小型化微帶諧振器濾波器的設計

1、南京郵電學院碩士學位論文小型化微帶諧振器濾波器的分析與設計姓名：鄧哲申請學位級別：碩士專業(yè)：電磁場與微波技術指導教師：朱洪波;程崇虎20050701摘要近年來，隨著無線通信技術的不斷迅速發(fā)展，系統(tǒng)對射頻收發(fā)端提出了越來越高的要求。而微波濾波器作為系統(tǒng)中廣泛使用的一種十分重要的無源器件，它的性能好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。微帶濾波器具有尺寸小、重量輕、成本低、易加工的優(yōu)點，在微波平面電路甚至微波集成電路中得以廣泛應用。微帶濾波器的種類和實現(xiàn)形式多種多樣，小型化高性能的微帶諧振器濾波器在實際使用中最為常見。本文分別以幾種常用的微帶諧振器濾波器為研究對象。進行了分析與設計。論文的研究工作主要集中

2、在以下幾個方面：微帶發(fā)央型諧振器濾波器的實驗研究。使用了幾種不同的發(fā)央型諧振器和不同禍合方式分別設計了三階和四階的帶通濾波器，通過實驗對這幾種濾波器進行了分析研究，得到了一些具有實際應用價值的結論。三角形微帶貼片濾波器的改進設計。在對原有三角形微帶濾波器設計方案進行研究分析的基礎上，提出了改進措腌。實驗和測量結果均表明改進后的濾波器克服了原有的缺陷，性能得到很大改善，可以得到廣泛應用。提出了幾種新型的雙模微帶諧振器濾波器。以雙模微帶諧振器的模式分析為基礎，分別使用方形、圓形貼片諧振器和曲折環(huán)諧振器設計出了結構新穎的雙模濾波器。進一步，本文獨創(chuàng)性地提出了一種以多模方式工作的微帶方形貼片寬帶濾波器

3、。最后總結全文，展望微波濾波器的發(fā)展前景。對當前濾波器設計的一些熱門技術領域如、工藝等做了簡介。關鍵詞：微波濾波器微帶線發(fā)夾型諧振器雙模諧振器，（），（），：，。，。，：南京郵電學院碩士學位論文摘要學科、專業(yè)：工學電磁場與微波技術研究方向：無線通信與電磁兼容作者：二絲級研究生鄧哲指導教師筮送遮墨塞虐題目：小型化微帶諧振器濾波器的分析與設計英文題目：主題詞：微波濾波器微帶線發(fā)夾型諧振器雙模諧振器：。本課題獲國家自然科學基金重點項目資助（）南京郵電學院學位論文獨創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的學位論文是我個人在導師指導下進行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外，論文中不

4、包含其他入已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得南京郵電學院或其它教育機構的學位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。研究生簽名：日期南京郵電學院學位論文使用授權聲明南京郵電學院、中國科學技術信息研究所、國家圖書館有權保留本人所送交學位論文的復印件和電子文檔，可以采用影印、縮印或其他復制手段保存論文。本人電子文檔的內容和紙質論文的內容相一致。除在保密期內的保密論文外，允許論文被查閱和借閱，可以公布（包括刊登）論文的全部或部分內容。論文的公布（包括刊登）授權南京郵電學院研究生部辦理。研究生簽名：導師簽名：量墮苧墮！塑堡主嬰塞蘭蘭

5、絲堡皇笙二蘭墮堡第一章緒論微帶濾波器簡介近年來，伴隨著移動通信、衛(wèi)星通信、雷達和遙感技術的不斷迅速發(fā)展，系統(tǒng)對射頻收發(fā)端提出了越來越高的要求。而微波濾波器】【】作為系統(tǒng)中廣泛使用的無源器件之一，它的性能好壞將直接影響到整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。濾波器的根本功能在于抑制不需要的頻段信號，而使需要的頻段信號順利通過。從長波、中波經(jīng)微波、毫米波直到光波的所有波段都需要濾波器。微波濾波器還能替代其它一些微波元件的功能，例如實用中常把幾個濾波器組合成雙工或多工器，以分離或迭加信號；或者把另外一些微波元件看成微波濾波器的結構進行設計，如定向耦合器、阻抗匹配器、時延網(wǎng)絡等等。微波濾波器的種類繁多，按照所用傳輸線的類型

6、來分，就可分成波導濾波器、同軸腔濾波器、微帶線濾波器、帶狀線濾波器等。微帶濾波器和波導、同軸線等微波濾波器的主要區(qū)別僅在于傳輸線形式的不同。在主要特點方面，例如采用半集中參數(shù)或分布參數(shù)結構是相同的，因此有關微波濾波器的一些基本概念和基本設計方法對微帶濾波器也適用。波導、同軸線等腔體濾波器因具有優(yōu)越的性能指標而在各類微波系統(tǒng)中獲得了廣泛的應用，但是成本高、體積大、重量大、難以集成化等缺點使其難以應用到小型化的系統(tǒng)中。微帶濾波器【】【】則因其尺寸小、重量輕、成本低、易加工而在微波平面電路甚至微波集成電路中得以廣泛應用?？紤]到微帶線半丌放式的場結構，損耗大誠然是一個缺點，但通過精心選擇介質基片材料，

