（电磁场与微波技术专业论文）微带环形谐振腔双模带通滤波器的研究.pdf

摘要 随着无线遥信静飞速发袋，系统中广泛谴瘸的徽渡滤波嚣在射频微波电路中扮演蓿 很重要的角色。为了保证低投入、高效率、高质量的炙线通信系统，迫切需要穗性能、小 尺寸、低成本的滤波器。而双模滤波器的出现恰好提供了一个非常有嗷引力的解决方案来 满足这些具有挑战性的性能指标要求。双模滤波爨是微波滤波器产业中一项薪兴的技术， 它的优势在于：每个戳模谐强器都可班作为一个双调谐的谐振电路，所以对于问。个性能 指据的滤波嚣柬说，掰舞要躲谐振器鲶数目就减半，这样就可以捷滤波器的结槐更紧凑， 尺寸照小巧。 本磅究谍题鲍主簧萎橱裁楚设嚣趣王小尺寸差西低攒撰靛带避滤波嚣。论文麴疆究工侮 主要如下所迷： 裰黠予线捩谐振器寒说，擞拳三角形黠冀港攘器其毒班下优点：警俸损耗低，功警察 量高，尺寸小，三角形的固有结构易于级联和耦合。它的一对简并主模魁通过对一个基本 模式遴行旋转帮叠藤舔形成静。港着等逐三角澎静对称辘弓i 入一个薪型豹徽藐，麸雨实蕊 简并主模的分离。文中给出了这种新型微扰方式的谐振器在双模带通滤波器中的应用。仿 真结袋表驸i 藏带肉的攒撰没有很大静改善，不妻室滤波器的二次清波被有效绝抑制了。 本文还提出了一种新型的用共面波导馈线缩构实现的双模圆环带通滤波器。该滤波器 采用话统的圆环作为谐振器，引入阶梯阻抗作为微扰使其简并横式分离并产生祸合。这样 的微扰结构我们称之为环形阶跃阻抗谐摄器，它与输入1 输出共躐波导分别设计农分质基片 的两个不同的厩上。文中给出了该滤波器的结构及通过仿真和实验获得的性能参数，结果 表明该滤波嚣带内捶掇低，带鲣麴制好。 装键词：微波滤波器，微带线，环形谐振腚，双模 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n s ，m i c r o s t r i pf i l t e r s ，w h i c hh a v e f o u n dw i d ea p p l i c a t i o n si nm a n ys y s t e m s ，p l a yi m p o r t a n tr o l e si nt h er f m i c r o w a v ec i r c u i t s s o t h e r ei su r g e n tn e e df o rh i g hp e r f o r m a n c e ，s m a l ls i z ea n dl o wc o s tf i l t e r st oe n s u r el e s se x p e n s i v e ， m o r ee f f i c i e n ta n dq u a l i t yw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s ，t os a t i s f yt h e s ec h a l l e n g i n g d e m a n d sd u a l + m o d ef i l t e r sp r o v i d ea na t t r a c t i v es o l u t i o n d u a l - m o d ef i l t e r sa r ean e wa n d e x c i t i n gt e c h n o l o g yi nt h em i c r o w a v e f i l t e ri n d u s t r yb e c a u s ee a c ho f t h ed u a l - m o d er e s o n a t o l 篙 c a nb eu s e da sad o u b l yt u n e dr e s o n a n tc i r c u i ta n d ，t h e r e f o r e ，t h en u m b e ro f t h er e s o n a t o r s r e q u i r e df o r ag i v e nd e g r e ef i l t e ri sr e d u c e db yh a l f , r e s u l t i n gi nac o m p a c tf i l t e rc o n f i g u r a t i o n 。 t h em a i nt h e s i so b j e c t i v ei st od e s i g na n df a b r i c a t eb a n d p a s sf i l t e r sw i t hs m a l ls i z ea n d l o wi n s e r t i o nl o s s t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sb e l o w ： c o m p a r e dw i t ht h el i n e b a s e dr e s o n a t o r s ，m i c r o s t d pt r i a n g u l a rp a t c hr e s o n a t o r sh a v et h e a d v a n t a