（环境工程专业论文）微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计.pdf

摘要 在日益拥挤的无线频谱资源和复杂的电磁环境下，对滤波器的性能要求越来 越高。而超宽带的高保密性和抗干扰能力、多通带在频谱资源的利用率和频段兼 容性方面的优势，使得它们成为近些年来的研究热点。本文研究超宽带和多通带 滤波器的设计，采用多模谐振器、奇偶模谐振器、开口环谐振器等微带结构，设 计了多款超宽带滤波器和多通带滤波器。 具体工作的主要内容如下： 首先，本文通过对国内外的大量相关文献进行整理和分析，总结了滤波器的 研究现状及热点。然后，介绍了滤波器的相关指标、综合方法和谐振器理论，主 要介绍了超宽带、多通带的综合方法和几种谐振器。 其次，研究了基于多模谐振器的超宽带带通滤波器的设计。介绍了多模谐振 器的频率特性，并设计了具有内部和外部耦合结构的超宽带带通滤波器，仿真和 实测验证了结果。 最后，研究了多通带带通滤波器的设计。基于奇偶模特性，设计了一款基于 改进型端负载谐振器盼双通带宽阻带滤波器；基于折叠型阶梯阻抗谐振器，设计 了一款微带线结构的双通带高选择性滤波器；基于开口环谐振器和阶梯阻抗谐振 器结构，设计了一款四通带带通滤波器。通过仿真和实测，验证了设计方法。 关键词：多模谐振器，端负载谐振器，开口环谐振器，阶梯阻抗谐振器，超宽 带带通滤波器，双通带带通滤波器，四通带带通滤波器。 a b s t r a c t u n d e f锄i n c r e a s i n g l y c r o w d e dw i r e l e s ss p e c t r u m r e s o u r c e sa n dc o m p j e x e l e c 仃o m a g n e t i ce n v i r o n m e n t ，t h ep e r f o r m a n c eo f t h ef i l t e ri sd e m a n d e dm o r ea i l dm o r e w h i l eu l t r a w i d e b a l l dw i t ht h eb r o a d b a n dh i g hc o n f i d e n t i a l i t y a n da n t i 。i n t e r f e r e n c e a b i l i t ya n dm u l t i b a n dh a v eg r e a ta d v a n t a g e si nt h eu t i l i z a t i o n r a t i oo ft h e1 j r e q u e n c y s p e c t n 朋r e s o u r c e sa n df r e q u e n c yc o m p a t i b i l i t y ，s ot h e yb e c o m e ah o tr e s e a r c ht o p l cl n r e c e i l ty e a r s 1 l l i sp a p e ri sf o c u s e do nt h ed e s i g no f t h eu l t r a - w i d e b a n db a n a s sf i l t e r a n dm u l t i - b a i l db a n d p a s sf i l t e r ，a d o p t i n g m u l t i - m o d er e s o n a t o r s ，o d d e v e nm o d e r e s o n a t o r s ，o p e nl o o pr e s o n a t o r sb a s e do nm i c r o s t r i p s t r u c t u r e ，af l e wu l t r a - w l d e b 锄d f i l t e r sa r l dm u l t i b a n db a n d p a s sf i l t e r sa led e s i g n e d t h em a i nc o n t e n to f t h ec o n c r e t ew o r ka r ea sf o l l o w s ： f i r s to fa l l ，t h i sp a p e rs u m m a r i z e st h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so f t h ef i l t e ra n dh o t s p o t s ，w h i c hb a s e do nt h er e l a t e d l i t e r a t u r ea th o m ea n da b r o a do fc o l l e c t l o n 锄d a n a l y s i s t h e n ，t h i sp a p e r i n t r o d u c e st h er e l a t e di n d e x ，s y n t h e s i st