一种新颖的微带低通滤波器设计和研究.pdf

第四部分 微波毫米波无源器件及电路 1119 一种新颖的微带低通滤波器设计和研究 孙宜琴 1 喻志远1 顾小卫 1 1 电子科技大学物理电子学院 成都 610054 摘要 本文提出了一种小型超宽低通微带滤波器的新型结构 即微带与共面波导紧耦合结构 该微带滤波器由 接地板上一个共面波导谐振器与基片另一面上开槽的微带结构发生耦合 得到两极点 准椭圆函数响应滤波器 通带上限频率有一个传输零点 所以该结构有尺寸小 通带损耗小和群时延好等特性 最后仿真结果和测试结 果基本吻合 关键字 微波滤波器 共面波导 平行耦合 A novel low pass filter design and study Sunyiqin 1 Yuzhiyuan1 Guxiaowei 1 1 School of Physical Electronics Univ of Electro Sci and Tech of China Cheng Du 610054 China Abstract A novel ultra wideband UWB low pass filter is presented using a compact coupled microstrip coplanar waveguide CPW structure The filter comprises of a single CPW resonator which is coupled to slot microstrip on the other side of a common substrate This forms a very compact two pole filter The proposed filter also exhibits a quasi elliptic function response with one finite frequency transmission zero closer to high side of the low pass Therefore the filter has small size low insertion loss and group delay across the low pass Key Words Microwave filter Coplanar waveguide Parallel coupling I 引言 共面波导 Coplanar waveguide 作为一般波导结 构类型之一 在带通滤波器的设计领域已经越来越受 到人们的关注 1 共面波导跟其它平面传输线结构相 比 比如微带线 共面波导更易于串联和并联元件的 集成 因为它与接地面处于同一表面上 而且具有低 色散 易于制作短路元器件和对基片厚度非敏感性等 一些优点 使得共面波导成为实现微带滤波器很好的 一种选择 自2002年美国联邦通信委员会公开发表了超宽带 ultra wideband 在室内和手提电话系统中的使用以 来 2 学术界和工业领域已经开展了对各种超宽带元 器件的研究 使用微带平行耦合技术可以实现相对大 带宽的滤波器 3 然而相对带宽大于80 的滤波器很 难通过谐振器之间的耦合来实现 相对大带宽需要紧 耦合 但是制作工艺使耦合公差不能达到要求 所以 仅仅使用传统的平行耦合技术 超宽带的应用被认为 是不能实现的 文献 4 中对共面波导带通滤波器进行 了详细的分析和实例设计 但是有相对大带宽的滤波 器是很难做到的 文献 5 中采用环形结构在通带两侧 实现衰减极点 另一种设计宽带滤波器技术就是使用 电路模型来优化短路支节 6 微带与共面波导之间宽 耦合这种结构可以得到超宽带滤波器需要的好的紧耦 合 7 8 共面波导谐振器的长度可以是半波长 也 可以是一个波长 本文提出了一种新型平行耦合紧凑结构的低通滤 波器 使用了一个共面波导谐振器 跟基片另一面上 与之平行的开槽微带相互耦合 在通带内外产生了两 极点 准椭圆函数响应滤波器 通带上限频率有一个 传输零点 提高了对阻带的抑制能力 下面用电磁全 波分析软件对该结构进行仿真模拟 并得到相关参数 与结构尺寸变化关系的图形 2007年全国微波毫米波会议论文集 1120 II 滤波器的是结构及分析 