高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器--論文

1、高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)摘 要隨著移動(dòng)智能終端的快速發(fā)展，用戶對(duì)無(wú)線通信帶寬的要求越來(lái)越高，超寬帶(UWB)技術(shù)成為解決此矛盾的主要技術(shù)之一。超寬帶濾波器在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，微波濾波器性能的好壞往往直接影響到整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的質(zhì)量。本文針對(duì)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)而展開，設(shè)計(jì)了兩款高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器。本文首先對(duì)微波濾波器設(shè)計(jì)的基本理論進(jìn)行分析，以及濾波器的技術(shù)指標(biāo)。本文依據(jù)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器的特性，采用微帶多諧振蕩器設(shè)計(jì)了兩種多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)微波高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶濾波器，并給出了濾波器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性。借助仿真軟件HFSS對(duì)兩種高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器進(jìn)行仿真，通過(guò)對(duì)仿真結(jié)果

2、中正向傳輸系數(shù)S21和回波損耗S11進(jìn)行了分析，結(jié)果表明由開槽諧振子組成的濾波器和由一對(duì)諧振子組成濾波器可使高頻段或低頻段的微波信號(hào)通過(guò)濾波器，且通帶頻段較寬實(shí)現(xiàn)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波。關(guān)鍵字： 超寬帶(UWB)技術(shù)；微波濾波器；超寬帶濾波器AbstractWith the rapid development of mobile intelligent terminal, the demand of wireless communication bandwidth demand has been increasing, Ultra-wideband (UWB) technology to bec

3、ome one of the key technologies to resolve this contradiction. Ultra-wideband filter in this context came into being, the performance of microwave filter will often directly affect the quality of the wireless communication system. This thesis designed for two high-low pass cascade ultra-wideband fil

4、ter.The thesis firstly analyzed the basic theory of microwave filter, and technical specifications of the filter. Based on the characteristics of high and low pass cascaded ultra-wideband bandpass filter, microstrip multivibrator designed two multivibrator realize microwave high and low pass filter

5、cascade of ultra-wideband, and gives structural parameters and material properties of the filters. With simulation software HFSS for both high and low pass filter cascade ultra-wideband simulation, the simulation results of the forward transmission coefficient S21 and return Loss S11 were analyzed,

6、the results show that the filter consists of slotted resonator and composed by a composition of the resonator filter allows high frequency or low frequency microwave signal through the filter, and Achieve a wider passband band cascade ultra-wideband filter.Key words：Ultra-wideband technology, microw

7、ave filter, ultra-wideband filter目 錄第一章 緒 論1第一節(jié) 研究背景及意義1第二節(jié) 研究現(xiàn)狀2第三節(jié) 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排6第二章 濾波器設(shè)計(jì)的基本原理8第一節(jié) 微波濾波器基本理論8第二節(jié) 濾波器的技術(shù)指標(biāo)92.2.1 通帶頻段92.2.2 插入損耗92.2.3 帶外抑制102.2.4 端口駐波比102.2.5 其他指標(biāo)10第三節(jié) 本章小結(jié)11第三章 高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)12第一節(jié) 超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方法12第二節(jié) 基于開槽多模諧振器設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器13第三節(jié) 基于一對(duì)多模諧振器設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器15第四節(jié) 本章小結(jié)16第四章 超寬帶濾波器的仿

8、真與分析17第一節(jié) HFSS簡(jiǎn)介17第二節(jié) 基于開槽多模諧振器的濾波器仿真與分析17第三節(jié) 基于一對(duì)多模諧振器的濾波器仿真與分析19第四節(jié) 本章小結(jié)21結(jié) 論22致 謝23參考文獻(xiàn)24第一章 緒 論第一節(jié) 研究背景及意義隨著移動(dòng)智能終端的快速發(fā)展，用戶對(duì)無(wú)線通信帶寬的要求越來(lái)越高，超寬帶(UWB)技術(shù)成為解決此矛盾的主要技術(shù)之一，因此越來(lái)越多研究學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。超寬帶以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，具有非常廣泛的應(yīng)用前景和相當(dāng)巨大的市場(chǎng)價(jià)值。雖然美國(guó)軍方以及航空界對(duì)于開放超寬帶頻段民用仍然存在著意見(jiàn)分歧，但是由于超寬帶技術(shù)潛在的誘人的應(yīng)用前景，美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)(FCC)

9、于2002年2月批準(zhǔn)了超寬帶技術(shù)在短距離無(wú)線通信領(lǐng)域的應(yīng)用1。這為超寬帶技術(shù)產(chǎn)品的商業(yè)化應(yīng)用打開了大門，促進(jìn)了超寬帶系統(tǒng)及其器件研究的進(jìn)展。由于超寬帶技術(shù)可適用的領(lǐng)域十分廣泛，為了便于管理，F(xiàn)CC將超寬帶系統(tǒng)分為3類：(1)成像系統(tǒng)，包括地面穿透雷達(dá)系統(tǒng)、墻壁成像系統(tǒng)、墻壁穿透成像系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)和醫(yī)療成像系統(tǒng)；(2)車載雷達(dá)系統(tǒng)；(3)室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)。對(duì)于不同的通信系統(tǒng)，F(xiàn)CC都劃分了不同的使用頻帶范圍。當(dāng)前，各大研究機(jī)構(gòu)最為關(guān)注的是室內(nèi)超寬帶系統(tǒng)的商業(yè)價(jià)值。根據(jù)FCC的規(guī)定，室內(nèi)超寬帶通信系統(tǒng)2使用的頻帶范圍是3.1GHz10.6GHz。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代移動(dòng)通信基站及移動(dòng)通信終端都正

10、在朝著小型化，集成化的方向發(fā)展，越來(lái)越多的通信系統(tǒng)和功能都集成在一種通信設(shè)備或終端上，例如，現(xiàn)在的手機(jī)中不僅可以同時(shí)支持GSM和CDMA通信制式，而且兼容GPS和WLAN等其他通信制式。而隨著無(wú)線通信系統(tǒng)的不斷增多的同時(shí)，頻率資源也日漸緊張，如何合理的利用頻率資源，在朝著更高頻段發(fā)展的同時(shí)兼容好現(xiàn)階段的各種通信頻段資源的通信系統(tǒng)是無(wú)線通信發(fā)展的一個(gè)關(guān)鍵。多通帶和超寬帶濾波器在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，它可以根據(jù)通信系統(tǒng)要求同時(shí)工作于兩個(gè)或多個(gè)所需頻段，在兼容現(xiàn)有通信頻段的同時(shí)，濾除掉其他頻段的干擾信號(hào)。其中，微帶諧振結(jié)果非常適合于制作通信頻段的高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器，因?yàn)閺木C合應(yīng)用和集成化的角度出發(fā)，