7、不斷改進加工工藝，提高制作精度，已經(jīng)可以將其明顯降低。微帶濾波器的由來理想的濾波器應該是這樣一種二端口網(wǎng)絡，如圖所示：在通帶范圍內它能使信號完全傳輸，而在阻帶范圍內它使信號完全不能傳輸。然而在實際工程中，我們只能設計一個盡可能接近理想濾波特性的濾波器，并用參數(shù)來描述它的性能。圖濾波器等效二端網(wǎng)絡低頻模擬電路中的濾波器是由串并聯(lián)諧振回路構成的，其特點是電感、電容、電里塞墮皇蘭墮堡主墅窒圭蘭垡堡蘭苧二童墮堡阻等電路元件均為集總參數(shù)，其尺寸遠小于工作波長，因此信號通過濾波器時電磁波傳播的幅度和相位可以看成是不變的。但是在微波波段，隨著頻率的升高，特別是當工作波長與元件尺寸可以相比擬（即電長度較大）的

8、時候，就必須考慮到電磁波幅度與相位的變化，這時集總元件濾波器將失去原有特性。在這種情況下就要使用分布參數(shù)濾波器來代替。微帶線就是一種常用的分布參數(shù)，它使得濾波器的設計由集總參數(shù)擴展到分布參數(shù)的領域。微波電路的理論與低頻電路的理論是不一樣的，必須用電磁場的理論來處理。微帶濾波器的綜合設計方法最常見的是插入損耗法【】【】，它的基本步驟大致如下所述。首先根據(jù)給定指標確定低通原型濾波器的集總參數(shù)值，然后經(jīng)過阻抗變換實現(xiàn)與信號源和負載的匹配，再經(jīng)過頻率變換實現(xiàn)要求的通帶形式。最后把集總參數(shù)轉化為對應的分布參數(shù)用微帶線來實現(xiàn)，這個過程是由變換來實現(xiàn)的。整個設計流程如圖所示，圖給出一個集總參數(shù)低通濾波器用分

9、布參數(shù)來實現(xiàn)的例子，由網(wǎng)絡變?yōu)楦叩妥杩棺儞Q微帶線的形式。其中，串聰電感可用高阻微帶短線來實現(xiàn)，并聯(lián)電容可用低阻微帶短線來實現(xiàn)。圖插入損耗法的設計流程圖們圖集總參數(shù)濾波器轉化為分布參數(shù)的微帶線低通濾波器在上述設計步驟中，最關鍵也是最難的一步是用分布參數(shù)的形式來實現(xiàn)集總元件參數(shù)的濾波器，特別是在串并聯(lián)諧振回路結構復雜的情況下。所以用開路、短路短截線級聯(lián)來實現(xiàn)的微帶濾波器極為少用。但是依據(jù)這種基本理論衍生而出的其它多種設計過程和結構形式卻得以在實際中廣泛使用。微帶濾波器的主要指標微帶濾波器設計中需要考慮的一些主要指標列在下面，可根據(jù)圖中的濾波器指標示意圖進行對照。！型宴學院碩士研究生學位論文第一章緒

10、論：嚴格意義上來說，帶寬又可以劃分為噪聲帶寬、帶寬、奈奎斯特帶寬、滾降系數(shù)帶寬等若干種，使用時要明確加以區(qū)分。在本文的微波濾波器設計中一般所指均為帶寬，即通帶衰減達到時對應的上下限截止頻率和正之間的寬度，相對帶寬定義為絕對帶寬與中心頻率五的比值，表達式如下。船：量五，：在電路中由于插入濾波器所導致的信號損耗，用￥參數(shù)來定量描述，以為量度單位，定義式為四，。與帶寬相對應，一般認為通帶插損不超過。對阻帶衰減的標準各不相同，一般認為至少大于。：用參數(shù)來定量描述，以為量度單位，定義為反射功率與輸入功率己的比值再取對數(shù)，即）魯?；夭〒p耗表征了通帶內的駐波特性，與外部電路的匹配狀況，一般認為至少要大于。：

11、濾波器的品質因數(shù)描述了濾波器的頻率選擇性，定義為在諧振頻率點時，平均儲能與每周期損耗能量的比值，它的表達式如下式。平均儲能。葡葫甜蓮藤一品質因數(shù)分為加載品質因數(shù)。、濾波器固有品質因數(shù)，和外部品質因數(shù)鯨三種情況，它們之間有如下關系。】。萄蒜西西西：為滿足濾波器規(guī)格而通常必須連接到濾波器的輸出終端的阻抗，在實際工程中多數(shù)情況下取歐姆。：用于描述頻率響應曲線在濾波器通帶內的變化，定義為通帶內頻率響應曲線上幅度的最大值與最小值之差。群時延：微波濾波器做為時延網(wǎng)絡當信號通過時相位要發(fā)生變化。插入相移辦是頻率的函數(shù)，插入相移頻率特性曲線的斜率就稱為群時延，定義式為善。當通帶內的相移特性具有線性相位時，群時

12、延恒定；否則信號就會產(chǎn)生畸變量墮墮墮塑塑墅生蘭墮窶竺蘭墼一蔓二蘭墮堡意生熏蔗：由于微波濾波器采用的是分布參數(shù)元件，頻率響應具有周期性，隨著工作頻率的升高，這些元件的感性和容性將發(fā)生轉化，故在阻帶中又會出現(xiàn)通帶。這種通帶就是寄生通帶。在設計時，應盡量消除寄生通帶，或使之遠離需要抑制的頻段。磚輸毒點：傳輸零點又叫衰減極點或者陷波點，是指從通帶到阻帶過渡段中一個明顯的下陷點傳輸零點的出現(xiàn)意味著濾波器的帶外抑制能力非常好。圖中的陰影處所注明的地方即為傳輸零點。 圖濾波器的指標分析示意圖微帶濾波器的分類按照不同的標準，微帶濾波器的分類多種多樣。按基本功能分類，有低通、高通、帶通、帶阻四種基本類型，每一種

