（通信与信息系统专业论文）宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现.pdf

宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现中文摘要 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 中文摘要 无线局域网是2 1 世纪通信网络技术的重要发展方向之一 而能同时工作于 i e e e8 0 2 1 1a b g 标准的小型化 双频 产品将得到越来越多的青睐 这对相关 部件提出了新的要求 其中 对于低通滤波器而言 一方面要求其结构紧凑简单 制作方便 另一方面能有效地抑制谐波 即要具有良好的阻带特性 而对于天线而 言 需要设计能覆盖2 4 2 4 8 4 g h z 以及5 1 5 5 8 2 5 g h z 工作频段的小型化 高增益 双频天线 本文即基于上述两点考虑进行了宽阻带低通滤波器和双频天线的设计 首先 本文提出了一种新型的紧凑型微带低通滤波器原型 该滤波器原型由一 对平行微带耦合线和两个相连的开路支节构成 利用传输线理论和等效电路原理 得到了该原型的等效电路模型 详细讨论了关键参数值的变化对阻带特性的影响 为理解原型结构对滤波特性的影响奠定理论基础 为了改善阻带特性 我们从两个 方面对该滤波器原型进行改进 首先探索了将原型单元级联的方法 该方法使滤波 器的带外衰减变快 变深 然后应用缺陷地 d g s 的方法实现了在改善该低通滤 波器性能的同时又不增加尺寸的目的 实际测试证实设计的可行性 从而得到了一 款新型的紧凑型宽阻带低通滤波器 该滤波器具有通带宽 带外衰减快 阻带宽 尺寸小等特点 达到了设计的预期目的 其次 本文提出了两种结构不同的用于w l a n 的双频印刷天线 其中一款天 线是由矩形平面和二元均匀直线阵构成的印刷单极子双频天线 在深入研究结构参 数对天线性能影响的基础上 详细给出了组成天线各部分间的相互影响 经优化得 到了相应的结构参数 另一款天线是根据宽缝天线理论 提出了由阶梯形辐射面和 工 字形宽缝接地面组成的双频天线 运用软件仿真详细分析了重要结构参数对 天线性能的影响 经优化得到了该天线相应的结构参数 最后按照设计得到的结构 参数 实际制作了这两款天线 实际测试表明 两款天线均能满足i e e e8 0 2 1 1a b g 标准 即能覆盖2 4 2 4 8 4 g h z 以及5 1 5 5 8 2 5 g h z 工作频段 并且具有全向辐射 尺寸小 便于集成等特点 为w l a n 系统中设计双频印刷天线提供了新的途径 t 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 中文摘要 论文最后讨论了设计中遇到的困难和值得进一步研究的方向 为深入开展相关 研究奠定了良好的基础 关键词 无线局域网 w l a n 低通滤波器 l p f 缺陷地结构 d g s 双频天 线 作者 赵雯 指导老师 刘学观 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 a b s 仃a c t t h e d e s i g na n d r e a l i z a t i o no ft h ew i d e s t o p b a n d l o w p a s s f i l t e r sa n dd u a l ba n da n t e n n a s a bs t r a c t w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w l a n i so n eo ft h ef a s t e s tc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g i e si n t h e2 1s t c e n t u r y m o r ea n dm o t ec o m p a c t d u a l b a n d p r o d u c t s f o l l o w i n gt h es t a n d a r d so fi e e e8 0 2 11a b ga r en e e d e d a n dt h en e wc h a l l e n g e sh a v e b e e nf a c e dt ot h er e l e v a n tc o m p o n e n t s s ot h el o w p a s sf i l t e r sw h i c hh a v es o m es p e c i a l a d v a n t a g e sa r ed e e p l yn e e d e d s u c ha st h ec o m p a c ts t r u c t u r e c o n v e n i e n tm a n u f a c t u r e a n dp e r f e c ts t o p b a n dw h i c hc a ns u p p r e s sh a r m o n i c sa n ds p u r i o u ss i g n a l se f f e c t i v e l y f o r a n t e n n a t h es m a l ls i z ed u a l b a n da n t e