e dl i n e su w bf i l t e r s a 糟o b t a i n e d m o r e o v e r , as y n t h e s i z e dm e t h o dt od e s i g nt h i sk i n do fu w b f i l t e r si sp r o p o s e db y u s i n gt h ez - t r a n s f o r mo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a ta t h r e e - o r d e rd u a l - m o d er e s o n a n tp a r a l l e l - c o u p l e dl i n e su w bf i l t e re x h i b i t sg o o d p e r f o r m a n c ew i t h i nt h ep a s s b a n da n ds t o p b a n do f t h ef i l t e r i na d d i t i o n ，t h ei n s e r t i o n l o s so f t h ef i l t e rc 柚m e e tt h ef c ci n d o o rl i m i te x c e l l e n t l y t h i r d b ac o m p l e t ea n a l y s i so f t h es q u a r er i n gr e s o n a t o rw i t ht w om ( o r3 2 0 4 ) o p e n - c i r c u i t e dt u n i n gs t u b si sa c c o m p l i s h e db ye m p l o y i n gt h ee v e n a n do d d m o d e a n a l y s i st h e o r y , a n de x p l i c i t a c c u r a t ec l o s e d - f o r mf o r m u l a sa o b t a i n e dw h i c h f a c i l i t a t eg r e a t l yt h ed e s i g no f t r a n s m i s s i o nz e r o si nt h es t o p b a n do f t h es q u a r er i n g r e s o n a t o r ad e s i g np r o c e s si sa l s op r o p o s e dt od e s i g nd u a l - m o d eu w bs q u a r e 而l g 上海大学博士学位论文 f i l t e r sw i t haf r a c t i o n a ib a n d w i d t ho f a b o u t6 0 o r3 0 f o u r t h l y , s e v e r a lm e t h o d sf o rw i d e n i n gt h es t o p b a n do f t h ed u a l - m o d es q u a r er i n g u w bf i l t e r sa p r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f t h ef r e q u e n c yr e s p o n s e s o f t h ef i l t e r s b a s e do nt h em c t h o d s u w bf i l t e r sw i t hp a s s b a n dw r h i n3 1 - 5 1 g h z a n d2 2 2 9 ( 3 h za r cd e s i g n e d , w h i c hh a v ew i d e n e ds t o p b a n d s f i n a l i y ，an o v e ld u a l - m o d eu w br i n gb p f i sd e v e l o p e d 1 1 1 cf a c t o r s 肿a l i a l y z e d i nd e t a i l w h i c hi n f l u e n c et h eb a n d w i d t h ，r e t u r nl o s sa n di n s e r t i o n1 0 s so f t h ef i l t e r i n o r d e rt od e s i g naf i l t e rw i t hg o o dp e r f o r m a n c e ，an o v e lc o u p l e ds t r u c t u r ei sp r o p o s e d a n dt h ep r o c e s st od e s i g nt h i sk i n do f f i l t e ri sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：h i g h - p e r f o r m a n c eu w bb a n d p a s sf i l t e r s , z - t r a n s f o r mo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h m ，w i d e b a n de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l ，d u a l - m o d eu w bf i l t e r , e v e n a n d o d d - m o d ea n a l y s i s 上海大学博士学位论文 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：叠蹈e t 期：垒堕：! ：签 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) 签名：蓥鹏 导师签名：墨笙竺! 日期：丝互! ：! i i 上海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 本课题由国家自然科学基金( g p 6 0 2 7 1 0 2 9 ) 部分赞助。 随着通信技术的迅速发展，人们对信息传输系统的要求越来越高。在此背景之下， 超宽带( u w b ) 技术以其系统简单、成本低、功耗小、数据传输速度快、安全性高等 优点成为目前通信领域的一个研究熟点。从2 0 世纪6 0 年代出现到2 0 世纪9 0 年代之 前，u w b 技术主要采用其最初的脉冲通信形式，并主要应用于军事上的雷达和低截获率 的通信系统。近年来。随着微电子器件的技术和工艺的提高，u w b 技术开始应用于民用 领域，并在国际上掀起了对其研究、开发和应用的热潮，被认为是下一代无线通信的革 命性技术。为了研究u w b 技术在民用领域使用的可行性，自1 9 9 8 年起，美国联邦通 信委员会( f c c ) 就超宽带无线设备对原有窄带无线通信系统的干扰及其相互共容的问 题开始广泛征求业界意见。在有美国军方和航空界等众多不同意见的情况下，f c c 仍 发放了u w b 技术在短距离无线通信领域的应用许可，并于2 0 0 2 年2 月批准了u w b 技术用于短距离无线通信的申请i l 】，为u w b 技术的产品商业化打开了第一扇门，从而 使得超宽带系统1 2 巧1 及其器件( 如：u w b 天线睁7 】、u w b 滤波器【蜊、u w b 放大器1 1 0 】 等) 的研究越来越受到人们的关注。本论文着重研究u w b 系统当中的超宽带滤波器的 综合理论及其小型化设计。 