（电磁场与微波技术专业论文）超宽带微波滤波器研究.pdf

摘要 超宽带( u l t r a w i d e b a n d ，u w b ) 技术近年来受到了人们的广泛关注，u w b 滤波器作为超 宽带系统射频前端中的一个关键部件，其研究设计已成为微波滤波器研究的一项重要内 容。超宽带滤波器的通带带宽是3 1 g h z 到1 0 6 g h z ，以6 8 5 g h z 为中心频率，相对带宽 为11 0 。超宽带滤波器在超宽带系统中，除了起着抑制带外干扰、提高信噪比的作用外， 也是目前最容易实现的脉冲波形成型的手段之一。 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 ，d g s ) 是韩国学者j i p a r k 等人在研究光子带隙 结构基础上于1 9 9 9 年提出的，它是通过在电路的接地板上刻蚀少量的缺陷图案实现的。和 光子带隙结构相似，缺陷地结构具有带隙特性和慢波特性，可广泛应用于滤波器、功分器、 耦合器和放大器等微波元件的设计中。 本文在研究超宽带滤波器和缺陷地结构的基础上，提出了一种新型缺陷地结构的超宽 带滤波器的设计方案。仿真和实测结果表明此种滤波器不仅有良好的带内特性，而且具有 较宽的阻带。本文首先简单介绍微波滤波器的概念、发展趋势以及一些基本理论；接着着 重介绍了超宽带滤波器的基本理论与研究状况、缺陷地结构的基本理论与应用；然后提出 了新型滤波器的设计方案并对仿真和测量结果进行比较；最后在新型滤波器的结构基础上 进行了改进和仿真结果分析。 关键诃：超宽带带通滤波器，多模谐振器，缺陷地结构，短路枝节线 a b s t r a c t r e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r ea t t e n t i o nf o c u so nt h ed e v e l o p m e n to fu l t r a w i d e b a n d ( u w b ) t e c h n o l o g y a so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tc o m p o n e n t si nt h eu w bs y s t e m ，t h eu w bb a n d p a s s f i l t e ra t t r a c t sm o r ea n dm o r ea t t e n t i o na sw e l l ，t h er e s e a r c ha n dt h ed e s i g no ft h eu w b b a n a s s f i l t e ra l eb e c o m i n ga ni m p o r t a n tw o r k t h eb a n d w i d t ho fau w b b m l d p a s sf i l t e ri sf r o m 3 1g h z t 010 6 g h z t h er e l a t i v ef r a c t i o n a lb a n d w i d t hi so v e r11o c e n t e r e da t6 8 5 g h z i nu w b s y s t e m s ，t h eu w bb a n d p a s sf i l t e rc a ns u p p r e s so u t - o f - b a n di n t e r f e r e n c e ，a n di m p r o v es e n s i t i v i t y o ft h er e c e i v e r f u r t h e r m o r e ，i ti so n eo ft h ew a y st om a k et h es p e c t r u mo fas i g n a lt om e e tt h e f c c s p e c t r u mr e q u i r e m e n t d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ( d g s ) w a sp r o p o s e db yj i p a r ke ta lo nt h eb a s i so ft h e p h o t o n i cb a n d g a p ( p b g ) s t r u c t u r ei n19 9 9 i tm a yb er e a l i z e db ye t c h i n gaf e wd e f e c t so nt h e g r o u n do fam i c r o s t r i pl i n e s i m i l a rw i t ht h ep b g ，d g sh a st h ec h a r a c t e r i s t i c so fb a n d g a pa n d s l o w w a v e ，s oi