带状线结构带通滤波器的设计研究

1、.-带状线结构带通滤波器的设计研究 学娄：王堂二分类日：！墼！一 单位代码：！篓！一密级：忿。 痈名都鹰廖 学杜安硕号 指导教师 学科专业 研究方向程崇虎教授电磁场与微波技术无线通信与电磁兼容 二八年四月论文提交日期 摘要 平面结构的微波滤波器由于其尺寸小、易集成以及便于利用工艺加工等优点，多年来一直是微波滤波器设计研究的一个热点。本文主要研究基于带状线结构的带通滤波器的分析与设计。与微带线相比，带状线由于其封闭的结构，在用作微波谐振器时可以获得较高的品质因数，从而使得构成的滤波器具有较小的插入损耗。另外在新型生产工艺下，大量的滤波器实例都采用了带状线结构来实现，因此具有很大的研究价值。 文章

2、首先对微波滤波器做了简单介绍与回顾，然后重点以双模谐振器滤波器和发夹型谐振器滤波器为研究对象，对其进行了分析与对比。在此基础上，作者提出了一种新型非简并模式的发夹型双模带通滤波器。其由内部带有中心条带的发夹型谐振器和一对两边对称的型输入输出馈线构成。通过调节中心条带，可以使谐振器的前两个谐振模式分离或合并，从而达到调控带通滤波器通带的目的。作者先运用奇偶模与传输线理论对该谐振器进行理论分析，然后给出了基于带状线结构单级、双级和三级带通滤波器的仿真和测量结果。该带通滤波器具有较小的插入损耗和良好的矩形系数，易级联，并具有较高的带外抑制能力。同时，作者还对比了不同介电常数下，相同结构的单双级微带带

3、通滤波器的仿真结果，结果表明基于微带线结构的滤波器在插入损耗和带外抑制上都明显逊于带状线带通滤波器，从而验证了带状线结构的优点。关键词：微波滤波器，带状线，双模谐振器，发夹型谐振器 ， ， ， ， ， ，。的凌 ， ， ，。， ， ， 。 ，谂 ：， 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。

4、 研究生签名：昝日期：立华 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：他导师签名： 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 第一章绪论 微波滤波器的简介 自然界中的电磁信号都是由具有不同频率的电磁振荡构成。如果要在复杂的、众多的、不同频率的电磁振荡中选出或拒绝某些频率的信号，就

5、需要具有符合特定要求的电路装置，这就是所谓的滤波器。滤波器的根本功能在于抑制不需要的频段信号，而使需要的频段信号顺幂通过。从电信发展的早期，滤波器就在电路中扮演蓿重要的角色，并随着通信技术的发展而取碍不断的进展。各类无线电装置及通信设备，如雷达、电视广播、移动通信设备、卫星通信设备等都需要各种要求的滤波器。滤波器性能的优劣直接决定了设备莱些重要指标能否实现，设备能否正常工作。因此，微波滤波器是无线通信中关键的器件之一。 从滤波器发展的早期，我们就知道基于非集总，分布元件电路原理的谐振系统可以实现滤波性能。随着微波技术的发展，在射频到微波频段范豳内，各种谐振器如同轴的、介电的、波导的以及带状线等

6、结构的谐振器均得到使用。现在，在射频和微波电路中最常选用的是微带线谐振器。由于徽带线谐振器具有小的尺寸、通过光刻术易于加工、与其它有源电路原件的易于兼容等特点，许多电路中使用此类谐振器。它的另一大优势是能通过采用不同的衬底材料而在很大的频率范围内得以应用。当然随着微带结构谐振器的利用以及加工工艺的进步发展，徽带滤波器将会有着更广泛的应用前景。 。微波滤波器分类 按照滤波器的基本功能分类，有低通、高通、带通、带阻四种基本类型，如图所示，每一种类型都可以由其对应的低通原型通过频率变换转化焉来。低遂原型滤波器按照实现的传递函数可以分为（巴特沃兹）、（切比雪夫）、（椭圆）、（高斯）、（贝塞尔）等类型，