图1 1u w b 系统框i 摹1 2 1 图1 1 为典型的超宽带系统框图【2 】o 从框图1 1 中，我们可以看出，在超宽带系统 中的射频r f 模块的前端需要设置一个超宽带滤波器使系统可以发射符合f c c 标准的 上海大学博士学位论文 u w b 信号以及尽可能地减少其受到工作频带以外的干扰。另外，超宽带系统中需要解 决大量的超宽带匹配问题，例如：放大器的输入和输出都需要良好的匹配网络，以保证 最大的传输系数。因此，超宽带微波滤波器是u w b 系统中的一个关键无源部件，它的 特性好坏对于系统的整体性能起着非常重要的作用。目前，国内外对超宽带滤波器的研 究还是刚刚起步，出现了一些新型结构应用于宽带滤波器的设计，但对于超宽带滤波器 的综合设计方法的研究仍然处于摸索阶段。因此，本论文的研究力求在前人的基础之上 总结并发展出一套适合超宽带滤波器设计的综合理论，研制开发几种实用的小型高性能 超宽带微波滤波器。 一般来说，超宽带不同于传统的窄带和宽带，它的频带范围为相对带宽大于2 5 ， 而传统的窄带是指相对带宽小于l ，相对带宽在l 到2 5 之间则被称为宽带。但是 f c c 对超宽带的定义作了修正，将其修改为相对带宽大于2 0 0 , 6 或一1 0 d b 的频带宽度至少 大于5 0 0 m h z 以上。此外，f c c 还对u w b 通信系统进行了分类：( 1 ) 成像系统( i m a g i n g s y s t e m s ) ，包括地面穿透雷达系统、墙壁成像系统、墙壁穿透成像系统、监视系统和医 疗成像系统；( 2 ) 车载雷达系统( v e h i c u l a rr a d a rs y s t e m s ) ；( 3 ) 室内超宽带系统( i n d o o r u w bs y s t e m s ) 。对于不同的通信系统，f c c 都规划了不同的使用频带范围，主要原 因是为了方便管理和区分各种通信系统的特性。当前，人们普遍比较关心的是第三种类 型i n d o o ru w bs y s t e m s 在商业上的应用价值。根据f c c 的规定，i n d o o ru w b 的通信 系统使用的频带为3 1 g h z 1 0 6 g k ，这一频段宽度达7 5 0 0 m h z 。另外，车载雷达系 统工作的频带为2 2 g h z 和2 9 g h z 之间的7 g h z 的范围。本论文研究的超宽带滤波器的 通带主要集中在这两个频率范围。 美国在u w b 的积极投入，引起了欧盟和日本等国家的重视，也纷纷开展相应的研 究计划。我国在2 0 0 1 年9 月初发布的“十五”国家8 6 3 计划通信技术主题研究项目中， 首次将“超宽带无线通信关键技术及其共存与兼容技术”作为无线通信共性技术与创新 技术的研究内容，鼓励国内学者加强这方面的研究工作。但是国内目前关于u w b 技术 的深入研究仅限于雷达方面，关于u w b 通信系统及其器件的研究还没有形成规模。因 此本论文关于u w b 滤波器设计的研究对于我国在超宽带技术领域的研究和发展具有非 常重要的理论意义和应用价值。 1 2 传统宽带滤波器概述 窄带滤波器大都利用集总元件的低通原型滤波器来设计的【1 1 - 1 4 ，虽然设计方法比较 简单和全面，但是由于将滤波器参数都确定在中心频率上，并且频率变换过程中进行了 一些窄带近似，因而设计中所用到的计算公式只适合于精确设计窄带或者中等带宽的滤 波器。而如果用这些窄带滤波器的设计公式来设计宽带滤波器将会造成很大的误差。传 统宽带滤波器的设计侧重于对原有的窄带滤波器的设计理论的修正，将滤波器各个参数 2 上海大学博士学位论文 都确定在频带的边频率和中心频率上【| i - 1 2 。用这种修正的设计方法来设计平行耦合线、 交指线和四分之一波长短路枝节三种结构的宽带滤波器，可以得到有效的计算公式，下 面就这三种宽带滤波器结构的特点及设计思路做一些简单的介绍。 1 2 1 平行耦合线结构 与其它耦合滤波器结构相比较，通过调节平行耦合线的线宽和间距就能够得到较大 的耦合系数，因而这种结构常常被用于设计相对带宽较大的微波滤波器。