tc a nb ew i d e l ya p p l i e dt od e s i g n i n gf i l t e r s ，d i v i d e r s ，c o u p l e r s ，a m p l i f i e r s ，a n ds o 0 n b a s e do nt h eu w bf i l t e ra n dd g st h e o r y , an o v e lu w bb a n d p a s sf i l t e ru s i n gd g si s p r o p o s e di nt h i st h e s i s b o t hs i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ep r o p o s e df i l t e rh a s g o o dp e r f o r m a n c ei nt h ep a s s b a n da n dh a saw i d es t o p b a n d f i r s tr e c e n td e v e l o p m e n to fu w b f i l t e r si si n t r o d u c e di nt h et h e s i s t h e nt h ed e s i g no fu w bf i l t e r sa n dd g ss t r u c t u r ea r e d i s c u s s e d f i n a l l y , an o v e lu w bb a n d p a s sf i l t e r - u s i n gd g s i si n v e s t i g a t e d k e yw o r d s ：u l t r a - w i d e b a n db a n d p a s sf i l t e r , m u l t i p l e m o d er e s o n a t o r ，d e f e c t e dg r o u n d s t r u c t u r e ，s h o r t - c i r c u i t e ds t u b 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：多垡吼型妾：芏 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。 研究生签名：、独益 导师签名： 南京邮电大学硕上研究生学位论文第1 章绪论 1 1 微波滤波器概述 第1 章绪论 滤波器作为一种频率选择性器件，其作用是可以让某一频率或某些频率的信号能够通 过，而除此以外的频率的信号则不能通过。近年来，伴随着移动通信系统、卫星通信、雷 达和遥感技术的不断迅速发展，系统对射频前端提出了越来越高的要求。而滤波器作为前 端中广泛使用的关键器件之一，它的性能好坏将直接影响到整个系统的优劣【i 诩。 电磁波频谱是有限的，且需按照应用加以分配，滤波器的根本功能在于抑制不需要的 频段的信号，而使需要的频段信号顺利通过。从长波、中波经微波、毫米波直到光波的所 有波段都需要滤波器。滤波器可以用来限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又可 以用来防止接收机受到工作频带以外的干扰。微波滤波器已成为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【3 】。 在微波波段，随着频率的升高，特别是当工作波长与元件尺寸可以相比拟( 即电长度 较大) 的时候，就必须考虑到电磁波幅度与相位的变化，这时集总元件滤波器将失去原有 特性，在这种情况下就要使用分布参数滤波器来代剖4 1 。 1 2 微波滤波器的发展状况 近几十年来，微波技术蓬勃发展。微波滤波器作为极其活跃的分支，发展的尤为迅速。 这里对近年的主要进展和发展趋势作一个简单的总结。 1 ) 从个别应用到一般应用 作为微波滤波器的基本单位，微波空腔谐振器是微波技术最早的基本课题之一。但是 由于初期微波设备所承担的任务还较低级，或者由于微波滤波器的分析、设计和制造均很 繁难，因此，当初人们宁可直接应用单腔谐振器，而较少的把它们组合成具有更为优良性 能的微波滤波器。但是随着微波理论和技术的发展，微波波段中电子设备的增多、频谱的 拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大。 2 ) 设计方法从繁到简、从粗糙到精确 过去人们用场与波的方法对一些简单的微波滤波器结构进行分析和设计，已感相当困 1 南京邮电大学硕上珂f 究生学位论文第1 覃绪论 难。而现在却可以成套的应用现代网络综合理论成果，顺利的进行各种微波滤波器的综合 了，并有计算机所解出的大量的曲线和数据可用，简化了人工计算，提高了设计精度。 3 ) 形式多样和组件化、标准化 由于应用的广泛和设计制造工艺的进展，微波滤波器已经从极少的几个品种发展到数 以千计的结构类型。