g e so fl o wc o n d u c t o rl o s s ，h i 醣p o w e rc a p a c i t y ，c o m p a c ts i z ea n ds i m p l ec o u p l i n g t o p o l o g y i nac a s c a d e df o r m t h ed e g e n e r a t em o d e sc a br e s u l tf r o mt h er o t a t i o na n d s u p e r p o s i t i o no faf u n d a m e n t a lm o d e t h em o d es p l i t t i n gi s a c h i e v e db yi n t r o d u c i n gan o v e l p e r t u r b a t i o na l o n gt h es y m m e t r i ca x i s o ft h ee q u i l a t e r a lt r i a n g u l a rp a t c hr e s o n a t o r t h e a p p l i c a t i o no ft h i sn e wt y p eo fd u a l m o d em i c r o s t r i pp a t c hr e s o n a t o ri nt h ed e s i g no fb a n d - p a s s f i l t e ri sp r e s e n t e d 。s i m u l a t e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ei n s e r t i o nl o s si nt h ep a s s b a n dh a sn o tb e e n i m p r o v e dm u c h b u tt h es e c o n d o r d e rh a r m o n i ch a sb e e ne f f e c t i v e l ys u p p r e s s e d an o v e lb a n d p a s sf i l t e ru s i n g8d u a l w m o d ec i r c u l a rr i n gr e s o n a t o rw i t hc o p l a n a rw a v e g u i d e ( c p w ) f e e dl i n e si sa l s op r e s e n t e di nt h i st h e s i s i nt h ef i l t e lac o n v e n t i o n a lc i r c u l a rr i n gi su s e d a st h er e s o n a t o r , a n da l li m p e d a n c es t e pi si n t r o d u c e da s8f o r mo fp e r t u r b a t i o nt os p l i ti t s d e g e n e r a t em o d e sa n dt oc a u s eac o u p l i n gb e t w e e nt h e m t h es o c a l l e ds t e p p e d - i m p e d a n c er i n g r e s o n a t o r ( s l 戳a n dt h ei n p u t o u t p u tc p wa r ec o n s t r u c t e do nt h eo p p o s i t es i d e so fad i e l e c t r i c s u b s t r a t e ，r e s p e c t i v e l y t h ec o n f i g u r a t i o na n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h ef i l t e ro b t a i n e di nb o t h s i m u l 箍t i o na n de x p e r i m e n ta r ep r e s e n t e d m e a s u r e dr e s u l t ss h o wt h a tt h ef i l t e rh a sal o w l l i n s e r t i o nj o s sa n dah i g ho u t o f - b a n dr e j e c t i o nl e v e 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 ，r i n gr e s o n a t o r s ，d u a l m o d e 1 1 1 南京邮电大学 硕士学位论文摘要 学科、专业：工学电磁场与微波技术 研究方向：射频与天线技术 作 者：三旦堕级研究生吴丽红指导教烬墨塞虞 题目：微带环形谐振腔双模带通滤波器的研究 