本文提出的滤波器的结构如图1 a 所示 基片厚 度为h 左右对称 基板底部中间是共面波导谐振器 图1 b 是共面波导的仰视图 基片厚度h 0 508mm 介 电 常 数 为 3 05 共 面 波 导 宽 度 W2 1mm L2 3 1mm s 0 2mm 特性阻抗为58欧姆 共面波 导的尺寸是1 3 1平方毫米 基片另一面上与共面波 导耦合的开槽微带线宽度为W1 0 1mm L1 2 2mm 开槽微带与输入输出馈线连接 开槽的缝隙g 0 1mm 两 侧 是 两 个 开 路 枝 节 馈 线 的 宽 度 W0 1 14mm 一般来说 微带开槽增加了表面电流路 径 导致电场发生变化 a b 图1 a 低通滤波器的模型图 b 基片底面的共面波导图 III 滤波器性能分析 本文设计的滤波器的截止频率为10GHz左右 图2 是缝隙宽度g 0 1mm时 对称结构拐弯微带宽度ss和 开路支节长度WL变化时滤波器的频率响应 由图2可 以看出 插入损耗几乎没有变化 截止频率也没有变 化 变化的是上限频率的传输零点和阻带抑制情况 从图形上基本上可以看出 第二和第三谐波得到了抑 制 频率大于10GHz的信号不能通过 图 3是微带开槽 缝隙大小变化时滤波器的频率响应 当缝隙g变大时 低通通带和通带衰减变大 而且出现了最低频率 这 时因为开槽微带和底面共面波导重叠所致 减少了其 之间的内部耦合 第二个影响就是传输零点变大 阻 带向好的方向变化 所以缝隙增大有好处也有坏处 a b 图2 a 和 b 分别是微带宽度ss和开路支节长度WL变化时滤波器 的频率响应 图3 微带开槽缝隙大小变化时滤波器的频率响应 第四部分 微波毫米波无源器件及电路 1121 IV 实验结果和一致性验证 为了验证仿真结果和实测结果的一致性 我们特 取基片为 GML 1000 介 电 常 数 为 3 05 厚度为 0 508mm 滤波器的上下表面如图3所示 为了测量的 方便 延长了50欧姆的馈线 a b 图4 是低通滤波器的实物图 a 和 b 分别是上下表面结构图 图5 a 和 b 是仿真和测量的结果图 可以发 现 实际测量的插入损耗小于2dB 传输零点有一点偏 移 通带内群迟延小于0 3ns 基本上与仿真结果吻合 a b 图5 a 和 b 分别是测量和仿真的频率响应图和群迟延图 V 结论 本文提出了一种新颖的平行耦合的微带低通滤波 器 它具有小型化 插损小 群迟延好等特点 在通 带上限频率有一个传输零点 而且分析了各项参数的 变化对滤波器性能的影响 这对此类型滤波器的设计 及其应用具有很重要的意义 参考文献 1 Revision of part 15 of the commission s rules regarding ultra wideband transmission system ET Docket 98 153 First Note and Order Federal Communication Commission Feb 14 2002 2 J S Hong and M J Lancaster Microstrip Filters for RF Microwave Applications New York Wiley 2001 3 D F Williams and S E Schwarz Design and performance of coplanar waveguide bandpass filters IEEE Trans Microw Theory Tech vol MTT 31 no 7 pp 558 566 Jul 1983 4 C L Hsu F C Hsu and J T Kuo Microstrip bandpass filters for ultra wideband UWB wireless communications in IEEE MTT S Int Dig Jun 2005 pp 679 682 5 H Ishida and K Araki Design and analysis of UWB bandpass filter with ring filter in IEEE MTT S Int Dig Jun 2004 pp 1307 1310 6 J S Hong