h e o r i e sa i l dr e s o n a t o r t h e o 珂，m a i l l l yo nt h eo m er e s o n a t o r s ，s y n t h e s i st h e o r i e so f u l t r a - w i d e b a n df i l t e r sa i l d m u l t i b a n db a n a s sf i l t e r s s e c o n d l v ，w ef o c u st h e u l t r a - w i d e b a n db a n a s sf i l t e rb a s e d o nm u l t i - m o d e r e s o n a t o r ( m m r ) t h i sp a p e ri n t r o d u c e dt h ef r e q u e n c yc h a r a c t e r i s t i c so f t h er e s o n a t o r s ， t h ee x t e m a l 锄di m 锄a lc o u p l i n gs t r u c t u r eo ft h eu l t r aw i d c b a n db a n d p a s sf i l t e r a r e d e s i g n e d ，t h em e a s u r e d r e s u l t sv e r i f i e dt h es i m u l a t e do n e s f i 枷l y ，恤d e s i 印o f m u l t i b a n db a n d p a s sf i l t e r si sr e s e a c h e d b a s e do no d d 。e v e n c h a r a c t e r ，am i c r 0 嘶pl i n e d u a l b a n db a n d p a s sf i l t e ru s i n gm o d i f i e ds t u b l o a d e d r c s 0 m l t o r s 、i mw i d es t o p b a n di sp r o p o s e d am i c r o s t r i pl i n ed u a l b a n db a n a s s f l l t 盯 u s i n g f o l d e d s t e p p e d i m p e d a n c e r e s o n a t o r s ( f s i r s ) w i t h h i g hs e l e c t i v i t y 1 s i m p l e m e n t e d am i c r o s t r i pq u a d b a n db a n l a s s f i l t e ru s i n go p e n 。l o o pr e s o n a t o r sa 1 1 d f o l 】ro r d e r ss t 印p e di m p e d a n c er e s o n a t o r si sd e s i g n e d t h e s ef i l t e r s a r ef a b r i c a t e da n d m e a s u r e dt ov a l i d a t et h ed e s i g na p p r o a c h k e y w 。r d s ：m l i l t i m o d er e s o n a t o r ( m m r ) ，s t u b l o a d e dr e s o n a t o r o p e nl 。o p r e s 蚰a t o r s ( o l r ) ， s t e p p e d i m p e d a n c e r e s o n a t o r s ( s i r s ) ，u l t r a w i d e b a n d b a n d p a s sf d t e r ( u w nb p i o ，d a u l - b a n db a n d p a s s f i r e r ，q u a d b n d b a n d p a s s n l t e l 第一章绪论 第一章绪论弟一早殖比 1 1 研究背景 随着无线通信技术和无线多媒体业务的飞速发展，超宽带( u w b ) 技术受到越 来越多研究人员的关注。超宽带以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干扰能力 强等优点，具有非常广泛的应用前景和相当巨大的市场价值。虽然美国军方以及 航空界对于开放超宽带频段民用仍然存在着意见分歧，但是由于超宽带技术潜在 的诱人的应用前景，美国联邦通讯委员会( f c c ) 于2 0 0 2 年2 月批准了超宽带技术 在短距离无线通信领域的应用【1 1 。这为超宽带技术产品的商业化应用打开了大门， 促进了超宽带系统及其器件研究的进展。