n n a sw h i c hc a nw o r kb o t hi n2 4 2 4 8 4 g h za n d 5 1 5 5 8 2 5 g h za r ea l s of a v o r e d t h eg o a l so ft h i st h e s i sa r et h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o n o n eo rt w on e ww i d es t o p b a n dl o w p a s sf i l t e r sa n dc o m p a c td u a l b a n da n t e n n a s i nt h ef n s tp a r t an e wc o m p a c tl o w p a s sf i l t e rp r o t o t y p ei sp r o p o s e d w h i c hi s c o m p o s e do fap a i ro fp a r a l l e lc o u p l e d l i n ea n dt w ol i n k e do p e n s t u b s u s i n gt h et h e o r y o ft r a n s m i s s i o nl i n ea n de q u i v a l e n tc i r c u i t t h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo ft h i sn e w p r o t o t y p ei so b t a i n e d t h e n u s i n gt h ep r o p o s e de q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e l t h ei n f l u e n c e s o nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ep a s s b a n da n ds t o p b a n db yt h ek e yp a r a m e t e r sa r ed i s c u s s e d i nd e t a i l i no r d e rt oi m p r o v et h es t o p b a n dc h a r a c t e r i s t i c so ft h el o w p a s sf i l t e r s t w o d i f f e r e n ti m p r o v e m e n t sf o rt h ep r o t o t y p ea r ep u tf o r w a r d t h ef i r s tm e t h o di sc a s c a d i n g t w op r o t o t y p e s i tc a l ls h a r p e rt h ec u t o f ff r e q u e n c yr e s p o n s ea n dd e e p e rs t o p b a n d b u t e x t e n dt h es i z e t h es e c o n dm e t h o di su s i n gd e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e d g s t oi m p r o v e t h eb a n dc h a r a c t e r i s t i c sw h i l ek e e pt h es i z es m a l l t h ed e s i g na n da n a l y s i sp r o c e d u r e so f t h e s et w os t r u c t u r e sa t eg i v e ni nd e t a i l t h eo p t i m a ls t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r eo b t a i n e d u s i n gs i m u l a t i o ns o f t w a r e t h r e el o w p a s sf i l t e r sa r em a n u f a c t u r e da n dt e s t e d t h et e s t r e s u l t ss h o wt h a tl p fw i t hd g sn o to n l yc a ni n c r e a s et h er e t u r nl o s si np a s s b a n d b u t h i 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 a b s t r a c t a l s op r o v i d e sw i d es t o p b a n d s h a r pc u t o f ff r e q u e n c yr e s p o n s ea n dk e e pt h es m a l ls i z e i nt h es e c o n dp a r t w ep r o