并且许多文献 和教科书中也给出了用于设计平行耦合线滤波器的计算公式【13 】： z “= z o i + 忍+ i 忍门 ( 1 - 1 ) 瓦= z o 1 - 届+ 怛。门 ( 1 - 2 ) 其中，磊为滤波器输入或输出传输线的特性阻抗。虽然这些设计公式非常简单，但 是它们只适合于比较精确地设计相对带宽小于2 0 的窄带或者是中等带宽的滤波器，因 为在公式的推导过程当中作了很多近似：首先，各级平行耦合线的耦合系数，是从低通 原型滤波器出发经过频率变换得到的，中间做了一系列的窄带近似，因而得到的，值也 只能表示平行耦合线在中心频率附近的值；其次，公式( 1 - 1 ) 和( 1 - 2 ) 的推导是基于 平行耦合线的a b c d 矩阵与其等效电路的a b c d 矩阵在中心频率处相等而得到的l “， 因此它只能说明设计公式在中心频率附近是比较准确的，而在远离中心频率处的综合设 计误差会越来越大。 为了获得较为精确的设计公式，文献【1 5 】对传统的综合公式( 即式1 1 和1 - 2 ) 进行 了修正，得到了一组改进的计算公式( 如图1 - 2 所示) 。公式当中，微带线耦合电长度0 不再是以前的r 2 ，而是石忽( 1 士，2 ) ，其中是所设计滤波器的相对带宽。 = 丽 x + 壶) s i n o + l 】 x + 去) 渤叫 图1 2 新型耦合微带线滤波器综合公式【吲 显然，跟传统综合公式一样，用改进的综合公式也不是精确的设计，它只不过是在 传统的计算公式中加入了一个修正项。图l - 3 给出了分别用改进的综合公式和用传统的 综合公式设计出来的滤波器的带宽与理想滤波器带宽值的误差比较曲线。从图中，我们 不难发现：( 1 ) 不论是用传统的设计公式还是用改进后的综合公式，设计出来的滤波器 睾 上海大学博士学位论文 的带宽要比理想滤波器的带宽有所减小，并且当设计带宽逐渐增大时，带宽的缩减量也 逐渐增大；( 2 ) 用改进的综合公式设计出来的滤波器的带宽的缩减要比用传统公式小很 多，尤其是在设计较大带宽的时候。 n 删p 嘲目喇雌厶，9 图1 - 3 两种综合公式设计滤波器的带宽误差比较旧 当设计滤波器的相对带宽非常大时( 例如：相对带宽大于7 0 ) ，用文献 1 5 】中的 改进综合公式设计得到的滤波器的带宽缩减也会比较大( 超过5 ) ，而且滤波器的级数 越多缩减量越大。因此，用平行耦合线结构设计超宽带滤波器( 相对带宽大于1 0 0 ) ， 仍然有以下几个方面的难点： 1 ) 综合方法方面：为了比较精确地综合设计宽带滤波器，需要一套适合于宽带滤波器 的综合理论，目前有几种解决方案可供选择 a ) 提出一组设计公式，使其可以在频带边缘频率和频带中心频率确定滤波器的各个 参数，这一方法在文献【l l 】中有详细的介绍。 b ) 彻底打破传统的设计思路，提出一种新的综合方法( 例如：利用优化理论获得滤 波器参数的综合方法) 。该综合方法是本论文关于超宽带滤波器理论研究的一个主 要内容，它可以在整个频带范围确定各种滤波器的参数，从而完成宽带尤其是超 宽带滤波器的精确设计。具体的综合方法将在1 4 节以及第二章和第三章的内容里 作详细的分析和介绍。 2 ) 滤波器的实现方面：一般来说，所设计的滤波器相对带宽越大，用综合方法综合出 来的平行耦合线的奇模和偶模特性阻抗值差别就越大，其物理意义就是谐振器之间 的耦合系数越大，这样实现起来就比较困难，加工成本也比较高。在第三章中有解 决这一问题的方法的详细介绍。 3 ) 在中心频率倍频处会出现寄生通带，这样会使得阻带带宽较窄，尤其对于宽带滤波 器来说，阻带带宽就会显得更窄。因此抑制高次谐波，改善阻带特性，增加阻抗带 宽是这一类滤波器所面临的一大难点。如何拓宽滤波器的阻带带宽，改善滤波器的 阻带特性也是本论文的一个研究重点。 4 上海大学博士学位论文 1 2 2 交指型结构 交指型滤波器是由两组平行耦合线谐振器阵相互交叉组成的，具有优良的带通滤波 器的特性。这种滤波器结构紧凑、坚实，性能优良，制造公差要求低，并且有适用于各 种带宽的结构分析与设计方法【1 砚”，故在滤波器的设计中应用非常广泛瞄掰l 。