11、微帶諧振結(jié)果非常緊湊，并且易于與基站中的射頻前端結(jié)合，便于應(yīng)用?；谖еC振結(jié)果，DGS、SIR等結(jié)構(gòu)和一些新的結(jié)構(gòu)也隨之廣泛的應(yīng)用于多通帶和超寬帶濾波器設(shè)計(jì)中?；谖еC振結(jié)果的高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器的研究，在最近十年內(nèi)越來(lái)越受到學(xué)者們的重視。隨著技術(shù)的成熟，高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用將會(huì)越來(lái)越廣，因此，研究高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器的新的實(shí)現(xiàn)形式和方法就顯得特別有意義3。作為無(wú)線通信系統(tǒng)中不可或缺的器件之一，特別是在日益擁擠的無(wú)線頻譜資源和復(fù)雜的電磁環(huán)境下，濾波器成為無(wú)線電技術(shù)中許多設(shè)計(jì)問(wèn)題的中心，可以利用它來(lái)組合或分開不同的頻率。濾波器既可以用來(lái)限定大功率發(fā)射機(jī)在規(guī)定的

12、頻帶內(nèi)輻射，又可以反過(guò)來(lái)防止接收機(jī)受到工作頻帶以外的干擾。從超長(zhǎng)波到微波，直至光波以上的所有頻段都需要有濾波器。因此，微波濾波器是無(wú)線通信系統(tǒng)、雷達(dá)系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)中最常見(jiàn)的器件之一，其性能的好壞往往直接影響到整個(gè)無(wú)線通信系統(tǒng)的質(zhì)量。隨著微波器件集成度的日益提高，濾波器的小型化顯得迫在眉睫。因此，研究具有高性能、小型化、易集成的微帶濾波器有著重要的意義4。針對(duì)以上背景，利用超寬帶的高保密性和抗干擾能力、多通帶在頻譜資源的利用率和頻段兼容性方面的優(yōu)勢(shì)，使得它們成為近些年來(lái)的研究熱點(diǎn)。本文針對(duì)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)展開的，設(shè)計(jì)了兩款高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器。第二節(jié) 研究現(xiàn)狀超寬帶技術(shù)的發(fā)展，促使新型超寬帶

13、濾波器也必須不斷地誕生和發(fā)展。新技術(shù)、新工藝的出現(xiàn)使得超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)理論也不斷豐富和完善。超寬帶濾波器首先是由A.Saito及H.Harada等人在2003年提出來(lái)的5。他們將微帶線設(shè)計(jì)在一種特殊材料表面，而這種材料對(duì)高頻信號(hào)有較大的衰減。導(dǎo)致這種濾波器的插入損耗較大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了現(xiàn)代超寬帶系統(tǒng)的要求。在2004年H.Ishida等人提出了一種微帶環(huán)形結(jié)構(gòu)的超寬帶濾波器6，其相對(duì)帶寬雖然可以達(dá)到83%，但是仍然滿足不了超寬帶系統(tǒng)的要求。其中，該微帶環(huán)采用的是階梯阻抗結(jié)構(gòu)，其周長(zhǎng)為一個(gè)波長(zhǎng)，利用并聯(lián)在微帶環(huán)上的支節(jié)的微擾作用，可以形成雙模的環(huán)形諧振器。目前國(guó)內(nèi)外超寬帶濾波器設(shè)計(jì)的主要方法7,

14、8有：(1)多模諧振器（MMR）技術(shù)；(2)混合微帶共面波導(dǎo)（CPW）技術(shù)；(3)最優(yōu)短路端技術(shù)；(4)電磁帶隙(EBG)結(jié)構(gòu)負(fù)載技術(shù)；(5)級(jí)聯(lián)高低通濾波技術(shù)；(6)多層板耦合技術(shù)（新材料技術(shù)，如液晶聚合物L(fēng)CP或低溫共燒陶瓷LTCC）。其中，多模諧振器技術(shù)最先由L. Zhu等人提出9，后來(lái)經(jīng)過(guò)很多研究和設(shè)計(jì)得到發(fā)展。該技術(shù)目的是利用多模諧振器的諧振模式去設(shè)計(jì)超寬帶濾波器。圖1.1 多模諧振器的超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)和特性曲線圖1.1所示，一個(gè)典型的多模諧振器實(shí)現(xiàn)的超寬帶濾波器和特性曲線?？梢钥闯觯嗄ＶC振器是一個(gè)中心為低阻抗線段而兩端為等長(zhǎng)的高阻抗線段，通過(guò)調(diào)節(jié)高低阻抗微帶傳輸線段的阻抗比，使多

15、模諧振器的三個(gè)諧振模式在超寬帶通帶內(nèi)。通過(guò)合適的輸入/輸出耦合，即可實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器。值得注意的是，合適的輸入/輸出耦合還可以形成另外的傳輸極點(diǎn)。圖1.2 復(fù)合微帶共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和S參數(shù)曲線參見(jiàn)圖1.2，采用復(fù)合微帶共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)10，可以設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)緊湊的超寬帶濾波器。該結(jié)構(gòu)采用微帶轉(zhuǎn)共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)和共面波導(dǎo)短路端，作為準(zhǔn)集總參數(shù)的電路元件實(shí)現(xiàn)高通濾波器。通過(guò)該高通濾波器的輸入/輸出端口引入交叉耦合電容，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計(jì)耦合開路端，即可設(shè)計(jì)具有兩個(gè)靠近通帶邊緣的傳輸零點(diǎn)的超寬帶濾波器。為了進(jìn)一步提高選擇性，兩個(gè)微帶短路端被集成到輸入/輸出端口，由此設(shè)計(jì)出一個(gè)五極點(diǎn)的超寬帶濾波器。圖1.3 最優(yōu)短

16、路端技術(shù)的電路模型圖1.3表示最優(yōu)短路端技術(shù)的電路模型。該技術(shù)的輸入輸出端口沒(méi)有耦合，且有超過(guò)100%的相對(duì)帶寬，可以實(shí)現(xiàn)更多的傳輸極點(diǎn)，級(jí)數(shù)較多，增加了尺寸和損耗。該電路模型有五個(gè)分支短路端，連接的電長(zhǎng)度是端長(zhǎng)度的兩倍。通常端長(zhǎng)度選為超寬帶中心頻率對(duì)應(yīng)電長(zhǎng)度的四分之一。由于連接線是非相鄰的，對(duì)濾波器的選擇性起到作用。因此，這種濾波器在通帶邊緣呈現(xiàn)高選擇性，這等效于九階契比雪夫?yàn)V波器。為了進(jìn)一步提高選擇性，改進(jìn)型最優(yōu)短路端的超寬帶濾波器引入了輸入/輸出端口的交叉耦合10。不僅減小了尺寸，而且增加了傳輸零點(diǎn)，進(jìn)而提高了選擇性。圖1.4為改進(jìn)型最優(yōu)短路端技術(shù)的超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)和S參數(shù)曲線。圖1.4