and H Shaman An optimum ultra wideband microstrip filter Microw Opt Technol Lett vol 47 no 3 pp 230 233 Nov 2005 7 K Li D Kurita and T Matsui An ultra wideband bandpass filter using broadside coupled microstrip coplanar waveguide structure in IEEE MTT S Int Dig Jun 2005 pp 675 678 8 H Wang L Zhu and W Menzel Ultra wideband bandpass filter with hybrid microstrip CPW structure IEEE Microw Wireless Compon Lett vol 15 no 12 pp 844 846 Dec 2005 一种新颖的微带低通滤波器设计和研究一种新颖的微带低通滤波器设计和研究 作者 孙宜琴 喻志远 顾小卫 作者单位 电子科技大学物理电子学院 成都 610054 相似文献 10条 相似文献 10条 1 学位论文 张亚文 微波椭圆函数滤波器设计 2005 随着MIC和MMIC的飞速发展 对微波滤波器的性能和体积提出了更高的要求 本文基于这一考虑重点研究了两种平面结构的微波椭圆 准椭圆函数滤波器 本文以椭圆 准椭圆函数理论为基础 详细总结出了用于滤波器设计的交叉耦合谐振腔参数公式 并应用全波电磁仿真的CAD技术给出了提取这些参数的方法 这一理论方法不仅 可以用于本文研究的平面结构 微带和共面波导 也可以用于同轴 波导等结构的微波滤波器设计上 因此具有普遍适用的意义 共面波导是近年来微波射频领域逐渐被重视的一种结构 然而在微波滤波器方面的应用较少 本文以耦合腔理论为基础 首次给出了几种共面波导准椭圆函数滤波器结构和设计 曲线 并且利用保角变换方法总结了共面波导奇偶模公式 利用这些结构和曲线 公式可以设计出更多性能优良的微波滤波器 总而言之 本文以椭圆函数理论和交叉耦合理论为基础 以微波滤波器为重点研究对象 以全波EM仿真为工具 把场分析和路设计结合分析 指出了工程设计和理论如何统一起 来的 在研究的过程中出现的新想法新思路和下一步的工作内容在论文最后做了总结 2 学位论文 郝张成 基片集成波导技术的研究 2005 随着现代微波毫米波电路系统的高速发展 其功能越来越复杂 电性能指标越来越高 同时其体积越来越小 重量越来越轻 整个系统迅速向小型化 轻量化 高可靠性 多功 能性和低成本方向发展 低成本 高性能 高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键 因此 迫切需要发展新的微波毫米波集成技术 基片 集成波导 SubstrateIntegrated Waveguide slW 技术是近几年提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损 低辐射 高功率容量等特性的新的导波结构 它可以有效地实现无 源和有源集成 使微波毫米波系统小型化 甚至可把整个微波毫米波系统制作在一个封装内 而且它的传播特性与矩形金属波导类似 所以由其构成的微波毫米波甚至亚毫米波部件 及子系统具有高Q值 高功率容量 易与其它平面电路和芯片集成等优点 同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成 所以这种结构可以利用普通PCB工艺 LTCC工艺 甚至薄膜电路工艺精确实现 与传统的波导形式微波毫米波器件的加工成本相比 基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉 不需任何事后调试工作 非常适合 微波毫米波电路的集成设计和大批量制作 基片集成波导技术目前处于刚刚兴起的阶段 因此有许多理论问题需要研究 有很多应用领域亟待开拓 本文对如何利用基片集成波导技术实现高性能基片集成波导器件以及基片集成波导集成子系统开展研究 为了解决基片集成波导的测试问题和基片集成波导与微带电路的无隙集成问题 