（电磁场与微波技术专业论文）基于siw的新型带通滤波器的研究.pdf

硕士论文基于s i w 的新型带通滤波器的研究 摘要 近年来，随着现代信息技术的迅猛发展，人们对微波电路的研究提出了平面化、小 型化和集成化的要求。基片集成波导( s i w ) 作为一种新的导波结构，同时具有波导和微 带线的优点，例如品质因数较高、功率容量较大、辐射损耗小、易与平面电路集成、易 加工、成本低等优点。因此，s i w 技术在天线馈线、滤波器、耦合器、振荡器等微波、 毫米波电路中得到了广泛的应用，其中应用基片集成波导技术设计高性能的带通滤波器 是目前微波滤波器领域的一个研究热点。 本文首先介绍了s i w 结构，接着分析了其传输特性和设计方法，并给出了s i w 与 微带的过渡结构。在s i w 的结构基础上又分析了四分之一模式基片集成波导 ( q u a r t e r - m o d es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，q m s i w ) ，q m s i w 结构尺寸仅为s i w 结构 的四分之一，更为紧凑和小型化。 其次，结合广义切比雪夫理论，设计了基于q m s i w 中一心频率为5 5 g h z 的交叉耦 合带通滤波器，负耦合结构是通过在两谐振腔的公共短路壁的上下金属面上平行对称地 蚀刻出两个耦合缝隙而构成。在结构中，通过不同传输路径之间的能量抵消，实现在带 外增加传输零点，使滤波器获得陡峭的带外衰减。 然后，结合互补开口谐振环( c o m p l i m e n t a r ys p l i tr i n gr e s o n a t o r , c s r r ) 基于s i w 结构设计出具有陡峭带外衰减和良好频率选择性的带通滤波器。在此基础上，通过添加 缺陷地结构( d e f e c t e dg r o u n ds t m c t u r e ，d g s ) ，使用周期的d u m b b e l l 结构大大地展宽了 滤波器的高频阻带。 最后，利用低温共烧陶瓷( l o w t e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r e m i c ，l t c c ) 技术，结合s i w 结构设计了v - b a i l d ( 5 7 g h p 6 4 g h z ) 频段的交叉耦合带通滤波器。由于频率比较高， 在设计中不可避免地存在寄生效应和辐射损耗，文中对此进行了讨论分析。此外，文中 详细地介绍了每种带通滤波器的设计方法和设计过程。最终进行了实物加工并测试，通 过与仿真结果进行比较，验证了结构的良好性能。 关键词：基片集成波导( s i w ) ，互补开口谐振环( c s r r ) ，交叉耦合带通滤波器，低 温共烧陶瓷( l t c c ) 硕士论文基于s i w 的新型带通滤波器的研究 a b s t r a c t w i t ht h e d e v e l o p i n g o fm o d e mc o m m i n i c a t i o n t e c h n o l o g i e s ，s o m es t r i n g e n t r e q u i r e m e n t so nt h er f m i c r o w a v ed e v i c e sa n ds u b s y s t e m sh a v eb e e np r o p o s e d ，s u c ha s p l a n a r , m i n i a t u r i z a t i o na n dh i g hi n t e g r a t i o ne t c r e c e n t l y , s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s i w ) w h i c hw a sp r o p o s e da san e wg u i d i n gs t r u c t u r eh a sb e e nw i d e l yu s e d ，t h ea d v a n t a g e s o fb o t hw a v e g u i d ea n dm i c r o s t r i p ，s u c ha sh i g hq ，l o wc o s t ，c o m p a c ts i z e ，a n de a s y f a b r i c a t i o n ，e t c t h u s ，s i wh a sb e e nw i d e l yu s e di nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v ec i r c u i t s i n c l u d i n gf i l t e r s ，a n t e n n a s ，p o w e rd i v i d e r s ，c o u p l e r s ，a n ds o m eo t h e ri m p o r t a n ta p p l i c a t i o n s i t h a sb e e nah o tr e s e a r c ht o p i ct od e s i g nc o m p a c ta n dh i g hp e r f o r m a n c