17、 最優(yōu)短路端技術(shù)設(shè)計(jì)的帶有傳輸零點(diǎn)的超寬帶濾波器結(jié)構(gòu)和S參數(shù)響應(yīng)最直接實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器的方法是使用級(jí)聯(lián)的單層高通和低通濾波器或者級(jí)聯(lián)帶阻和帶通濾波技術(shù)11，圖1.5表示一個(gè)級(jí)聯(lián)寬帶帶通和帶阻濾波器構(gòu)成的超寬帶濾波器。寬帶帶通濾波器包含半波長(zhǎng)傳輸線，在輸入輸出端分支連接兩個(gè)四分之一短路端。寬帶帶阻濾波器包含兩個(gè)分支平行傳輸線和兩個(gè)開路端?？梢酝ㄟ^(guò)選擇合適的傳輸線阻抗，調(diào)節(jié)帶阻和帶通的帶寬，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超寬帶。圖1.5 級(jí)聯(lián)帶阻和帶通結(jié)構(gòu)和S參數(shù)結(jié)果隨著先進(jìn)的封裝材料（如液晶聚合物L(fēng)CP或低溫共燒陶瓷LTCC）的到來(lái)，可以利用多層板耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器12。如圖1.6所示，該結(jié)構(gòu)不僅尺寸小，而且耦

18、合強(qiáng)。圖1.6 LCP的多層結(jié)構(gòu)美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)會(huì)定義的超寬帶室內(nèi)限制覆蓋了已經(jīng)存在的無(wú)線通信系統(tǒng)的某些頻段，例如5GHz的無(wú)線局域接入網(wǎng)絡(luò)和8GHz的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此，為了減小來(lái)自這些無(wú)線通信系統(tǒng)的干擾，隨之產(chǎn)生了一些帶有陷波特性的超寬帶濾波器。從相關(guān)文獻(xiàn)看出，主要產(chǎn)生陷波的技術(shù)有集成開路端技術(shù)、非對(duì)稱輸入/輸出耦合技術(shù)、集成陷波諧振器技術(shù)等13-15，圖1.7、圖1.8和圖1.9分別列出該陷波技術(shù)的一個(gè)實(shí)物結(jié)構(gòu)和頻率響應(yīng)曲線。嵌入式枝節(jié)在陷波處得反射最小，陷波帶寬最窄，而傳統(tǒng)的開路枝節(jié)在陷波處得反射最大，陷波帶寬最寬。Shaman. H和Jia ShengHong等人采用圖1.7所示的

19、由四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)和半波長(zhǎng)連接線構(gòu)成的UWB濾波器，同樣加上嵌入式的開路枝節(jié)得到了對(duì)5.8GHz的WLAN頻段的濾波。這種結(jié)構(gòu)很好的滿足了FCC的要求，同時(shí)也具有了良好的陷波特性。隨后，Jia ShengHong等人在圖1.7結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，又設(shè)計(jì)了一種開關(guān)式的嵌入型陷波結(jié)構(gòu)，使用一個(gè)PIN二極管控制陷波的產(chǎn)生，同時(shí)通過(guò)偏置電壓控制PIN管的導(dǎo)通與截止。圖1.7 嵌入式開路端產(chǎn)生陷波的結(jié)構(gòu)和結(jié)果圖1.8 非對(duì)稱輸入/輸出耦合技術(shù)產(chǎn)生陷波的結(jié)構(gòu)和S參數(shù)結(jié)果圖1.9 LCP技術(shù)的折疊階梯阻抗諧振器陷波結(jié)構(gòu)和頻率特性目前，國(guó)內(nèi)在UWB濾波器方面的研究相對(duì)滯后，但在國(guó)家963計(jì)劃的鼓勵(lì)下，隨著很多高

20、校和科研機(jī)構(gòu)加大對(duì)UWB濾波器的投入，呈現(xiàn)了迅猛發(fā)展的趨勢(shì)。2007年，上海交通大學(xué)提出了一種可以獲得100%的通帶帶寬的微帶諧振結(jié)果的 UWB濾波器16。該濾波器通過(guò)在地面開啞鈴形的孔來(lái)實(shí)現(xiàn)低通濾波，又通過(guò)開槽來(lái)進(jìn)一步的降低通帶內(nèi)的插損，有效抑制通帶外的回?fù)p。這種濾波器有其尺寸小、易于集成的優(yōu)點(diǎn)，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜導(dǎo)致加工難度大。第三節(jié) 論文的主要工作及結(jié)構(gòu)安排本文旨在對(duì)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器進(jìn)行研究與設(shè)計(jì)，在深入理解濾波器設(shè)計(jì)的基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)兩種高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器，一種超寬帶帶通濾波器基于開槽多模濾諧振器而設(shè)計(jì)，一種超寬帶帶通濾波器基于一對(duì)多模諧振器而設(shè)計(jì)。論文的章節(jié)安排如下

21、：第一章：詳細(xì)地介紹了高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器的研究背景及意義，查閱帶通濾波器的相關(guān)文獻(xiàn)總結(jié)出帶通濾波器的研究現(xiàn)狀，并給出論文主要研究?jī)?nèi)容與結(jié)構(gòu)安排。第二章：詳細(xì)地闡述了濾波器的基本原理，主要有濾波器的參數(shù)和分類，以及濾波器評(píng)價(jià)的具體指標(biāo)。第三章：根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)原理，分析超寬帶帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)了基于開槽多模濾諧振器的多通帶濾波器和基于一對(duì)諧振子的多通帶濾波器，并給出濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)。第四章：采用HFSS對(duì)設(shè)計(jì)的兩種超寬帶濾波器進(jìn)行仿真，依據(jù)仿真結(jié)果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。第五章：對(duì)本文的主要研究?jī)?nèi)容和研究成果進(jìn)行了總結(jié)。第二章 濾波器設(shè)計(jì)的基本原理第一節(jié) 微波濾波器基本理論微波濾波器主要實(shí)

22、現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)進(jìn)行濾除，讓需要的信號(hào)通過(guò)，抑制不需要的信號(hào)，主要目的為了解決不同頻段、不同形式的無(wú)線通訊系統(tǒng)之間的干擾問(wèn)題。微波濾波器可看作一種頻段信號(hào)選擇性損耗的二端口系統(tǒng)，用于控制微波的頻率響應(yīng)，使需要的微波頻率的信號(hào)分量近似無(wú)損耗地濾過(guò)，而阻斷其他微波頻段的信號(hào)分量。其傳輸特性可用傳輸函數(shù)表示為式(2.1)： (2.1)式中是頻率的函數(shù)，其間的關(guān)系稱為濾波器的幅度頻率響應(yīng)，相移也是頻率的函數(shù)，其間的關(guān)系稱為濾波器的相移頻率響應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)微波濾波器主要研究其幅度響應(yīng)，只有在特促的情況下，才考慮其相移響應(yīng)。微波濾波器通常由多諧振蕩器和耦合電路構(gòu)成。在微波通信中，多諧振蕩器利用合適的諧振帶來(lái)實(shí)現(xiàn)