本文在第一章对多种基片集成波导一微带电路转换器的设计方法进行了研究 探讨了测试和计算 基片集成波导器件插损的方法 实验测试结果和全波仿真结果的良好吻合验证了方法的正确性和有效性 本文的第二章和第三章基于基片集成波导技术 设计和实现了多种新颖的集成高性能滤波和双工器件 基片集成波导感性通孔滤波器 基片集成波导感性窗滤波器 基片集成波 导E面感性带滤波器 基片集成波导L型双工器 基片集成波导T型双工器 多层基片集成波导椭圆滤波器 单层基片集成波导传输零点滤波器 具有传输零点的双模基片集成波导滤 波器 基片集成波导一有损地面超宽带滤波器 基片集成波导一电子带隙结构超宽带滤波器 基片集成波导一共面波导超宽带滤波器等 本文在微波频段 4GHz 18GHz 和毫米波频段 26 5Gz 40GHz 对这些滤波器件进行了设计并给出了测试结果 这些结果表明这些滤波器件具有良好的滤波特性 并具有高品质因数 大功率容量 易于加工 成本低和容易集成等 优点 其中 基片集成波导一共面波导超宽带滤波器 多层基片集成波导椭圆滤波器等多种滤波器和双工器为首次提出并实现 成果已在本领域国际最高刊物IEEE Trans on MTT IEEE Wireless Components and Guided Wave Letters IEEProc H等上发表 并已被他人引用 在第四章中 利用基片集成波导技术对功率分配器进行了研究 提出和设计了可以用于毫米波的基片集成波导强耦合器和弱耦合器的定向耦合器结构 提出丫正反线性渐变槽天 线的基片集成波导馈电系统 将正反线性渐变槽天线和基片集成波导馈电系统无隙地集成在一起 提出了基片集成波导馈电的介质谐振天线的设计 本章在 X 波段 Ku波段和 26 0GHz的毫米波频段对以上器件进行了实验研究 给出了测试结果 这些结果表明了所提出的基片集成波导功率分配器件的优越性 本文在第五章对多种基片集成波导天线进行了 研究 针对实际应用的863 项目B3G系统 设计了基片集成波导定向天线和基片集成波导全向天线 高频微波电路常使用较薄的介质基片 在这种介质基片上难以实现高增益和宽频 带的平面天线 为了克服这一难点 本章提出和设计了平衡馈电基片集成波导天线 并对之进行了实验验证 本章还首次提出了基片集成波导滤波天线的概念 并对之进行了研究 本文的最后一章对基片集成波导集成子系统进行了研究 采用基片集成波导技术将基片集成波导天线 基片集成波导馈电系统 基片集成波导双工器和基片集成波导镜像抑制滤 波器等元部件一体化设计并集成在同一块介质基片上 形成了 X 波段无线微波链接系统 Radio Link 的子集成系统并给出了仿真和实验结果 3 学位论文 胡慧玲 微带矩形贴片双模带通滤波器的研究 2006 微带滤波器具有尺寸小 重量轻 成本低 易加工的优点 在微波平面电路甚至微波集成电路中得以广泛应用 微带滤波器的种类和实现形式多种多样 小型化高性能的微带谐 振器滤波器在实际使用中最为常见 本文紧密结合着作者的实际工作 首先对微带滤波器做了简介 然后分别以微带双模谐振器滤波器和超宽带滤波器为研究对象 进行了分析与设 计 双模谐振器因为尺寸小 体积小 损耗小 能实现较窄的百分比带宽等优良特性越来越广泛地应用于无线通信系统中高性能窄带带通滤波器的设计中 本文介绍了至今为止出现 的多种微带双模谐振器 包括圆形贴片谐振器 方形贴片谐振器 圆环谐振器 方环谐振器 折线环谐振器 为了减小插入损耗 本文提出了一种新型共面波导馈电结构的矩形双模 带通滤波器 仿真和测量的结果表明此种滤波器的插入损耗较小 对于超宽带滤波器 本文介绍了几种文献中已经出现的超宽带滤波器 包括圆环谐振器超宽带滤波器 微带线多模 谐振器超宽带带通滤波器和共面波导多模谐振器 微带线转换超宽带带通滤波器 在此基础上提出了一种新型结构的超宽带带通滤波器 此滤波器从结构上可以分为中间一段微带传 输线和两端微带 共面波导的重叠耦合的转换接头 仿真和测量结果表明此种滤波器的性能优良 4 期刊论文 王安国 吴咏诗 丁润涛 陈蕾 马建军 非对称宽边耦合CPW微波滤波器的散射参数设计 固体电子学研究与进展2003 23 4 非对称支持宽边耦合共面波导可看作是非均匀介质中的非对称耦合传输线 文中在非均匀介质中的非对称耦合传输线散射参数的基础上 