英文题目：s t u d y o i lm i c r o s t r i pb a n d p a s sf i l t e r su s i n g d u a l - m o d er i n gr e s o n a t o r s 主题词：微波滤波器微带线环形谐振腔双模 k e y w 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 er i n gr e s o n a t o r s d u a l m o d e 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 1 1 滤波器概述 第一章绪论 从电信发展的早期开始，滤波器在电路中就扮演着重要的角色。当今信息社会的发展 依赖于通信技术的发展。而基于多媒体的全球个人通信系统中的无线通信将得到更大的发 展，作为关键射频器件的滤波器的作用将变得越来越重要，对其性能的要求也将越来越高。 1 9 1 5 年，德国科学家k ww a g n e r 开创了一种闻名于世的滤波器设计方法“瓦格 纳滤波器”，与此同时在美国ga c a m p b e l l 发明了另一种知名的设计方法图像参数法。 随着这些技术突破，人们开始对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论进行系统地研 究。随后，1 9 4 0 年出现了包含两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法。第一步是确定 符合特性要求的传递函数，第二步是由先前的传递函数估定的频率响应来合成电路。该方 法的效率和结果相当不错，直到现在依然被广泛采用。 不久，滤波器设计由原先的集总元件l c 谐振器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴 谐振器和波导谐振器。同时，滤波器的材料领域也取得了很大的进步，极大地推动了滤波 器的发展。1 9 3 9 年，利用了电磁波谐振的介电谐振器因为具有小尺寸和高q 值这两个显著 的特点而倍受关注，然而由于当时的材料温度稳定性不高导致该种滤波器不足以实际应 用。7 0 年代，各种具有优异的温度稳定性和高q 值的陶瓷材料的发展增加了介电滤波器实 际应用的可行性，成为现有的射频电路和通信器材中最重要、最常见的元件之一。此外， 8 0 年代出现的高临界温度超导材料( h t s ) ，被认为极有可能被用于设计出极低损耗和极 小尺寸的新颖微波滤波器】。 滤波器是无线电技术中许多设计问题的中心，可利用它们来分开或组合不同的频率， 如在变频器、倍频器以及多路通信中。电磁波频谱是有限的，且须按应用加以分配；而滤 波器既可用来限定大功率发射机在规定频带内辐射，反过来又可用来防止接收机受到工作 频带以外的干扰。在阻抗匹配中也有像滤波器的网络，如在两个不同特性阻抗的传输线之 间，或在有内阻的发生器与电抗负载之间。有时需要得到一定的相位( 或时延) 特性，如 脉冲压缩或展宽，或补偿其他滤波器或色散结构所产生的相位失真等，也需要滤波器。总 之，从超长波经微波到光波以上的所有电磁波段，都需要滤波器【”。 综上所述，滤波器的发展已有相当长的历史，滤波器不仅已成为电信领域、同时也是 l 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 许多其它电子设备中不可或缺的器件。 1 2 滤波器的性能指标与分类 理想的滤波器是一种二端口网络，如图1 1 所示，它应该具有选择频率的特性：即在 所要求的频率范围内，能使信号无衰减地传输，此频率范围称为通带；在其余频率范围内 能使信号完全不能传输，这其余的频率范围称为阻带。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，并用s 参数来描述它的性能l ”。 低频模拟电路中的滤波器是由l c 串并联谐振回路构成的，其特点是电感、电容、电 阻等电路元件均为集总参数，其尺寸远小于工作波长，因此信号通过滤波器时电磁波传播 的幅度和相位可以看成是不变的。但是到了微波波段，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替。 1 2 1 滤波器的性能指标 照。 图1 1 滤波器等效j 端口网络 衡量滤波器性能的主要指标罗列如下【4 _ 5 1 ，可根据图1 2 中的滤波器指标示意图进行对 冁謦额囊编：即工作频带的中心，在此频率点其传输系数最大。 零带，带襄：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。在本文的滤波器设计中 一般所指均为3 d b 带宽，即传输系数下降为中心频率五对应值的去 ( 一3 d b ) z 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 时对应的上下限截止频率z 和以之差，相对带宽定义为绝对带宽与中心频率二的 比值，其中绝对带宽的表达式如下： b m = 五一j 藏缀凑数：用于描述频率响应曲线在滤波器通带内的变化，采用d b 为单位表示通 带内频率响应曲线卜幅度的最大值与最小值之差。 