微波大作業(yè)——濾波器新技術(shù)研究

1、微帶濾波器新技術(shù)研究一：微帶折線槽帶阻濾波器研究1.1微帶折線槽帶阻濾波器 一種新型的微帶帶阻濾波器的設(shè)計方法, 即在微帶線上添加折線槽結(jié)構(gòu), 顯示出良好的窄帶帶阻特性。相比原濾波器, 添加了折線槽結(jié)構(gòu)的帶阻濾波器增加了一個窄帶阻帶, 形成具有兩個阻帶的濾波器, 其中較窄的阻帶S21低于-20dB的頻率范圍為8.7GHz-9.1GHz，較寬的阻帶S21低于-20dB的頻率范圍為12.3GHz-15.7GHz。在此基礎(chǔ)上, 討論折線槽結(jié)構(gòu)的長度和位置對帶阻濾波器性能的影響。1.2 結(jié)構(gòu)模型分析折線槽結(jié)構(gòu)是一種簡單的缺陷結(jié)構(gòu), 即在微帶線上刻蝕一個折線槽, 易于操作且不會導(dǎo)致尺寸的增大這種結(jié)構(gòu)具有

2、優(yōu)越的帶隙特性, 可被用于濾波器的設(shè)計陰。將周期型折線凹槽結(jié)構(gòu)用于微帶禍合帶阻濾波器的設(shè)計, 可獲得更寬的阻帶寬度以及更加陡峭的頻率響應(yīng)特性。微帶折線槽結(jié)構(gòu)如圖1所示,其槽寬度為w ,折線高度為h ,折線長度為l。一般地, 凹槽起電容的作用, 折線起電感的作用。這樣,微帶線添加了折線槽結(jié)構(gòu)也即增加了有效電容和有效電感, 從而也增加了介質(zhì)板的有效介電常數(shù)。折線的橫向及縱向?qū)挾确謩e為a和b , 它們代表了折線槽的周期。折線槽結(jié)構(gòu)的尺寸如表l所示。介質(zhì)板厚度為0.20mm ,折線槽嵌在一個0.19mm寬的50歐姆的微帶線上。圖2所示為微帶折線槽結(jié)構(gòu)的傳輸參數(shù)S11和S2l仿真結(jié)果,由圖可看出,在諧振

3、頻率為1.2GHz處有一個很窄很尖銳的阻帶,傳輸衰減的峰值達到38dB 。表1 折線槽結(jié)構(gòu)尺寸(單位:m m) 表2 微帶折線槽結(jié)構(gòu)的S參數(shù) 表3 折線槽結(jié)構(gòu)的等效電路折線槽結(jié)構(gòu)的等效電路模型為一個LCR諧振器, 如圖3所示?；趥鬏斁€理論及波譜域近似,電路模型參數(shù)可用下列式子表示: 其中,Z0為50歐姆傳輸線的特性阻抗,f0為諧振頻率,S21為傳輸損耗, 為S21的-3dB帶寬如圖2所示, 這種微帶折線槽結(jié)構(gòu)顯示了良好的窄帶帶阻特性1.3 典型參數(shù)設(shè)計本設(shè)計是在一個經(jīng)典帶阻濾波器的50歐姆微帶傳輸線上添加這種折線槽結(jié)構(gòu)做成一個新的帶阻濾波器, 如圖4所示。其中, 折線槽結(jié)構(gòu)的尺寸同表l, 微

4、帶線短線的尺寸由L1 、L2和L3來確定, 兩短線之間的微帶線長度為L4, 折線槽與左邊的微帶線支節(jié)間的距離為L5,50歐姆微帶線的寬度為S。以上參數(shù)的數(shù)值如表2 所示。表2 微帶折線槽帶阻濾波器尺寸（單位：m m） 圖4: 微帶折線槽帶阻濾波器設(shè)計圖 仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。其中, 圖5為未加折線槽結(jié)構(gòu)的微帶帶阻濾波器的S參數(shù)曲線, 圖6為添加折線槽結(jié)構(gòu)的新型微帶帶阻濾波器的S 參數(shù)曲線。未加折線槽縫結(jié)構(gòu)的帶阻濾波器的S 參數(shù)曲線如圖5所示, 此帶阻濾波器有一個較寬的阻帶,S21低于-20dB 的阻帶頻率范圍為12GHz-15.6GHz。添加折線槽縫結(jié)構(gòu)的新型微帶帶阻濾波器的S 參數(shù)曲線如