由于超宽带技术可适用的领域十分广泛， 为了便于管理，f c c 将超宽带系统分为3 类：( 1 ) 成像系统，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；( 3 ) 室内超宽带系统。对于不同的通信系统，f c c 都划分了不同的使用频带 范围。当前，各大研究机构最为关注的是室内超宽带系统的商业价值。根据f c c 的规定，室内超宽带通信系统1 2 使用的频带范围是3 1g h z - i o 6g h z 。 随着科学技术的发展，现代移动通信基站及移动通信终端都正在朝着小型化， 集成化的方向发展，越来越多的通信系统和功能都集成在一种通信设备或终端上， 例如，现在的手机中不仅可以同时支持g s m 和c d m a 通信制式，而且兼容g p s 和w l a n 等其他通信制式。而随着通信系统的不断增多的同时，频率资源也日渐 紧张，如何合理的利用频率资源，在朝着更高频段发展的同时兼容好现阶段的各 种通信频段资源的通信系统是无线通信发展的一个关键。多通带滤波器在此背景 下应运而生，它可以根据通信系统要求同时工作于两个或多个所需要的工作频段， 在兼容现有通信频段的同时，滤除掉其他频段的干扰信号。其中，微带结构非常 适合于制作通信频段的多通带带通滤波器，因为从综合应用和集成化的角度出发， 微带结构非常紧凑，并且易于与基站中的射频前端结合，便于应用。基于微带结 构，d g s 、s i r 等结构和一些新的结构也随之广泛的应用于多通带滤波器设计中。 基于微带结构的多通带带通滤波器的研究，特别是双通带滤波器，在最近十年内越 来越受到学者们的重视。随着技术的成熟，多通带带通滤波器技术在无线通信系 统中的应用将会越来越广，因此，研究多通带带通滤波器的新的实现形式和方法 就显得特别有意义i 川。 作为通信系统中不可或缺的器件之一，特别是在日益拥挤的无线频谱资源和 复杂的电磁环境下，滤波器成为无线电技术中许多设计问题的中心，可以利用它 2 微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 来组合或分开不同的频率。滤波器既可以用来限定大功率发射机在规定的频带内 辐射，又可以反过来防止接收机受到工作频带以外的干扰。从超长波到微波，直 至光波以上的所有频段都需要有滤波器。因此，微波滤波器是通信系统、雷达系 统、测量系统中最常见的器件之一，其性能的好坏往往直接影响到整个通信系统 的质量。随着微波器件集成度的日益提高，滤波器的小型化显得迫在眉睫。因此， 研究具有高性能、小型化、易集成的微带滤波器有着重要的意义1 4 。 针对以上背景，利用超宽带的高保密性和抗干扰能力、多通带在频谱资源的 利用率和频段兼容性方面的优势，使得它们成为近些年来的研究热点。本文针对 超宽带和多通带滤波器的设计展开的，设计了多款超宽带带通滤波器和多通带带 通滤波器。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 超宽带带通滤波器研究现状 超宽带技术的发展，促使新型超宽带滤波器也必须不断地诞生和发展。新技 术、新工艺的出现使得超宽带滤波器的设计理论也不断丰富和完善。 超宽带滤波器首先是由a s a i t o 及h h a r a d a 等人在2 0 0 3 年提出来的【5 l 。他们 将微带线设计在一种特殊材料表面，而这种材料对高频信号有较大的衰减。导致 这种滤波器的插入损耗较大，远远满足不了现代超宽带系统的要求。在2 0 0 4 年 h i s h i d a 等人提出了一种微带环形结构的超宽带滤波器【6 】，其相对带宽虽然可以达 到8 3 ，但是仍然满足不了超宽带系统的要求。其中，该微带环采用的是阶梯阻 抗结构，其周长为一个波长，利用并联在微带环上的支节的微扰作用，可以形成 双模的环形谐振器。 u w b 滤波器的详细现状及发展情况参见文献【2 】，目前国内外超宽带滤波器设 计的主要方法【7 1 有：( 1 ) 多模谐振器( m m r ) 技术【8 l ；( 2 ) 混合微带共面波导( c p w ) 技术；( 3 ) 最优短路端技术；( 4 ) 电磁带隙( e b g ) 结构负载技术；( 5 ) 级联高低通滤波 技术；( 6 ) 多层板耦合技术( 新材料技术，如液晶聚合物l c p 或低温共烧陶瓷l t c c ) 。 其中，多模谐振器技术最先被文献【9 】所提出，后来经过很多研究和设计得到 发展。该技术目的是利用多模谐振器的谐振模式去设计超宽带滤波器。 1 0 季o i 一1 0 ： 一枷 - 5 0 13579” 3 阳- 童n 斜g h 对 图1 1 多模谐振器的超宽带滤波器结构和特性曲线 第一章绪论 图1 1 所示，一个典型的多模谐振器实现的超宽带滤波器和特性曲线。可以 看出，多模谐振器是一个中心为低阻抗线段而两端为等长的高阻抗线段，通过调 节高低阻抗微带传输线段的阻抗比，使多模谐振器的三个谐振模式在超宽带通带 内。通过合适的输入输出耦合，即可实现超宽带滤波器。值得注意的是，合适的 输入输出耦合还可以形成另外的传输极点，详见文献【9 】。 菡 已 - 苎 旦 翟 毋 = 毋 图1 2 复合微带共面波导结构和s 参数曲线 参见图1 2 ，采用复合微带共面波导结构【1o 】，可以设计出结构紧凑的超宽带 滤波器。