传统交指 型滤波器主要有终端短路和终端开路两种基本形式【1 ”，前者适用于设计窄带，后者适用 于设计宽带。用文献【l l 】中的方法来设计宽带滤波器时所用的公式和图表较多，计算量较 大，并且对于超过一定带宽的滤波器来说，由于需要的耦合太大，所以滤波器实现起来 有一定的困难。 曼 ， 堇 蓉 f i 唧i 哆( g 壬坳 ( c ) 图l - 4 ( a ) 传统四级交指型带状线带通滤波器，( b ) 新型四级交指一发夹型多层带状线 带通滤波器，( c ) 两种滤波器的频率响应比较射日 为了减小交指型滤波器的体积以及改善滤波器的频率选择特性，文献 2 6 - 2 7 提出了 一种新型交指一发夹型滤波器。图l - 4 ( a ) 和 分别为传统四级交指型带状线带通滤波 器和新型四级交指一发夹型多层带状线带通滤波器，它们的频率响应特性曲线的比较 图由图l - 4 ( c ) 给出。从图1 - 4 ( c ) 中可以看出，由于采用了双层结构，引入了l ，4 级谐振 器之间的交叉耦合，因此在通带的左右两边各产生了一个传输零点，在不增加滤波器级 上海大学博士学位论文 数的情况下改善了滤波器的阻带衰减特性，有利于滤波器的小型化。虽然文献 2 6 2 7 中实现了相对带宽为3 1 的新型四级交指一发夹型多层带状线带通滤波器，但是由于宽 带综合理论的缺乏，因此用这种结构实现更大带宽的超宽带滤波器仍然是一个挑战。 1 2 3 四分之一波长短路枝节结构 四分之一波长短路枝节结构滤波器主要有两种结构，其中的一种是由电长度为2 ( 凡是滤波器中心频率而处的波导波长) 的短路枝节和连接线组成i “】。滤波器的设计方 法和详细计算公式在【l l 】和【1 4 】中都有详细的介绍，这里不再赘述。值得说明的是，这 种结构的宽带滤波器设计优点在于实现宽通带比较容易，而它的难点在于改善阻带特 性。欲使滤波器在阻带能快速衰减，常用的方法是增加滤波器的级数，这样一来滤波器 的尺寸将会变大，不仅不利于滤波器的小型化，而且带内衰减也会增加。如何尽可能地 采用更少的级数实现更好的阻带特性是本课题研究的一个主要内容。 毫”粒 、 叫 f 1 1 、，、，、 f 1、l、u lif、，1ll ， jl v l j lv | | ， 图1 5 由在滤波器的中心频率处的电长度分别为l 4 和2 0 2 的短路枝节和均匀传输线 组成的滤波器结构及其频率响应曲线 2 9 1 另外一种四分之一波长短路枝节结构滤波器是由在滤波器的中心频率处的电长度 分别为2 0 4 和2 0 2 的短路枝节和连接线组成【2 8 划，这种滤波器的结构和它的频率响应曲 线如图1 - 5 所示。从图中可以看出，这种类型的滤波器可以实现超过1 0 0 的相对带宽， 并且与前一种滤波器相比较，它可以用相同的短路枝节实现更多的传输极点。但是，与 上面一种四分之一波长短路枝节结构滤波器一样，它也面临着级数较多及其造成的尺寸 较大和较大损耗的问题。为了减小滤波器的尺寸，文献【3 0 】提出了一种新型的改进结构 6 。4嘶鹕勘毒釉*_-瑚 上海大学博士学位论文 ( 如图1 - 6 所示) ，这种结构通过将：o 2 连接线折叠起来并且用一个过孔对两个2 0 4 枝 节进行短路处理的方法大大减小了滤波器的物理尺寸，实现了滤波器小型化设计，而且 改进后的滤波器的频率响应( 如图1 6 所示) 与图1 5 中滤波器的响应相差不大。然而， 由于滤波器的级数较多所造成的损耗较大的问题仍然没有得到解决。本论文将在第二章 介绍一种新型的滤波器结构，它能够使用较少的级数实现高频率选择性、低损耗的小型 化超宽带滤波器。 盆 已 - = 毋 a o246 81 0 1 2 f t e q t a m c y g 哟 图l - 6 , l o 4 短路枝节结构滤波器( 如图卜5 所示) 的小型化结构及其频率响应曲线1 3 0 1 总之，以上几种传统的宽带滤波器各有其优点，也有设计过程所面临的难点，这些 难点有待于我们今后不断地去研究和解决。当然，近年来国内外微波专家对于超宽带滤 波器的研究并不是局限于对传统宽带滤波器的改进，他们也提出了一些具有良好的超宽 带滤波特性的新型宽带和超宽带滤波器结构。