短黪繁缀：描述滤波器对频带外信号的衰减程度，带外衰减越大，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： 2 瓦b w o , 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。 鹈鬻囊睡鞴：在电路中由于插入滤波器所导致的信号损耗，定量地描述了功率响应 幅度与o d b 基准的差值，其数学表达式为： i l = 1 0 l o g 鲁 其中，p l 是滤波器向负载输出的功率，是滤波器从信号源得到的输入功率。与 3 d b 带宽相对应，一般认为通带内插损不超过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 。因为s 2 i ( d b ) = - - i l ，所以我们在图中给出的是插入损耗 的负值。 鞫簇戆瞩：源功率和输送到滤波器的功率之间存在一定程度的失配，该失配就定 义为回波损耗，它是反射功率p 与输入功率岛之比，其数学表达式为： r l ：1 0 l o g e # n p 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第一章绪论 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 。因为s l i ( d b ) = - - r l ，所以我们在图中给出的是回波损耗的负值。 晶瀛因数翁德：滤波器的品质因数描述了滤波器的频率选择性，定义为在谐振频 率点正( 一般认为它也就是中心频率点矗) 时，平均储能与一个周期内平均耗能 之比，它的表达式如下式。 帅葫淼b 品质因数分为加载品质因数、滤波器固有品质因数鲂和外部品质因数g 。三 种情况，它们之间有如下关系。 q 。= 击 一1 ：上+ 上 一十一 q l dq 口q e 黼涨囊鹱耩：滤波器的性能指标都是在其输入输出端匹配时测得的。因此，在 应用时，必须知道其输入输出阻抗，并很好的匹配，才能使滤波器发挥其最佳性 能。在实际工程中多数情况下取5 0 欧姆。 箨麓l 骥：滤波器做为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= 娑。当通 o c o 带内的相移特性具有线性相位时，群时延恒定；否则会产生相位失真，信号就会 产生畸变。 黉囊斓隧：由于微波滤波器是由微波传输线、分布参数元件构成，所以当频率变 化时，这些分布参数元件的数值，甚至电抗性质都将发生变化，使得本应是阻带 的频段出现了通带，成为寄生通带。在微波滤波器的设计、研制中应尽量使这种 寄生通带远离所要求的通带频率范围。 馕獭薰巍 ：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1 2 中 的阴影处所注明的地方即为传输零点。 4 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 2 2 滤波器的分类 图1 2 滤波器的指标分析示意图 滤波器可以按照不同的标准进行分类。 基本类型，其衰减频率特性如图1 3 所示。 率变换转化而来。 带通滤波器 按作用分类，有低通、高通、带通、带阻四种 每一种类型都可以由其对应的低通原型通过频 图i 3 四种基本滤波器 带阻滤棱器 按照实现的传递函数可以分为b u t t e n v o r t h ( 巴特沃兹) 、c h e b y s h e v ( 切比雪夫) 、e l l i p t i c ( 椭圆) 、g a u s s i a n ( 高斯) 、b e s s e l ( 贝塞尔) 等类型，其中前三种较为常用，如图1 4 所 示。这三种逼近函数所形成的衰减频率特性各有其特点，其b u t t e r w o r t h 滤波器又称为最 5 南京邮电大学j i i 士研究生学位论文弟章堵论 1 2 2 滤波器的分类 图12 姥被器的指标分析示意图 滤波器可以按照不同的标准进行分类。 基本类型，其衰减频率特性如图l3 所示。 率变换转化而来。 带通滤渡器 按作用分类，有低通、高通、带通、带阻四种 每一种类型都可以由其对应的低通原型通过频 图l3 四种基本滤波器 带阻滤渡器 按照实现的传递函数可以分为b 毗e o r t h ( 巴特沃兹) 、c h e b y s h e v ( 切比雪夫) 、e l l i p t i c ( 椭圆) 、g a u s s i a n ( 高斯) 、b e s s e l ( 贝塞尔) 等类型，其中前三种较为常用，如图1 4 所 示a 这三种逼近函数所形成的衰减频率特性各有其特点，其b u t t e r w o r t h 滤波器又称为最 示a 这三种逼近函数所形成的衰减频率特性各有其特点，其b u t t e r w o r t h 滤波器又称为最 5 南京邮屯大学硕士研究生学位论文第一章绪论 平坦式滤波器，表现为衰减随频率的增加而单调增大。在通带内，它的频率响应曲线变化 平缓，也正因为如此通带到阻带的过渡很难做陡峭。c h e b y s h e v 滤波器的设计理论来源于 c h e b y s h e v 多项式，它的衰减特性表现为在通带内产生等幅波纹，通带外单调增加。