5、圖6所示, 此帶阻濾波器有兩個阻帶, 其中較寬的阻帶S21低于-20dB的頻率范圍為12.3GHz-15.7GHz,較窄的阻帶S21低于-20dB的頻率范圍為8.7GHZ-9.1GHz,其諧振頻率為8.9GHZz。由此可見, 添加折線槽縫結(jié)構(gòu)的新型濾波器其中一個較寬的阻帶頻率范圍與原來未添加折線槽縫結(jié)構(gòu)的帶阻濾波器的阻帶頻率范圍基本相符。因此, 添加折線槽縫結(jié)構(gòu)可以在基本不影響原濾波器阻帶的情況下, 為帶阻濾波器增加一個窄帶阻帶, 從而構(gòu)成具有不同頻率范圍的一寬一窄兩個阻帶的帶阻濾波器 圖5 未加折線槽結(jié)構(gòu)的微帶帶阻濾波器S參數(shù) 圖6 添加折線槽結(jié)構(gòu)的微帶帶阻濾波器S參數(shù) 2.1 X波段基片集

6、成波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計理論基礎(chǔ)基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，如圖1所示：兩排金屬化通孔的中心間距為a，金屬化通孔的直徑和間距分別為d和p，介質(zhì)基片的厚度和介電常數(shù)分別為w和r，電磁波在介質(zhì)基片的上下金屬面和兩排金屬化空所圍成的矩形區(qū)域內(nèi)以類似于介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)中的場模式傳輸。 圖1 基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)圖W.CHE等人對普通矩形金屬波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)的等效性進行了分析，L.Yan等人提出基于MOL(Method of Lines)的用于分析基片集成波導(dǎo)傳輸特性的全波分析方法，并提出了反映普通矩形金屬波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)之間等效關(guān)系的經(jīng)驗方程對TMx0n而言，其中：a表示等效矩形金屬波導(dǎo)的歸一化寬度，即基片集

7、成波導(dǎo)寬度a與其等效的矩形金屬波導(dǎo)的寬度之比 由于基片集成波導(dǎo)與普通金屬波導(dǎo)具有近似的結(jié)構(gòu)和傳輸特性，可以采用等效矩形金屬波導(dǎo)的模型分析基片集成波導(dǎo)。文中將普通矩形金屬波導(dǎo)的并聯(lián)電感耦合波導(dǎo)濾波器的理論運用到基片集成波導(dǎo)濾波器的設(shè)計之中。并聯(lián)電感耦合波導(dǎo)濾波器是用半波長的波導(dǎo)段作為串聯(lián)諧振器，用電感膜片的并聯(lián)電感作為諧振器間的耦合結(jié)構(gòu)。 設(shè)計方法：(1)設(shè)僅有TE10單模傳輸，選定低通原型，實現(xiàn)低通與帶通之間的轉(zhuǎn)換。 g0、g1、g2、g分別是在頻率0、1、2、上的波導(dǎo)波長，W是相對帶寬。 (2)計算出各阻抗變換器阻抗K。 已知這些阻抗變換器阻抗后，即可對電感膜片的尺寸和諧振器的長度進行設(shè)計。

8、 (3)從各阻抗變換器阻抗計算出各并聯(lián)感抗X。 (4)根據(jù)上面求得的歸一化電抗求出各諧振器的電長度和各諧振器的長度。 各諧振器的電長度： (5)由各耦合膜片的感抗和矩形波導(dǎo)膜片電感加載關(guān)系曲線求出電感膜片的尺寸。 (6)利用矩形金屬波導(dǎo)與基片集成波導(dǎo)的等效關(guān)系，通過式(1)式(4)將普通金屬波導(dǎo)并聯(lián)電感耦合濾波器所得到的設(shè)計尺寸轉(zhuǎn)換為基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾波器的尺寸。1.2基片集成波導(dǎo)與微帶過度的設(shè)計測試基片集成波導(dǎo)器件既不能利用傳統(tǒng)測試金屬波導(dǎo)的實驗裝置，也不能利用測試微波毫米波平面電路的實驗裝置。文中利用基片集成波導(dǎo)易與其他微波平面電路集成的特點，采用微帶漸進線，如圖2所示，實現(xiàn)基片集成波導(dǎo)與