在下一节，我们将对这些新型的超宽带滤 波器结构进行综述性的介绍。 1 3 1 双模宽带滤波器 1 3 超宽带滤波器研究近况 双模谐振器以其低损耗、结构紧凑、成本低的特点被广泛应用于窄带和宽带滤波器 的设计当中【3 “1 1 。双模谐振器有许多种形式，其中包括：环形、双环形、三角贴片、矩 形贴片等。一般地说，通过在谐振器中增加微扰结构，便可以使得谐振器的两个简并模 式分离，并且这两个分离模式的谐振频率之间的距离由微扰结构的大小决定。文献 f 3 1 - 3 6 根据双模谐振器的这一特性设计了许多高性能的窄带双模滤波器。近年来，随着 宽带通信技术的发展，国内外专家对双模谐振器进行了深入研究，提出了几种新型的双 模谐振器结构用来设计宽带和超宽带微波滤波器。 ( 1 ) 正方环形宽带滤波器 k a ic h a n g 等人在图1 - 7 ( a ) , 行示的正方环形谐振器的基础之上，提出了一种如图l - 7 上海大学博士学位论文 ( b ) 所示的新型正方环形谐振器结构【”4 研。根据正方环形谐振器的电流分布规律】易知 在电长度为知的环形谐振器的两个正交位置进行输入输出馈电( 如图l - 7 ( a ) 所示) 得 到的滤波器的频率响应呈带阻特性【3 8 】( 如图1 7 ( d ) 所示) 。但是，如果我们在正方环形 谐振器的另外两个正交位置处添加两个训开路调谐枝节( 如图l 7 ( b ) 所示) ，得到的 滤波器的频率响应便具有宽带的带通特性( 如图1 7 ( e ) 所示) 。为了改善滤波器的带外 衰减特性，如果在谐振器的右上角增加一个正方形微扰结构( 如图1 - 7 ( c ) 所示) ，就可 以激励起双模效应，并得到如图1 - 7 ( 0 所示的在通带两边各有两个传输零点的具有较宽 阻带特性的宽带滤波器。 和曩- ( a )( b ) ( c ) 图1 7 ( a ) 传统正方环形谐振器结构( b ) 新型正方环形谐振器结构( c ) 增加扰动的双模 谐振器结构( d ) 传统正方环形谐振器的响应曲线( e ) 新型正方环形谐振器的响应曲线 ( o 增加扰动的双模谐振器结构的响应曲线p 明 虽然我们可以利用如图1 - 7 ( c ) 所示的双模谐振器来设计相对带宽为6 0 0 , 6 左右的宽带 滤波器，然而这种滤波器往往阻带比较窄，这个缺点会大大限制它在微波电路的使用： 此外，目前还没有文献报道该滤波器的设计方法，这也为设计过程造成了一定的困难。 在本论文的第四章和第五章，我们对这种类型的环形谐振器进行了系统的分析，给出了 这一类滤波器的设计思路，提出了几种改善滤波器阻带宽度的有效方案，并且在此基础 上设计出了几个用于低频段室内超宽带系统( 3 1 5 i g h z ) 以及准毫米波段车载雷达系 统( 2 2 - 2 9 g h z ) 的高性能超宽带滤波器。 ( 2 ) 圆环形宽带滤波器 圆环形宽带滤波器有两种结构，其中一种就是单圆环谐振器构成的滤波器。文献 上海大学博士学位论文 【3 9 - 4 1 1 提出了一种可以精确的调节传输零点的圆环形谐振器结构( 图l 一8 ( a ) ) ，它是由 两个特性阻抗不同的半圆环和一段开路调谐枝节构成的，并且谐振器频率响应曲线中的 传输零点位置( 如图1 8 所示) 由半圆环和开路调谐枝节的特性阻抗比值决定。 o - 4 0 2 f - 呵褂埘 (a)(” 图i - 8 ( a ) 圆环形谐振器结构根据公式计算出的零点位置m |、 f 阳脯曲n 。 ，：角m胡 雨 、雍、一l ， 脚 ￥ ， ￥i 孽f i i 2 0 j r l 删 (a)(b) 图! - 9 ( a ) 圆环双模超宽带滤波器结构( b ) 圆环双模超宽带滤波器响应曲线 4 0 1 将多个结构如图i - 8 ( a ) 所示并且具有不同传输零点的圆环形谐振器级联起来组合而 成的滤波器( 如图n - 9 ( a ) 所示) 可以得到如图1 - 9 ( b ) 所示的超宽带滤波特性。滤波器中 每个谐振器中各个部分的特性阻抗可以文献【4 0 】中的公式精确算出。