该结构采用微带转共面波导结构的过渡结构和共面波导短路端，作为准 集总参数的电路元件实现高通滤波器。通过该高通滤波器的输入输出端口引入交 叉耦合电容，适当地设计耦合开路端，即可设计具有两个靠近通带边缘的传输零 点的超宽带滤波器。为了进一步提高选择性，两个微带短路端被集成到输入输出 端口，由此设计出一个五极点的超宽带滤波器。 9 。专 。酣、乃。、毛 ：。 一五 磊 ) 一乙i 五 磊f 八 r n , s h o d - c n i r c u i t e dn s t u b 8 i 图1 3 最优短路端技术的电路模型 图1 3 表示最优短路端技术的电路模型。该技术的输入输出端口没有耦合， 且有超过1 0 0 的相对带宽，可以实现更多的传输极点，级数较多，增加了尺寸和 损耗。该电路模型有五个分支短路端，连接的电长度是端长度的两倍。通常端长 度选为超宽带中心频率对应电长度的四分之一。由于连接线是非相邻的，对滤波 器的选择性起到作用。因此，这种滤波器在通带边缘呈现高选择性，这等效于九 阶契比雪夫滤波器。 为了进一步提高选择性，改进型最优短路端的超宽带滤波器引入了输入输出 端口的交叉耦合【l0 。不仅减小了尺寸，而且增加了传输零点，进而提高了选择性。 图1 4 为改进型最优短路端技术的超宽带滤波器结构和s 参数曲线。 4 微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 s 善一， r 飞姻j 口 图1 4 最优短路端技术设计的带有传输零点的超宽带滤波器结构和s 参数响应 电磁带隙( e b g ) 结构负载技术设计的超宽带滤波器可以改善高频阻带特性， 参见文献【1 l 】。图1 5 表示电磁带隙结构负载的优化短路端超宽带滤波器结构和s 参数结果，此结构高频阻带较宽，高频段直到2 0g h z ，带外抑制均低于3 0d b 。 o a i 一1 0 詈一2 0 | 。- 3 0 。 c o 一5 0 6 0 一b a h d p ；j a ：s $ f i l t er ： 。一 q ， ”7 i 二o 歹f ：j一。 。5 ， 附。竿蕾。rf 、p 彗：_1 薯_ 。哼熬毒麟州。主要- o o 蘑i 翟竺? 图1 6 级联带阻和带通结构和s 参数结果 随着先进的封装材料( 如液晶聚合物l c p 或低温共烧陶瓷l t c c ) 的到来， 可以利用多层板耦合技术实现超宽带滤波器【13 1 。如图1 7 所示，该结构不仅尺寸 小，而且耦合强。 图1 7l c p 的多层结构 o 0 o o o o o c ；l 曲 卅 一gpi。翟毒iid吣jo壹莹 第一章绪论 美国联邦通信委员会会定义的超宽带室内限制覆盖了已经存在的无线通信系 统的某些频段，例如5g h z 的无线局域接入网络和8g h z 的卫星通信系统。因此， 为了减小来自这些无线通信系统的干扰，随之产生了一些带有陷波特性的超宽带 滤波器。从相关文献看出，主要产生陷波的技术有集成开路端技术【1 4 1 、非对称输 入输出耦合技术1 1 5 】、集成陷波谐振器技术【1 6 】等，图1 8 、图1 9 和图1 1 0 分别 列出该陷波技术的一个实物结构和频率响应曲线。 嵌入式枝节在陷波处得反射最小，陷波带宽最窄，而传统的开路枝节在陷波 处得反射最大，陷波带宽最宽。s h a m a n ，h 和j i as h e n g h o n g 等人采用图1 8 所示 的由四分之一波长短路枝节和半波长连接线构成的u w b 滤波器1 1 4 j ，同样加上嵌 入式的开路枝节得到了对5 8 g h z 的w l a n 频段的滤波。这种结构很好的满足了 f c c 的要求，同时也具有了良好的陷波特性。随后，j i as h e n g h o n g 等人在图1 - 8 结构的基础上，又设计了一种开关式的嵌入型陷波结构，使用一个p i n 二极管控 制陷波的产生，同时通过偏置电压控制p u n l ：m m 5 0 【2 ，一31 _ 硼- 7 i n 一 量 芒 暑 e 叠 定 葛 暑 吕 里三一；1 。萎 - 6 0 怪笔拳f 一：喜 024881 01 2 f r e q u e n c y ( g h z ) 图1 8 嵌入式开路端产生陷波的结构和结果 宣一1 0 牙2 0 毋枷 - - 4 0 - - 5 0o 2 4 。品。品。毒是) 2 ”6 l a s y m m e t r i cs t r u c t u r e k = 1 oa n dl 22 0 m m ) i l s y m m e t r i c s t e u c t u r e “2k = 0 5 m m ) 图1 9 非对称输入输出耦合技术产生陷波的结构和s 参数结果 h 蚓 l 罟爿 一o j 一 f 鬯三三鼍善是萝盯三三i 耋言三1jj ! j ! 骠i l o8 4 6 ii i i 二二- ion 一l l 二；0 0 ! 嚣剥| j 誉臻到 臼。冉l l 一；与= = = = 苫云鬲；x i l 一口2 3 0 。l j 5 ：i 一 j ； ，l 1 0 17 o l 一1 二二。 