推导出非对称宽边耦合共面波导的散射参 数 利用所得散射参数研制了非对称支持宽边耦合共面波导滤波器 试验结果表明采用散射参数进行电路分析和设计的有效性 设计研制了f 3 5 GHz的带阻滤波器 采用微波复合介 质板 r 9 6 厚度为0 8 mm 底层填充介质为聚四氟乙烯材料 r 2 1 上层为空气 上 下宽边耦合共面波导的中心导带宽度为w 3 mm 槽宽为sg 0 50 mm 长为1 12 57 mm 上 下共面波导距离屏蔽盒顶 底的高度为h1 10 mm 引出线采用微带渐变线进行阻抗匹配 这些为非对称支持宽边耦合共面波导在三维 多层 微波集成电路中的应用奠定了基础 5 学位论文 吴丽红 微带环形谐振腔双模带通滤波器的研究 2006 随着无线通信的飞速发展 系统中广泛使用的微波滤波器在射频 微波电路中扮演着很重要的角色 为了保证低投入 高效率 高质量的无线通信系统 迫切需要高性能 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吸引力的解决方案来满足这些具有挑战性的性能指标要求 双模滤波器是微波滤波器产业中一项新兴的技术 它的 优势在于 每个双模谐振器都可以作为一个双调谐的谐振电路 所以对于同一个性能指标的滤波器来说 所需要的谐振器的数目就减半 这样就可以使滤波器的结构更紧凑 尺寸更 小巧 本研究课题的主要目标就是设计加工小尺寸和低捅损的带通滤波器 论文的研究工作主要如下所述 相对于线状谐振器来说 微带三角形贴片谐振器具有以下优点 导体损耗低 功率容量高 尺寸小 三角形的固有结构易于级联和耦合 它的一对简并主模是通过对一个基本模 式进行旋转和叠加后形成的 沿着等边三角形的对称轴引入一个新型的微扰 从而实现简并主模的分离 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 果表明通带内的插损没有很大的改善 不过滤波器的二次谐波被有效地抑制了 本文还提出了一种新型的用共面波导馈线结构实现的双模圆环带通滤波器 该滤波器采用传统的圆环作为谐振器 引入阶梯阻抗作为微扰使其简并模式分离并产生耦合 这样的 微扰结构我们称之为环形阶跃阻抗谐振器 它与输入 输出共面波导分别设计在介质基片的两个不同的面上 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 明该滤波器带内插损低 带外抑制好 6 学位论文 张胜 微型平面微波滤波器的结构与性能研究 2006 随着移动通信的飞速发展和微波电路的高度集成化 作为通信系统关键部件的滤波器也要求向高性能 小型化的方向发展 同时 随着电子计算机的不断升级 时域有限差分法 FDTD 正成为分析这类电磁问题的强有力工具 本文主要针对平面微波滤波器的小型化和高性能进行了较广泛的研究 结合基片集成波导 双模结构 分形结构等一些新技术 提出 了几种新型的低通 带通 带阻滤波器 并用FDTD法对其中的低通微带滤波器做了分析研究 论文主要包括以下内容 首先 简述了FDTD方法的基本原理 在此基础上 重点研究了用 FDTD计算微带电路的难点问题 如PML层的边界条件处理和传输特性计算等 相关FDTD计算理论是进行微带滤 波器研究和分析的基础 后面微带低通滤波器的计算结果表明了本章计算理论的正确性 其次 详细研究了一种新型缺陷微带结构 DMS 的阻带特性以及其与缺陷地结构 DGS 的区别 根据电磁仿真结果和等效电路原理提取了相应的集总参数 DMS结构更容易和有源 微波电路集成 同时避免了电磁波从接地板的辐射 设计了两种DMS结构的三极点低通滤波器并用FDTD算法分析了相关结果 在此基础上还设计了一种DMS结构的五极点低通滤波器 这三种 DMS结构的低通滤波器均具有较好的高频阻带特性和低频通带特性 第三 在分析三角形和圆形双模贴片滤波器的基础上 将分形结构应用于双模微带贴片滤波器的设计中 分别设计了一类分形结构的三角形滤波器和一类分形结构的圆形滤波器 分形结构能够更好得激励简并模的耦合 改善通带特性 同时 两类滤波器的通带两侧均出现衰减极点 极大得提高了滤波器的频率选择性 分形结构还能降低滤波器原有的谐振 频率 有利于滤波器的小型化 第四 介绍了基片集成波导的结构特点 研究了它的一些基本特性 如传播模式 