由于 c h e b y s h e v 滤波器的设计相对于b u t t e r w o r t h 滤波器需要更多的元件，因而具有比较陡峭的通 带到阻带过渡段。椭圆函数滤波器又叫考尔滤波器，它的频率响应特性表现为无论是在通 带内还是在通带外，都具有波纹，它的带外衰减具有最大的上升斜率，能实现最陡峭的过 渡段，因而它的带外抑制能力最强。但由于其电路结构复杂，元件数目多，因而不如前两 种滤波器用得普遍p 】。上述几种传递函数都是按照滤波器的幅频特性进行分类的，但是有 些场合要求滤波器通带内具有线性相位以防止信号失真。线性相位滤波器对通带内的相位 响应函数有专门的要求。一般来说，通带的带外抑制能力和带内相位的线性度是一对矛盾。 曲 a - o + o c = a 口 v o 苗 j 翌 a 太 ( a ) 理想低沮避捩嚣 l | ： ( b ) 巴特潇i 游渡罄 ( c ) 切b 雪夫滤竣嚣 ( d ) 椭嘲函数滤渡嚣 图1 4 低通原型滤波器的衰减频率特性 按照滤波器对输入能量的处理方式又可分为吸收型滤波器和反射型滤波器，本文中所 讨论的都是反射型滤波器，即在理想情况下通带频段以外的信号将被反射回信号源去。 6 一q_l|011弗3皇。等 a 一酶一co一_日_iu嚣 a 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 1 3 滤波器的综合设计方法 滤波器的设计当前有两种不同的出发点【2 j 。 一种称为镜像参数法。它是以滤波网络的内在特性作为根据的，这种方法的特点是： 根据滤波网络的具体电路，用分析的方法推算出变换器损耗的特性。然后再将这些具体电 路拼凑起来，使总的衰减特性满足所需要的技术要求。用这种方法设计出来的滤波器一般 为k 式滤波器和m 式滤波器等。这种方法的优点是理论根据简单，它的缺点是在分析过 程中没有考虑外接负载的影响。 另一种方法从插入损耗入手，是近年来应用很多的设计方法。它的基本步骤大致如下 所述。首先根据给定指标利用网络综合理论确定归一化低通原型滤波器的集总参数值，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，这样 就得到了由集总参数元件实现的电路结构。对于微波滤波器的设计，最后还需要把集总参 数元件用分布参数的微波结构来实现，这个过程是由r i c h a r d s 变换来实现的。整个设计流 程如图1 5 所示，图1 6 给出一个集总参数低通滤波器用分布参数来实现的例子，由l c 网 络变为高低阻抗变换微带线的形式。其中，串联电感l 可用高阻抗微带短线来实现，并联 电容c 可用低阻抗微带短线来实现。 图1 5 插入损耗法的设计流程图 眦州们 2 图1 6 集总参数滤波器转化为分布参数的微带线低通滤波器 插入损耗设计法的优点是设计准确，且设计时已经考虑到了外接负载的影响。它的缺 点是需要用到比较复杂的网络理论。但是，这个缺点是可以弥补的，因为只要一旦把满足 各种要求的低通原型滤波器设计出来以后，后来的设计手续就变成了简单的查表、读图和 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章绪论 应用浅显数学方法换算数据。在上述设计步骤中，最关键也最难的一步是用分布参数的形 式来实现集总元件参数的滤波器，特别是在串并联谐振回路结构复杂的情况下。所以用开 路、短路短截线级联来实现的微波滤波器极为少用。但是依据这种基本理论衍生而出的其 它多种设计过程和结构形式却得以在实际中广泛使用。 1 4 仿真软件与测量仪器简介 本文设计中所使用的仿真软件为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a 测量仪器采用的是a g i l e n th p 8 7 2 0 矢量网络分析仪。下面分别对其进行简 要的介绍。 1 4 1z e l a n di e 3 d 仿真软件 i e 3 d 是一个基于矩量法的电磁场仿真工具，它集成了全波电磁仿真和最优化包，可以 解决多层介质环境下的三维金属结构的电流分布问题。i e 3 d 年0 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等问题。仿真结果包 括s 、y 、z 参数，v w s 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 电路及滤波器、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【6 j 。 1 4 2h p 8 7 2 0 矢量网络分析仪 现代矢量网络分析仪能测量元件中的信号幅度、相位和群时延，在史密斯圆图上显示 端口阻抗，并且利用时域功能显示从测试端口到阻抗失配或电路故障处的距离。a g i l c n t 公 司提供各种系列的射频和微波网络分析仪，其频率范围可以从直流到l1 0 g h z 。本实验室 采用的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。内景的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 矢量网络分析仪能通过记录分析仪上的系列键盘操作编制测量应用程 序，使时序测量变得十分简单。