13、類型都可以由其對應的低通原型通過頻率變換轉化而來。按照實現(xiàn)的傳遞函數(shù)可以分為（巴特沃茲）、（切比雪夫）、（橢圓）、（高斯）、（貝塞爾）等類型，其中前三種較為常用。濾波器又稱為最大平滑度濾波器，就是說它的頻率響應曲線非常平滑，也正因為如此通帶到阻帶的過渡段很難做的很陡峭。濾波器的設計理論來源于多項式，它的頻率響應曲線的特點是在通帶內產(chǎn)生等幅的波紋。由于濾波器的設計相對于濾波器需要更多的部件，因而具有比較陡峭的通帶到阻帶過渡段。橢圓函數(shù)濾波器又叫考爾濾波器，它的頻率響應曲線在通帶和阻帶內都具有波紋，能實現(xiàn)最陡峭的過渡段，因而它的帶外抑制能力最強。上述幾種傳遞函數(shù)都是按照濾波器的幅度特性進行分類的，

14、但是有些場合要求濾波器通帶內具有線性相位防止信號失真。線性相位濾波器對通帶內的相位響應函數(shù)有專門的要求。一般來說，通帶的帶外抑制能力和帶內相位的線性度是一對矛盾。按照濾波器對輸入能量的處理方式分為吸收型濾波器和反射型濾波器本文中所討論的都是反射型濾波器，即在理想情況下通帶頻段以外的信號將被反射回信號源去。量墮墮墮塑堡塑生墅！堡蘭堡絲塞蘭二蘭塑堡按照微帶濾波器實現(xiàn)的結構形式，包括平行耦合線濾波器、梳狀線濾波器、交指線濾波器和發(fā)夾型濾波器等多種形式以及在此基礎上靈活的變形。平行耦合微帶線濾波器【】【】做為出現(xiàn)較早的一種濾波器，由于其簡單易行的設計長期以來受到了廣泛的關注。它是由若干個平行耦合節(jié)沿水

15、平方向依次級聯(lián)而成的。其中單節(jié)平行耦合微帶線是構成整個濾波器的基本單元【，對單節(jié)平行耦合微帶線的設計就構成了整個濾波器設計的基礎。圖給出了作者設計的一個工作于波段的平行耦合線微帶濾波器的實物照片，仿真與測量結果如圖所示。 圖波段平行耦臺微帶線帶通濾波器實物照片（圖波段平行耦臺微帶線帶通濾波器的仿真與測量頻率特性圖中的平行耦臺線濾波器的尺寸為。由圖的頻率特性曲線可以看出，濾波器通帶內衰減都小于，駐波特性也較為滿意，從而保證了端口的匹配。從圖中還可以看出該濾波器的通帶一阻帶過渡段比較陡峭。針對上述設計中存在易受到高次諧波干擾的問題，近兩年來一些文獻】一對平行耦合線濾波器做出了改進設計。例如可以在平

16、行耦合節(jié)上采用過耦合措施【】、丌一系列的凹槽【】或者加曲線環(huán)、圓環(huán)諧振器【】等，可以在濾波器上面覆蓋介質層，這些方法經(jīng)過實驗驗證都能有效地克服原有缺陷，有效地抑制了高次諧波分量。梳狀線【】和交指線形式【】【】的微帶濾波器基本結構示意圖分別如圖、圖所示：一只五階的梳狀線濾波器（），采用抽頭線饋電方式；一只五階的交指線濾波器（），采用平行禍合線的饋電方式。梳狀濾波器是依靠各量墮塑墜壁墅型塑主塑塑竺型塞笙二蘭墮堡級諧振線之間的逐級耦合實現(xiàn)其濾波特性的，可以由微帶線制成，一般使用四分之波長諧振器。諧振器的端通過過孔接地：另一端可以保持開路，也可以通過電容后接地，通過電容能夠有效地減小諧振器的長度。交指

17、濾波器與梳狀濾波器的主要區(qū)別在于設置接地過孔的相對位置不同。另外，圖和圖所示的兩種濾波器均為本實驗室自主設計的方案，經(jīng)實驗測量都取得了滿意的性能指標。圖梳狀線濾波器結構示意圖圖交指線濾波器結構示意圖 圖本實驗室自主設計的濾波器結構示意圖幽本實驗室自主毆計的濾波器實物照片仿真軟件與測量儀器簡介本文設計中所使用的仿真軟件為和，它們在用于維微波平面電路的仿真時具有方便可靠的優(yōu)點。測量儀器是矢量網(wǎng)絡分析儀。下面分別對其進行簡要的介紹。仿真軟件（）是基于矩量法仿真的軟件，是在系列軟件基礎上發(fā)展完善起來的大型綜合設計軟件，是安捷倫公司開發(fā)的大型綜合設計軟件，為系統(tǒng)和電路工程師提供一個開發(fā)各種形式射頻設計的

18、平臺。做為套強大的電子設計自動化軟件，可以模擬整個通信系統(tǒng)，完成小至元器件，大到系統(tǒng)級的設計和分析。它把廣泛的經(jīng)過驗證的射頻、混合信號和電磁設計工具集成到個靈活的環(huán)境中。尤其是其強大的仿真設計手段可在時域或頻域內實現(xiàn)對數(shù)字或模擬、墮重堡皇堂豎堡主墮至蘭蘭些絲奎篁蘭些絲線性或非線性電路的綜合仿真分析與優(yōu)化。并可對設計結果進行成品率分析與優(yōu)化，從而大大提高了復雜電路的設計效率，使之成為設計人員的有效工具。還提供了一種新的濾波器的設計向導，可以使用智能化的設計規(guī)范的用戶界蕊來分析和綜合射頻微波回路集總元件濾波器，并可提供對平面電路進行場分析和優(yōu)化功能。本文使用設計微帶濾波器主要是使用其中的菜單下的命