图1 1 0l c p 技术的折叠阶梯阻抗谐振器陷波结构和频率特性 目前，国内在u w b 滤波器方面的研究相对滞后，但在国家8 6 3 计划的鼓励下， 随着很多高校和科研机构加大对u w b 滤波器的投入，呈现了迅猛发展的趋势。 2 0 0 7 年，上海交通大学的g u om i n y a n g 、g a ob i a o x i a o 等提出了一种可以获得1 0 0 6 微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 的通带带宽的微带结构的u w b 滤波器【1 7 】。该滤波器通过在地面开哑铃形的孔来 实现低通滤波，又通过开槽来进一步的降低通带内的插损，有效抑制通带外的回 损。这种滤波器有其尺寸小、易于集成的优点，但是结构复杂导致力n - r ：难度大。 1 2 2 多通带带通滤波器研究现状 随着通信系统的迅猛发展，系统往往需要通过一个波束发射多个不连续信道 的频率信号，这就需要双通带甚至多通带滤波器。过去的单频段通信系统己显得 陈旧，不能很好地满足通信系统的小型化、集成化等要求。为了提高频谱利用率， 在通信系统中设置能同时工作的多个通信频段显得十分必要。过去，为了实现双 频或多频段通信，每一个频段都需要独立的射频前端元件，这使得整个系统体积 和功耗较大，成本较高。若能将射频前端元件设计成双频段或多频段形式，则可 以大大降低系统的体积、成本及功耗，增强其可靠性，促进通信系统向小型化、 集成化发展。目前，多通带滤波器的研究以双通带和三通带为主，所以双通带滤 波器的研究和开发仍然是当务之急。 在国外，对双通带滤波器的研究与设计一直受到极大的重视，以 c t m a c c h i a r e l l a 、s t a m i a z z o 、j l e e 、k s a r a b a n d i 等为代表的一大批学者在这方面 己经取得了丰硕的成果。目前，已经研制出了使用双通带滤波器的双频通信系统 前端，微波双通带滤波器从此进入了实用化阶段。近几年，国内的一些研究所及 高校也已经初步开展了对双通带滤波器的研究，虽然取得了一定的成绩，但是在 综合与设计理论层次上，与欧美国家相比，仍然有较大的差距。因此，发展有关 微波双通带滤波器的设计刻不容缓【1 8 】。 目前，双通带的设计方法主要有以下几种：( 1 ) 带通级联，带通和带阻级联； ( 2 ) 多个谐振器( 如双模d u a l - m o d e ，阶梯阻抗结构的谐振器) ；( 3 ) 双路径( 谐 振器耦合，源和负载耦合) 。 在文献【1 9 】中，该设计利用级联带通和带阻滤波器形成的双通带滤波器，每个 通带的带宽，均可以通过调整带通和带阻的带宽来控制，而且传输零点较多，选 择性较好，缺点是尺寸较大，参见图1 1 1 。 图1 11 带通和带阻级联式双通带滤波器结构和s 参数曲线 多个谐振器结构，常用的是双模谐振器或者阶梯阻抗结构的谐振器。文献 2 0 】 是基于此设计方法设计出一个双通带带通滤波器。两个双模环形谐振器在不同的 第一章绪论 层上，多层结构可以减小尺寸，而且阻带的多个衰减极点提高了两个通带的选择 性，如图1 1 2 所示。 0 。1 0 善一2 0 o 墨一3 0 毛 芝_ 4 0 5 0 6 0 图1 1 2 双模双通带滤波器结构和s 参数曲线 基于双路径的形式主要有谐振器耦合，源和负载耦合等。文献【2 1 】是基于此设 计方法设计出一个双通带带通滤波器。两组谐振器分别产生不同的通带，经过不 同的 图1 1 3 基于双路径的形式的双通带滤波器结构和s 参数曲线 随着多通带研究的进展，主要是双通带和三通带为主的研究发展。近几年，出 现了几种设计四通带带通滤波器的结构和方法，主要有以下两种： ( 1 ) 基于多种基本结构【2 2 1 。如图所示，即为四通带带通滤波器，此滤波器基 于四种结构分别形成多个通带，其频带的中心频点分别为1 5 7g h z 、3 5g h z 、 2 4 5 5 2g h z ，它们分别对应于g p s 、w i m a x 、w l a n 等通信系统。该结构由四 部分组成，基本结构为外框结构、u 型谐振器结构、端耦合微带线和d g s 结构。 外框结构产生1 5 7g h z 通带，u 型谐振器和端耦合微带线形成双通带( 2 4 5g h z 和 图1 1 4 基于四种结构的四通带带通滤波器和s 参数 ( 2 ) 双模双矩形环谐振器结构i 捌。四个通带的中心频率分别是0 9 5g h z 、1 2 6 g h z 、1 8 9g h z 、2 2 9g h z ，见图1 1 5 ，该滤波器有两个双模谐振器，分别在顶层 8微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 仁赤 俨赤 m ， 石2 瓦万 五2 2 - , 2 厍 采用改进型共面波导馈电结构，可以获得更小的插入损耗，更高的带外抑制。 “51 + 。 ，二。蠢， 。5 3 。 图1 1 5 双模双矩形环谐振器结构的双通带滤波器和频率曲线 国内关于多通带滤波器的研究相对较少，西安电子科技大学的赖鑫的博士研 究成果【3 】可以作为参考。 1 3 论文内容安排及主要工作成果 本论文总结了当前国内外的研究现状，系统地介绍了微波滤波器的相关指标 及设计理论。对超宽带滤波器和多通带滤波器的设计应用进行了分析总结。