p o s e dt w od i f f e r e n ts t r u c t u r e so fd u a l b a n da n t e n n a s w h i c ha r eu s e df o rw l a n o n ea n t e n n ai sap r i n t e dm o n o p o l ed u a l b a n da n t e n n aw h i c h i sc o m p o s e do far e c t a n g u l a rp l a n ea n dat w o e l e m e n tu n i f o r ma r r a y t h ea f f e c t i o n so n a n t e n n ap e r f o r m a n c e sf r o ms t r u c t u r a lp a r a m e t e r sa r ei n v e s t i g a t e dc a r e f u l l y a c c o r d i n gt o s i m u l a t i o no p t i m i z i n g t h eb e s tp a r a m e t e r so ft h ea n t e n n as t r u c t u r ea r ea c h i e v e d t h e a n o t h e ra n t e n n ai sas t a i r s h a p e dd u a l b a n da n t e n n aw h i c ht h es l o to ng r o u n di sd e f e c t e d a s 工 w eu s et h es o f t w a r et oa n a l y z ea n do p t i m i z et h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so ft h i s a n t e n n a t w oo p t i m a ld u a l b a n da n t e n n a sa r em a n u f a c t u r e da n dt e s t e di nm i c r o w a v e c h a m b e r t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h et w on e wt y p ec o m p a c ta n t e n n a sc a nb o t hs a t i s f y t h ew a l ns t a n d a r d so fi e e e8 0 2 11a b gw h i c hc a nc o v e rt h eo p e r a t i o nf r e q u e n c yo f 2 4 2 4 8 4 g h za n d5 1 5 5 8 2 5 g h z t h ea n t e n n a sh a v eo l l l n i d i r e c t i o n a lr a d i a t i o np a t t e r n a n dc a nb ei n t e g r a t e dw i t ho t h e rc i r c u i t se a s i l y t h e s ep r o v i d en e wa p p r o a c h e si nd e s i g n t h ep r i n t e dd u a l b a n da n t e n n a sf o rw l a n s y s t e m s i nt h el a s tp a r t s o m eu s e f u lc o n c l u s i o n sa n dd i s c u s s i o n sa r eg i v e n t h e s ep r o v i d ea u s e f u lg u i d ef o rf u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k w l a n l o w p a s sf i l t e r l p f d e f e c t e d g r o u n ds t r u c t u r e d g s d u a l b a n da n t e n n a i v w r i t t e nb y z h a ow e n s u p e r v i s e db y l i ux u e g u a n 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明 所提交的学位论文是本人在导师的指导下 独立进 行研究工作所取得的成果 除文中已经注明引用的内容外 本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料 对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体 均已在文中以明确方式标明 本人承担本声明的法律 责任 研究生签名 垒雯 日 学位论文使用授权声明 期 衲莎 凹 苏州大学 中国科学技术信息研究所 国家图书馆 清华大学论文 合作部 