这个超宽带滤波器 的相对带宽虽然可以超过1 0 0 ，但是它的主要缺点就是尺寸非常大、阻带宽度非常小 以及频率响应特性不能满足f c c 的要求。 另外一种宽带滤波器是由双圆环形谐振器结构组成的 4 2 - 4 5 1 ，它的结构及谐振点位置 如图1 1 0 ( a ) 和( b ) 所示。双圆环形谐振器有两个谐振频率，其中大圆环尺寸控制较小的 谐振频率石的位置，而较大的谐振频率正的位置则由小圆环的尺寸控制。这种双圆环双 模滤波器带宽可达2 3 9 9 ( 如图i - l o ( c ) 所示) 。可见这种双圆环结构的滤波器的带宽 不是很宽，而且带外特性也不是很好。 9 啻i导。暑摹毋 营-叠l囊-蕾 上海大学博士学位论文 0 鼍 孑 jj2 2 2 4 舶抖0 0 h t r m g 图h o ( a ) 双圆环双模谐振器( ”双圆环双模谐振器谐振点位置( c ) 频率响应曲线嘲 雹 蠢 薯 磊 ( a ) 图1 - 1 1 ( a ) 改进后的双圆环双模谐振器，嘞频率响应曲线m 在图1 1 0 中的双圆环谐振器的结构基础上进行改进，通过调节两个环之间的连接 线的宽度以及在外面增加扇形枝节，就可以得到如图1 - 1 l ( a ) 所示的改进后的双圆环双 模谐振器结构，图1 1 l ( b ) 为它的频率响应曲线，它的相对带宽可达5 0 5 3 晰1 。该滤波 州 上海大学博士学位论文 器的主要缺点就是频率选择较差以及带内的损耗较大，这两点也是这一类型滤波器需要 改进的地方。 ( 3 ) 双模贴片宽带滤波器 与传输线结构谐振器相比，虽然贴片谐振器的辐射损耗较大，但是它具有导体损耗 低、功率容量高h 7 1 等优点，因此也经常被用于滤波器的设计当中【4 n 。在等三角贴片谐 振器中，有两个简并的基模。图1 1 2 为典型的平面等三角贴片谐振器，该谐振器是一 个旋转1 2 0 度对称的结构。我们利用w h e e l e r 腔( w h e e l e r 腔是指腔的顶部和底部是理 想的电壁，而其余面都是理想的磁壁) 模式来分析三角贴片珏划，就可以得到三角贴片 谐振器中存在的两个简并模的电磁场表达式p ”。 )御 图! - 1 2 ( a ) 等边三角贴片谐振器( b ) 旋转后的坐标轴侈3 1 ( a )秭 图1 - 1 3 ( a ) 三角帖片宽带滤波器结构( b ) 三角帖片宽带滤波器响应曲线剐 如果在三角贴片中引入一些扰动结构，就可以分离这两个简并模式，形成带通滤波 特性，许多的窄带双模滤波器设计m 删也正是利用了这一特点。文献【5 4 1 对于用三角贴 上海大学博士学位论文 片谐振器来设计宽带滤波器进行了初步的尝试，提出了一种宽带三角形贴片滤波器结构 ( 如图1 1 3 ( a ) 所示) ，这种结构通过复杂的馈电结构达到激励起双模以及增强它们之间 的耦合系数的效果。该滤波器的频率响应曲线如图i - 1 3 ( b ) 所示，从中可以看出，带内 插入损耗较大，并且带宽也不是很宽( 只有2 6 5 ) ，所以这种滤波器在性能上还有待 改善。此外，窄带三角贴片滤波器可以用耦合理论例进行综合设计，但是用它来设计宽 带滤波器误差会较大，因此综合设计方法也是这一类宽带滤波器值得研究的一个内容。 1 3 2 三线平行耦合线结构 当用平行耦合线结构设计宽带滤波器时，相对带宽越大，耦合系数就越大。一般地 说，强耦合需要通过减小平行耦合线的宽度或者它们之间的间距来实现，这就增加了对 滤波器的加工精度的要求。解决这个问题的方法之一就是采用三线结构瞄铡，因为这种 结构可以用比较大的线宽和线间距实现比较强的耦合系数。表l l 【5 5 】列出了对于不同带 宽的滤波器，分别采用耦合微带线和三线结构的第一级耦合结构的线间距j 与介质高度 d 之比值，不难发现，三线耦合微带线对间距的要求比传统耦合微带线的要求低得多， 因此更容易实现。 