重点 研究了超宽带带通滤波器和双通带及四通带带通滤波器，并按照谐振器的相关理 论设计了改进性能的超宽带带通滤波器和双通带及四通带通滤波器。论文的内容 结构安排如图1 1 6 所示。 第一章为绪论，主要分析了本文选题的背景和意义。分析了本课题国内外的 研究现状发展水平及主要的研究方向。最后介绍了本论文的研究内容、研究方法 及作者的主要工作。 第二章介绍了滤波器的分类和相关指标，同时介绍了超宽带和多通带的综合 方法、谐振器的基本原理。在谐振器的基本原理中，介绍了几种常用谐振器，分 别为多模谐振器、端负载谐振器、开口环谐振器和阶梯阻抗谐振器。对它们的基 。 m 协 船 舶 蛳 舶 ipj；葺。d p l ! 麟 攀 纛 第一章绪论 9 本理论做了简单介绍，包括各种谐振器的基本结构、频率特性和参数等，并列出 了其所使用的公式。 多模谐振器 端负载谐振器 开口王l = 谐振器 阶梯阻抗谐振器 图1 1 6 论文结构框图 第三章是超宽带带通滤波器的设计。首先介绍了超宽带滤波器的发展情况。 然后，基于多模谐振器结构，分别设计了基于开槽多模谐振器的超宽带滤波器和 基于一对多模谐振器的超宽带滤波器。从原理、结构和参数等方面进行分析，仿 真和测试结果符合较好，验证了设计方法及理论的正确性。 第四章是多通带带通滤波器的设计，首先介绍了多通带滤波器的发展情况。 基于端负载谐振器结构，提出了改进型的端负载谐振器的双通带宽阻带微带滤波 器；基于多模谐振器和非对称输入输出耦合线结构，设计并实现了基于折叠阶梯 阻抗谐振器的高选择性的微带双通带滤波器；基于开口环谐振器和四阶折叠型阶 梯阻抗谐振器结构，设计了一款新颖的微带四通带带通滤波器。设计过程中，分 别从原理，结构和参数等方面进行分析，仿真和测试结果符合较好，从理论和实 测对比中，验证了所设计的滤波器性能指标。 第五章对全文进行了系统的总结，总结了全文的研究成果和创新工作，并展 望下一步的研究工作。 第二章微波滤波器的基本理论 第二章微波滤波器的基本理论 2 1 滤波器的分类和基本参数 ( 1 ) 滤波器的分类 滤波器的根本功能是选择性地通过或阻止( 抑制) 某频段信号。可以从不同 角度对滤波器进行分类【2 4 】： 按功能分，有低通、高通、带通、带阻、可调滤波器； 按用的元件分，有集总参数、分布参数、无源、有源、晶体、声表面波 在蟹 号手； 按结构分，有同轴线、波导、微带等； 按工作方式分，有反射式、吸收式等； 按应用分，如可调或固定调谐的； 按加载方式分，单终端的，双终端的等； 按能量形式分，电磁的、自旋波、声的等； 按频带大小分，宽带的、窄带的等。 这些分类并不是完全独立的，各种分类之间都会有重叠。 最普通的滤波器具有的低通、高通、带通、带阻的衰减特性，如图2 1 所示。 一 疆 隶 、一 薯 辩 区 隶 。 麓 粥 图2 1 四个普通滤波器的特性曲线 ( 2 ) 滤波器主要参数【2 5 l 绝对衰减( a b s o l u t ea t t e n u a t i o n ) ：是指阻带中某一特定频段上，滤波器所能达到 的最大的衰减，单位为( d b ) ； 1 2微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 绝对带宽( b a n d w i d t h ) ：通带内的3d b 衰减的两个截止频率点之间的间隔 ( 五袖一) ，单位为h z 。 相对带宽( f r a c t i o n a lb a n d w i d t h ) ：即分数带宽f b w ，绝对带宽除以其中心频率； 中心频率厶：指通带的中心点频率； 截止频率疋：相对于平均的通带频率响应下降达到3d b 的频率点，单位为h z ； 群时延( g r o u pd e l a y ) ：指任何离散信号经过滤波器或电路时，产生的在时间上 的延迟，单位为n s 。任何有陡峭的频率响应，或者是有高极点的滤波器都有很 高的群时延变化。降低群时延值，可以通过增加滤波器的带宽，选择较少的极 点； 插入损耗( i n s e r t i o nl o s s ) ：当滤波器与设计要求的负载连接，通带中心衰减( d b ) ； 带内波纹( p a s s b a n dt i p p l e ) ：在通带内幅度波动，以d b 计； 品质因数q ( q u a l i t yf a c t o r ) ：中心频率与3 d a 带宽之比值。对于同一中心频率， 带宽越窄，则q 值越高； 形状系数( s h a p ef a c t o r ) ：定义为6 0d b 带宽与3d b 带宽的比值，也叫矩形系数， 描述滤波器在截止频率附近响应曲线变化的陡峭程度； 阻带( s t o pb a n d 或r e j e c tb a n d ) ：对于低通、高通、带通滤波器，指衰减到预定 的水平的频带部分，一般是6 0d b ( 或者更少) ，是在截止频率以外的衰减更大 的频率部分，单位为h z 。 2 2 超宽带带通滤波器的综合方法 随着超宽带技术的研究与发展，国内外专家提出了一些宽带滤波器的新型结 构和设计理论，其中包括( 1 ) 对耦合微带线滤波器的设计公式进行修正，使其满足 宽带设计条件的综合方法；( 2 ) 利用双模谐振器来实现宽带滤波特性的滤波器结构； ( 3 ) 用多模谐振耦合结构来设计宽带滤波器。