一些常用的结构已组件化和标准化。印刷电路式或微波集成电路式的 微波滤波器亦开始广泛研制。 4 ) 各种新型材料用于微波滤波器 微波材料的进步及其在微波滤波器中的应用，大大地提高了滤波器的性能。例如微波 铁氧体、铁电体、等离子体、超导体都已开始成功地用于微波滤波器中。 5 ) 调谐地高速和自动化 众所周知，当初微波单腔谐振器地调谐已相当困难，更不用说多个谐振器组合成的滤 波器了。但现在己可对微波滤波器进行快速调谐，例如钇铁石榴石磁调滤波器和变容管电 调滤波器就是最好的范例。 6 ) 向新波段进军 人们对毫米波和亚毫米波滤波器的兴趣正在日益增长，研制这一新波段的滤波器除了 发展厘米波段已有的技术外( 例如用砜。圆波导研制成毫米波滤波器) ，还广泛引用光学上 的成果。可以预料，随着新型功率源和传输线的研制，这些新波段滤波器的研制工作将更 加活跃。 1 3 仿真软件与测量仪器简介 本文设计过程中所使用的仿真软件是由z e l a n d 公司开发的i e 3 d1 0 0 ，它可用于2 5 维微 波电路的仿真，具有很高的可靠性，且操作简便。测量仪器采用的是e h a g i l e n t 公司开发的 a g i l e mh p 8 7 2 0 矢量网络分析仪。下面分别对它们进行简要的介绍。 1 3 1z e l a n di e 3 d 仿真软件介绍 i e 3 d 是z e l a n d 公司丌发的一种基于矩量法的电磁场仿真工具，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、近场分布和辐射方向图、方向性、效率和r c s 等。i e 3 d 在微 2 南京邮i 乜人学硕士研究生学位论文第i 章绪论 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、i 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。 1 3 2h p 8 7 2 0 矢量网络分析仪介绍 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组件评测。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埠、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 r 和3 种s 参数网络分析仪，频率上限分别为1 3 5 g h z 、2 0 g h z 和4 0 g h z 。本实验室采用的是2 0 g 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 测量信道、4 个显示信道、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。 1 4 论文各部分的主要内容 第一章首先介绍了微波滤波器的概念和研究意义。接着，介绍了滤波器未来的发展现 状及发展趋势，主要从六个不同的角度介绍了其发展历程。再者，介绍了本论文主要使用 的仿真工具电磁仿真软件i e 3 d 和测量工具a g i l e m8 7 2 0 e s 矢量网络分析仪。 第二章首先介绍了微波滤波器的基本理论，包括性能指标的定义、分类方法以及设计 的主要方法。然后介绍了超宽带( u w b ) 的定义以及u w b 滤波器的定义和作用。最后介绍了 目前已经提出的一些u w b 带通滤波器结构，并对其性能进行了分析比较。 第三章主要研究本文提出的新型滤波器中所采用的缺陷地结构( d g s ) 的发展、基本理 论与应用。d g s 的发展主要介绍了其前身e b g 的概念、分类以及应用。理论分析主要 介绍d g s 的原理和特性、等效电路的分析以及d g s 的现有种类。d g s 的应用主要介绍缺陷 地结构在低通滤波器、带通滤波器，功分器的应用。 第四章主要介绍了本文提出的新型滤波器的研究和设计。首先介绍新型滤波器的设计 理论。之后给出了新型滤波器的仿真结果和测量结果的分析。包括其组成的各个部分的仿 真结果分析、与其它相似类型的超宽带滤波器的比较以及其最终的制造和测量结果。最后 在此结构基础上，提出了一种改进的u w b 滤波器的仿真结果分析。 第五章对全文进行总结，提出了课题研究过程中的几点感想。 3 南京邮电人学硕1 j 研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论j 研究状况 第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 本章主要介绍超宽带滤波器的基本理论和研究状况。其中包括超宽带无线通信的基本 概念和超宽带滤波器的定义及其在超宽带通信系统中的作用，并对现有的超宽带滤波器的 结构和性能进行总结和分析。为了论文的连续性、完整性，在本章的开头先介绍微波滤波 器的基本理论。包括微波滤波器的性能参数、微波滤波器的分类以及微波滤波器的设计方 法。 