与矩形波导的等效条件等 设计了一种单个腔体的基片集成波导双模带通滤波器 同时 通过 使用凹型过渡和接地共面波导过渡两种转换方式 解决了基片集成波导与微带线的过渡问题 该滤波器的品质因数高 插入损耗小 拓宽了窄带滤波器的应用范围 最后 讨论了用于开发人工异向介质材料的重要组成单元 金属开口环 SRR 和互补口环谐振器 CSRR 研究了它们的谐振特性及基于这两种结构的平面带阻滤波器 提出将互补 开口环谐振器刻蚀在微带线的导带上 从而充分利用电场进行有效激励 降低了谐振器的谐振频率 拓宽了阻带带宽 同时根据电磁仿真结果和等效电路原理提取了互补开口环谐振 器的集总电路参数 在此基础上设计了两种一维互补开口环谐振器带阻滤波器 这两种滤波器均具有较宽的带宽和较深的阻带特性 7 学位论文 张小川 高性能小型化射频及微波滤波器的研究 2009 滤波器在射频 微波电路中发挥着重要作用 不断出现的无线通讯系统应用对滤波器设计提出了前所未有的挑战 更高的性能指标 更小的尺寸重量 更低的成本已成为新型滤 波器必须满足的基本要求 本论文基于交叉耦合谐振器滤波器综合理论 提出了一系列体积小 结构紧凑的滤波器设计 其具有带内插损低 带外抑制指标高 选择性好 在指定频 率位置具有传输零点以及寄生通带远离中心通带等特性 具有良好的工程应用前景 第一章 介绍了射频 微波滤波器的研究背景和最新进展 第二章 系统的介绍了广义切比雪夫滤波器理论 基于一种全耦合的等效电路模型 用提取物理上可实现的耦合矩阵来应用于器件设计 讨论了滤波器可实现的通用拓扑结构 提出一种优化算法用于提取源与负载直接耦合和源与负载不直接耦合的带通滤波器的耦合矩阵 同时还提出了提取传输零点位于带内和带外的多频带带通滤波器耦合矩阵的方法 第三章 研究了双模和三模谐振器及带通滤波器 首先介绍了中心支节加载双模谐振器 基于奇 偶模等效电路模型 分析了其谐振特性 通过引入源 负载耦合 实现了一系 列具有带外传输零点的双模滤波器 优化提取了这些滤波器的耦合矩阵 其次介绍了三模谐振器 根据场分布特点分析了谐振器的模式分离特性 优化提取了滤波器的耦合矩阵 这 种滤波器结构紧凑 寄生通带远离中心频率 具有良好的选择性和带外抑制 第四章 研究了小型化谐振器 提出了一系列新颖的谐振器结构 首先提出了两种高低阻抗加载的小型化谐振器 并分别构建了两个四阶交叉耦合滤波器 其次介绍了基于共面 波导结构的四分之一波长谐振器 研究了这种谐振器的最低谐振频率和杂散频率分布的特点 利用四边形阶梯阻抗谐振器构建了切比雪夫型滤波器 利用六角形阶梯阻抗谐振器构建 了三阶交叉耦合滤波器 此类滤波器结构紧凑 寄生通带远离中心频率 具有良好的选择性和带外抑制 第五章 首先设计了CSRR加载的带通滤波器 它具有基片集成波导滤波器的共同特点 插入损耗小 受其它电路干扰小等等 其次是设计出了CMRC加载的基片集成波导宽带滤波 器 最后通过耦合理论设计了一种销钉加载半模基片集成波导滤波器 该滤波器在保持基片集成波导优点的同时面积只有销钉加载基片集成波导滤波器的一半 第六章 对本论文进行了总结 并提出了应进一步的研究课题 8 学位论文 药春晖 短距离无线通信中微波滤波器的设计与研究 2007 随着短距离无线通信的发展 人们对于无线通信系统中的微波器件提出了更高的要求 其中滤波器作为一种重要的微波元器件 它性能的优劣直接影响到整个通信系统性能的好 坏 因此 对微波滤波器的理论 设计方法以及各种结构形式的研究 已经引起了国内外研究学者的极大兴趣 在近几年来得到大力的发展 本文主要研究了应用在短距离无线通信中的微波滤波器 着重分析了超宽带滤波器和双通带带通滤波器的实现方法 提出应用于不同标准的微波滤波器结构 并对它们进行了分 析研究和加工制作 主要包括以下内容 首先 介绍了短距离无线通信的标准和应用 能够应用于该系统的滤波器以及超宽带滤波器和双通带滤波器的研究现状 另外 说明了滤波器的基本技术参数和电磁分析方法及 仿真软件 其次 通过对谐振电路的理论分析 提出了一种新型的共面波导馈电的超宽带滤波器 利用中心导带的缝隙实现电容耦合 而平行耦合线实现电感耦合 两者相互嵌套 大大减 小了滤波器的尺寸 仅为0 42 为中心频率处的导波波长 测试结果表明其通带内插入损耗都小于2 0dB 回波损耗都