7、其中前三种较为常用器】。图分别绘出巴特沃兹、切比雪夫和椭圆函数三种响应的低通滤波器的频率响应。“巴特沃兹响应”也称为“最平坦响应，这是因为在通带肉滤波器的幅度衰减曲线菲常的平滑，但是通带到阻带的过渡带很难做得陡峭。切比雪夫滤波器的设计是使用切比雪夫多项式来逼近滤波器的幅度衰减，其特点是在通带内有等波纹系数的幅度衰减鼗线，从两“切琵雪夫响应”也瑟“等 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论波纹响应。由于切比雪夫滤波器的设计相对于巴特沃兹滤波器需要更多的部件，因而具有比较陡峭的通带到阻带的过渡带，即比较好的选择性。“椭圆函数滤波器”的参数须用椭圆丞数来进行计算，又瑟“考尔（）滤波器，它的幅度衰减函数

8、在通带和阻带内都具有切比雪夫波纹，能实现最陡峭的过渡带，因两它的带夕卜抑制能力最强。上述几种传递函数都是按照滤波器的幅度特性进行分类的，但是有的场合要求滤波器的通带内具有线性相位以防止信号失真，比如超宽带系统中的超宽带滤波器。线性相位滤波器对通带内的相位响应函数有专门的要求。般来说，通带的带外抑制能力和带内的相位线性范围是一对矛盾体，两者都与滤波器的值有关。 ，） （）低通 ）（）（）高通 （）惜通（）带阻 图滤波器的幅频响应 （）巴特沃兹响应（）雷夫响应 （）椭圆缀数响膨 图低通原型滤波器的幅度衰减特性 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 微波滤波器一般使用分布参数来实现，而微波谐振器的种

9、类繁多，按照所用谐振器的类型来分【】，可以分为介质谐振器、波导谐振器、同轴线谐振器和平面结构的微波谐振器等。其中每一种谐振器都有自己的优势和不足，因此根据滤波器的实际应用和圜的来选择不同类型的滤波器是很有必要的。 介质滤波器采用简介电常数低损耗角正切的介质块作为谐振器，具有低损耗、可接受的温度稳定性和小尺寸等特点，然而，受高成本和现在的加工技术的限制，使它的使用范围限制在以下。波导滤波器采用波导谐振腔设计制作，具有低损耗、功率容量大和可实际应用到等特点，不过其最大的缺点是，尺寸明显眈其他可应用的谐振器大。近年来，采用基片集成波导设计制作的滤波器受到很大的关注，其既避免了精密复杂的机械加工技术，

10、又保留了相对较高的品质因数。同轴滤波器采用同轴谐振腔设计制作，具有包括电磁屏蔽、低损耗特性和小尺寸等优异特点，但要在以上使用，则由于其微小的物理尺寸，制作精度难以达到。网轴滤波器可以方便地采用后面要提到的阶跃阻抗技术来进步优化【。而平面结构的滤波器具有小的尺寸、通过光刻技术易于加工、与其它有源电路元件的易于集成等优点，许多电路更偏向此类谐振器。其另一大优势是能通过采用不同介电常数的衬底材料从而在很大的频率范围内可以得到应用。然而，和其他谐振器相比其插损明显比较大，使它缀难在窄带滤波器中得到应用，冒翦已经有新型的材料可以在某些应用场合解决这个闯题，如采用（高温超导体）技术制成的微带滤波器】。滤波

11、器的设计方法 理想的滤波器应该是这样一种二端口网络【】：在通带范围内它能使信号完全传输，而在阻带范围内它使信号完全不能传输。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，并用散射参数（参数）来描述它的性能。低频模拟电路中的滤波器是用谐振回路构成的，其特点是电感、电容和电阻等电路元件为集总参数元件（），它们的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楣位可以看成是不交的。但是在微波波段，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的时候，就必须考虑到电磁波眩度与相位的变化，这时集总元件滤波器失去其原有特性。在这种情况下，就要使用分布参数滤波器来代替。

12、带状线和微带线就是一种常用的分布参数传输线，它使得滤波器的设计从集总参数扩展到分布参数的领域。微波电路理论与低频电路的理论不是样的，必须用电磁场理论来处理微波滤波器。 南京邮电大学硕士磺究生论文第一章绻论 带状线、微带线滤波器和波导、周轴线等微波滤波器的主要区别仅在于传输线形式的不同。在主要特点方面，例如采用半集总参数或分布参数结构是相同的，因此有关微波滤波器的些基本概念和设计方法对带状线和微带滤波器也适用。最开始的时候，微波滤波器的设计较多地采用以下褥种方法【】： ）镜像参量设计法。这是低频滤波器的古典设计方法。早期微波滤波器的设计也用此法。当各节全溺网络级联成链型电路时，可用这种方法。这里