中国社科院文献信息情报中心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 授权苏州大学学位办办理 期 妒8 j 7 9 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论弟一早三百下匕 2 0 世纪9 0 年代以来 随着互联网应用的迅猛发展 笔记本电脑 p d a 等移动 智能终端的使用日益普及 互联网和移动通信成为信息产业发展最快的两个领域 它们直接影响了亿万人的生活 大大改变了人类的生活方式 移动通信可以使人们 在任何时间 任何地点与任何人进行通信 互联网使人们可以获得丰富多彩的信息 而无线局域网的出现正是把移动通信和互联网完美结合起来 达到任何人 任何地 方都能够联网 无线局域网 w l a n w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k 是计算机网络与无线通信 技术相结合的产物 它利用射频技术 以无线信道作为传输媒质 使用电磁频谱来 传递信息 取代传统的双绞铜线所构成的局域网络 无线网络连接必将成为网络互 联的重要组成部分 1 1 1 无线局域网的优势与应用 利用无线局域网的无线特性可以在变动频繁 突发性 以及不方便铺设网络的 情况下使网络顺利延伸 为通信的移动化 个人化和多媒体应用提供了潜在手段 并成为宽带接入的有效手段之一 达到 信息随身化 便利走天下 的理想境界 与有线网络相比 无线局域网具备了安装便捷 使用灵活 易于扩展等优点 但无线局域网也有潜在的缺点 即环境地形因素对信号的影响 信号间高山 很高 的建筑物 树木等会阻碍射频信号 多变的天气 如暴雨 会影响信号和中断链路 而且 无线链路极易被干扰 从无线局域网的实际应用场景来看 目前大致有两类 一类是企业自己建立的 面向企业内部用户的无线局域网络 以替代企业有线网或作为有线网的补充 在办 公环境中使用无线网络系统 可以使办公用的计算机具有移动能力 在网络范围内 可实现计算机漫游 另一类是无线i s p 在诸如写字楼 宾馆 机场等所谓的 热点 地区建设的无线局域网络 向公众移动数据用户提供互联网接入服务 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现第一章绪论 1 1 2 无线局域网的标准 l j 目前 国际上有三大w l a n 标准 即美国的i e e e 8 0 2 1 1 系列 欧洲e t s i 的 高性能局域网h i p e r l a n 系列和日本a r i b 的移动多媒体接入通信m m a c 其中 i e e e 8 0 2 1 1 系列标准是w l a n 的主流标准 电子电气工程协会 正e e 在w l a n 的努力可以追溯到1 9 9 0 年 那时成立了 8 0 2 1 1 无线局域网标准工作组 最初负责指定l a n 的全球标准 采用2 4 g h z 的无 序可证频段 传输的数据速率高达1 2 m b p s 1 9 9 9 年 i e e e 8 0 2 1 1 工作组又批准了i e e e8 0 2 1 1 的两个分支 i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l b 历经十几年的发展 i e e e8 0 2 1 1 家族已经从最初的i e e e8 0 2 1 1 发展到了目前i e e e8 0 2 1 l a i e e e8 0 2 1 l b i e e e8 0 2 1 l i 等 目前 尤其以i e e e 8 0 2 1l a b g 的应用最为广泛 i e e e8 0 2 1 l a 它扩充了无线局域网的物理层 f c c 已经为无执照运行的5 g h z 频带内分配了3 0 0 m h z 的频带 分别为5 1 5 5 2 5 g h z 5 2 5 5 3 5 g h z 和 5 7 2 5 5 8 2 5 g h z 该标准规定采用正交频分复用 o f i m 调制 数据传输速率范 围为6 5 4 m b p s 这样的速率既满足室内的应用 也能满足室外的应用 该标准由于 工作频率较高而使w l a n 性能得到改进 但是 频率越高 在空间传播的损耗也 越大 i e e e8 0 2 1 l b 它是i e e e8 0 2 1 1 标准物理层的另一个扩充 规定采用2 4 g h z i s m 频带内分配的8 3 5 m h z 频带 为2 4 2 4 8 4 g h z 调制方法采用补偿编码键控 c c k 该标准在w l a n 协议中最大的贡献就在于它在i e e e8 0 2 1 1 协议的物理 层增加了两个新的速度 5 5 m b p s 和1 1 m b p s 多速率机制的媒体接入控制确保当工 作站之间距离过长或干扰太大 信噪比低于某个门限时 传输速率能够从l l m b p s 自动降到5 5 m b p s 或者根据直接序列扩频技术调整到2 m b p s 和1 m b p s i e e e8 0 2 1 1 9 它是i e e e 为了解决8 0 2 1 1 a 与8 0 2 1 1 b 的互通而出台的一个标 准 是8 0 2 1 i b 的延续 两者同样使用2 4 g h z 通用频段 互通性好 被看好是新一 代的w l a n 标准 8 0 2 1 l g 的速率上限已经由l l m b p s 提升至5 4 m b p s 与8 0 2 1 l a 和8 0 2 1 i b 同时兼容是8 0 2 1 l g 