19、令，分別定義頻率范圍、材料特性等參數(shù)。仿真軟件是一個基于矩量法的電磁場仿真工具，它集成了全波電磁仿真和最優(yōu)化包，可以解決多層介質環(huán)境下的三維金屬結構的電流分布問題。它利用積分的方式求解方程組，從而解決電磁波的效應、不連續(xù)性效應、耦合效應、和輻射效應問題。仿真結果包括、參數(shù)，等效電路，電流分布，近場分布和輻射方向圖，方向性，效率和等。在微波毫米波集成電路（）、印制板電路、微帶天線、線電線和其它形式的天線、電路及濾波器、的內部連接和高速數(shù)字電路封裝方面是一個非常有用的工具。矢量網(wǎng)絡分析儀矢量網(wǎng)絡分析儀可進行全面的射頻和微波元件評測。包括集成的合成源、測試裝置和調諧接收機。內置的參數(shù)測試裝置提供正向

20、和反向的全范圍幅度和相位測量。內部矢量精度增強技術包括全二端口、適配器移除和可選的校準。系列包括種訊和種參數(shù)網(wǎng)絡分析儀，覆蓋范圍分別為、和。它具有下列特性：至的覆蓋范圍、的動態(tài)范圍、高測量精度、個測量通道、個顯示通道、頻率和功率掃描、快掃描和數(shù)據(jù)傳輸速度、通過，失敗測試，強大的標記功能。此外還具備電校準（）功能、自動化內部使用鋇怖序列。本文的主要內容第一章首先介紹了微帶濾波器的基礎知識，包括它的基本定義、主要指標和大致分類情況。同時介紹了幾種基本形式的微帶濾波器，包括對平行耦合線濾波器進行了設計。第二章對微帶發(fā)夾型諧振器濾波器做了深入的實驗研究。微帶發(fā)夾型諧振器濾波器具有尺寸小、成本低、易于集

21、成等優(yōu)點，在微波平面電路的設計中有著良好的應用前景。此前一些相關的研究文獻都是只針對某一季申特定的發(fā)夾型諧振器進行濾波器的分析設計，而沒有對各種不同諧振器的性能指標與濾波器設計要求進行比較研究。本章使用幾種不同的塑室堅皇蘭墮堡主塑塞蘭量堡堡塞墨二里塹堡發(fā)夾型諧振器和不同耦合方式分別設計了三階和四階的帶通濾波器，通過實驗對這幾種諧振器濾波器進行了分析研究，得到了一些具有實際應用價值的結論。第三章以微帶三角形諧振器濾波器為研究對象。近年來出現(xiàn)了一些由雙模微帶三角形貼片諧振器設計的濾波器，這類濾波器結構簡單，尺寸小，通帶損耗小，功率容限大。但是也都存在一些共同缺陷，諸如帶外抑制能力較差，容易受到高次

22、諧波分量的干擾等等。本章在原有設計的基礎上，提出了新的改進措施。實驗和測量結果均表明。改進后的濾波器克服了原有的缺陷，性能得到很大改善，可以得到廣泛應用，特別在高溫超導（）工藝中具有更加誘人的應用前景。第四章的重點放在雙模微帶諧振器濾波器。雙模微帶諧振器用于微波濾波器的設計時具有獨特的優(yōu)點，包括方形、圓形、曲折環(huán)等多種形式的雙模諧振器都已經(jīng)被廣泛的應用于濾波器的設計。本章結合著雙模微帶諧振器的模式分析，分別使用方形、圓形微帶貼片諧振器和曲折環(huán)諧振器設計出了結構新穎的雙模濾波器，并對每種濾波器的測量結果進行了分析和性能評價。本章還在雙模濾波器設計的基礎上獨創(chuàng)性地提出了一種多模方式工作的微帶方形貼

23、片帶通濾波器，即設計出的帶通濾波器不使用。和。這一對簡并主模，而是利用三個高次模分量。通過一種簡單的微擾方式和饋電方式激勵起除簡并主模以外的三個高次模分量，并使之相互耦合實現(xiàn)通帶。仿真和測量結果充分說明，這種濾波器能夠實現(xiàn)寬頻段的通帶響應，并且在通帶內具有很低的插損和良好的阻抗匹配特性，能夠廣泛地適用于微波平面電路，克服了一些雙模濾波器通帶內插損偏大，帶寬受限等缺陷。在上述每一章節(jié)的內容安排上，首先進行了簡單的理論分析與說明，然后在廣泛調研的基礎上提出自己的設計方案并對實際測量結果進行分析，得出結論最后第五章總結全文展望微波濾波器的發(fā)展前景，對當前微帶濾波器設計中的一些熱門技術領域如、工藝技術

