【正文】 ................20第一章 緒論 雙頻帶通濾波器的研究背景濾波器在每個領(lǐng)域的應(yīng)用都有不同的要求，高選擇性、寬帶波導(dǎo)濾波器，同軸諧振器和懸置多工器，以及電子可調(diào)濾波器滿足了軍事應(yīng)用對器件的寬帶、可調(diào)性要求，衛(wèi)星通訊工業(yè)要求濾波器規(guī)模小、低損耗、帶寬窄，且在幅度選擇性和相位線性度上有非常嚴(yán)格的要求，多模波導(dǎo)介質(zhì)諧振器濾波器就是在這樣的需求下發(fā)展起來的；移動通訊基站設(shè)備需要小型化、低損耗、高功率傳輸?shù)挠羞x擇性濾波器，而且成本低，達到規(guī)?；a(chǎn)的要求，同軸諧振器，介質(zhì)諧振器，超導(dǎo)濾波器以及諸如降低損耗的方法就是伴隨著這一需要而產(chǎn)生的；與移動通訊基站相比，移動通訊手持設(shè)備需要尺寸更小、成本更低、損耗低、高選擇性和能夠大規(guī)模生產(chǎn)的濾波器，從而驅(qū)動了表面聲波濾波器和微機電系統(tǒng)濾波器的發(fā)展。近年來，相比與其它領(lǐng)域，移動通訊技術(shù)得到了飛速發(fā)展，不但增大了射頻濾波器的需求，同時也對其提出了更高的要求——高性能、小型化、輕型化、低成本。新近涌現(xiàn)的新技術(shù)和新材料推動了射頻濾波器的快速發(fā)展，這些新技術(shù)和新材料包括：高溫超導(dǎo)技術(shù)、低溫共燒技術(shù)、微波單片集成電路、微機電系統(tǒng)技術(shù)和顯微機械技術(shù) [1][2]?，F(xiàn)代信息社會中不斷膨脹的巨大信息量要求通信技術(shù)向著高速、寬帶、大容量方向發(fā)展，這就意味著信息的傳播媒體一電磁波的使用頻率不斷向更高的頻段方向拓展。同時單頻段通信系統(tǒng)已顯得陳舊，不能很好地滿足無線通信的需求。隨著無線通信的迅猛發(fā)展，單頻段通信系統(tǒng)越來越顯示出它的局限性，促進雙頻段及多頻段通信系統(tǒng)相關(guān)方面的研究 [3]。為了充分利用現(xiàn)有的頻譜和基礎(chǔ)設(shè)備資源，在通信系統(tǒng)中設(shè)置能同時工作的多個通信頻段，有效途徑之一就是研究和開發(fā)高性能的雙頻段微波濾波器。濾波器作為現(xiàn)代通信設(shè)備中不可缺少的關(guān)鍵器件之一，它能有效地濾除各種無用信號及噪聲信號，降低各通信頻道間的信號干擾，從而保障通信設(shè)備的正常工作，實現(xiàn)高質(zhì)量的通信，進而達到頻譜資源的有效利用 [46]。現(xiàn)代通信的快速發(fā)展需要有效利用越來越多的頻率信道，為了減小通信電路設(shè)備體積和重量，雙頻段器件的研究越來越引起重視。因此，對雙頻帶濾波器的研究具有重要的意義和實用價值。雙頻段微波濾波器，可以同時工作在無線通信兩個不同頻段。這種濾波器是用一個雙頻段單元來處理兩個波段的信號。這種設(shè)計概念提供了容易實現(xiàn)的基礎(chǔ)設(shè)施和高性能的產(chǎn)品。傳統(tǒng)設(shè)計雙頻通信系統(tǒng)，每一個通信系統(tǒng)都有其獨立的天線，濾波器，低噪聲放大器等元器件，因此體積大，功耗大。因此通信設(shè)備中雙頻段濾波器已經(jīng)成為微波頻段的無線通信設(shè)備中的重要元件 [3]。 國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 本世紀(jì)以來，在歐、美、日等國，對于雙頻段濾波器等器件的研究與設(shè)計一直受到極大的重視，迄今已開發(fā)了多種形式的雙頻段濾波器。特別是從近幾年開始，采用了微波雙頻段濾波器的雙頻通信系統(tǒng)前端已經(jīng)研制成功，微波雙頻濾波器件已逐步進入實用化階段。國內(nèi)對于雙頻段通信系統(tǒng)研究和應(yīng)用也一直非常重視，但對雙頻段濾波器設(shè)計理論研究，特別是在應(yīng)用研究與開發(fā)上，國內(nèi)還處在起步階段，與歐美同等國相比仍有一定差距。無線通信中雙頻段濾波器的常用設(shè)計方法主要有：1．濾波器組合。將兩個中心頻率不同的帶通濾波器并聯(lián)，但由于兩個帶通濾波器共有兩個輸入端口和兩個輸出端口，為了得到單端口輸入和單端口輸出，需將兩濾波器的輸入和輸出端口分別相連接，由此引起的阻抗失配問題須外加匹配電路得以解決，這將會增大濾波器的體積和附加損耗；2．零點和極點綜合。此方法通常適用于兩個通帶頻率相差較小的場合；3．利用耦合諧振濾波器的寄生通帶。此方法較適用于兩個通帶頻率相差較大的場合。階梯阻抗雙頻段濾波器即利用耦合諧振濾波器的寄生通帶來實現(xiàn)雙頻濾波器，其在雙頻段濾波器設(shè)計中的應(yīng)用一直就受到重視 [7][8]。