ef i l t e r su s i n gs i w t e c h n o l o g yi nr e c e n ty e a r s i nt h i sw o r k ，w ef i r s t l yi n t r o d u c e dt h es i ws t r u c t u r e ，a n dt h e na n a l y z e di t st r a n s i m i s s i o n c h a r a c t e r sa n dd e s i g nm e t h o d s ；t h ed e s i g no ft r a n s i t i o ns t r u c t u r eb e t w e e ns i wa n dm i c r o s t r i p w a sa s l oi n t r o d u c e d am o r em i n i a t u r i z e ds t r u c t u r eo fq u a r t e r - m o d es i ww a sp r o p o s e da n d a n a l y z e d ；q m s i w i sar e s o n a t es t r u c t u r ew h i l eh a v i n gj u s tq u a r t e rs i z eo fs i w ，c a u s i n gm o r e c o m p a c ta n dm i n i a t u r i z e ds i z e t h e n 。c o m b i n e d 谢t hg e n e r a lc h e b y s h e vm e t h o d s ，w ed e s i g n e daq m s i w - b a s e db p f w i t hc e n t e rf r e q u e n c yo f 5 5 g h zc r o s s - c o u p l i n gb a n d f i a s sf i l t e r , i nw h i c ht h es - s h a p e ds l o t si s s y m m e t r i c a l l ye t c h e do nt h et o pa n db o t t o mm e t a lp l a n e sc o n n e c t e db yv i a st of o r map h a s e i n v e r t e ra n dp r o d u c e se l e c t r i cc o u p l i n g ，w h i c hp r o v i d e sm u l t i p l es i g n a lp a t h sw h e r eas i g n a l m a yp a s sb e t w e e nt h ei n p u ta n do u t p u tp o r t s ；t h u ss i g n a lc a n c e l l a t i o nc a r lt a k ep l a c ea tg i v e n c e r t a i nf r e q u e n c i e st oe n h a n c es h a r pf r e q u e n c ys e l e c t i v i t y n e x t ，ac o m p a c tp l a n a rb a n d p a s sf i l t e ri sp r e s e n t e d ，i m p l e m e n t e db yt h ec o m b i n a t i o no f t h r e ed i f f e r e n te l e c t r o m a g n e t i cs t r u c t u r e s ，s a y i n g ，s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s i w ) ， s q u a r ec o m p l e m e n t a r ys p l i tr i n gr e s o n a t o r s ( c s r r s ) a n d d u m b b e l l ss l o t av e r yw i d e r e j e c t i o nb a n dr a n g i n gf r o m11 g h zt o2 3 g h zw a sa c h i e v e d ，i n d i c a t i n gq u i t es t r o n gs p u r i o u s s u p p r e s s i o n a tl a s t , al t c cv - b a n d ( 5 7 g h z - 6 4 g h z ) c r o s s c o u p l i n gb a n d p a s sf i l t e rw a sd e s i g n e d t h e r ea r em a n yp r o b l e m ss u c ha sp a r a s i t i ce f f e c ta n dr a d i a t i o nl o s sb e c a u s eo ft h eh i l g h f r