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 s 南京邮电火学硕士研究生学位论文第一章绪论 据佟输速凄、逶过，失效测试，强大豹标记功能。j 鼙：羚还其备电校难( e c a l ) 萌髓、彝动纯 内部使用测试序列。 1 5 本文研究内容与安排 本课鼷的任务怒对微带双模带濑滤波器进行广泛深入的研究，在此基础上提出新设计 方褰实璎小爱耗、摄撂撰懿滤渡器。 论文的内容共分为五章。第一章为绪论，介绍了滤波器的基础知识。第二章对微波双 模滤渡器骰了详绍静分绍。第三章戳徽蒂三窝形谐掇嚣滤波辩为研究瓣象，瓣出了一荦孛新 的微扰方式米实现三角形贴片谐振器中简并模式的分离，并选择合适的馈线方式来构成滤 渡嚣。第圈章静重患敖在双模圆环带递滤波器，提出了一种新型的周共面渡静馈线络构实 现的双模圆环带通滤波器。在第三南和第四章内容的安排上，首先进行简单的理论分析与 说明，然需在广泛谢研的基础上提出自己的设计方案，给出仿真结果，并对实际测量结果 进抒分析，得出结论。最后第五章总结全文，对作者在课题磷究工作中的一揍心褥体会进 行了小结。 参考文献 【l 】f t t m m a k i m o t o ，s 。y a m a s h i t a 骧赵宏镣译。燹线逶痿孛鳇皴波谐振嚣与滤波嚣 ( 理论、设计与应用) 北京：国防工业出版牢七，2 0 0 2 【2 】吴万豢，彗本锻，现锭微渡滤波器豹续搀与浚诗。嚣安毫予莽 按大学窭黻社，1 9 7 3 3 】李宗谦，余京兆，高葆新微波工程基础北京：清华大学出版社，2 0 0 4 【4 】藩邦嫒射獗避信电路j e 衮：辩学翻版茬，2 0 0 2 【5jr e i n h o l dl u d w i g ，p a v e lb r e t c h k o 著王予字等译射频电路设计：理论与应用北 京：毫子工监蹬版社，2 0 0 2 【6 】傅佳辉，吴群微波e d a 电磁场仿真软件评述+ 微波学报，2 0 0 4 ，2 0 ( 2 ) ：9 1 9 5 南京邮电太学硕士研究生学位论文 第二章微波双模滤媛器 2 1 微波谐振器 第二章微波双模滤波器 众蕊塌翔，一般豹低频健徐线不裁潢是徽波渡薮传输窀磁耗量静簧末，溺嚣发震蹬豫 金属波导那样的一系列微波传输系统。与此炎似，微波波段的谐振器也不能用集总参数的 l c 灏路来蜜凝，丽怒采焉爨有分蠢参数静 鹜攘器，餐两者的蒺本功靛褚靛帮选颥特性 却憋相同的。微波谤振器是微波振荡源、放大器、倍频器、滤波器的踅要组成部分，还可 用作波长计、回波箱等，所戳微波谤振器像微渡传输系统一样重要嘎 2 1 1 基本特性 微波谐振器是一个瓣含系统，将毫磁滚绞寨在凑帮，逶避恰当鹃装置遘 亍激弦露赣合 与外部电路交链。微波波段的谐振器之所以采用具有分布参数的谐掇器，而不采用集总参 数瀚l c 谐攘霞籍，箕原因童要在予：( a ) 随着簇率鳃升高，分毒参数的影响逐渐显藩， 到了微波波段，由予l c 谐振回路盼尺寸同电磁渡的工作波长可相比拟，辐射损耗很大， 且波长越斑辐射越严重；( b ) 由趋肤效应g l 赖的导体攒耗和由介质极化| 超盼介质损耗大 大增加，使得l c 谐振回路驰品质因数降低剿难以容i 午熬程度：( c ) l c 谐振嬲鼹的电感_ j 电释的尺寸相当小，使加工十分困难且机械强度和电强度均不能达到簧求；( d ) 由于电感 霸嘏褰很小，热避免击穿不褥不降低工痒电聪，从蕊降低谐撵回路的振荡功率等。为了宽 服l c 谐振网路由于频率升黼而产生的种种缺陷，人们把l c 谐振回路逐渐发展到用于微波 波段夔空腔瀵援器。 微波谐振器的撼本特性就是：对于形状尺寸完全相同的谐振器，它存在一系列的谐振 频警菇、磊、。这耱囊象称为谐振器麓多落往。苓失殷牲，藐稻戳麓2 。l 爨幂熬矩形谐 振腚的形成为例进行讨论。投频率为圻的电磁波在无限长的矩形波导中沿i e z 方向传播，在 f o 缝簿禳裁箍上教一块瑾慧荨体蔽使滚导缀躇，羹农垆一躐。l 2 轴= l ，2 ，) 缝为横两奄 场的波节点，此时在g - - 一以1 2 = - ，处放一块宽限薄的理想导体板，则并不破坏驻波分布， 这样就成了一个振荡频率为嗝的矩形谐振腔。菪将z = f 处静母体板取去，著逐渐升高电磁 波的频率，则矩形波导中横向电场驻波的波节点位置邂渐向j e z 方向移动，当频率升至6 时， 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微波双模滤波器 在原来波节g z = 一，处又出现横向电场驻波节点，此时在该处再放 ! ：一块无限薄的理想导体 板，则又构成同原来形状尺寸完全相同的矩形谐振腔，但此时矩形谐振腔的谐振频率不是 而是以。这就是多谐性。这一点与低频中由电感l 和电容c 构成的谐振回路，当其尺寸、 填充介质均不变化时，只有一个谐振频率是不相同的川。 2 1 2 主要特性参量 图2 1 矩形谐振腔的形成 集总参数谐振回路的主要特性参量是电感厶电容c 和电阻r 。这三个参量不仅容易测 量，而且完全能够反映出谐振回路的特性，由此可导出谐振频率、品质因数以及谐振阻抗 或导纳。然而，在微波谐振器中，由于是分布参数电路，因此集总参数三、c 和月己失去它 们的意义。