23、，它具有動(dòng)態(tài)儲(chǔ)能、頻率選擇的作用。微波多諧振蕩器利用電磁振蕩原理實(shí)現(xiàn)電場(chǎng)能量與磁場(chǎng)能量相互交換。在多諧振蕩器的諧振頻率段，在理想無(wú)損耗的情況下，諧振器的電能的大小與磁能相等，兩者可相互交換能量，可保持總能量不變。當(dāng)微波信號(hào)頻率偏離多諧振蕩器的諧振頻率段時(shí)，諧振器的電能和磁能相互交換的平衡狀態(tài)被打破，導(dǎo)致兩者不能相互交換能量，所以多諧振蕩器借助此特性實(shí)現(xiàn)對(duì)微波信號(hào)頻率的選擇，通過(guò)構(gòu)造多諧振蕩器的結(jié)構(gòu)和參數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)微波特定頻段的信號(hào)進(jìn)行選取。微波多諧振蕩器又稱為微波諧振腔，是微波電路的最基礎(chǔ)的元件之一，常被用于微波濾波器、天線波長(zhǎng)計(jì)、雷達(dá)回波箱等器件電路，類似于低頻電路中的LC回路。當(dāng)微波頻率提升到

24、分米波段及其以上，主要由以下兩方面的原因使集總參數(shù)的LC諧振回路需借助由諧振腔替代。a. 由于微波回波損耗、導(dǎo)體阻抗的損耗、器件介質(zhì)的損耗等因素的存在，使微波多諧振蕩器的品質(zhì)因數(shù)降低，諧振阻抗減小，因而很難保證足夠的選擇性。b. 為了將多諧振蕩器的諧振頻率提升至微波頻段，需采用很小的電感電容，導(dǎo)致制作難度加大，而且功率容量減少，回路存儲(chǔ)能量降低。微波多諧振蕩器由集總參數(shù)諧振器發(fā)展而來(lái)。隨著頻率的提升，電感和電容隨之降低，通常增大電容極板之間的距離降低電容值，較少電感線圈的圈數(shù)來(lái)達(dá)到。根據(jù)濾波器通過(guò)的信號(hào)頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為

25、平坦型和等波紋型；根據(jù)工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶；按濾波器的傳輸線分類可分為微帶、交指型、同軸、波導(dǎo)、梳狀線腔、螺旋腔、小型集總參數(shù)、陶瓷介質(zhì)、SIR(階躍阻抗諧振器)。第二節(jié) 濾波器的技術(shù)指標(biāo)濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)有通帶工作頻段、插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數(shù)、功率容量、群時(shí)延等指標(biāo)，下面對(duì)其中較主要的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行介紹。2.2.1 通帶頻段濾波器的通帶頻段是指濾波器允許通過(guò)電磁波的頻率范圍。通常規(guī)定的插入損耗為3dB，若某一頻率的微波通過(guò)濾波器的損耗低于3dB，則該頻率的微波能通過(guò)濾波器，因此將所有能通過(guò)濾波器的微波頻率組合在一起構(gòu)成了濾波器的通帶頻段范圍。2.

26、2.2 插入損耗濾波器的插入損耗，又稱衰減。在理想情況下，插入到射頻電路中的理想濾波器，不應(yīng)在其通帶內(nèi)引入任何功率損耗。然而在實(shí)際應(yīng)用中我們無(wú)法消除濾波器固有攜帶的一定程度的功率損耗。插入損耗定量地描述了功率響應(yīng)幅度與0dB基準(zhǔn)的插值，其可表述為： (2.2)式中是濾波器向負(fù)載輸出的功率，是濾波器從信號(hào)源得到的輸入功率，根據(jù)公式的定義可知，一般情況下插入損耗越小表明器件越優(yōu)質(zhì)。2.2.3 帶外抑制濾波器的帶外抑制又稱阻帶抑制，濾波器的形狀通常是較規(guī)整的形狀，理想狀態(tài)下通帶內(nèi)的微波全部通過(guò)，通帶外的微波全部過(guò)濾掉。在其實(shí)際應(yīng)用中，通帶內(nèi)的微波信號(hào)出現(xiàn)衰減，通帶外的微波信號(hào)未完全濾除，僅能濾除大部

27、分能量，帶外抑制度反應(yīng)了對(duì)過(guò)濾微波信號(hào)的衰減幅度，對(duì)不需要的頻率點(diǎn)，微波信號(hào)的抑制能力，一般希望盡可能的大，并在通帶范圍外陡峭的下降，通常取帶外與帶寬為一定比值的某一頻率的衰減值作為此項(xiàng)指標(biāo)。帶外抑制這個(gè)概念實(shí)際上還是屬于損耗的范疇，只是我們現(xiàn)在所說(shuō)指的是在通帶外，微波信號(hào)的衰減已經(jīng)被抑制得比較充分，這個(gè)具體的損耗值就是帶外抑制的值。2.2.4 端口駐波比端口駐波是衡量濾波器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，衡量濾波器與系統(tǒng)中其它器件的匹配程度。當(dāng)系統(tǒng)器件之間出現(xiàn)不匹配時(shí)，饋線上同時(shí)存在入射波Ei和反射波Er。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波電壓與反射波電壓的幅度相加形成一個(gè)最大電壓振幅Emax，稱為

28、波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓幅度相減形成一個(gè)最小電壓振幅Emin，稱為波節(jié)。其它各點(diǎn)電壓的幅度值則介于波腹與波節(jié)之間，這種合成波稱為駐波。駐波波腹電壓幅度與波谷電壓幅度之比為端口駐波比。若駐波比值為1時(shí)，微波信號(hào)全部通過(guò)，不存在回波損耗；若駐波比接近無(wú)窮大時(shí)，微波信號(hào)全部被反射，濾波器的輸出信號(hào)能量近似為零。2.2.5 其他指標(biāo)濾波器的脈沖功率容量為濾波器所能承受的最大信號(hào)通過(guò)功率，由濾波器中強(qiáng)電場(chǎng)對(duì)介質(zhì)的擊穿來(lái)決定，通常與濾波器的結(jié)構(gòu)和介質(zhì)強(qiáng)度有關(guān)。一般情況下同軸線和帶狀線結(jié)構(gòu)的功率容量至少要比矩形波導(dǎo)小6、7倍，而矩形波導(dǎo)又比圓波導(dǎo)小4倍左右。在規(guī)定的帶寬內(nèi)，插入損耗最大值與