2 1 微波滤波器的基本理论 2 1 1 微波滤波器的性能参数 理想的滤波器应该在所要求的频率范围内，能使微波信号无衰减地传输，此频带范围 称为通带；在其余频率范围内能使微波信号完全不能传输，这其余的频带范围称为阻带。 一个实际的滤波器只能尽可能地接近理想滤波器的特性。实际微波滤波器的技术指标因用 途而异，归纳起来有下列几项。 1 ) 中心频率：即滤波器的通带的中心频点石。 2 ) 通带带宽：严格意义上来说，带宽又可以划分为噪声带宽、3 d b 带宽、奈奎斯特带宽、 滚降系数带宽等若干种，使用时要明确加以区分。在本文的微波滤波器设计中一般所指均 为3 d b 带宽，即通带衰减达到3 d b 时对应的上下限截止频率石和以之间的宽度。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 ：监掣 ( 2 1 ) 1 q 3 ) 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 k 0 1 - - 急 ( 2 2 ) 4 堕塞! ! 皇查兰堡主婴窒竺兰垡堡茎笙! 里塑童堕鎏鲨堂箜苎奎墨笙皇堕塞鉴堡 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。 4 ) 插入损耗：在电路中由于插入滤波器所导致的信号损耗，可以用网络插入前的负载功 率置与插入后的负载功率只的比值来表示，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i l ( 用分贝表示) 定义为 1 l = - 1 0 l o g p = 1 。l g 土i s ：, l ( 招) = 一b l ( 础) ( 2 3 ) 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 。通常使用i 是i 参数来表示。 5 ) 回波损耗：输入功率圪与反射功率e 的比值，即端口接匹配负载时的反射系数的倒数， 若以d b 为度量单位，定义为 尺= 1 0 l o g 鲁= 一( 抛) ( 2 4 ) 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 。 为了方便起见，也通常用s 。参数来定量描述。 6 ) 品质因子。值：滤波器的质量因子描述了滤波器的频率选择性，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 = 2 x 嘉畿k ( 2 5 ) 质量因子分为加载质量因子q l d 、滤波器固有质量因子q f 和外部质量因子q e 三种情况， 它们之间有如下关系： 驴彘 111 q q fq e 5 ( 2 6 ) ( 2 7 ) 南京邮电人学硕：上研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 q 是与谐振器及其耦合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 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q 不同程度的降低。q 是滤波器性能的最为关键的参数。q 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 ，宽带滤波 器则反之。 7 ) 埠特性阻抗：为满足滤波器规格而通常必须连接到滤波器的输出终端的阻抗，在实际 工程中多数情况下取5 0 欧姆或7 0 欧姆。 8 ) 波纹系数：用于描述频率响应曲线在滤波器通带内的变化，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。 9 ) 群时延：滤波器作为一个时延网络，当信号通过时相位要发生变化。插入相移纷是频 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 = 娑 ( 2 8 ) 【，c c ， 当通带内的相移特性具有线性相位时，群时延恒定；否则信号就会产生畸变。 1 0 ) 寄生通带：由于微波滤波器采用的是分布参数组件，频率响应具有周期性，随着工作 频率的升高，这些组件的感性和容性将发生转化，故在阻带中又会出现通带。这种通带就 是寄生通带。在设计时，应尽量消除寄生通带，或使之远离需要抑制的频段。 1 1 ) 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抑制能力非常好。图2 1 中的阴影处所注 明的地方即为传输零点。 图2 1 中画出了一个典型的微波滤波器频率响应，可以对照理解滤波器的各个指标的 含义。 6 南京邮电大学硕十研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 f i 坛f 2 2 1 2 微波滤波器的分类 图2 1 基本滤波器频率响应图 f 微波滤波器可以按不同的观点进行分类：按作用分类( 如带通，带阻等) ；按结构分类 ( 如同轴线、波导等) ：方式分类( 如反射式、吸收式等) ；按应用分类( 如可调或固定调谐 的) ；加载方式分类( 如单终端的、双终端的等) ：按能量形式分类( 电磁的、自旋波的、声 的) ；频带大小分类( 如宽带、窄带等) ；按功率容量分类( 如大功率、低功率) 等等。