24、等做了簡介。同時對作者在研究工作中的一些感受進行了小結。第二章微帶發(fā)夾型諧振器濾波器的實驗研究引言第一章里面討論過的平行耦合線濾波器、梳狀線濾波器和交指濾波器等都是微帶濾波器常采用的形式，但是這些形式的濾波器往往存在著各自的缺陷。例如平行耦合線濾波器由于各平行耦合節(jié)在一個方向上級聯(lián)，故尺寸較大；梳狀線濾波器和交指濾波器則需要接地過孔，這樣在高頻工作情況下就會不可避免地引入誤差。以上因素在一定程度上限制了這些形式的推廣應用。微帶發(fā)夾型諧振器作為一種常見的諧振器，通過適當?shù)鸟詈贤負浣Y構實現(xiàn)的濾波器可以看成是諧振腔體濾波器在平面的應用特例。它一方面結構比較緊湊，減小了尺寸、重量和成本；另一方面不需要

25、接地，消除了過地孔引入的誤差，比平行耦合線濾波器和梳狀線交指線濾波器有更好的電性能，因而在微波平面電路中使用較多。微帶發(fā)夾型諧振器濾波器【】【】具有尺寸小、成本低、易于集成等優(yōu)點，在微波平面電路的設計中有著良好的應用前景。此前一些文獻對此進行過研究報道，但都是只針對某一種特定的發(fā)興型諧振器進行濾波器的分析設計，而沒有對各種不同諧振器的性能指標與濾波器設計要求進行比較研究。本章使用幾種不同的發(fā)夾型諧振器和不同耦合方式分別設計了三階和四階的帶通濾波器，通過實驗對這幾種諧振器濾波器進行了分析研究，得到了一些具有實際應用價值的結論。發(fā)夾型諧振器及其耦合幾種結構的發(fā)夾型諧振器微帶發(fā)夾型諧振器也叫形諧振器

26、，其具體形式較多。圖給出了五種形式的發(fā)夾型諧振器的結構示意圖。（）是結構最簡單也是實際中最經(jīng)常使用的一種發(fā)夾型諧振器】，但是當它工作于較低頻段時會占用較大尺寸：（）和（）這兩者的結構相似，都常被用做半波長型諧振器。但前者的兩個分支開路端附近的平行傳輸線具有內部耦合線特性，該特性可以減小濾波器尺寸，使結構緊湊。（）是由階躍阻抗諧振器演變而來的。此外，其它一些結構形式如（）所示的方形開環(huán)諧振器【】和（）所示的環(huán)形諧振器【】也可以看成是特殊的發(fā)夾型諧振器，已被用于濾波器的實際設計之中墾墮苧墮差墮堡圭塑壅生！型奎蘭三蘭，傲鲞壟壅型墮塑堡堅墼墨塑壅竺嬰塞（曲口凹（田（）圖五種形式的發(fā)夾型諧振器結構示意圖

27、發(fā)夾型諧振器之間的耦合耦合即能量以某種方式到諧振器的輸入和輸出，兩個發(fā)夾型諧振器之間的耦合根據(jù)諧振器放置的相對位置可分為電耦合、磁耦合和混合耦合三種情況【】【】。以圖（）所示的諧振器為例，各種類型的耦合示意圖如圖所示。電稿合磁§臺亡亡匕混合耦臺一混合耦合二幽諧振器之間的二種耦合方式上述的每種方式都是相鄰諧振器通過邊緣場的耦合，諧振器的間距和相對位置偏移決定了耦合系數(shù)的大小。當發(fā)夾型諧振器在諧振頻率時，兩臂的開路端處具有最大電場，在中間的連接臂處具有最大磁場。因此，兩諧振器放置的相對位置就決定了何種耦合方式占主要地位。圖給出了耦臺結構的場分析，電耦合情況下，兩個發(fā)夾型諧振器的相對開路端

28、處電流為，相互之間產(chǎn)生一個很強的電場，中心面處的電場強度達到最大，從圖中電力線分布來看相當于一個理想電壁；磁耦合的情況下，兩個發(fā)夾型諧振器的中部電流最大，電場為，中心面處產(chǎn)生的磁場達到最強，從圖中磁力線的分布來看相當于一個理想磁壁。混合耦合的情況包括了電耦合和磁耦合兩種特性。工叫山隧一，一山巴一一南京郵電學院碩士研究生學位論文筻三矍墮萱壟墨型墮墨墅鯊望矍塑壅墮竺壅育】電輔合時內電場分析磁禍臺時的磁場分析圖耦合結構的場分析為求解每種耦合情況下的耦合系數(shù)，使用的本征模求解（）功能，工作界面如圖所示。和分別對應是軟件計算結果中除靜態(tài)模以外的第一個模和第二個模的諧振頻率，通過軟件計算得到和的電場分布也

29、可以發(fā)現(xiàn)，它們恰好對應兩諧振器的中心面分別為電壁和磁壁時的模式。 圖使用進行本征模分析南京郵電學院碩七研究生學位論文第二章微帶發(fā)夾型諧振器濾波器的實驗研究 幽仿真得到的電耦合晴況模式的電場分布 量塑塑墮塑塑型竺塑竺蘭垡堡皇苧三蘭絲堂壟壅型墮楚蘭塑莖墅塑壅竺塑塞圈仿真得到的磁耦合情況下模式的電場分布從電耦合情況下兩模式的電場分布圖中可以看到，模式一的兩諧振器中心界面處電場最強，可看成電壁，模式二的中心界面處電場很弱，可看成是磁壁。與之相反，從磁耦合情況下兩模式的電場分布圖中可以看到，模式一的兩諧振器中心界面處電場極弱，可看成磁壁，模式二的中心界面處電場很強，可看成是電壁。諧振器之間的耦合系數(shù)可按