e q u e n c y , w h i c hw e r ed i s c u s s e di n t h ep a p e r t h ed e s i g np r o c e d u r e sa r ed e s c r i b e da n d d i s c u s s e di nd e t a i l t h ep r o t o t y p e sh a v eb e e nf a b r i c a t e da n dm e a s u r e d g o o da g r e e m e n t sc a nb eo b s e r v e d ， i n d i c a t i n gt h ev a l i d i t yo f t h ep r o p o s e dd e s i g ns t r a t e g i e s a b s t r a c t硕士论文 k e yw o r d s ：c o m p l e m e n t a r ys p l i tr i n gr e s o n a t o r s ( c s r r ) ，c r o s sc o u p l i n gb a n d p a s sf i l t e r , l o wt e m p e r a t u r ec o f i r e dc e r e m i c ( l t c c ) ，s u b s t r a t e i m e g r a t e dw a v e g u i d e ( s i w ) ，s i w - c s r r b a n d p a s sf i l t e r i v 硕士论文 基于s i w 的新型带通滤波器的研究 目录 摘| 晏。i a b s t r a c t i i i l ! l 录、r 1 绪论1 1 1 本课题的研究背景一l 1 2 相关领域的发展状况2 1 3 本论文的主要工作。5 2 基片集成波导( s i w ) 和q m s i w 的分析介绍6 2 1s i w 简介6 2 1 1s l w 的传输特性6 2 1 2s l w 与矩形波导的等效8 2 2s l w 与微带连接的转换结构9 2 3q m s i w 的结构简介1 0 2 4 本章小结1 1 3 交叉耦合q m s i w 带通滤波器的设计1 2 3 1 共振腔耦合理论分析1 2 3 2 基于q m s w 的交叉耦合带通滤波器的设计1 4 3 2 1 外部品质因数、耦合系数的提取1 4 3 2 2 交叉耦合滤波器的设计1 9 3 3 本章小结2 1 4 超宽阻带s i w - c s r r 带通滤波器设计2 2 4 1d s p s l 结构特性介绍2 2 4 2c s r r 特性分析与介绍一2 4 4 3 基于s i w 的超宽阻带带通滤波器的设计2 6 4 3 1 基于s i w 的c s r r 特性分析2 6 4 3 2 基于s i w 的宽阻带滤波器设计2 8 4 4 本章小结3 0 5v - b a n dl t c c 带通滤波器的设计3 2 5 1l t c c 技术简介3 2 5 2v - b a n dl t c c 交叉耦合带通滤波器的设计3 4 5 2 1l t c c 交叉耦合滤波器研究介绍3 4 | 7 目录 硕士论文 5 2 2 交叉祸合滤波器的设计指标3 4 5 2 3 外部品质因数、耦合系数的提取3 5 5 2 4 交叉耦合滤波器的设计4 0 5 3 本章小结4 2 6 总结与展望4 3 致 射4 5 参考文献4 6 攻读硕士期间已发表和投稿的论文5 2 v i 硕士论文 基于s i w 的新型带通滤波器的研究 1 绪论 1 1 本课题的研究背景 随着现代通信技术的迅猛发展，全球通信业务的增加，微波毫米波技术也得到了前 所未有的推广应用与发展。微波是频率非常高的电磁波，是指从3 0 0 m h z ( 3 木1 0 8 h z ) 到3 0 0 g h z ( 3 1 0 1 1 h z ) 的频率范围 1 】。目前，应用微波技术到高频率的领域主要有卫星 通信、移动通信、微波中继通信、微波治疗 2 】等方面。其中，作为传输电磁波和信息的 微波传输线是诸多应用中不可缺少的。除此之外，微波传输线还可以用来设计一些微波 元器件，如阻抗变换器、谐振腔等等。通常微波传输线又可以分平面结构和非平面结构 两大类。平面结构的电路经常用到的诸如微带线、带状线和槽线等，而非平面结构主要 由矩形波导、圆波导以及同轴线等结构构成。近年来人们对微波电路提出平面化、小型 化、集成化的要求，而平面结构电路可以容易的将有源和无源等结构电路进行互连，有 效的达到系统的混合集成，能够大大提高系统的整体性能及满足人们的需求。然而，平 面电路由于导体损耗、辐射损耗和介质损耗的存在，当频率增高到波长与传输线相比拟 时，辐射损耗增加，传输效率降低导致这种平面电路结构不适合工作在毫米波波段，也 无法构成高q 值的部件。相反，非平面结构具有损耗小、功率容量大等优点，如矩形波 导，辐射损耗对它的影响则很小，但作为立体结构，非平面结构则很难在系统集成占有 优势，不容易与其他电路如有源器件等有效的集成。基于以上，专家学者便致力于寻找 一种能够兼具多种传输结构的优点，希望能够提高系统的整体性能。在这样的背景下， 基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，s i w ) 应运而生1 3 5 1 。