13、利震了各节单元的镜像参量进行级联。这种方法的缺点是得出的滤波器性能差，且要求其终端接以随频率而变化的镜像阻抗作为负载才可以得到设计性能，这当然是不实际的。虽然也可在两端娴匹配节来改善，但会弓起结构的复杂和调整的繁琐。按镜像参量设计的滤波器，衰减特性有时甚至在通带内产生一尖峰，嚣丽引起工作性能的恶化。在低频滤波器中，可以由原型滤波器导出型和型滤波器，使其性钝有所改善，但是也是结构复杂，从而不便应用到微波滤波器中。因此，溺前已基本上不用这种方法。 ）传输波设计法。过去在设计波导滤波器时臀经广泛采用，其基本出发点为把微波滤波器看成传输线上相隔定距离放置的邀抗、电纳或谐振元件（在波导中为电感销钉、电容

14、螺钉、电感膜片等）。每一元件对进入的传输波均能产生一反射波。如适当选择元件的电抗值、电纳值和其间距离，鼯能使通带肉各反射波相互抵消，蔼褥到一个低的插入驻波比，插入衰减就小。在阻带中，则由于发射波的叠加而得到高的衰减。在设计过程中，可应用蹰图或矩阵来运算。这种设计方法，根据波在传输线上的传播特性，物理概念清楚，但其缺点是较难进行综合设计，因此滤波器性能的提高也受到局限。 ，由于以上两种设计方法缺点较多，不能合理地解决滤波器的主要矛盾，因此黉前滤波器设计就逐渐过渡到以综合设计为基础的原型电路设计方法。所谓原型电路就是以、作为元件的集总参数低频电路，其中、的数值都是根据对滤波器定的指标要求、以不同的

15、综合设计方法求得，由此得出系列规格化的元件数值，列成表格，称为原型电路元件参数。在进行其体滤波器设计时，不必每次进行计算，而只需根据一定的变换关系把原型电路元件参数转化为实际滤波器的元件值，即具体实现了微波滤波器。应用这种方法，不但因为原型电路的元件参数已经过综合设计而达到了“最健化”，而且设计参数已经“规格化”，只需得出原型滤波器和实际滤波器之间的变换关系，即可设计各种滤波器。 平面滤波器的综合设计方法最常见到是插入损耗法】【羽，它的基本步骤如下所述。如图所示，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，褥经过频率变换实现要求的通带形式。最

16、后把集总参数 南京邮电大学硕士研究生论文笫一章绪论转化为对应的分布参数用带状线或者微带线来实现，这个过程是由变换来实现的。图所示是一个集总参数低通滤波器用分布参数来实现的例子，由网络变为高低阻抗变换微带线的形式，其中串连电感可用商阻徽带短线来实现，并联电容可用低阻微带短线来实现。在这个设计步骤中，最关键的也是最难的一步是用微带结构来实现集总元件参数的滤波器，特别是在串并联谐振圆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带滤波器极为少用，但是依据这种基本理论衍生出的其他多种设计过程和结构形式却得以在实际中广泛使用。 实际滤波器 静具体指标归一化低通原型滤波器阻抗变换频率变换，分布参

17、数实现 图插入损耗法的溅程图 端口一网专端孑： 集总参数电路分布参数结构实现形式 图。集总参数滤波器转化为开路、短路短截线滤波器 。微波滤波器的主要参数指标 微波滤波器设计中需要考虑的一些主要指标如下（图为滤波器指标示意图）。 中心频率：邸滤波器的通带的中心频点五。 通带带宽：严格意义上来说，带宽又可以划分为噪声带宽、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般所指均为带宽，即通带衰减达到时对应的上下限截止频率五和五之闯的宽度，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 ：监掣） 南京邮电大学硕士研究生论文第一章绪论 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 瓦（） 即滤波器的传输系数下降到中心频率最大传输系数的。倍时的带宽，与其带宽之比。理想的滤波