30、下列（一）式進行計算。?。ǎ┤绻侨躐詈系那闆r，（）式可以簡化為等。兩諧振器與，之間的標準，十化耦合系數(shù)。與實際禍合系數(shù)之間的關系如下列（）所示：，鴨，其中是相對帶寬，丑÷且（）磁耦合和混合耦合的耦合系數(shù)是正數(shù)，電耦合的耦合系數(shù)取負值。擬合得到的每種耦合情況下耦合系數(shù)與諧振器間距的關系曲線如圖所示（板材介電常數(shù)，厚度）?？梢钥闯?，隨著諧振器間距的增加，耦合系數(shù)逐漸下降。同樣方法得到外部品質因數(shù)與抽頭線的位置的關系】，隨著的增加，逐漸下降。攝懈簪撩憔婭震圖，耦合系數(shù)與諧振器間距的關系圖圜抽頭線的位置與外部品質因數(shù)的關系耦合拓撲結構耦合拓撲結構大體上可以劃分為級聯(lián)耦合】和交叉耦臺大類。級

31、聯(lián)耦合濾波器的階諧振器沿一個方向依次排開，只有一條耦合路徑，并且只有相鄰諧振器之間存在耦合，如圖所示。交叉耦合濾波器的具體實現(xiàn)形式多種多樣且靈活多變，圖給出了較常見的五種結構】（、分別代表信號源和負載端，表示諧振器，實線為主揭合路徑，虛線是輔耦合路徑）。交叉耦臺的表現(xiàn)形式是從信號源到負載端包含不止一條耦合路徑，其中有主禍合路徑和相對較弱的輔禍合路徑，任意兩諧振器（包括信號源和負載端在內）之間都可以產(chǎn)生耦合【】。相對于級聯(lián)耦合，交叉耦臺的最大優(yōu)點是能夠在通帶附近墮室堅皇蘭墮堡主竺圣蘭蘭堡墮塞塑三蘭，傲堡壟壅型墮塑墅墮婆矍塑塞墼堡壅的有限頻率處產(chǎn)生傳輸零點【】，因而濾波器的帶外抑制能力將獲得極大提

32、高，反映到傳輸曲線上就明顯地表現(xiàn)為通帶一阻帶過渡段變得極為陡峭。使用交叉耦合的諧振器濾波器比普通級聯(lián)型的濾波器具有更好的頻率選擇性，同時減少所需諧振器的數(shù)目。交叉耦合的本質含義是：微波信號可以分成幾條不同的路徑從輸入端到達輸出端，不同路徑的電長度不同。如果兩條路徑的電長度在輸出端相差度，則信號相互抵消，在一定頻率處形成陷波點，即傳輸零點。一一咖圖線型級聯(lián)耦合諧振器瑟，洳函地哂（；：心喜卜圖兒種交叉耦合拓撲結構示意圖諧振器之間的耦合拓撲結構在很大程度上決定了濾波器的濾波特性，它的樣式也是不斷推陳出新，逐漸演變】。簡單級聯(lián)型的濾波器不能實現(xiàn)有限頻率傳輸零點，因此有必要引入多路耦合。許多新的諧振器拓

33、撲結構使得源和負載端口可以分別與不止一個諧振器相耦合，從而包含了幾條耦合路徑。使得濾波器在傳輸曲線上產(chǎn)生了傳輸零點，把原本在頻率軸上位于無窮遠處的傳輸零點放置在有限頻率的地方，其結果是大大提高了濾波器的帶外抑制性能。傳輸零點數(shù)目越多濾波器的頻率選擇性越強。有關交叉耦合濾波器能夠產(chǎn)生最大傳輸零點數(shù)目，做了下列闡述總結：第一定律：對于一個連接到信號源和負載的二端口網(wǎng)絡，它所能產(chǎn)生的傳輸零點的個數(shù)滿足：一。，是諧振器的個數(shù)，。是從信號源到負載所經(jīng)歷最短路徑的結點數(shù)。第二定律：第一定律中所提到的諧振器間的耦合在工作頻段范圍內都是同一性質的耦合，即耦合系數(shù)都恒定取正值或負值。如果耦合系數(shù)可以改變符號則將

34、比原來獲得更多的傳輸零點。量墮坐墮蘭墮堡主墮塑蘭！冀笙苧差三童絲堂壟壅型墮塹矍望婆壁箜壅墼堅塑設計實例及測量結果分析三階級聯(lián)濾波器本文首先利用圖中所示的（）、（”、（）三種發(fā)夾型諧振器分別設計了三階級聯(lián)的帶通濾波器。每種諧振器的具體尺寸為：（），；（），：（），。對于級聯(lián)型不含交叉耦合的帶通濾波器，計算外部品質因數(shù)和相鄰諧振器間耦合系數(shù)一般使用下面的通用計算公式（）。，如而。：墨竺，（）、島為集總參數(shù)低通濾波器的原型參數(shù)值，是相對帶寬。每種濾波器的結構示意圖如圖所示，濾波器實物照片如圖所示。從照片中可以看到它們的尺寸都不超過。所有樣片均制作在相對介電常數(shù)為，厚度的仿陶瓷介質基板上，端口阻抗設置