29、最小值之間的差值為帶內(nèi)波動(dòng)，又叫帶內(nèi)波紋或者通帶波紋。帶內(nèi)波動(dòng)用于描述通帶內(nèi)信號(hào)幅度的起伏程度，也受限于諧振器的固有Q值，其值越小，則通帶信號(hào)波動(dòng)越小，說(shuō)明濾波器更穩(wěn)定。第三節(jié) 本章小結(jié)本章主要對(duì)濾波器設(shè)計(jì)的基本原理進(jìn)行介紹，通過(guò)設(shè)計(jì)濾波器實(shí)現(xiàn)對(duì)需要的微波頻段進(jìn)行過(guò)濾，濾除不需要的微波頻段，有效地降低信號(hào)各頻段之間的干擾，提升微波信號(hào)質(zhì)量。并介紹了濾波器的主要技術(shù)指標(biāo)，包括濾波器通帶的頻段、插入損耗、帶外抑制、端口駐波比等技術(shù)指標(biāo)。第三章 高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)第一節(jié) 超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)方法近年來(lái)，離散時(shí)域技術(shù)17-19被應(yīng)用到超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)。這種方法與以往的超寬帶濾波器的綜合設(shè)計(jì)方

30、法有所不同，雖然它也是從集總元件電路特性得到的系統(tǒng)函數(shù)出，但不同的是，它將該系統(tǒng)函數(shù)變換成離散時(shí)域的系統(tǒng)函數(shù)并將其作為目標(biāo)函數(shù)；然試圖利用電長(zhǎng)度相等的傳輸線（包括短路枝節(jié)、開路枝節(jié)等）來(lái)實(shí)現(xiàn)該目標(biāo)函數(shù)。實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)分析方法得到這些傳輸線的鏈形散射矩陣，根據(jù)各個(gè)部分鏈形散射矩陣便可以獲得系統(tǒng)的傳輸函數(shù)；最后對(duì)這一傳輸函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，其響應(yīng)與目標(biāo)函數(shù)盡可能地接近，便可獲得各個(gè)傳輸線的特性阻抗，從而完成整個(gè)濾器的綜合過(guò)程。這種方法的缺點(diǎn)有以下幾個(gè)方面：(1)設(shè)計(jì)出的濾波器結(jié)構(gòu)往往沒(méi)有規(guī)律性，從使得這種結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)起來(lái)不是唯一的，這樣就會(huì)增加優(yōu)化的難度；(2)由于傳輸線電路構(gòu)的不確定性，優(yōu)化計(jì)算有

31、時(shí)也會(huì)難以成功；(3)優(yōu)化得到的實(shí)際電路結(jié)構(gòu)中傳輸線阻抗有時(shí)會(huì)相差很大，實(shí)現(xiàn)操作比較復(fù)雜；(4)此方法綜合設(shè)計(jì)出的濾波器通常尺寸比較大?；趜變換技術(shù)的濾波器綜合設(shè)計(jì)方法主要包括三個(gè)步驟：第一，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析理論對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，得到該結(jié)構(gòu)所能實(shí)現(xiàn)的理想傳輸函數(shù)。用z變換技術(shù)將該傳輸函數(shù)轉(zhuǎn)化成z域的傳輸函數(shù)F(z)，并將其作為優(yōu)化過(guò)程中的目標(biāo)函數(shù)。第二，先推導(dǎo)出濾波器各個(gè)部分的鏈形散射矩陣，并將其轉(zhuǎn)化成離散形式，然后通過(guò)矩陣運(yùn)算得到濾波器的實(shí)際傳輸函數(shù)T(z)，其系數(shù)是關(guān)于濾波器各連接線和短路線的特性阻抗的表達(dá)式。第三，利用優(yōu)化算法得到濾波器各連接線和短路線的特性阻抗值，從而完成濾波器的設(shè)

32、計(jì)。蔡鵬18對(duì)z變換方法進(jìn)行了改進(jìn)，徹底擺脫傳統(tǒng)窄帶濾波器的設(shè)計(jì)思路。改進(jìn)后的方法基于z變換技術(shù)的超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)，依據(jù)其分布參數(shù)特性得到的系統(tǒng)函數(shù)出發(fā)，利用離散時(shí)域技術(shù)獲得z域的系統(tǒng)函數(shù)。采用“四分之一長(zhǎng)短路枝節(jié)、半波長(zhǎng)連接線、四分之一波長(zhǎng)短路枝節(jié)”為基本單元的周期性結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)函數(shù)所得到的濾波特性。經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算之后得到濾波器各個(gè)部分的特性阻抗，然后根據(jù)公式計(jì)算和仿真調(diào)整，就可以得到濾波器的物理尺寸。該方法有以下特點(diǎn)：(1)繼承了利用離散時(shí)域技術(shù)設(shè)濾波器的基本設(shè)計(jì)思路，并提出了從分布參數(shù)電路特性得到的系統(tǒng)函數(shù)出發(fā)的設(shè)計(jì)新思路；(2)得到的周期性電路結(jié)構(gòu)使得實(shí)際電路結(jié)構(gòu)具有一定的規(guī)律性，可

33、以清楚地定義濾波器的級(jí)數(shù)，這是上述傳統(tǒng)離散時(shí)域設(shè)計(jì)方法所不能得到的；(3)由于實(shí)際電路結(jié)構(gòu)的確定性，使得優(yōu)化計(jì)算非常容易成功；(4)優(yōu)化得到實(shí)際結(jié)構(gòu)的特性阻抗相差不會(huì)很大，實(shí)現(xiàn)起來(lái)比較容易。一般來(lái)講，上述方法中，不論是“傳統(tǒng)離散時(shí)域技術(shù)優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)方法”還是“改進(jìn)的z變換優(yōu)化綜合設(shè)計(jì)方法”，它們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的濾波器都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是帶外衰減緩慢、頻率選擇性不高。如果要加快帶外衰減，常用的方法就是增加濾波器的級(jí)數(shù)，但是這樣會(huì)使得電路結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜而且龐大，設(shè)計(jì)調(diào)試也比較困難。“如何能夠采用盡可能少的級(jí)數(shù)，得到盡可能好的特性”，這不僅是濾波器小型化所需要的，而且也可以大大簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)人員對(duì)濾波器