显然 这些分类，多少有些随意性，因而在各种分类方法间都会有相当的重迭【4 1 。 这旱把一些常用微波滤波器分为以下几类： 1 ) 直接耦合或1 4 波长耦合谐振器滤波器 这是一种端耦合滤波器，它适用于同轴线、带状线、波导各种形式，在缈= 0 处有一 次衰减极点，而附加通带以2 c o o 为周期( 即带通滤波器第二通带的中心频率o ) s p b = 2 ) ，在 主、副回应间无衰减极点，主回应与第二通带间峰值衰减的分贝数( 幺) 。邶随相对带宽w 的增加而减少( 当w 2 0 时其大小合适，而当w = 7 0 时，它通常只有5 - 1 0 分贝) 。其设 计方法有二：一是基于集总组件低通原型，另一种是基于阶梯阻抗变换器原型。前法适于 较小的相对带宽( 形 2 0 乃至倍频程) 和较小的通带波纹( 例如l a ，= o 0 1 分贝) 的宽带带通 或高通滤波器的设计。 2 ) 平行耦合式带通滤波器 7， o 耋已|ll协；一 塑塞堕皇奎兰堡! ：型! 壅生兰垡笙奎兰! 童垄窒萱鎏鲨量箜茔奎墨堡皇堕窒鲨塾 这是一类边耦合滤波器，它有开路耦合线和短路耦合线两种对偶形式，在缈= 0 和 缈= 2 处有一次衰减极点，省= 3 绵。它既可用于窄带也可用于宽带，但当用于宽带时， 为了得到谐振器问的强耦合，就要用厚带或三层交错薄带的形式，这样结构就较复杂且需 要支撑，故较少用于宽带。但当w 1 5 时，用印刷电路的开路平行耦合线形式却非常方 便，故窄带应用较广。然而，需要注意其阻带特性并不十分理想，在缈= 2 c o o 处稍有失谐时， 就会出现寄生通带。 3 ) 交指型带通滤波器 这种滤波器结构紧凑、坚实、性能优良，制造工差要求低，有适用于各种带宽的结构 和设计方法，故应用极广。它有终端短路与终端开路两种形式，前者适用于窄带，后者适 用于宽带，既可做成印刷薄带形式，又可做成圆杆或矩形杆自撑式，还可用人为的电容载 入来减小体积。氓= 3 c o o 在国= 0 和缈= 2 处有哀减极点( 终端短路式为一次极点，终端 开路式为三次极点) 。圆杆和矩形杆都有设计曲线可供应用，对终端短路式带通滤波器， 还有成套的快速设计曲线，对于准确设计也有一套较完整的组件数值表。 4 ) 梳状线带通滤波器 这是一种更为紧凑的滤波器。谐振器长度取决于加载电容的大小，通常为1 8 波长。其 衰减特性不对称，谵厶2 ，( ，- 厶8 时，( i ) s p o = 4 m o ) ，故适用于需要宽阻带应用的场 合。在国= 0 和够泖磊4 l 处有衰减极点与交指型一样，结构牢固，可自撑，制造公差 亦低。但主要适合于窄带设计。 5 ) 带阻滤波器 波导型的带阻滤波器只适用于窄带，而t e m 带阻滤波器则适用于各种带宽的优良结 构，且容易用准确设计方法。 6 ) 椭圆函数型滤波器 在各种滤波器响应中，椭圆函数响应是最为优越的，这是因为，这种类型的滤波器通 带和阻带均为等波纹特性，陡度较大，因此同样的选择性，它可以有更为紧凑的结构。但 由于机械结构的复杂性，在c 波段以上不宜选用，由于椭圆函数滤波器的阻带衰减极点可 以控制，因而常用作谐波抑制器。 8 南京邮i 乜大学坝l ：研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 2 1 3 微波滤波器的设计方法 目前微波滤波器的设计有两种不同的出发点：一个是分析法，另一个是综合法。分析 法是根据滤波网络的具体电路与内在电磁场特性，通过推导、计算得到网络参数，然后将 具体电路组合起来，以满足设计的性能要求。常用的有有限元法、模式匹配法等。综合法 则与之相反，根据设计要求，从插入损耗入手，由滤波函数得到频率与响应的函数关系， 进而综合得出低通原型滤波器，再经过频率变换得到具体的滤波器电路结构1 5 】。 在实际设计中，综合法由于其设计目的性强，设计效率高的特点，成为目前微波滤波 器的设计的主要方法。综合理论的基本设计流程如图2 2 所示。 实际滤波器 的具俸 抟栎 分布参 数。艾税 化甑通 豫，弘滤波器 选择台j 西的 i 教移乏乡，i 构 篙盎要喜萋h 确定元件值的j 硒近函数广1 削心儿雌 确定冗仆舆 f i i ( l c ) 图2 - 2 滤波器综合流程 刚 亢变换 频率变救 在设计的过程中，首先根据给定的指标确定低通原型滤波器的集总参数元件值，然后 经过阻抗变换实现与信号源和负载的匹配，再经过频率变换实现要求的通带形式，最后把 集总参数转化为对应的分布参数用微带线来实现。 2 2 超宽带滤波器的基本理论 2 2 1 超宽带的定义 所谓超宽带，根据f c c 的定义，是指信号的1 0 d b 相对带宽超过中心频率的2 0 或一1 0 d b 绝对带宽超过5 0 0 m h z 。其中相对带宽b w 定义为： 掣2 0 ( 2 9 ) f h f l 。 、j f h f jj 芝5 0 0 m h z q 1 0 ) 式中：厶频谱上界，无频谱下界。