的一大亮点 它同时支持8 0 2 1 l b 的c c k 和8 0 2 1 1 a 的o f d m 8 0 2 1 l g 还支持分组二进制卷积编码 p b c c 技术 2 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现第一章绪论 1 1 3 双频 产品的提出 目前w l a n 主要广泛采用i e e e8 0 2 1 l b 标准 而随着用户和带宽需求的增加 升级到i e e e8 0 2 1 l a 标准大势所趋 但一方面由于i e e e8 0 2 1 1 a 与现己更广泛使用 的i e e e8 0 2 1 i b 标准不兼容 另一方面 由于i e e e8 0 2 1 l a 信号传输距离较短 所 需的接入点数量会增加 若完全改变现行所采用的标准会大大增加费用 这就导致 了能同时支持i e e e8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 1 b 标准的双频设备开始流行 所谓 双频 产品 是指可工作在2 4 g h z 和5 g h z 的自适应产品 也就是说 可支持i e e e8 0 2 1 l a 与i e e e8 0 2 1 i b 两个标准的产品 它可以自动辨认i e e e 8 0 2 1 l a 和i e e e8 0 2 1 l b 信号并支持漫游连接 使用户在任何一种网络环境下都能 保持连接状态 无线网络自适应产品可降低投资成本 延长产品使用寿命 增加标 准跨度 由此可有效推动无线市场的进一步扩大 从这种发展趋势来看 今后会是 一个无线局域网的 双频时代 双频无线产品将成为下一阶段无线局域网市场的 焦点 随着8 0 2 1 l g 标准的诞生 双频产品随后也将该标准融入其中 成为全方位的 无线网络解决方案 这种可与三个标准互联的产品叫做 双频三模 产品 顾名思义 就是运行在两个频段 支持三种模式 标准 的产品 即同时支持i e e e8 0 2 1 l a b g 三个标准的自适应无线产品 通过该产品 可实现与目前大多数无线局域网标准的 互联与兼容 可使用户顺畅地高速漫游于i e e e8 0 2 1 l a b g 标准的无线网络中 横跨于三种标准之上 这类 双频 产品具有良好的前景 随着i e e e8 0 2 1 1 标准a b 和g 不断融合 双频多模无线局域网越来越显示出 其优越性 它可以根据不同的环境 使用不同的标准 最大程度发挥i e e e8 0 2 1 1 标准的各自优势和特点 1 2 本课题研究意义 滤波器在无线通信设备中相当重要 在射频有源电路中输入输出的各级之间普 遍存在 可利用其频率选择的特性分开或组合不同频率 用于变频 倍频及多路通 信中 满足多频率工作中对分割频率的要求 接收端滤波器的必要功能是 2 1 避免由于发射端输出信号的泄漏而使接收 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现第一章绪论 器前端饱和 2 除去如镜频一类的干扰信号 3 减少来自天线端的本机振荡器 的功率泄漏 发射端滤波器的基本功能是 从发射端减少杂散辐射功率以避免对其 他无线通信系统的干扰 这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二 三次谐 波和本级振荡 另一个很重要的功能是衰减掉发射信号中接收频率段内的噪声 抑 制它到接收机的灵敏度以下 随着信息产业和无线通信系统的发展 频谱的利用越来越多 频带资源的划分 更加精细 对滤波器的性能提出了更高的要求 设计性能高 体积小的微波滤波器 缩短滤波器研发周期 是目前微波 毫米波通信领域的关键环节之一 微波平面滤 波器尤其是微带滤波器 由于尺寸小 便于集成等特点在现代无线通信系统中有广 泛的应用 由于寄生通带的存在 解决干扰问题是当今通信所面对的难题 特别是对抗干 扰要求较高时 具有很好带外抑制能力的宽阻带的低通滤波器 l p f l o w p a s s f i l t e r 是必不可少的 因此 设计一款性能优异的宽阻带低通滤波器具有实际应用 价值 在无线通信系统中 需要将来自发射机的导波能量转变为无线电波 或者将无 线电波转换为导波能量 天线则是用来辐射和接收无线电波的装置 发射机所产生 的己调制的高频电流能量 或导波能量 经馈线传输到发射天线 通过天线将其转 换为某种极化的电磁波能量 并向所需方向辐射出去 到达接收点后 接收天线将 来自空间特定方向的某种极化的电磁波能量又转换为己调制的高频电流能量 经馈 线输送至接收机输入端 天线作为无线电通信系统中一个必不可少的重要设备 它 的选择与设计对整个无线电通信系统的脾1 1 厶匕b e 有很大的影响 3 1 而无线局域网技术应用于无线信道之所以成为可能 离不开天线设计技术的发 展 由于 双频 移动产品的提出 希望其能同时满足i e e e8 0 2 1 l a b g 频段标准 即覆盖2 4 2 4 8 4 g h z 5 1 5 5 8 2 5 g h z 频段 又能具备尺寸小 增益大 全向辐射 性 使得在无线网络中 每个节点在保证信号强度的同时 实现整个区域的覆盖 保证移动性的实现 因此设计一款性能优异的双频天线亦具有实际应用价值 4 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现第一章绪论 1 3 微带低通滤波器的发展 在过去的几十年里 各种微带滤波器设计技术得到了大量而深入的研究 