34、的設(shè)計(jì)和調(diào)試過(guò)程。根據(jù)以上綜合設(shè)計(jì)方法，發(fā)展起來(lái)最優(yōu)短路端的設(shè)計(jì)方法20,21。圖3.1 五階四分之一波長(zhǎng)短路端傳輸線帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖3.1表示四分之一短路端構(gòu)成的超寬帶帶通濾波器的原理圖?；镜臑V波器包括五階四分之一波長(zhǎng)的分支短路端，每個(gè)短路端也用四分之一波長(zhǎng)的聯(lián)接線連接，該波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于中心頻率為6.85GHz的導(dǎo)波波長(zhǎng)。超寬帶濾波器的特性由分支短路端Yi(i=1,2,3,4,5)和聯(lián)接線的特性導(dǎo)納Yi,i+1(i=1,2,3,4)決定。第二節(jié) 基于開槽多模諧振器設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)原理是基于傳統(tǒng)的多模諧振器而設(shè)計(jì)，并采用微帶諧振結(jié)果的傳統(tǒng)的開路多模諧振器的結(jié)構(gòu)圖，其結(jié)構(gòu)如圖

35、3.2所示。多模諧振器的中心是一個(gè)低阻抗線段，兩邊是等長(zhǎng)的高阻抗線段。其中每段的特性阻抗分別被定義為和，而和分別是它們的電長(zhǎng)度。根據(jù)多模諧振器原理，我們可以得到其雜散諧振頻率，其中f1、f2、f3、f4是一系列的諧振頻率，而(f1)、(f2)、(f3)、(f4)是相應(yīng)的電長(zhǎng)度，推導(dǎo)得到公式（3.1），如下所示。圖3.2 多模諧振器的示意圖 (3.1)前三個(gè)雜散諧振模式可以被高低阻抗線的阻抗比(R = Z2 /Z1)調(diào)整。傳統(tǒng)的多模諧振器可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整結(jié)構(gòu)，用來(lái)重新分配它的前三個(gè)諧振模式，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶頻譜所要求的頻率范圍。本文提出的超寬帶濾波器包括一個(gè)非均勻的多模諧振器在中心，兩端是兩個(gè)等長(zhǎng)的

36、平行耦合線段，位于左右兩端。利用在地板開口技術(shù)，不僅增強(qiáng)了耦合線的耦合程度，而且對(duì)于多模諧振器也實(shí)現(xiàn)了特定的阻抗比。眾所周知，多模諧振器三段的阻抗比和長(zhǎng)度被用來(lái)調(diào)整超寬帶通帶內(nèi)的三個(gè)雜散諧振頻率。本節(jié)提出的超寬帶濾波器和參數(shù)參見(jiàn)圖3.3，其中尺寸的單位為毫米。本節(jié)提出的超寬帶濾波器利用了提出的雙線耦合結(jié)構(gòu)，相對(duì)于傳統(tǒng)的單線平行耦合饋線結(jié)構(gòu)，這種雙線耦合結(jié)構(gòu)，可以增強(qiáng)輸入/輸出端口和多模諧振器間的耦合度，可以提高超寬帶S21的幅度，從而加寬了超寬帶濾波的通帶帶寬。除此之外，在多模諧振器上開了一個(gè)矩形槽，見(jiàn)圖3.3。這是一個(gè)新的方式去微調(diào)超寬帶濾波器通帶內(nèi)的三個(gè)雜散諧振頻率。結(jié)合以上多個(gè)結(jié)構(gòu)，本節(jié)

37、設(shè)計(jì)了一款具有良好性能的超寬帶濾波器。微帶線地開槽仰視圖俯視圖圖3.3 基于開槽多模諧振器的濾波器結(jié)構(gòu)示意圖多模諧振器開槽的目的是微調(diào)三個(gè)雜散諧振頻率，從而改善帶通濾波的性能。通過(guò)改變開槽的長(zhǎng)度，寬度和開槽位置，位于超寬帶通帶內(nèi)的前三個(gè)雜散諧振頻率被重新分配，已達(dá)到良好的濾波器性能。第三節(jié) 基于一對(duì)多模諧振器設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器在本節(jié)中，設(shè)計(jì)出一個(gè)基于一對(duì)多模諧振器的高性能超寬帶濾波器。一對(duì)多模諧振器，階梯阻抗饋電結(jié)構(gòu)和地板開口結(jié)構(gòu)，這三種結(jié)構(gòu)應(yīng)用在此濾波器上，改善了超寬帶濾波器的性能。設(shè)計(jì)原理是基于傳統(tǒng)的多模諧振器濾波器的設(shè)計(jì)方法，并采用微帶諧振結(jié)果的傳統(tǒng)的開路多模諧振器的結(jié)構(gòu)圖。前三個(gè)雜散諧

38、振模式可以被高低阻抗線的阻抗比(R = Z2 /Z1)調(diào)整。傳統(tǒng)的多模諧振器可以適當(dāng)?shù)卣{(diào)整結(jié)構(gòu)從而分配它的前三個(gè)諧振模式，以實(shí)現(xiàn)超寬帶頻譜所要求的頻率范圍。傳統(tǒng)的多模諧振器稱作單一多模諧振器，它包含中間的一個(gè)半波長(zhǎng)的低阻抗線端，而兩端是四分之一的高阻抗線段。在本節(jié)中，提出的一對(duì)多模諧振器結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖3.4，它包含兩個(gè)平行的多模諧振器，相互對(duì)稱且互相耦合。這里提出的多模諧振器是在傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)，目的是為了重新分配它的前三個(gè)諧振模式，從而實(shí)現(xiàn)超寬帶濾波器。這樣，傳統(tǒng)多模諧振器的前三個(gè)諧振模式可以被重新分配，進(jìn)而在通帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)五個(gè)傳輸零點(diǎn)和更高的返回?fù)p耗。而且，利用一對(duì)多模諧振器和背板開口結(jié)構(gòu)，加

39、強(qiáng)了輸入/輸出平行雙線耦合結(jié)構(gòu)與多模諧振器之間的耦合強(qiáng)度。除此之外，通過(guò)階梯阻抗結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了良好的阻抗匹配，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了高性能。提出的濾波器的結(jié)構(gòu)圖和物理尺寸如圖3.4所示，中心部分是一對(duì)多模諧振器，包含兩個(gè)相互平行耦合的多模諧振器，兩邊是等長(zhǎng)的背板開口的平行耦合線結(jié)構(gòu)。除此之外，兩邊是等長(zhǎng)的階梯阻抗結(jié)構(gòu)的饋線，整個(gè)濾波器在結(jié)構(gòu)上是對(duì)稱的。微帶線單位俯視圖地仰視圖圖3.4 基于一對(duì)多模諧振器的濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖第四節(jié) 本章小結(jié)本章首先詳細(xì)地闡述了時(shí)域離散分析和網(wǎng)絡(luò)分析等常用的超寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法。依據(jù)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器的特性，設(shè)計(jì)了一種開槽諧振子的多諧振蕩器和一種未開槽諧振子的多諧振蕩器實(shí)