一般的通信系统通过发送射频载波进行信 号调制，而u w b 无线通信系统则不同，它不采用载波，而是利用纳秒级窄脉冲发射无线信 9 南京邮电人学硕士研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 号，因此其所占的频谱范围很宽，高达几吉赫兹。根据f c c 的规定，3 1 1 0 6 g h z 之间，7 5 g h z 的带宽频率为u w b 无线通信所使用的频率范围。如图2 3 所示。 一4 0 1 5 5 0 受5 5 嚣弗。 雷 6 5 - 7 0 7 5 图2 - 3f c c 规定的超宽带( u w b ) 频谱范围 2 2 2 超宽带滤波器的定义和作用 超宽带是作为i e e e8 0 2 1 5 3 a 标准的解决方案提出来的【6 】，这个标准是用来规范进入以 及处于个人工作空间的设备之间的低复杂度、低成本、低功耗、高效率的无线连通的。个 人工作空间的设备是指个人身上携带的、戴在身上的或者放在身边的装备，包括计算机、 p d a 、笔记本计算机、打印机、耳机、麦克风、传感器、显示器以及手机等。自从f c c 将 此频段分配给超宽带系统设备频段后，使得超宽带在工业和研究领域引起了人们极大的关 注。 作为超宽带系统中重要的无源组件之一的超宽带滤波器近年来得到越来越多的重视 和研究【6 - 1 5 1 4 7 4 8 1 。超宽带滤波器以6 8 5 g h z 为中心频率，其通带带宽是3 1 g h z 至l j l 0 6 g h z ， 百分比带宽为1 1 0 。超宽带滤波器从超宽带系统的要求来说要具有超宽的通带，与普通滤 波器一样要具有小的插入损耗，同时还要有好的群时延特性。良好的群时延特性是脉冲无 线系统中为了使短脉冲的脉冲波形失真最小而强烈要求的。 与普通窄带滤波器相比较而言，超宽带带通滤波器的设计有以下几个难点： 首先，超宽带滤波器的百分比带宽是1 1 0 ，但是经典的带通滤波器的设计方法都是基 于窄带假设的，不适用于超宽带滤波器的设计： 其次，超宽带带通滤波器要求有很小很平坦的群时延特性，以保证输入的脉冲波形经 1 0 南京邮电人学硕士研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 过超宽带滤波器后不会产生很严重的波形变形； 再者，超宽带带通滤波器要求阻带有良好的抑制传输的作用，以减少对其他频率或窄 带系统产生干扰。 在超宽带通信中，超宽带滤波器起着举足轻重的作用。图2 4 为典型的超宽带系统框图 1 6 】。从框图中，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。 u w br fb o a r d 。l in a 1 t r i 一i霄；l t ，1 一 7 宁1 二1 磊_ 牛一一l 型一一 u w b 型刊p a d e t e c t o r 爿刍 p t i 】r 1 r - _ 1 d i g i t a lc 。n t r o l l e rh 黜h m i 。卜 。 士b a s e p o w e rs u p p l i e s f m o b i l e d i g i t a l a u d i o p o w e rb o a r d b a t t e r y 图2 4u w b 系统框图 2 3 超宽带滤波器的研究状况 现有的超宽带滤波器中主要包括双模宽带滤波器、多模谐振平行耦合线结构，以及高 低通滤波器的级联结构。在本节中将要介绍几种文献中已经出现的超宽带滤波器。高低通 滤波器的级联结构的超宽带滤波器将在第四章与本文提出的新型滤波器比较时给出简单 的介绍。 1 1 南京邮电大学硕士研究生学位论文第2 章超宽带滤波器的基本理论与研究状况 2 3 1 双模宽带滤波器 双模宽带滤波器是指由双模谐振器构成的宽带滤波器。近几年，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【6 - 7 】【1 7 舶】。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。国内专家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，国内外专家丌始对 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 ) 圆环形宽带滤波器 文献 7 】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2 5 ( 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( 图2 5 ( b ) ) 由半圆坏和丌路调谐枝节的特性阻抗比值决定。 将多个如图2 5 ( a ) 所示的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( 图2 6 ( a ) ) 可以得到如图2 6 ( 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根据文献 7 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。 