并产 生了很多有效的设计理论 但是 随着各种新技术 尤其是无线通信新技术的迅速 发展 需要大量参数更好 运行更稳定 更易于设计和加工的微带滤波器 这推动 了微带滤波器新技术的不断发展 传统的使用并联支节和阻抗变换传输线的l p f 4 5 其频带窄 带外衰减慢 尺寸较大 为了加快带外衰减 需要多节级联 这样做增加了通带内的插入损耗 同时也使整个部件尺寸变大 而半集总元件l p f o j 使用了集总电容 可以提供较快 的带外衰减 但是 因为有焊接 所以不仅增加了寄生电感 而且增加了生产制作 的难度 在宽阻带设计方面 s a g a w a 7 等人通过改进谐振器结构 提出了阶越阻抗 谐振器 通过引入阻抗阶梯跳变 使滤波器的寄生通带向频率高端推移 另外 通 过级联由阶越阻抗发夹线谐振器构成的椭圆函数低通滤波器 s 来改善滤波器的阻带 抑制程度 势必增加l p f 尺寸 而使用耦合线 9 1 的l p f 亦能增加阻带宽度 在截止 频段有有限个衰减极点 但由于耦合线的等效电容太小 其衰减点不能很靠近通带 使得带外衰减缓慢 近来 光子带隙结构即光子晶体 p b g p h o t o n i cb a n dg a g 在微波方面的应 用成为一个热点 1 9 8 7 年 e y a b l o n o v i t c h 1 0 1 s j o h n 1 1 1 分别提出了具有周期性结 构的光子带隙结构 它是一种介质材料在另一种介质材料中周期分布所产生的人造 晶体 由电子能带理论 半导体中的电子存在禁带 类推 如果模拟这种原子排列 人工制作出周期性的电介质结构 则可认为在这种结构中传输的电磁波长受到一定 的限制 频率落在带隙中的电磁波是禁止传播的 p b g 结构被应用于微波电路衬 底介质和接地板 可抑制杂散信号 产生带阻特性 在微带滤波器中应用p b g 结 构形成具有宽阻带的滤波器 l2 可改善滤波器多方面的性能 在p b g 结构的基础上 1 9 9 9 年 韩国学者j l p a r k 1 3 等人提出了一种新颖 的具有带隙特性和慢波特性的结构 称为缺陷接地结构 d g s d e f e c t e dg r o u n d s t r u c t u r e 由于其具有尺寸小 易于集成等优点而得到了广泛的应用 在现有滤波 器上增加d g s 结构 1 4 t 1 6 1 以在尺寸基本不变的情况下增加滤波器的阶数 从而改 善滤波器的性能 这种结构只需在原来的带条接地导体上蚀刻出简单的非周期结 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 第一章绪论 构 易于加工 而且不需要额外的体积 因此将这种结构与现有的滤波器设计理论 相结合会有广阔的发展前景 本文将运用微带耦合线来设计低通滤波器 并结合d g s 技术 实现宽阻带低 通滤波器的设计 1 4 双频天线的发展 双频 产品的开发需要覆盖各相应频段 因此就需要设计出双频及多频天线 来满足这种需求 这也是未来天线设计的一个重要发展方向 用微带天线可以很方便地实现多频段工作 实现多频工作的基本方式可分两 类 多片法和单片法 多片法利用谐振频率不同的多个贴片来工作 通常就将较小 的贴片叠在较大的贴片上 称为积叠式微带天线 单片法只使用一个贴片 利用不 同的模式同时工作 或利用加载来形成几个不同的谐振频率 早期的双频天线有 1 1 9 7 5 年 s a n f o r d 和m u n s o n 1 7 提出的设计双频天线的方法是 由高频片产 生上工作频率 并通过把高频片单元周围的导电边缘直接连接到高频片产生下工作 频率 令连接高频片和缘饰的电路在高频时呈现开路而在低频时为短路的方法来实 现双频天线的设计 2 1 9 7 9 年 k e 盯 1 8 1 研究利用输出端短路或开路时 可得到不同的谐振频率来 实现频率离散或双频工作的天线 加到输出端的一段同轴线可产生短路和开路情况 下的两个附加谐振频率 进而 增加更多的线 还可以得到其它的谐振 因此 可 得到可调谐的微带天线 3 1 9 7 9 年 s c h a u b e r t 和f a r r a r 1 9 1 研制的背负天线是双频工作天线的又一个例 子 它是叠放的两个微带天线 共用一个孔径 但各自分别馈电 以便使两个独立 的信号能够辐射 现在 随着各种理论和技术的发展成熟 各学者提出了各种形式的双频天线 其具有阻抗带宽宽 增益大 尺寸小等优点 在现代无线产品中获得广泛应用 主 要的结构类型有以下几种 6 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现第一章绪论 1 单极子天线 印刷单极子天线结构简单 在这一方面 已有多种结构形式出现 例如 倒f 单极子天线 2 0 2 1 1 t 型单极子天线 2 2 1 g 型单极子天线 2 3 1 y 型单极子天线 柳 l 型单极子天线 明等 这些印制单极子天线由两个或更多的辐射带组成 分别作 用于不同的工作频段 但一般这种天线的增益较小 2 缝隙天线 缝隙天线具有阻抗带宽宽 增益高 隔离度好的优点 在这一方面近来也颇有 发展 例如 阶梯形缝隙天线 2 6 矩形缝隙天线 2 刀 十字形缝隙天线 2 羽 半圆形缝 隙天线 t 型缝隙天线 刈等 3 八木天线 八木天线又称为引向天线 波渠天线 它由一根有源振子和多根无源振子组成 是具有慢波结构的行波天线 3 1 1 自上个世纪二十年代 日本东北大学的八木秀次和 宇田太郎两人发明了这种天线 凭借其很好的方向性 