35、為歐姆，采用矢量網(wǎng)絡分析儀進行測量。實測樣品的頻率特性曲線見圖（頻率特性曲線圖編號與圖中的濾波器編號相對應、。幾一品巴 （）圖三階級聯(lián)濾波器結構示意圖圖三階級聯(lián)濾波器實物照片（）硒母（）圖三階級聯(lián)濾波器的測簧結果從濾波器（）的頻響曲線可以看出，該濾波器以為中心頻率，通帶內插損為，反射系數(shù)低于，能夠滿足一般系統(tǒng)的應用條件。濾波器（）的中心頻率為，通帶內最小插損為。雖然依靠諧振器的內部藕合效應減小了濾波器的設計尺寸，但從通帶內曲線可以看出它的測量匹配特性較差，這可能與樣片接地面很小有關，故無法適用在要求低反射條件的場合。前兩者所要求的加工精度都較易滿足。濾波器（）作在通頻段內，帶內傳輸曲線平坦，最

36、小插損為，帶內反射系數(shù)，可見端口匹配特性也較好。但在仿真優(yōu)化調試的過程中發(fā)現(xiàn)，這種濾波器對諧振器間距要求極為嚴格，諧振器間距必須嚴格保持在時才能有最佳濾波特性，而一般制作工藝的最小誤差約為，若按此要求精度進行加工將不可避免地影響成品率。這一點很不利于該類濾波器的批量生產(chǎn)和推廣應用，上述三種濾波器同為級聯(lián)型三階諧振器濾波器，它們的帶外抑制能力都沒有得到足夠的加強。四階交叉耦合濾波器四階交叉耦合濾波器非常適合于設計準橢圓函數(shù)濾波器【，即擁有一對傳輸零點位于通帶附近的截止頻率處以提高帶外抑制能力。以圖（）所示的發(fā)夾型諧振器為例，旦墮坐墮蘭墾堡主旦墨皇蘭！墼塑三里，傲堂蕉壅型堡蒸璺墮蓬矍塑壅墼嬰塑它的

37、四階交叉耦合濾波器的結構示意圖如圖所示。由于非相鄰諧振器之間交叉耦合的引入，設計公式（）不再適用，需要利用公式（）來計算相關耦合系數(shù)。四階交叉耦合濾波器的耦合矩陣具有如下形式：【叫毛鳩其中，【】是對稱矩陣，即虬。圖四階躉義耦臺濾坡器的結構不慈圖而：產(chǎn)、：。；，（為導納特征變換器的參數(shù)值）（）給出的設計指標為：中心頻率，相對帶寬，通帶插損；要求有一對傳輸零點分別位于和。根據(jù)中提出的方法得到低通原型的集總參數(shù)值為，厶。然后利用公式（）計算耦合系數(shù)，對應圖和圖，得出相應的設計尺寸參數(shù)。全部電路制作在相對介電常數(shù)為，厚度的微帶板材上面，端口阻抗設置為歐姆，實際設計的樣品見圖。通過測量后發(fā)現(xiàn)與仿真結果吻

38、合較好，如圖所示 圖圖（）濾波器的實物照片圖圖）階交叉濾波器頻率響應特性從圖可以看到，仿真與測量結果吻合的很好，并且符合給定的指標要求。在以為中心頻率的通帶內插損小于。在保持較小帶內插損和滿意匹配的前提下，可以很明顯地看出在曲線上通帶兩側附近的和處產(chǎn)生了傳輸零點，極大地提高了對阻帶的抑制能力?？梢?，它對阻帶的抑制能力明顯強于前面的三種級聯(lián)型的濾波器，與理論所述相符。該類濾波器非常適合于應用在高選擇性的系統(tǒng)中。對于上述四階交叉耦合濾波器的設計，我們使用上述公式計算出兩諧振器之問的耦合系數(shù)。但是對于多階諧振器采用復雜耦合結構的時候，這種計算將會非常困難。在這種情況下，計算兩腔所需要的耦合系數(shù)，還是

39、用耦合矩陣分析比較好，因為它考慮了不相鄰的諧振器之間的耦合【】。由給定的設計指標首先設定一個代價函數(shù)，然后使用各種優(yōu)化方法。交叉耦合濾波器的設計方法需涉及到耦合矩陣分析及其優(yōu)化算法【】?！窘o出了一個在線的耦合矩陣分析軟件“”。藕合矩陣的提取有兩種方法：綜合法和優(yōu)化法。根據(jù)性能指標，如中心頻率、帶寬、帶內插損、阻帶抑制點等，采用適當?shù)姆椒?，綜合或優(yōu)化出響應的耦合矩陣。這里需要說明的是，由指標獲得耦合矩陣的過程相當復雜且難度極大。就綜合手段而言，到目前為止還沒有一種行之有效的方法。其通用的過程是：由指標構造傳遞函數(shù)，其分子分母均為有理函數(shù)多項式，通過對有理函數(shù)多項式進行多種處理產(chǎn)生初始的耦合矩陣，

40、然后多次旋轉這個耦合矩陣，消去掉不易實現(xiàn)的耦合單元，最終達到所需形式的耦合矩陣：若采用優(yōu)化途徑，首先則通過指標確定濾波器的階數(shù)和耦合矩陣的結構，然后采用合適的優(yōu)化方法來得到滿足指標的禍合矩陣，但是對于離散多變量優(yōu)化問題，目前還沒有一個行之有效的優(yōu)化方法。許多閹題易陷于局部最優(yōu)值，有的甚至找不到最優(yōu)點，研究優(yōu)化方法是微波的一個重要課題?，F(xiàn)在使用較多的優(yōu)化方法有法、共軛梯度法、模擬退火法、遺傳算法等。關于耦合矩陣的分析問題涉及到較深的微波和電路理論，一些文獻僅僅做出了理論方面的闡述，但是最終從給定指標到得到耦合系數(shù)的公式做為專利般是不會公布的。許多堂里蘭墮堡主里塞生堂絲堡苧塑三童堂堂壟壅型堂堡墨婆