它是一种类似于传统 矩形波导特性的立体周期结构，能够利用p c b 、l t c c 等加工工艺进行制作，通过两排 线性周期排列的金属孔和上下金属面限制向外辐射的电磁波，从而代替传统的矩形金属 波导或者非辐射介质波导( n o n r a d i a t i v ed i e l e c t r i cg u i d e ，n r d ) 的集成类波导结构。 基片集成波导是通过p c b 板的上下两个金属面和四周金属通孔而构成谐振腔，将 电磁波限制在这个区域内进行传输，基片集成波导加工非常方便，可以做成单层或多层 的微波电路，而且非常便于与板上其它的集成电路连接，可以大大减小电路的体积。基 片集成波导( s i w ) 则同时融合了波导和微带线的优点，例如高q 值、辐射损耗小、功 率容量较大、易与平面电路集成和加工、成本低等优点，使得它得到了广泛的研究与应 用，已进行批量生产并投入商业应用中。所以以s i w 器件为平台的结构设计思路也越 来越多，如s i w 滤波器1 6 1 、天线刀、微带馈电的微波振荡器【8 1 、s i w 功率合成器1 9 等等。 从这些工程设计中，s i w 结构表现出来良好的传输特性和稳定性，证明了它的研究意义 和应用价值。在s i w 结构快速发展并日趋成熟的同时，当把s i w 设计在低频时仍然存 1 绪论硕士论文 在结构较大的问题，为了满足人们对于小型化、集成化结构的需求，出现了一种新型的 四分之一模式的基片集成波导结构( q u a r t e r - m o d es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ，q m s i w ) 【1 0 】，作为一种新的谐振结构，与s i w 相比具有明显的小型化的特点，从而具有很好的 研究意义和应用价值。 同时，现代无线通信系统正在快速发展，通信频谱资源从低频到高频逐渐被占用， 面临紧缺的问题，因此，为了提高频谱资源的利用率，就要求各类通信系统的可用频率 问隔越来越窄，这就要求无源器件等更主要是射频前端滤波器具有更好的特性，如低插 损和高选择性，利用非常陡峭的带外衰减来有效抑制靠近通带的各种干扰信号。因此， 提高无源滤波器的带外抑制度和选择性是研究的一个重要方面。广义切比雪夫函数滤波 器，可以在不增加滤波器阶数的同时，通过增加有限传输零点的个数而得到陡峭的带外 抑制1 1 州】。 1 2 相关领域的发展状况 1 9 9 8 年h i r o s h iu c h i m u r a ”】和j h i r o k a w a 1 6 1 注意到金属孔的阵列可以起到和金属壁 相似的作用，均提出了一种利用两排线性的金属孔形式把电磁波限制在一定空间区域内 进行传播的结构。随后，d o m i n i cd e s l a n d s 3 】在2 0 0 1 年针对基片集成波导( s i w ) 与其 它的平面电路的过渡和连接进行了研究，k ew u n 等人设计了基于空气孔基片集成非辐 射介质波导，而a z e i d 1 7 研究了这种金属通孔阵列的散射特性。基片集成波导( s l w ) 同时具有微带线结构和矩形波导的优点，其插入损耗介于微带线与矩形波导之间。s i w 属于平面导波结构，所以容易和其他平面结构进行系统集成。同时，在毫米波波段设计 中，由于基片集成波导具有高品质因数的特点，从而解决了微带线损耗大的问题，这些 器件的性能几乎接近传统矩形波导器件的性能。2 0 0 3 年，吴柯教授等提出了s u b s t r a t e i n t e g r a t e dc i r c u i t s ( s i c ) 的概念h 【】引，接着国内外很多学者对s i w 技术展开了广泛的研 究【6 圳，由于s i w 与传统矩形波导的等效性，众多学者将矩形波导成熟的设计理念和方 法移植到了s i w 中，实现了形式多样的s i w 带通滤波器。目前国内研究s i w 技术比较 多的是东南大学微波毫米波重点实验室，而南京理工大学在这方面的研究也取得了一定 的成绩。 s i w 带通滤波器及相关结构的研究主要集中在以下几个方面： 1 s i w 的研究现状和衍生结构 s i w 谐振腔易于与介质板上其它的集成电路结合，将平面的和非平面的电路集成到 一块板子上面，大大减小了电路的体积。但是在一些结构中，尺寸体积仍然很大，2 0 0 5 年洪伟教授提出了半模基片集成波导( h m s l w ) ，它具有与s i w 相似的传输和截止特性， 但相比s i w 整体尺寸缩小了一半，基于h m s i w 设计的带通滤波器通带与谐波的带宽更 宽，带外抑制特性更明显【1 9 】。接着，q m s i w 也随之出现 1 0 】，它是由s i w 演变而得到的 2 硕士论文基于s i w 的新型带通滤波器的研究 一种谐振结构，面积为s i w 的四分之一尺寸减小了约为7 5 ，目前出现的相关文章并 不多，相比s i w 和h m s i w 结构，q m s i w 更具有小型化的特点。图1 2 1 展示了s i w 结构到q m s i w 结构的演变，这些小型化技术为一些新颖的小型化射频微波电路的设计 提供了新的平台。 s i w _ s 刘l 可 ： j 010 - 售- - 一目o l - ： eo 蕾l 鹾 弛 t om e t a l l i cv i a s 口m e t a lp l a n e 。一l l i 一! s 圣 一。