40、現(xiàn)微波高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶濾波器，同時(shí)也還設(shè)計(jì)了由一對(duì)諧振子組成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)微波高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶濾波器，并給出了濾波器設(shè)計(jì)的詳細(xì)結(jié)果參數(shù)。第四章 超寬帶濾波器的仿真與分析第一節(jié) HFSS簡(jiǎn)介HFSS High Frequency Structure Simulator是由Ansoft公司提供的三維的電磁場(chǎng)仿真軟件；是世界上第一個(gè)商業(yè)化的三維結(jié)構(gòu)電磁場(chǎng)仿真軟件，業(yè)界公認(rèn)的三維電磁場(chǎng)設(shè)計(jì)和分析的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。HFSS的用戶界面簡(jiǎn)潔直觀具有精確的自適應(yīng)場(chǎng)解器、強(qiáng)大的電性能分析能力和處理器能力，可以計(jì)算出任何形狀的三維無(wú)源結(jié)構(gòu)的S參數(shù)與全波電磁場(chǎng)。HFSS軟件擁有強(qiáng)大的微波濾波器設(shè)計(jì)功能，它可以計(jì)算微

41、波濾波器的參量，如增益、方向性、遠(yuǎn)場(chǎng)方向圖剖面、遠(yuǎn)場(chǎng)3D圖和3dB帶寬；可以繪制極化特性，其中包括圓極化場(chǎng)分量、Ludwig第三定義場(chǎng)分量和軸比等。利用HFSS，能夠計(jì)算出： 基本的電磁場(chǎng)數(shù)值解與開邊界的問(wèn)題，近遠(yuǎn)場(chǎng)輻射的問(wèn)題； 端口特征阻抗和傳輸常數(shù)； S參數(shù)和相應(yīng)端口阻抗的歸一化S參數(shù)； 結(jié)構(gòu)的本征?；蛘呤侵C振解。并且，由Ansoft HFSS與Ansoft Designer組成的Ansoft高頻解決方案，為當(dāng)前唯一用物理原型當(dāng)作基礎(chǔ)的高頻設(shè)計(jì)解決方案，它擁有從系統(tǒng)到電路甚至是部件級(jí)的精確又快速的設(shè)計(jì)手段，基本可以覆蓋完高頻設(shè)計(jì)中的所有環(huán)節(jié)。HFSS是當(dāng)今微波濾波器設(shè)計(jì)最流行的設(shè)計(jì)軟件。因

42、此，本文選擇HFSS軟件進(jìn)行濾波器的仿真與分析。第二節(jié) 基于開槽多模諧振器的濾波器仿真與分析根據(jù)第三章所設(shè)計(jì)基于開槽多模諧振器的超寬帶帶通濾波器，利用HFSS13.0軟件建立超寬帶帶通濾波器的結(jié)構(gòu)模型，其濾波器的仿真結(jié)構(gòu)材料設(shè)置為RT-Rogers/5880-Duroid，材料所對(duì)應(yīng)的介質(zhì)系數(shù)為2.2，仿真結(jié)構(gòu)如圖4.1所示。圖4.1（a）和圖4.1(b)分別為未開槽的多模諧振器結(jié)構(gòu)示意圖和開槽的多模諧振器結(jié)構(gòu)示意圖。圖4.1（a） 未開槽的多模諧振器HFSS仿真結(jié)構(gòu)圖4.1（b） 開槽的多模諧振器HFSS仿真結(jié)構(gòu)針對(duì)兩種多模諧振器，圖4.2描述了多模諧振器有無(wú)開槽時(shí)微波通過(guò)濾波器回波損耗(S

43、11)和正向傳輸系數(shù)(S21)的幅度曲線的仿真結(jié)果曲線，圖中紅色線條表示未開槽濾波器，藍(lán)色線條表示開槽濾波器。通過(guò)對(duì)仿真曲線的分析可知，仿真的S參數(shù)證明了所設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器有著良好的性能，多模諧振器未開槽時(shí)濾波器在微波頻率低于2.4GHz或高于12.4GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于2.8GHz或者高于11.5GHz時(shí)，濾波器的正向傳輸系數(shù)大于-3dB；而多模諧振器開槽時(shí)濾波器在微波頻率低于3.4GHz或高于11.6GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于3.1GHz或者高于11.1GHz時(shí)，濾波器的正向傳輸系數(shù)大于-3dB。仿真結(jié)果表明，本課題設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器可實(shí)

44、現(xiàn)高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶帶通濾波器，而基于未開槽多模諧振器所設(shè)計(jì)的濾波器的高通寬帶和低通寬帶略低于開槽多模諧振器。圖4.2 S21和S11的幅度仿真曲線第三節(jié) 基于一對(duì)多模諧振器的濾波器仿真與分析根據(jù)第三章所設(shè)計(jì)基于一對(duì)簡(jiǎn)諧振子和基于單個(gè)簡(jiǎn)諧振子的高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶帶通濾波器，利用HFSS13.0軟件建立該濾波器的結(jié)構(gòu)模型，其濾波器的仿真結(jié)構(gòu)材料設(shè)置為RT-Rogers/5880-Duroid，材料所對(duì)應(yīng)的介質(zhì)系數(shù)為2.2。設(shè)計(jì)的模型如圖4.3所示。圖4.3(a)和圖4.3(b)分別為由單一簡(jiǎn)諧振子組成多諧振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖和由一對(duì)簡(jiǎn)諧振子組成的多諧振蕩器的結(jié)構(gòu)示意圖，從圖中可知，一對(duì)多模諧振器較

45、單一多模諧振器多一個(gè)諧振子。圖4.3（a） 基于單個(gè)諧振子的多模諧振器HFSS仿真結(jié)構(gòu)圖4.3（b） 基于一對(duì)諧振子的多模諧振器HFSS仿真結(jié)構(gòu)針對(duì)兩種多模諧振器，圖4.4描述了多模諧振器的不同諧振子時(shí)微波通過(guò)濾波器回波損耗(S11)和正向傳輸系數(shù)(S21)的幅度曲線的仿真結(jié)果曲線，圖中紅色線條表示由單個(gè)諧振子構(gòu)成的濾波器，藍(lán)色線條表示由一對(duì)諧振子構(gòu)成的開槽濾波器。通過(guò)對(duì)仿真曲線的分析可知，仿真的S參數(shù)證明了所設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器有著良好的性能，由單一諧振子構(gòu)成的濾波器在微波頻率低于1.9GHz或高于11.7GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于2.6GHz或者高于11.4GHz時(shí)，濾