9、50 微帶線的過渡，通過50 微帶線實現(xiàn)對基片集成波導(dǎo)濾波器的測試。經(jīng)HFSS 10仿真優(yōu)化后，得到如下的過渡尺寸：l=4 mm，w=064 mm，d=18 mm。 1.3基片集成波導(dǎo)濾波器的設(shè)計文中設(shè)計的基片集成波導(dǎo)帶通濾波器參數(shù)如下：濾波器的中心頻率是95 GHz，通帶9199 GHz(相對帶寬842)，通帶內(nèi)允許有05 dB的波紋，阻帶頻率分別是83 GHz和107 GHz，阻帶上的最小衰減是40 dB。該濾波器采用9階切比雪夫并聯(lián)電感耦合波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基片選用高介電常數(shù)基片CER_10(介電常數(shù)是95，厚度是063 mm)。選用高介電常數(shù)基片一方面可以有效地減小基片集成波導(dǎo)濾波器

10、的尺寸，另一方面由于高介電常數(shù)基片的損耗正切相對較大，也會增加基片集成波導(dǎo)濾波器的插入損耗。 X波段基片集成波導(dǎo)濾波器尺寸如下：基片集成波導(dǎo)尺寸：a=8.1mm，p=0.8mm，d=0.4mm。每對電感膜片間距：w1=5.25mm，w2=4.04mm，w3=3.65mm，w4=3.46mm，w5=3.36mm。各諧振器長度：L1=5.23mm，L2=5.82mm，L3=6.04mm，L4=6.11mm，L56.12mm。1.4仿真分析 由仿真結(jié)果可知，該濾波器的中心頻率是95 GHz，帶寬是1 GHz，通帶內(nèi)插入損耗是19 dB，回波損耗50 dB。 利用惠普8510矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試，實

11、測結(jié)果，如圖4所示。由實測結(jié)果可知，該濾波器的中心頻率是958 GHz，帶寬是800 MHz，通帶內(nèi)插入損耗是38 dB，紋波是02 dB，回波損耗44 dB。實測插入損耗偏高是因為實測插入損耗除了濾波器本身的損耗外還包括一對SMA接頭的損耗和微帶漸變線過渡的損耗。實測中心頻率向高頻段漂移了80 MHz，帶寬減小了200 MHz，主要是由基片的介電常數(shù)不穩(wěn)定造成的。在頻率是14 GHz的地方出現(xiàn)寄生通帶是基片集成波導(dǎo)中的高次模相互作用的結(jié)果，可以通過調(diào)整諧振器的長度使寄生通帶遠離濾波器通帶。加工實物，如圖5所示。 學(xué)習(xí)心得：通過此次微波大作業(yè)的學(xué)習(xí)和設(shè)計，我充分認(rèn)識到了以前課堂上老師講述的理論

12、的深刻含義。以前只是知其然不知其所以然。然而在書寫這份論文時，為了弄懂某個公式或名詞含義，我不得不上網(wǎng)查找大量資料。通過對比各種文獻、期刊，最后匯集各種解釋，我對這些理論才有了較為清醒、深刻的認(rèn)識。對于濾波器，有高通、低通、帶通、帶阻等基本分類。每種濾波器都有其獨特的功能，它們之間有明顯的優(yōu)缺點，不分誰最好誰最壞，只是針對某個問題誰最適合而已。我們設(shè)計一個實際功能的微帶濾波器，首先要知道它所要求的技術(shù)指標(biāo)，根據(jù)技術(shù)指標(biāo)選用合適的濾波器，然后設(shè)計相關(guān)參數(shù)。微帶濾波器工作于微波波段，老師曾說過：“微波波段下，一點小小的誤差就可能引起器件性能的改變，比如電感變作電容，電容變作電感?！币虼嗽谟嬎銥V波器性能指標(biāo)的時候，我不得不小心翼翼，生怕弄錯。在此過程中，為了查看所設(shè)計的濾波器的性能，我利用ADS軟件對相關(guān)步驟進行了參數(shù)設(shè)置以及最后的仿真，在微調(diào)參數(shù)的情況下盡可能的得到了最優(yōu)化的設(shè)計。這不