然而对于这些滤波器的设计，有些是 没有综合理论的，而有些也只是在传统窄带滤波器的设计理论的基上进行一些修 正得到的综合理论。所谓传统窄带滤波器的综合理论是指从低通原型滤波器出发， 经过带通频率变换，j k 倒置变换器将电路转化成便于实现的电路形式，最后用谐 振器来实现。整个窄带滤波器的综合理论都是基于集总电路的，设计的过程中了 很多的窄带近似，即使对综合公式进行适当的修正，综合得到的宽带滤波器频响 特性的设计值与理论值之间误差较大。 近年来，离散时域技术【2 6 1 【3 0 】被应用到宽带滤波器的设计当中。这种方法与以 往的宽带滤波器的综合方法有所不同，虽然它也是从集总元件电路特性得到的系 统函数出，但不同的是，它将该系统函数变换成离散时域的系统函数并将其作为 目标函数；然试图利用电长度相等的传输线( 包括短路枝节、开路枝节等) 来实 第二章微波滤波器的基本理论 1 3 现该目标函数。实现的过程当中，通过网络分析方法得到这些传输线的链形散射 矩阵，根据各个部分链形散射矩阵便可以获得系统的传输函数；最后对这一传输 函数进行优化，其响应与目标函数尽可能地接近，便可获得各个传输线的特性阻 抗，从而完成整个滤器的综合过程。这种方法的缺点有以下几个方面：( 1 ) 设计出 的滤波器结构往往没有规律性，从使得这种结构实现起来不是唯一的，这样就会 增加优化的难度；( 2 ) 由于传输线电路构的不确定性，优化计算有时也会难以成功； ( 3 ) 优化得到的实际电路结构中传输线阻抗有时会相差很大，实现起来将会比较困 难；( 4 ) 用这种方法综合设计出的滤波器往往尺寸比较大，如在文献 1 9 1 和 3 1 1 q 滤 波器的长度达l l o m m ，不满足现代滤波器对于小型化的要求。 基于z 变换技术的综合方法主要包括三个步骤：第一，根据网络分析理论对 滤波器的结构进行分析，得到该结构所能实现的理想传输函数。用z 变换技术将 该传输函数转化成z 域的传输函数f ( z ) ，并将其作为优化综合过程中的目标函数。 第二，先推导出滤波器各个部分的链形散射矩阵，并将其转化成离散时域形式， 然后通过矩阵运算得到滤波器的实际传输函数t ( z ) ，其系数是关于滤波器各连接 线和短路线的特性阻抗的表达式。第三，利用优化算法得到滤波器各连接线和短 路线的特性阻抗值，从而完成滤波器的综合过程。 文献 2 7 1 对上述z 变换方法进行了改进，彻底摆脱传统窄带滤波器的设计思路。 该文献基于z 变换技术的超宽带滤波器的综合与设计，从根据分布参数特性得到 的系统函数出发，利用离散时域技术获得z 域的系统函数。采用“四分之一长短 路枝节一一半波长连接线一一四分之一波长短路枝节 为基本单元的周期性结构 实现该系统函数所得到的滤波特性。经过优化计算之后得到滤波器各个部分的特 性阻抗，然后根据公式计算和仿真调整，就可以得到滤波器的物理尺寸。具体的 设计过程参考文献【2 7 】，该方法有以下特点：( 1 ) 继承了利用离散时域技术设滤波器 的基本设计思路，并提出了从分布参数电路特性得到的系统函数出发的设计新思 路；( 2 ) 得到的周期性电路结构使得实际电路结构具有一定的规律性，可以清楚地 定义滤波器的级数，这是上述传统离散时域设计方法所不能得到的；( 3 ) 由于实际 电路结构的确定性，使得优化计算非常容易成功；( 4 ) 优化得到实际结构的特性阻 抗相差不会很大，实现起来比较容易。 一般来讲，上述方法中，不论是“传统离散时域技术优化综合方法”还是“改 进的z 变换优化综合方法 ，它们设计出来的滤波器都有一个共同的特点，那就是 带外衰减缓慢、频率选择性不高。如果要加快带外衰减，常用的方法就是增加滤 波器的级数，但是这样会使得电路结构变得非常复杂而且庞大，设计调试也比较 困难。“如何能够采用尽可能少的级数，得到尽可能好的特性，这不仅是滤波器 小型化所需要的，而且也可以大大简化设计人员对滤波器的设计和调试过程。根 据以上综合方法，发展起来最优短路端的设计方法和文献【2 即【3 0 j 。 1 4 微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 图2 2 五阶四分之一波长短路端传输线带通滤波器的结构示意图 图2 2 表示四分之一短路端构成的超宽带带通滤波器的原理图。基本的滤波 器包括五阶四分之一波长的分支短路端，每个短路端也用四分之一波长的联接线 连接，该波长对应于中心频率为6 8 5g h z 的导波波长。超宽带滤波器的特性由分 支短路端l ( 江1 5 ) 和联接线的特性导纳r ，j + 。( 汪1 - 4 ) 决定。设计方程如下所示。 等= 岛詹，等= 秒= 詈( 1 一丁f b w ) ，i ，i + ，= ，盲j ，i + l2 了2 隅g 。g + l 。( i - - 2 - 3 ) ( 2 - ) ( i = 1 - 4 ) ( 2 - 2 ) 时斟k 等 亿3 ， z = k h ，f + 一i - i i 一育j i i + 1 ( 脚- 4 ) ( 2 4 ) r 川= ，o 7 t ，t o j ( i - - 1 - 4 ) ( 2 - 5 ) 对于该设计，选择波纹为0 1d b 的五阶契比雪夫低通原型，初始的设计参数 分别为g o = 9 6 = 1 ，g l = = 1 1 4 6 8 ，9 2 = 9 4 = 1 3 7 1 2 ，9 3 = 1 9 7 5 ，船形= 1 1 0 ， f o = 6 8 5 g h z ，使用上述方程，可以计算出k = e = 0 0 0 6 4 2 ，e = 匕= 0 0 1 2 4 6 6 ， 墨= 0 0 0 6 4 2 ，x 2 = = 0 0 2 5 8 6 ，k ，= 艺。