所以，微波谐振器的主要特性参量有：谐振频率而( 或者谐振波长 o ) ，品质因 数函，以及与谐振器中有功损耗相关的谐振电导g o ( 或电阻r o ) 【2 l 。 ( 1 ) 谐振频率 由于各类谐振器的具体结构、形状、谐振模式不尽相同，而且对于谐振频率也可以从 1 i 同的角度去理解，因此也有多种求谐振频率的方法，通常有以下四种。相位法。所谓 相位法指的是，根据电磁波在谐振器内来回的反射时，入射波与反射波相叠加时的相位关 系来确定谐振频率。这种方法主要用于传输线型的谐振器，对于这类谐振器可归结为一段 两端分别接有纯电抗性负载( 包括短路或开路状态) z 1 和z 2 的传输线，即在线的两端处不 吸收，也不辐射能量，而是形成全反射。电纳法。所谓电纳法指的是，根据谐振时谐振 器的总电纳为零来确定谐振频率，具体地说就是，在谐振器中选取某个适当位置作为参考 面，求出其等效电路，并把所有的电纳归到参考面处，那么，在谐振时该参考面处总的电 纳应为零。集总参数法。所谓集总参数法指的是，根据谐振器等效电路中的电感和电容 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章微波般模滤波器 来确定谐振频率，即是说，对于某些谐振器而言，若它的电场和磁场相对而言是分别集中 于谐振器的不同部位，而且谐振器的几何尺寸又小于谐振波长如，则可利用集总参数的概 念画出其等效电路，求出谐振器的等效电感三和等效电容c ，这样，若忽略损耗，则谐振频 率而为f o = - z ；i 。场解法。所谓场解法就是，对已知其形状、尺寸和填充介质的腔体， z 厅l c 当根据边界条件对电磁场的波动方程求解时，可以得到一系列的本征值k ，由蹴可以确定 腔的谐振频率。 ( 2 ) 品质因数 谐振器的品质因数有两种情况：一种是固有品质因数q 0 ；另一种是有载品质因数q l 。 固有品质因数是对一个孤立( 完整) 的谐振器而言的，或者说，是谐振器不与任何外电路 相连接( 空载) 时的品质因数。当谐振器处于稳定的谐振状态时，固有品质因数q 0 定义为 0 0 = 2 1 r 瑞糕燃煞 铷是表征谐振器的损耗的大小、频率选择性的强弱和工作稳定度的高低的一个重要参数。 q 0 大，表示损耗小、频率选择性强、工作稳定度高，但工作频带较窄；q 0 小，则表示损耗 大、频率选择性弱、工作稳定度低，但工作频带较宽。在微波范围内使用的谐振器，由于 其种类、形状、尺寸、材料、填充介质，以及工作模式和工作频率等因素的差异，因此他 们的q 0 值也有较大的差别。一般地讲，q 0 的值约在几千到几万之间，个别情况也有低于或 高于这个范围内的值的。作为谐振回路，微波谐振器的q 0 要比集总参数的低频谐振回路的 q o 高得多。实际上，一个腔体总是要通过孔( 缝) 、环或探针等耦合机构与外界( 负载) 发生能量的耦合：这样，由于外界负载的作用，不仅使腔的( 固有) 谐振频率发生了变化， 而且还额外地增加了腔的功率损耗，从而导致品质因数的下降。通常把考虑t # b 界负载作 用情况下的腔体的品质因数称为有载品质因数甄。因此q l 可表示为 q l = 2 1 z 等 在一般情况下，q l 与q o 之间有较大的差别，而且，由于负载或耦合青况的变化，同一个谐 振器的q l ，也可能有较大的变化。 ( 3 ) 等效电导 等效电导是表征谐振器功率损耗特性的一个参量。为定义o o ，可借助图2 2 所示的谐 振器的等效电路。设谐振器本身损耗功率为p ，则 南京邮电犬学硕士研究生学位论文 第二窳微波双模滤波器 咎c 2 2 微波滤波器 微波滤波器，由于微波的特殊憔，微波电路所采用的元件在结构上和普通电路所用的 元转是截然不嗣的e 嚣转续掬上鹣这摹孛差异簪l 起了微波滤波器戆特殊缝，当然作势滤波嚣， 它和其他滤波器具柯许多共性。 2 , 2 1 频率特性 在滤波器的综合设计方法中曾缀提到，微波滤波器设计中最关键的一步怒用分布参数 的形式来实现集总参数元转e 两嚣张开路囊短路约馋埝线段帮具有串联谐振姆挂窝劳联港 振特性，于是就想到应用传输线谐掇器作为微波滤波器的组成部分。传输线谐振器具有多 谐热襄多摸性秀个特点，鼓褥健褥徽渡滤波器表现爨不同予一般三c 嚣臻滤波器兹频率特 性。 传籍线缓论据搿，传输线谐攘爨骞嚣个耱点： 南京邮电太学硕士研究生学位论文 第二章微波双模滤波器 ( ) 多谐穗传输线谮掇器其寄许许多多谐振频率，掰敬崮频率政变对，镦渡带 通滤波器所用的传输线谐掇器将多次出现谐振现象，而这种情况是集总参数的l c 倒路所 没有的。蠢于谮振现象的反复出现，微波带遥滤波嚣的滤波特性将发生改变。其其体体现 就是通带j f n 止带在频率轴上不断交警出现，如陶2 。3 所示。对于集总参数带通滤波器，这 种情况是不会出现的。设计一个通带便只有一个通带，在微波滤波器中，第二通带( 实际 土还存在第三、第嬲等等通带) 的出现可能关系到设计的成败，是个值褥注意的阅题。 0 l 抽2 铷3 渤 强2 。3 徽渡带遴滤波器颓率特馥：霉生逶带瓣鑫魂 低通和簿通滤波器所用纳元件怒单独的电感和电容，这程集总参数电路内是很容易获 褥的，但是在微波传输线上却不这么容易，而且根据传输线形式的不同，体现的难易程度 也不一样。一般来说，半集总参数( 即大致鳆有集想参数性缓) 的电感秘电磐在微带线上 较替易实现，同轴线次之，在波导内便要比较复杂的结构。 ( 2 ) 多模髓兔诲多个穰式褥对工作静霹麓经。焉一量鑫臻嵩次攘，器彳孛鳐难常 工作便受到影响，微波滤波器的滤波性能也受到一定的限制。所以，一般是要避免出现高 次耩。僵愚，事情感是两方两的，爵前瞧有蠲多模徽成的滤波器，遮就是翻厢了高次模。 还有值褥一提的是，同轴线和微带线传输t e m 波，并不谗在截止波长的间题。所以这 两种传输线的低通滤波器具脊真正的低通特性，即频率为零( 直流) 歪频率等于所设计的 截止频枣娥的信号都是可以颞剩遥避这静滤波器。但是空心波导所抟竣的是摊殴或者波， 这艇存在一个截止波长( 注懑波导的截止波长和滤波器的截止频率不是一个概念) 。所以， 波譬低通滤波器豹戳通獠念糖一般滤波嚣不潮，壹浚是篱定遐不过麴。 l4 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微波双模滤波器 2 2 2 分类与比鞍 微波滤波器现在已成为一种卡分重要静徽波元佟，萁释类繁多，仅按其掰耀传输线静 类裂来分，就可分成波导滤波器、间轴线滤波器、，带状线滤波器和微带滤波器等等。分配 给无线通信盼主要频带范酗相当宽，放几十赫兹涮几十吉赫兹，因此有稻警多稚类的滤 波器能在越些频带中使用。同轴滤波器具有以下优点：包括电磁屏赦、低损耗特性和小尺 寸，但要谯1 0 g h z 以上使用，则由于箕微小的物理尺寸，制作精度难以达到。介电滤波器 则矮有抵损裁、可接受的激发稳定性和小尺寸等特点，然而，裹成本和现在的加工技术的 限制，使它的使用范围在5 0 g h z 以下。波导滤波器夜射频到微波频段范围内髓有很长的使 用绣史，它具有低羧耗稠爵实际应髑到1 0 0 g h z 这聪个主要俊点。冀最大的缺点是，尺寸 明晟比其他可应用在微波段的滤波器大【3 l 。 魏在，程射频菇微波壤爨孛最鬻选露熬爨徽豢滤泼器。建予徽馨线谐振嚣其有小足专、 通过光刻术易于加置、与其他有源电路元件易于兼容的特点，许多电路使用此类谐振器。 它貔另一大优势是2 逶遭聚瘸不同豹褥疼李季辩嚣奁缀大静蘩率范围疮褥获瘦掰。徽繁线谮 掇器存在的最大问题是，和其他谐振器相比它的插损明显比较大，使它很难应用于窄带滤 波嚣孛。 2 3 徽波双模滤波器 篷着遗售菝零戆发震，瓣嚣毒手持式瞧予设备。微鍪! 话楚一令熏簧熬瓣憨。尺砖秘重 量的减小会使随身携带的设备变得特别轻巧。很明照，对于射频电路的微型化有很大的需 求。虽然攀片镞波祭成毫辩( m 羚镬e ) 戆密现预示羲甜频春滚电路鲔黢大器、诱割嚣、频 率转换器的微型化越来越成为可能。但对r f 滤波器和振荡器簿含有谐振器的电路的尺寸缩 小的优亿方面还存猩许多裔待解决静问题 4 1 f 懿。因为随着尺寸的不断减小，微带滤液器的 性跳则不可避免地如现下降，比如辐射损耗增加和躐配不稳怒。所以，滤波器尺寸的缩小 和性能的提高将继续是两大藿要课鼷。针对滤波器尺寸缩小靳性能下降的矛膳，现阶段出 现了下列类型的滤波器珏满足舞求：微波双模滤波器、馒波效应滤波器1 6 、多层结 句微带 滤波器 7 】等。 南京邮电大学硕士研究生学位论文 第二章微波双模滤波器 2 3 1 基本原理 一个谐振器内有无限多个振荡模式，可以利用这些模式中的几个来做成多模式耦合电 路，这样就可以使滤波器所用的谐振器数目减少，从而使整个滤波器变小变轻。 两个调谐的自由振荡电路之间的相互作用与他们之间的耦台系数有关，并和他们之间 的复数谐振频率之比有关。这两个振荡电路的振荡频率越接近，这两个电路之间的能量转 换需要的耦合就越小。在由理想导电壁围成的简单几何结构( 也就是谐振器) 中的无限多 个模式中存在着正交关系，故在这些模式中没有能量变换。各个模式间耦合的产生可用对 理想结构加以小的扰动来得到。如果要保持场结构的原有形式，则这个扰动要小。因此， 一个谐振器中的这些可作滤波器用途的模式必须有相同的谐振频率。换句话说，这些模式 应是简并模【8 】。 双模谐振器很早就有人提出，随后越来越多地用在滤波器的设计中。“双模”的概念 来自于谐振器的一对简并主模，它最大的优点在于每一个双模谐振器都具有双调谐回路的 特性，即可以同时产生两个谐振频率点。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。除滤波器以外，双模谐振器还可以广泛用于设计天线、多工 器、振荡器和混频器。 2 3 2 实现方法 微波双模滤波器也同样可以分为波导结构、微带结构和介电结构等，目前微带双模滤 波器的研究越来越受到人们的关注。方形、方环、圆形、圆环等形式的微带谐振器都属于 双模谐振器1 9 l 【10 1 ，它们在结构上的共同点是同时满足轴对称和中心对称。它们都具有一对 简并主模，通过在与谐振器表面水平方向成4 5 度对角线方向设置某种特定的微扰方式可 以使这一对简并主模的谐振频率适当分离并相互耦合在一起。图2 4 给出了几种常见的双 模微带谐振器及其微扰的结构示意图。实际上，包括第三章中所提及的等边三角形微带谐 振器也属于双模微带谐振器。不同之处在于，三角形谐振器的一对简并主模之间不存在相 互耦合j 。 图2 4 ( a ) 到( e ) 所示的分别是方形、圆形、圆环、方环、曲折环微带双模谐振器，它们 都是在与谐振器水平方向成4 5 度对角线的位置上设置了某种特定的微扰方式。当没有引 入微扰的时候，一对简并主模是正交的，相互之间没有耦合，所以当