o 詈1 0 o e 锄 鬯 臣 卜 毛- 3 0 瑚 艟 i融，争 ； 焱一 r s 2 1t r a d s m i s勖o n 3 。， 、 ， i f f j f - o q、 一心 i s ，。；g 嘲pd 舀i a v !：f i 【i 0 8 -g h i3，1 9 g h l z o 523 5 f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 5 ( a ) 圆环形谐振器结构( b ) 圆环形谐振器频率响应【7 】 1 2 o口：v露面a-芑oizs 南京邮电太学硎l 。q f 究生学位论文 第2 章超宽带滤被# 的挂本理论1 ，研究状犹 2 6 51 1 fr o a u e l 目f 6 】 ( b ) 频率相应曲线 图2 - 6 圆环双模超宽带滤波嚣结构和频率响应【7 l 2 ) 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人，但是它具有导体损耗低、 功牢容量高等优点，因此电经常被用于滤波器的设计当中 1 7 - 18 。在等三角贴片谐振器当中， 有两个简并的基模，其存在的两个简并模的电磁场表达式在文献e l o 有所描述。如果在三 角形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。文献【q 提出了一种宽带三角形贴片超宽带滤波器结杜j 。如图27 ( a ) 所示，这种结构通过复杂的馈 电结构达剑激励起耿模以及增强它们之问的耦台系数的效果。段滤波器的频率响应曲线如 图27 ( h ) 所示，可以看出，带内的插人损耗较人，并上l 带宽也小是搬宽所以这种滤波器 在性能| 二还有待改善。 言d 1 c29；星： 南京i i l 1 咀 学吲| ：f 究m 学何论史批2 章超宽带挑艘精的拈牟耻论 f 宄扒况 r q _ q i 结构( b ) 三角蚰片宽带滤波器相应曲线【8 多模谐振是指觜振鞯在通带范隔内有两个或者曲个以j ：谐振频率。多模谐振器的形式 多样，在超宽带滤波器的改训中，弊常使垌到的丰要有新路共面波导多模谐振器和微带线 多模惜振器。 1 1 短路共而波导多模l 皆振腔超斑带带通滤波器川 图2 - 8 中介鲥了一种建市征兆惭波导丛础上的多模谐振腔超宽带带通滤波器。在这个 结构中包含了段c t 选择的非均匀其面波导多横谐振腔以及两端的j 丑蹄接口。罔( a ) 中，在 叶 问设置了一段高阻抗结构，在其两端分别是一段低阻抗结构，调节这个多模谐振腔的尺 寸使得它时二个谐振模式均匀的分布在日标超宽带通带的低频点、中心频率和高频点。同 时，利用段f h 耦合或者说是交义指型共面波导传输线激发两端的短路共面波导谐振腔 增强感应耦合，从而实现在中心频率的两侧激发两个额外的极点，最终产生山5 个极化 极点形成的超宽特带通滤波器。国( b ) 描述了其等效传输线嘲络图，在两个k 转换器之删的 电路足对形成超宽带带通滤波器起丰要作用的多模谐振腔，而k 转换器之外的电路等效于 两端的其血波导，它与外电路的连接有关，而和超宽带的通带形成并无_ _ k 人关联。经过加 丁和测量，该结构符一3 3 g h z 到j o4 g h z 之阐的邋带内插入攒车毫均小j 】5 d b ，群时蜓也小 十03 5 n s 。 南京邮i u 人学坝l 研，生学位论丘 鞯2 章超宽带滤波* 的箍木挫论o y 研究状况 ：= 划r 。l e 图2 - 8 短路共面波导多模谐振腔超宽带带通滤波器结构图和等效电路图n 1 2 ) 微带线多模谐振器趋宽带带通滤波器眇 吲2 - 9 所示为微带多模谐振器构成的超宽带滤波器的结构不意图。2 9 ( a ) 图 i o l 和( b ) 圈1 所示结构都可以分为两个部分- z 问一段微带线多模传输线谐振器以及两端的馈线。通过 调整可以利用中司的微带多横传输线谐振器的前三个特振模，使其均匀的分柿在超宽频 频段内即在31 g h z 、68 5 g h z 和1 06 g h z 三个频点附近。通过两端适当的耦台方式产生 两个分布在超宽带中心频率点68 5 g h z 的曲边f 自曲个耦台极点，这样就构成了超宽带滤波 器。 - 州的微带多模传输线谐振器由中问一分之一波导波长的低阻抗线和两端四分之一波 导波长的高抗线构成，由这种结构来看也n j 以称其为阶跃阻抗谐振器( s t 。p p e d i m p e d a n c e r e s o n a t o r l 。 南京岍u 学埘lq 究生# 位论立 第2 章超班带啦被的犟丰理论与研究状况 i = = - q 籼 端u 2 地幢圆m 州线 图2 - 9 微带多模谐振器滤波器结构示意图 3 1 共面波导谐振器微带转换超宽带滤波器 图2 一1 0 给出一种其而波导谐振器儆带转换超宽带滤波器的结构示意图”】。这个结构 可以分为两层，上面层为两个问隙较小f | 勺微带线馈线结构f 面一层为在接地板上的终 端丌路的兆丽波导，上层微带线通过介质板与c p w 的，r _ 路端耦台。