较高的增益引起人们关注 g e r a l dr d e j e a n l 3 2 设计的应用于w l a n 的八木阵列天线其增益可达1 0 d b i 4 采用两独立的馈点分别馈电 矩形微带天线是最简单的一种形式 而获得矩形微带天线双频工作的简单方法 是使单元的长度对一个频率谐振 其宽度对另一个频率谐振 并从相邻的两边馈电 即采用了两个独立的馈点馈耕3 3 1 w o n g 蚓提出的双频天线的基本结构是两个背靠背的倒f 型 但他利用了两个 独立馈点 分别对2 4 g h z 和5 g h z 工作频段馈电 获得了良好的辐射特性 本文将在总结前人工作的基础上 提出两种不同的印刷天线结构来实现双频天 线 1 5 本文的主要工作及论文结构 针对移动终端的设计 对无线通信关键部件之一的低通滤波器和天线提出的新 要求 本文设计了宽阻带低通滤波器和两款用于w l a n 的双频天线 具体内容及 创新点为 1 在r u il i t 瑚提出的万型l p f 基础上 本文提出了一种新型的紧凑型微带低 7 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 第一章绪论 通滤波器原型 该滤波器原型由一对平行微带耦合线和两个相连的开路支节构成 利用传输线理论和等效电路原理 得到了该原型的等效电路模型 详细讨论了关键 参数值的变化对阻带特性的影响 为理解原型结构对滤波特性的影响奠定理论基 础 为了改善阻带特性 我们又从两个方面对该滤波器原型进行改进 首先探索了 将原型单元级联 并考虑相关去谐振的设计方法 该方法使滤波器的带外衰减变快 变深 然后应用d g s 设计 结合了在微带阻抗线和微带耦合线下方的接地板上蚀 刻哑铃型d g s 单元的方法 实现了在改善该低通滤波器性能的同时又不增加尺寸 的目的 通过实际测试证实设计的可行性 从而得到了一款新型的紧凑型宽阻带低 通滤波器 该滤波器具有通带宽 带外衰减快 阻带宽 尺寸小等特点 达到了设 计的预期目的 2 本文提出了两种结构不同的用于w l a n 的双频印刷天线 1 在r o h i t hk a a j 3 6 1 设计的双频共面天线的基础上 提出了由矩形平面和 二元均匀直线阵构成的印刷单极子双频天线 该天线采用微带线对矩形平面的直接 馈电 而通过缝隙耦合的方法激励二元均匀直线阵结构 实现天线的双频特性 在 分别深入研究各结构参数对天线性能影响的基础上 详细给出了组成天线各部分间 的相互影响 经优化得到了相应的结构参数 2 根据宽缝天线理论 提出了由阶梯形辐射面和 工 字形宽缝接地面组 成的双频天线 运用软件仿真详细分析了重要结构参数对天线性能的影响 经优化 得到了该天线相应的结构参数 最后按照设计得到的结构参数 实际制作了这两款天线 实际测试表明 两款 天线均能满足i e e e8 0 2 1 1a b g 标准 即能覆盖2 4 2 4 8 4 g h z 以及5 1 5 5 8 2 5 g h z 工作频段 并且具有全向辐射 尺寸小 便于集成等特点 为w l a n 系统中设计 双频印刷天线提供了新的途径 本文的基本结构如下 第一章为绪论 扼要介绍了无线局域网的基本概念以及 双频 产品的情况 提出了本文的研究意义 在介绍了低通滤波器和双频天线的发展后 概述了本文的 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 第一章绪论 主要工作和论文结构 第二章详细介绍所设计完成的宽阻带微带低通滤波器的原型结构 在分析电路 模型的基础上详细讨论了关键参数值的变化对阻带特性的影响 为了改善阻带特 性 从两个方面对该滤波器原型进行改进 级联和d g s 结构 通过实际测试证实 设计的可行性 从而得到了一款新型的紧凑型宽阻带低通滤波器 第三章简单介绍了微带印刷天线 包括天线的激励方式 基本电参数 增益测 量方法 并给出了本文测试天线性能的实际测试环境条件 第四章详细介绍了所提出的两种结构不同的用于w l a n 的双频印刷天线 运 用软件仿真详细分析了重要结构参数对天线性能的影响 经优化得到天线相应的结 构参数 最后按照设计得到的结构参数 实际制作两款天线 通过实际测试证实设 计的可行性 从而得到了两款新型的满足i e e e8 0 2 1 1 a b g 标准的双频天线 第五章为总结 讨论了设计中的不足和值得进一步研究的方向 为深入开展相 关研究奠定了良好的基础 9 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现第 二章宽阻带低通滤波器的设计与分析 第二章宽阻带低通滤波器的设计与分析 本章介绍了微带滤波器的性能指标 提出了一种新型的紧凑型微带低通滤波器 原型 详细讨论其关键参数值的变化对阻带特性的影响 为了改善阻带特性 从两 个方面对该滤波器原型进行改进 级联和d g s 经优化得到结构参数 最后按照该 结构参数 实际制作并测试所设计的宽阻带低通滤波器 测试结果表明 该设计是 可行的 2 1 滤波器常用指标 对于一个微波滤波器而言 通常应考虑下列指标 3 7 1 频率范围 即滤波器通过或截断信号的频率界限 按照理想状况 应使滤波器 的频率响应特性在边界频率处产生跳变 使其通带衰减为零 阻带衰减无限大 但实际能做到的频率响应特性是连续变化的 2 通带衰减 由滤波器残存的反射以及微波元件的损耗所引起 一般希望尽可能 小 3 阻带衰减 带外衰减 一般希望尽可能大 并希望在通带范围外 衰减值能够 陡峭地上升 4 寄生通带 为滤波器特有的指标 