2022年，波器 [3]， 2022年， SIR雙頻段帶通濾波器，諧振器之間水平方向距離和垂直方向距離的變化用來改變諧振器在兩個頻段的耦合大小，從而達到控制雙頻帶通濾波器帶寬的目的。第二章 微波濾波器的基本理論 概述微波濾波器是微波工程應(yīng)用中重要的器件之一，理想的微波濾波器應(yīng)該是這樣的一種二端口網(wǎng)絡(luò),在通帶范圍內(nèi)能夠使微波信號完全的傳輸，而在阻帶范圍微波信號則完全被截止。然而具有這樣理想特性的濾波器是不存在的，濾波器的設(shè)計目標(biāo)是：在盡可能允許的范圍內(nèi)近似的達到理想濾波器的要求，它對所有要求的通帶頻率范圍內(nèi)的信號提供盡可能的傳輸，而對通帶外的頻率信號盡可能的抑制[9]。在低頻時，濾波器的“組成元件”是理想的電感器和電容器，這些元件具有很簡單的頻率特性。與低頻段濾波器相比較，微波濾波器的主要特點之一就是其物理尺寸可與波長相比擬，因而當(dāng)其波長發(fā)生變化時，它必然會表現(xiàn)出周期特性，即濾波器除基頻響應(yīng)外，還有周期性的雜散響應(yīng)。在微波頻段下，必需采用分布參數(shù)來設(shè)計微波濾波器，它比低頻時要復(fù)雜的多。近幾年來隨著微波集成電路的迅速發(fā)展，電子電路的構(gòu)成完全改變了，電子設(shè)備已日趨小型化，有源濾波器和陶瓷濾波器將逐步取代原來在低頻部分必不可少的LC型濾波器,同時在高頻部分也出現(xiàn)了許多新型的濾波器，如微帶濾波器、介質(zhì)濾波器和腔體濾波器等等。 濾波器的特性用其頻率響應(yīng)來描述，我們按其特性的不同，可分為低通濾波器(LPF)、高通濾波器(HPF)、帶通濾波器(BPF)、帶阻濾波器(BEF)和全通濾波器(APF)。 微波濾波器的基本理論 集總元件構(gòu)成的低通原型濾波器是現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)綜合法設(shè)計微波濾波器的基礎(chǔ)，各種低通、高通、帶通、帶阻類型的微波濾波器，其傳輸特性基本都是根據(jù)此原型特性推導(dǎo)出來的，正因如此才使微波濾波器的設(shè)計得以簡化，精度得以提高 [10]。圖中縱坐標(biāo)表示衰減，橫坐標(biāo)為角頻率。，在ω180。=0～ω 1180。 范圍內(nèi)濾波器的衰減為零，稱之為“通帶” ，在ω180。ω 1180。后濾波器的衰減為無限大，故稱之為 “阻帶” 。以ω 1180。稱為“截止頻率”或“帶邊頻率” 。然而實現(xiàn)這種理想頻率響應(yīng)濾波器需要無數(shù)多個元件，這在實際中是不可能辦到的。因此，如此理想特性的濾波器是不能夠?qū)崿F(xiàn)的。在具體的實現(xiàn)過程中是采用特性函數(shù)來逼近它，所選函數(shù)的不同，會有不同的頻率響應(yīng) [1]。圖 低通原型濾波器衰減頻率特性 （a）Butterworth 響應(yīng) （b）Chebyshev 響應(yīng)圖 常見濾波器的響應(yīng) 兩種最常見濾波器的響應(yīng)如圖 所示。圖 (a)所示的響應(yīng)通帶內(nèi)頂部最平坦，故稱為“最平坦響應(yīng)” ，通常也叫做“巴特沃思(Butterworth)響應(yīng)” ，圖 (b)所示的響應(yīng)通帶和衰減均有規(guī)律性的起伏，且幅度相等，稱為“等波紋響應(yīng)” ，也常叫做“切比雪夫(Chebyshev)響應(yīng)” [1]。 在圖 中，L Ar 是“通帶內(nèi)的最大衰減”值；ω 1180。是通帶邊緣上衰減為 LAr 時對應(yīng)的頻率值，稱之為“帶邊頻率”或“截止頻率” ，即認(rèn)為 0～ω 1180。 為通帶，ω 1180。 以上為阻帶，L As 是阻帶內(nèi)指定頻率點ω1180。處的衰減值，它是阻帶內(nèi)的最小衰減值。L Ar、 LAs 都是在設(shè)計濾波器前要預(yù)先給定的設(shè)計指標(biāo)參數(shù) [1]。 耦合諧振帶通濾波器的理論 當(dāng)兩個諧振器靠近時，它們之間便會有電磁場耦合。諧振器間的耦合特性可使用高頻電磁場仿真軟件(HFSS)得到，通過采用弱耦合到兩個相互耦合的諧振器，在諧振器諧振點附件將出現(xiàn)兩個諧振峰，這兩個諧振頻率峰是由諧振器的原始諧振峰分離而成的。而對于雙頻段諧振器，需要同時考慮諧振器的基頻和第一雜散頻率。因此諧振器間的耦合會使諧振器特性中出現(xiàn)四個諧振峰，峰值點分別為f1f 1f 2f 22，其中f 11和f 12在諧振器的基頻附近，它們是由諧振器的基頻f 1分離得到；f 21和f 22在諧振器的第一雜散頻率附近，它們是由諧振器的第一雜散頻率f 2分離得到 [11]。當(dāng)基頻和第一雜散頻率相同的兩個諧振器之間耦合時，在第一頻段和第二頻段的耦合系數(shù)分別為 [12]：