伊一1 一3 图i 2 1s i w 结构到q m s i w 的演变 2 s i w 交叉耦合带通滤波器 随着人们对广义切比雪夫理论的研究，可以在相同滤波器阶数的条件下，通过增加 滤波器带外传输零点得到一个极为陡峭的带外抑制特性。这种滤波器首先确定设计阶 数，然后通过m a t l a b 提取耦合矩阵，通过耦合矩阵得到结构所需要的各阶之间的耦合系 数与外部品质因数，在谐振结构中应用电耦合与磁耦合达到所需要的值。基于s i w 技 术的交叉耦合滤波器与传统的s i w 滤波器相比，尺寸更加紧凑，文献【2 0 】中引入负耦合 结构，设计了源和负载耦合的s i w 四阶交叉耦合带通滤波器，带内最小插损大约是l d b ， 带外产生了四个传输零点，具有很好的频率选择特性。 3 s i w 与带阻结构结合构成带通滤波器 为了实现宽带带通滤波器，有学者将具有高通特性的s i w 与普通的微带线阶梯阻 抗低通滤波器结合，实现宽带特性【2 l 】。此外，互补开口谐振环( c s r r ) 具有带阻特性， 也有学者将具有高通特性的s i w 与具有带阻特性的互补开口谐振环( c s r r ) 结合，通 过将周期的c s r r 蚀刻在s i w 的金属表面，实现宽带带通滤波器特性【22 i ，如图1 2 2 所 示。 1 绪论 硕士论文 w 5 0 图i 2 2s i w 与c s r r 构成的滤波器结构视图 4 折叠基片集成波导带通滤波器 2 0 0 5 年n g r i g o r o p o u l o s 等人【2 3 j 提出折叠衬底集成波导( f s i w ) 的概念，并设计 了带通滤波器进行了验证。2 0 0 7 年c h e 2 4 1 等人针对f s i w 进行了理论分析并给出了设计 理论公式。s i w 到f s i w 的演变过程如图1 2 3 所示，顾名思义，f s i w 近似由s i w 对 称折叠，所以宽度约为s i w 的一半，厚度增加为原来的两倍。 ( a ) s i w 结构 ( b ) 折叠 ( c ) f s i w 结构 图1 2 3s i w 结构到f s i w 的演变 5 小型化、芯片化的s i w 带通滤波器 目前，低温供烧陶瓷( l t c c ) 技术以及微机电系统( m e m s ) 技术等的应用，为 硕士论文基于s i w 的新型带通滤波器的研究 ；一1 设计小型化s i w 带通滤波器提供了条件。使用l t c c 工艺加工的多层s i w 结构滤波器 等在体积、性能稳定性等具有很大的优势；而利用微机电系统( m e m s ) 技术加工设计 的s i w 微波器件在单片集成化具有极大的潜在价值 2 扪。相信随着无线通信技术的高速 发展，基于s i w 技术的射频前端结构将会起到越来越重要的地位。 1 3 本论文的主要工作 本文首先对基片集成波导结构( s i w ) 的特性进行了理论分析，接着提出了一种尺 寸更加紧凑便于集成的四分之一模式基片集成波导( q m s i w ) ，设计了交叉耦合带通滤 波器，通过增加带外零点提高了滤波器的带外衰减特性。然后结合c s r r 以及d g s 等 结构，设计实现了一种超宽阻带的带通滤波器。近年来，人们对高频带宽的关注度逐年 增高，应用在v - b a n d 的各种无源结构也越来越多，本文设计了一种应用l t c c 工艺的 s i w 交叉耦合带通滤波器。本论文的结构都是基于a n s o f th f s s1 3 0 软件来进行设计和 仿真。 文章的结构安排如下： 第一章绪论部分，介绍了课题的研究背景和国内外的发展状况； 第二章对s i w 和q m s i w 传输特性的论述，比较了两种结构特性的差异和场分布 情况； 第三章应用q m s i w 结构设计了一种交叉耦合带通滤波器，应用广义切比雪夫理 论，提取耦合矩阵，通过增加带外零点提高了滤波器的带外衰减特性； 第四章基于s i w 以及c s r r 结构特性，结合哑铃状d g s 结构设计了一种超宽阻 带的带通滤波器； 第五章首先简单介绍了l t c c 工艺，应用l t c c 工艺设计了一种应用在v - b a n d ( 5 7 g h z 6 4 g h z ) 的s i w 交叉耦合带通滤波器； 第六章对论文工作进行了总结，并对下一步的工作提出展望和指出本论文需要改 进的地方。 2 基片集成波导( s l w ) 和q m s i w 的分析介绍 硕士论文 2 基片集成波导( s i w ) 和q m s i w 的分析介绍 基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d e ，s i w ) 结构最早是由一位日本学者在 1 9 9 2 年提出的【2 6 】，随后得到h i r o s h iu c h i m u r a ，jh i r o k a w a ，d o m i n i cd e s l a n d s 等众多学者 越加详尽的研究和分析7 9 1 。之后，吴柯教授提出基片集成电路( s i c ) 【4 】【1 8 】的概念，初 始的设计想法是将各种不同的电路结构包括不同的传输线形式集成在统一的平台上。后 来学者们把基片等效为波导结构进行应用是实现了一种拓展，原因在于：基片集成波导 在应用于毫米波波段时损耗比较小，并且具有高q 值的特性；传统波导的研究时间久， 理论和研究技术成熟，如果将其应用在s i w 研究中，将会起到事半功倍的效