= 0 0 2 7 8 7 。然后，根据这些计算得到 参数可以选择初始的滤波器尺寸参数2 6 1 。 基于此结构，文献【2 8 】提出了一种伪高通【2 q 的设计方法，实际上是将联接线变 长，变为半波长的联接线，而五阶短路线的长度仍为四分之一波长的结构。由图 2 3 ，可以看出，非相邻的短接线弯曲，实现了较为紧凑的结构。 图2 3 改进型超宽带的结构图 第二章微波滤波器的基本理论 1 5 2 3 多通带带通滤波器的综合方法 应用到综合通信系统的多通带滤波器在最近几年内得到快速发展，很多学者 对此已做了大量的工作。在多通带设计中出现了多种综合方法【3 2 】1 3 9 1 ，其中以频率 变换为代表。频率变换综合法1 3 3 】是多通带综合方法中的一种准确设计方法。它是 通过把归一化低通原型到带通的变换转变成为归一化低通原型到双通带频率响应 来实现的。通过建立对应变化点之间的关系，对应推导得到双通带滤波器的传输 函数的分式多项式，最后实现综合出来的耦合结构。下面以双通带为主要对象，介 绍多通带滤波器的综合方法。文献 3 3 】中给出了两种设计方法，第一种是对称的双 通带滤波器设计，频率响应是关于阻带中心频率对称。第二种是非对称双通带滤 波器设计，其所有的传输零点是在阻带中的同一频率。 对称变警0 扛对称变换 图2 4 单通带到对称和非对称双通带滤波器变换的示意图 单通带滤波器到对称和非对称双通带滤波器变换的示意图如图2 4 所示，对 于这两种变换，经过分析，可以得到不同的变换关系式。 对于对称变换而言，不同变换域的关系式为： s ，：氅掣 ( 2 - 6 ) 相对应的频率变换关系式为 f q ：1 q ：1 1 q ：q 。q ，：一l ( 2 - 7 ) 从上可以得出参数q 。和k 2 ， q 。：、降 如浮2 - ( 2 8 ) 1 6 微带超宽带和多通带带通滤波器的研究与设计 根据( 2 6 ) 和( 2 8 ) 两式，可得到变换后的频率q 的表达式， 肚哗 弘9 ， = 岛 小冈1 ( 2 1 0 ) 其中，丁为传输函数，( - 0 是非归一化的弧度频率，q 是归一化的频率，6 l 、如、c o o 。 和，是传输函数定义的参数。 对应的频率点映射关系为： 缈2 & 缈2 魄2 q = 亿 2 - il 【缈= l & o j = 2 营q = 1 、7 同理，根据频率点对应关系，可以解得非对称的变换式。 对称变换洼：节点代表单位电容，线代表导纳反相器 矗比出毫 非对弱e 变换注：节点代表单个遇带谐叛器。线代表导纳反相嚣 图2 5 对称和非对称双通带拓扑结构示意图 两种设计都是基于低通原型到双通带原型的变换。对称变换中，两个通带有 相同的带宽，并且传输零点在阻带中是对称的放置。非对称变换中，通带有不同 的带宽，并且阻带的传输零点是在同一谐振频率。根据文献 3 3 q a 的方法得到的两 种耦合拓扑如图2 5 所示，文中还加工制作了多耦合腔体模型进行验证。这两种 变换方法都是基于适当的定义频率变换函数，设计中不需要优化。之后，有的学 者提出一些新的变换函数【3 4 】。【3 5 】，设计思路也是基于频率变换。通过该设计方法， 可以根据预先给定的通带频率和阻带衰减指标设计出双通带滤波器，在设计中比 较灵活实用。由于频率变换式窄带近似并且异步调谐的耦合系数较难提取，此方 法主要适用于窄带情况下合频率间隔较小的双通带设计。 在双通带滤波器的综合种还有采用z o l o t a r e v 函数进行综合的方法【3 6 】。【3 9 1 ，该方 法的优点是滤波器的参数可以通过原型参数变换得到，但是该方法的缺点是不能 对两个通带之间的衰减进行控制。 第二章微波滤波器的基本理论 1 7 此后，在2 0 1 1 年2 月，文献【4 0 提出了一种新的微波双通带滤波器多项式综 合技术，这种方法将频率转换与优化方法相结合，与频率变换法相比较，该方法 不仅能够有效地综合出具有等波纹响应特性的对称双通带滤波器的s 参数，而且 对于两个不对称度很高的双通带也同样有效，并给出设计实例，验证了该方法对 双通带多项式综合的有效性。 2 4 谐振器理论 2 4 1 多模谐振器 多模谐振器1 8 】的结构主要有阶梯阻抗结构或非均匀端负载结构等。 图2 6 表示开路多模谐振器的示意图。它包含中心一个低阻抗的线段和两边 等长的高阻抗线段。每段的特性阻抗分别定义为z 1 和z 2 ，电长度分别为鼠和幺。多 模谐振器和阶梯阻抗谐振器具有相似的结构。但是阶梯阻抗谐振器主要是利用增 加第一个杂散谐振频率和第二杂散谐振频率的间隔，设计一个高频宽阻带的窄带 滤波器。由此发展起来，利用阶梯阻抗的前两个或前三个杂散谐振频率设计双通 带或三通带滤波器。 图2 6 开路多模谐振器的示意图 这里所提出的基于多模谐振器的滤波器，主要利用了谐振器的前几个杂散谐 振频率，目的是形