由于分布参数的传输线段频率响应的周期性 所引起 其结果使得在离开设计通带一定距离处又产生了通带 通常与通带中 心频率之间成整数倍关系 即称寄生通带 现代通信产品对抗干扰的要求越来越高 为了能更好地抑制谐波 即不使截止 频率落入寄生通带之内 令带外衰减速度变快 增加阻带宽度是必须解决的问题 因此 设计一款性能优异的宽阻带低通滤波器具有实际意义 2 2 原型单元结构的设计与实现 本节主要根据微带耦合线理论 运用平行微带耦合线和相连的开路支节结构来 设计低通滤波器的原型单元结构 通过理论和仿真分析 经优化得到最终结构参数 1 0 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实王见第二章宽阻带低通滤波器的设计1 j 分析 2 2 1 微带耦合线理论 当两个无屏蔽的传输线紧靠在一起 由于传输线电磁场的相互作用 在传输线 之间可以有功率耦合 这种传输线称为耦合传输线 其几何结构如图2 1 所示 包 括介质厚度为d 介电常数为o c 的介质层以及附着在介质层上的两条相距为s 的微 带线 微带线的宽度为 厚度相对于d 忽略不计 根据这一几何结构 可以建立 微带耦合线相互作用的简单模型 图2 2 是微带线与地板之间电容 电感耦合效应 的电路原理图 3 7 1 图2 1 微带耦合线的几何结构 少 矽 立 图2 2 无损耗耦合线系统的等效电路图及其相应的电压 电流定义 若我们假定传输的是t e m 模 则耦合线的电特性可以完全由线之问的等效电 容和在线上的传播速度来决定 c 1 2 代表两微带线之问的耦合电容 而c l l 和c 2 2 代 表每条微带线和地之间的电容 l 1 2 代表两微带线之间的耦合电感 而l 1 1 和l 2 2 代 表每条微带线的电感 若两微带线的尺寸和相对于接地导体的位置是相等的 则 c 1 1 c 2 2 l l1 l 2 2 1 1 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实现 第二章宽阻带低通滤波器的设计与分析 微带耦合线有两种特殊激励类型 偶模和奇模 偶模 在两个带状导体上电流 的幅值是相等的 方向相同 奇模 在带状导体上电流的振幅是相等的 但方向相 反 我们可以根据终端1 和终端2 处的总电压 总电流 定义偶模电压屹 偶模电 流 和奇模电压 d 奇模电流 d 分别为式 2 1 一 2 4 所示 匕 丢眠 屹 如屿 v o d 丢 k 一屹 l o d 三 吐 2 1 2 2 2 3 2 4 引入奇模 偶模概念的好处在于容易建立基本方程 对于双线系统 我们可以 建立一个 阶常微分方程组 其形式类似于传输线方程 如式 2 5 一 2 8 所示 3 刀 一华 歹缈 l 1 1 岛2 已 2 5 a z 一警咖 c 1 1 c 1 2 l l e 一 d v o d j m l 1 l l 1 2 j d az 2 6 2 7 一 d l o d 歹缈 c 1 1 c 1 2 v o d 2 8 a z 对于偶模 电场关于中心线偶对称 在两根带状导体之间没有电流流过 这时 导出的等效电路p 羽如图2 3 a 所示 其中c 1 2 等效于开路 每根线到地产生的电容 是c c 1 1 c 2 2 假如这两个带状导体在尺寸和位置上是相同的 则对于偶模的 特征阻抗是z 0 后 等 去 式中 是在线上传播的相速度 对于奇模 电力线关于中心奇对称 在两条带状导体之间存在零电压 我们可 以将它想象为在c 1 2 的中间有一个接地面 这导致了如图2 3 1 9 所示的等效电路 每 1 2 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计 j 实现第二章宽阿1 带低通滤波器的设计与分析 条带状线和地之问的等效电容式c o c 1 l 2 c 1 2 c 2 2 2 c 1 2 对于奇模的特征阻 抗是z o o 一去 简言之 当耦合线工作在偶 奇 模时 z o z o 是微带线相对于地的特 征阻抗 耦合线的任何激励总可以看作是偶模和奇模的对应振幅的叠加 由于要考虑边缘场和不同媒质的影响 一般来说 耦合微带线这些自电容和互 电容都是不易求解的 h w a n 日 三戋二 三 二 圭凳 三 t e 五 b 图2 3 耦合线的偶模和奇模激励及其等效电容网络 a 偶模激励 b 奇模激励 2 2 2 原型单元结构分析 如图2 4 所示的是本文提出的一种新型微带低通滤波器的原型单元结构 它由 一对平行微带耦合线和两个相连的开路支节构成 平行微带耦合线的长 宽及线间 的距离分别为 z w 和5 f 2 w 分别为支节的长和宽 运用传输线和耦合微带线 原理 分析其结构模型 我们得到如图2 5 所示的等效电路模型 其中 l 是微带 耦合线上的自电感 l 4 是耦合微带线的互电感 k 和如分别是丌路支节和之间连 宽阻带低通滤波器和双频天线的设计与实蜕第二帝宽5 儿带低通滤波器的设计与分析 线上的电感 c l 是开路支节的对地电容 c 是两开路支节间的互电容 c 是耦合 微带线的互电容 c 4 是微带耦合线的对地电容 图2 4 l p f 原型单元结构 i a i f l l 妊l 2 车k c2l2巧1 i 巧 ll 3 上 匕一 r t c 1 下c i 图2 5l p f 原型结构的等效电路图 吃 根据节点电压法 分析图2 5 的等效电路模型 可以得到如下的矩阵方程 面1 瓦1 j 哆一杰 素杰 志 蛹一志j 峨j 吨j 如j 1 j 啦 一志再1 瓦1 蝎 咄 哟