出于微带线和c p w 之 间的大面税重台以及介质媒质的存在，使得两者之间的耦合很强，利用这种紧耦合可以产 生一个根宽的通特。这种超宽带滤波器的测量结果硅示其1 0 d b 通带带觉为3 0 g h z 到 1 0 6 3 g h z ，存中心频率点的插入损耗为o3 2 d b 且整个通带内插入损耗都比较平稳，群时 延在通带p 叫大椰分为04 2 n s ，在控个通带最人不超过o9 5 n s ，整个通带山反射系数都小 于一1 7 d b 。 图2 - 1 1 给第二一种燕血波导l 皆振器门敬带转换超宽带滤波器的结构示意图1 1 3 4 4 1 。这种 结构与图2 ，1 0 所示的超前带滤被器怕结构类似它们电i 】以分为两层，上面一层为两段相 同结构的微带线馈线，r 而一层为在接地板i 的终端”路的其面波导多模谐振器。2 - ll ( a ) 所h i 超宽带带通滤波器的地扳上梵i 波导多模谐振器山中u 段阻抗较小的长度约为二 6 南京邮电大学碰i 研究生学位论立第2 辛超宽带滤被器的毕本理论与研究状况 分之一波导波长的c p w 以及处于两端的阻抗较大的长度约为四分之一波导波长的c p w 构 成。 端 口 罔2 - 1 0 艿向波导l 皆振器微带转换超宽带滤波器结构不意图( 一) ai b l 蚓21l 共面波导谐振器，微带转换超宽带滤波器示意图( 二) 陋“ 端 口 2 - 1 l ( b 1 蚓的c p w 多模谐振器的结构与( a ) 图几乎相同，不同之处在于( a ) 图保持高阻抗 c p w 的槽线宽度与低l i 抗槽线宽度不变而是把中心导带变窄米提高阻抗，而( b ) 图则是保 持中心导带f j 宽度小变增人槽线宽度来提高阻抗。两者实现超宽带带通滤波器的原理是 样的，就是旨先把c p w 多模谐振器的前三个谐振模式均匀地分疖在超宽频频带范围内， 也就是在31 g h z 、68 5 g h z 和1 06 g h z 三个频率点附近，然后通过与高阻抗c p w 有较大 1 7 堕蔓1 1 1r ! 苎兰些l ! ! ! ! 兰兰些堡兰塑! 主塑兰堂堂些壁塑兰圭墨堡兰! ! ! ! 羔苎 重台面积的微带线与c p w 之副产生耦台极点，把这两个耦合极点分布在中心频点两侧， 这样就能形成超宽带带通滤波器特性。f a ) 图所示超宽带滤波器的测量结果显示在整个超宽 频频段内插入损耗小f05 d b ，叫波损耗大于1 7 d b 群时延在04 2 n s 到07 7 n s 之间波动 波动大小为o3 5 n s 。( b ) 图所示超宽带滤波器的测量结果表明在超宽频频段内插入损耗小十 1 0 d b ，但叫波损耗在大约85 g h z 频点达到了92 d b ，群叫延在04 6 n s 到07 9 n s 之间，波 动为o3 2 n s 。 图2 1 2 给出了第三种共面波导谐振器微带转换超宽带滤波器的结构示意图”。这种结 构的滤波器与上面提到的三种滤波器有定的相似性，即利用微带线, f i j c p w 之间存在的人 i 自j 积重台以及介质媒质，使得两者之间产生很强的耦合，利日这种紧耦合产生一个很宽的 通带。而哦结构与上述三种结构不同之处在于两点，第一、它是, l l j 7 j 共而波导馈线和外部 电路相连，和微带线k l l 比，共面波导有着显著的优点，它的中心导带和接地面结构使其更 易和其它电路相连，形成短路端：第一、在另一层通过阶跃阻抗的微带线形成多模谐振腔， 首先利_ e j 阶跃阻抗多模谐振器的自h 三个谐振模式均匀地分怖在超宽频频带范围内，也就是 在3i g i i z 、68 5 g h z 1 1 1 06 g h z 三个频率点附近，然后通过微带线与c p w 有较大重台面积 的耦合从而产生耦合撤点，把这两个耦合极点调整分布在中心频点两侧，这样就能形成超 宽带带通滤波器特性。 ( b 自 二二镕k _ m q 图2 1 2 共面波导谐振器微带转抉超宽带滤波器示意图( 二) 1 5 1 南京邮电人学硕上研究生学位论文第3 章缺陷地结构的基本理论与应用 第3 章缺陷地结构的基本理论与应用 缺陷地结构( d e f e c t e dg o u n ds t u c t u r e ，d g s ) 是从光子带隙结构( p h o t o n i cb a n d g a p ， p b g ) 发展而来的。微波领域内的p b g 结构命名为电磁带隙结构( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ， e b g ) 。d g s 是在微波传输线的接地面上刻蚀周期的或者非周期的结构，改变接地电流的分 布，从而改变传输线的频率特性。本章首先简单介绍电磁带隙结构的基本理论。之后着重 介绍缺陷地结构的理论分析及应用。理论分析主要介绍d g s 的原理和特性、等效电路的分 析以及d g s 的现有种类。d g s 的应用主要介绍缺陷地结构在滤波器、功分器等方面的应用。 3 1 电磁带隙结构( e b g ) 的基本理论 3 1 1e b g