41、婆璺塑塞墼翌塞專門生產(chǎn)微波濾波器的研發(fā)部門通過大量實驗造出一個閉式，來對其指標參數(shù)進行計算。這個工作量是非常大的。的文獻【】【】有很詳細的推導過程，耦合矩陣的計算可以據(jù)此設計出完善的程序。結論本章以微帶發(fā)夾型諧振器為研究對象，列舉了幾種發(fā)夾型諧振器，分析了各自的特點。然后依據(jù)耦合原理和耦合拓撲結構，說明了發(fā)央型諧扳器濾波器設計的多樣性和廣泛性。最后依據(jù)上述理論，分別設計了由不同諧振器、不同耦合方式實現(xiàn)的三階和四階帶通濾波器。通過測量得到了實測結果，并結合各自的設計要求與性能特點進行了綜合比較分析，對各種濾波器的可能應用情況進行了說明。發(fā)夾型諧振器濾波器可以廣泛應用于微波平面電路中；同時在交叉耦

42、合情況下具有更加良好的性能。旦室墅皇蘭堡嬰圭嬰壅生蘭垡笙塞蘭蘭童三壟登垡堂！莖璺堡墊矍塑墾鯊堡生第三章三角形微帶諧振器濾波器的改進設計引言三角形微帶諧振器做為一種雙模微帶諧振囂，在用于微波濾波器的設計時具有結構簡單，尺寸小，通帶損耗小，功率容限大等獨特的優(yōu)點。三角形微帶諧振器濾波器予近些年來開始受到關注【】，文獻中對此進行了詳細的理論分析和實例設計。但是從設計出來的雙模帶通濾波器的頻率響應結果來看，它們都存在著一些共同的問題。突出表現(xiàn)在一方面通帶到阻帶的過渡段比較平緩，即使有的結構在阻帶頻段產(chǎn)生了傳輸零點，也是遠離通帶的截止頻率，因而帶外抑制能力差：另一方面在中心頻率的倍頻處會受到高次諧波分量

43、的干擾。即便是采用了兩階結構進行設計，實際上也未能得到較滿意的性能改善。針對三角形貼片濾波器的這些缺點。本章通過采用高介電常數(shù)、厚度較大的介質板材，設置不對稱的輸入和輸出端口，設計了一種改進的三角形貼片濾波器并進行了仿真實驗和實際測量【。仿真與實測結果均表明，改進后的濾波器除保持原有的良好性能外，在通帶兩側附近都產(chǎn)生了傳輸零點，大大提高了對阻帶的抑制能力；而且有效地消除了高次諧波分量對主通帶的干擾。同時，此濾波器仍然由單個三角形諧振器實現(xiàn)，保持了小尺寸的緊湊結構。該濾波器完全適用于常規(guī)的微波電路，在高溫超導（）材料濾波器設計中具有更加誘人的應用前景。三角形微帶諧振器的模式分析圖給出了一個邊長為

44、的等邊三角形微帶諧振器的結構示意圖。豸甏圖：三角形微帶貼片諧振器的結構示意圖在對三角形微帶貼片諧振器進行模式分析【】的時候，首先假設諧振器的上下表面為量墮型墮莖堡堡主塑鱉垡笙苧蔓蘭童三魚蘭墼墮墮堡堡整整堡塑墮壟墾鹽電壁，其它的三個面為磁壁。根據(jù)這種假設三角形諧振器內部的，、，、皿分量都為零，只存在；、分量。存在的模式為；川模。在這種理想條件下，電磁場只存在于三角形諧振器的內部，沒有邊緣處的場泄漏。上下兩個金屬面可看成個平板電容器，中間充滿了勻強電場。，和可根據(jù)橫縱向場關系式由：表示。由于電場方向：垂直于三角形諧振器表面，所以電力線穿過諧振器表面處的疏密就決定了諧振器表面的電位相對高低，形成了等

45、位線。根據(jù)×可以求得三角形表面的電流密度，它的分布與諧振器表面的等位線是對應的。三角形微帶諧振器的各分量表達式如下列（一）至（）所示：以。，（，）（一）其中。，是常數(shù)，（，）滿足下列表達式。丁，）臥壓剮駕爿瞧馴掣臥而制箋掣、和，滿足，以：上粵恥恥。斜，：箏。出：，（）（）（）滿足波動方程（等熹城州卜截止波數(shù)。等廝麗高次模的諧振頻率與最低次模有如下關系：州矗，注意這里的塒、竹和，僅是在分析過程中假設的參數(shù)，并沒有實在的物理意義，不代表沿、坐標軸的駐波個數(shù)。對于等邊三角形微帶諧振器，一對簡并模式的場分布可以由橫縱向場關系式結合邊界條件求解，能夠得到場分量的解析表達式。，一。是其中的一個主模，它的電場分量表達墾墮苧墮塑塑墅生墅！鯊蘭垡堡蘭笙三皇三塹絲燮堂墮堡矍堡墮矍竺墾壟堡生式為：引，鞏，（篝等）（等）（等）與之簡并的另一個模式是由刪卟，模沿水平方向分別正反向旋轉孥后相減后得到的。這一對簡并模式分別命名為模式一和模式二，它們的表面電流分布分別如圖中的（）和（）所示。圖：對簡并模式的表面電流分布（）模式一（）模式二但是實際設計中使用的雙模微帶三角形貼片諧振器往往是由等邊三角形貼片諧振器加微擾實現(xiàn)的。等邊三角形諧振器加微擾或引入某種形式的激勵后，電磁場