46、波器的正向傳輸系數(shù)大于-3dB；而由一對(duì)諧振子構(gòu)成的濾波器在微波頻率低于2.1GHz或高于11.3GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于2.9GHz或者高于10.7GHz時(shí)，濾波器的正向傳輸系數(shù)大于-3dB。仿真結(jié)果表明，本課題設(shè)計(jì)的超寬帶濾波器可實(shí)現(xiàn)高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶帶通濾波器，而基于一對(duì)諧振子構(gòu)成的多模諧振器所設(shè)計(jì)的濾波器的高通寬帶和低通寬帶略優(yōu)于基于單一諧振子構(gòu)成的多模諧振器所設(shè)計(jì)的濾波器。圖4.4 S21和S11的幅度仿真曲線第四節(jié) 本章小結(jié)本章首先介紹了微波濾波器所采用的仿真軟件HFSS，對(duì)由開槽諧振子和未開槽諧振子組成多諧振蕩器的高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器和由一對(duì)諧振子和單一

47、諧振子組成多諧振蕩器的高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器進(jìn)行仿真，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)正向傳輸系數(shù)S21和回波損耗S11進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明由開槽諧振子組成多諧振蕩器的濾波器和由一對(duì)諧振子組成濾波器可使高頻段或低頻段的微波信號(hào)通過(guò)濾波器，且通帶頻段較寬實(shí)現(xiàn)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波。結(jié) 論隨著移動(dòng)智能終端的快速發(fā)展，用戶對(duì)無(wú)線通信帶寬的要求越來(lái)越高，超寬帶(UWB)技術(shù)成為解決此矛盾的主要技術(shù)之一，越來(lái)越多研究學(xué)者對(duì)其進(jìn)行研究。超寬帶濾波器在此背景下應(yīng)運(yùn)而生，它可以根據(jù)通信系統(tǒng)要求同時(shí)工作于兩個(gè)或多個(gè)所需頻段，在兼容現(xiàn)有通信頻段的同時(shí)，濾除掉其他頻段的干擾信號(hào)。因此，微波濾波器性能的好壞往往直接影響到整個(gè)無(wú)線通

48、信系統(tǒng)的質(zhì)量。隨著微波器件集成度的日益提高，濾波器的小型化顯得迫在眉睫。本文針對(duì)超寬帶濾波器的設(shè)計(jì)展開的，設(shè)計(jì)了兩款高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器。本文首先對(duì)微波濾波器設(shè)計(jì)的基本理論進(jìn)行展開分析，微波濾波器可看作一種頻段信號(hào)選擇性損耗的二端口系統(tǒng)，通過(guò)設(shè)計(jì)微波諧振腔的結(jié)構(gòu)，用于控制微波的頻率響應(yīng)，使需要的微波頻率的信號(hào)分量近似無(wú)損耗地濾過(guò)，而阻斷其他微波頻段的信號(hào)分量。并闡述了濾波器的通帶頻段、插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數(shù)、功率容量、群時(shí)延等技術(shù)指標(biāo)。其次，本文闡述了時(shí)域離散分析和基于z變換的綜合設(shè)計(jì)方法等常用的超寬帶濾波器設(shè)計(jì)方法。依據(jù)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶帶通濾波器的特性，

49、采用微帶多諧振蕩器設(shè)計(jì)了一種開槽諧振子的多諧振蕩器和一種未開槽諧振子的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)微波高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶濾波器，同時(shí)還設(shè)計(jì)了由一對(duì)諧振子組成的多諧振蕩器和由單一諧振子組成的多諧振蕩器實(shí)現(xiàn)微波高低通級(jí)聯(lián)的超寬帶濾波器，并給出了濾波器設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料屬性。最后，本文借助仿真軟件HFSS對(duì)由開槽諧振子和未開槽諧振子組成多諧振蕩器的高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器和由一對(duì)諧振子和單一諧振子組成多諧振蕩器的高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波器進(jìn)行仿真，并結(jié)合仿真結(jié)果對(duì)正向傳輸系數(shù)S21和回波損耗S11進(jìn)行了分析，分析結(jié)果表明由開槽諧振子組成的濾波器和由一對(duì)諧振子組成濾波器可使高頻段或低頻段的微波信號(hào)通過(guò)濾波器，且通帶頻段

50、較寬實(shí)現(xiàn)高低通級(jí)聯(lián)超寬帶濾波。致 謝楊柳岸邊，林蔭道旁，走在大學(xué)生活的盡頭?；叵肫疬@四年的點(diǎn)點(diǎn)滴滴，感激之情油然而生。在此，我謹(jǐn)向在大學(xué)期間關(guān)心、支持和幫助過(guò)我的老師、同學(xué)、親人和朋友致以衷心地感謝。正因?yàn)橛心銈兊年P(guān)心和陪伴，我的大學(xué)生活才能如此充實(shí)和美好，我的畢業(yè)論文才能順利完成。首先要感謝的是我的導(dǎo)師，老師對(duì)我的論文的選題、開題、撰寫以及修改等方面傾注了大量的時(shí)間和精力。老師認(rèn)真負(fù)責(zé)、鍥而不舍的精神給我留下了深刻的印象。老師在日常生活中對(duì)我的關(guān)懷和照顧使得我在平時(shí)的學(xué)習(xí)、生活和科研等方面受益匪淺。在此，我要向老師表示衷心地感謝，感謝您在我人生成長(zhǎng)道路上給予的體恤和諄諄教誨，這不僅是我讀書期

51、間的寶貴財(cái)富也必將深深影響我以后的人生道路。感謝所有幫助我的同學(xué)，與他們共同學(xué)習(xí)才使我思路更加開闊，并取得了不錯(cuò)的成績(jī)。感謝在讀書期間認(rèn)識(shí)我和我認(rèn)識(shí)的所有人，有你們伴隨，才有我學(xué)習(xí)生活的豐富多彩，絢麗多姿。感謝我的父母，他們?nèi)蝿谌卧?，一直默默無(wú)私地支持和鼓勵(lì)我，是伴我在人生道路不斷前進(jìn)的最大精神支柱?？上чL(zhǎng)久以來(lái)都沒(méi)有機(jī)會(huì)對(duì)他們說(shuō)聲謝謝，在這里我要特別感謝他們。最后，衷心感謝參與論文審閱和論文答辯的各位老師、專家付出的辛勤工作。參考文獻(xiàn)1 Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commissions Rule

52、s Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems,“First Report and Order,” FCC 02J. V48, April, 2002.2 官雪輝, 陳鵬, 劉海文, 等. 超寬帶濾波器的研究現(xiàn)狀與進(jìn)展J. 華東交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2011, 28(1): 7-14.3 李奇. 無(wú)線通信中微帶濾波器的研究與設(shè)計(jì)D. 西安: 西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院, 2011.4 王磊. 小型化超寬帶濾波器及雙模濾波器的研究與設(shè)計(jì)D. 電子科技大學(xué), 2011.5 Saito A, Harada H, Nishikata A. Developme

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