椰u l l v i l 瞄呻懈o f 弹f t s t c o u h 胸翻： o 阳 表1 - 1 、耦合系数比较明 图1 1 4 、五级线宽带滤波器捌 暑 誊 t t f 图1 1 5 五级三线宽带滤波器响应曲线闻 上海大学博士学位论文 近年来国内外专家对三线结构滤波器的研究比较多，主要有三个方面：( 1 ) 文献 5 5 1 推导出了三线耦合结构的等效电路模型，为三线耦合结构的宽带滤波器的设计奠定了理 论基础；c 2 ) 文献 5 8 5 9 应用谱域法分别对微带和悬置线形式的三线耦合微带线进行了 全波分析，并且给出了阻抗矩阵的计算方法。( 3 ) 文献【6 0 】给出了对多导线耦合结构进 行时域仿真的分析方法。 一个五级的三线结构滤波器如图1 1 4 所示【5 6 l ，图1 1 5 是它的响应曲线。这种类型 的滤波器的相对带宽可以超过6 0 ，能否实现超过1 0 0 还有待于进一步的研究。另外， 它的缺点是设计过程比较复杂，反射损耗大。 1 3 3 多模谐振平行耦合线结构 所谓多模谐振平行合线结构是指它使用的谐振器在通带范围内有两个或者两个以 上谐振频率。早期用于宽带滤波器设计的多模谐振平行耦合线结构是如图1 1 6 ( a ) 所示 的双模结构柳- 6 2 1 。在滤波器中引入地面缺陷结构是为了增强输入输出与谐振器之间耦合 系数。文献川分析了图1 - 1 6 ( a ) 的等效电路模型( 如图1 - 1 6 ( c ) 所示) ，并给出了反射系 数计算公式： 其中：j = j r o 墨。= ( 1 3 ) ( c ) 图l - 1 6 ( a ) 缺陷地耦合微带线滤波器基本结构( b ) 改进的缺陷地耦合微带线滤波器结 构( c ) 图( a ) 的等效电路 由上式可知，传输极点可以在中= 1 8 0 。，西= 3 6 0 。，和了= i 时得到，前两种情况的传 输极点对应于一次和二次谐振频率( 即：双模谐振器的谐振频率) ，第三种情况下的传 1 3 上海大学博士学位论文 输极点是通过增大倒置变换器，的值( 即增强耦合线之间的耦合系数) 得到的。这样， 通过增强输入输出与谐振器之间的耦合系数就可以实现如图1 1 7 ( a 所示的宽带带通滤 波特性。为了改善阻带特性，改进的缺陷地结构( 如图1 1 6 ( b ) 所示) 在原来结构的基 础之上增加了一个调谐枝节。将这两种结构的频率响应曲线( 图i - 1 7 ( a ) 和图1 1 7 ( b ) ) 进行比较，可以看出，由于调谐枝节的引入使滤波器的频响特性曲线在1 2 g h z 附近的 极点消失了，从而明显地改善了澹波器的阻带特性，但是这种方法也会带来一定的负面 效应，那就是滤波器的通带带宽有所减小。 (a)(” 图1 - 1 7 ( a ) 图1 1 6 ( a ) 的响应曲线( b ) 图1 1 6 ( b ) 的响应曲线【6 l 】 融q 删 h o p 即可t m 均 ( a )( b ) 图1 1 8 ( a ) 新型耦合线结构及频响曲线嘟1 新型耦合线结构滤波器及频响曲线咿1 文献【6 3 - 6 4 】给出了一种新型的结构( 图1 - 1 8 ) ，这种结构没有采用缺陷地结构，通 过减小耦合线两端传输线的特性阻抗，这种方法也可以增强耦合、产生传输极点( 如图 1 - i s ( a ) 所示) 。图1 - 1 8 ( b ) 就是采用这种新型结构设计的宽带滤波器以及它的频响曲线， 上海大学博士学位论文 它与图1 1 6 ( a ) q 6 的滤波器具有相类似的响应特性。另外，采用如图1 1 9 所示的滤波器 结构1 6 4 1 可以实现更好的阻带特性。 h q 嘲雕y ( 6 h 砷 图l - 1 9 宽阻带特性有所改善的滤波器结构及其频响曲线删 根据以上几个双模谐振平行耦合线结构的滤波器的频率响应曲线，可以发现这种双 模谐振耦合微带线滤波器的相对带宽一般最大可达6 0 左右。如果要获得更大带宽滤波 器的设计( 例如：相对带宽达1 0 0 2 1 e 右) ，就需要使用非对称耦合微带线结构1 6 5 , - 6 9 ) 或者 三模谐振平行耦合线结构 7 0 - 7 4 1 。 c o u p l i n g l 雾出：u n 妊瓣”s u i p 嘶d i ：h ：w 两。1 0 郅q l i r a5 旧l i a * 图1 - 2 0 典型的三模谐振平行耦合线结构超宽带滤波器【7