【正文】 器作為微波系統(tǒng)的重要部件，已經(jīng)變得越來越有研究?jī)r(jià)值。這種雙通帶濾波器的兩個(gè)通帶，不論是中心頻率還是帶寬都容易調(diào)節(jié)。 最終基于雙 通帶濾波器設(shè)計(jì)理論，設(shè)計(jì)了一種通帶可調(diào)節(jié)的雙通帶濾波器。 第一通帶的中心頻率取決于方形開環(huán)諧振器的傳輸線長(zhǎng)度和寬度，第二通帶的中心頻率和帶寬取決于階梯形諧振器的傳輸線長(zhǎng)度和寬度。而且測(cè)試結(jié)果顯示出所設(shè)計(jì)的雙通帶濾波器性能 很好 。濾去鏡頻干擾、衰減噪聲、頻分復(fù)用，在高性能的振蕩、放大、倍頻、混頻電路中，無不需要濾波器來實(shí)現(xiàn)。隨著無線通信的個(gè)人化、寬帶化，越來越要求人性化以及高性能的終端結(jié)構(gòu)，促使了包括濾波器在內(nèi)的射頻元器件的微型化和可集成化，同時(shí)也產(chǎn)生了各種結(jié)構(gòu)和性能的射頻濾波器從而進(jìn)一步滿足了小體積、輕重量微波系統(tǒng)的要求。 l9l7年，兩國(guó)的科學(xué)家分別發(fā)明了 LC濾波器，次年美國(guó)第一個(gè)多路復(fù)用系統(tǒng)面世。隨著濾波器設(shè)計(jì)理論的深入研究、材料領(lǐng)域的不斷進(jìn)步及工作頻率的日益升高，濾波器設(shè)計(jì)由原先的集總參數(shù)元件濾波器逐漸擴(kuò)展到分布參數(shù)元件濾波器。 2O世紀(jì) 70年代以來，隨著陶瓷材料的發(fā)展，介電濾波器的應(yīng)用得到了迅速發(fā)展。 20世紀(jì) 80年代，出現(xiàn)了高臨界溫度超導(dǎo)材料，被認(rèn)為極有可能用于設(shè)計(jì)出極低損耗和極小尺寸的新穎微波濾波器。 二、 微波濾波器的現(xiàn)狀 從頻率通帶范圍分類，可分為低通、高通、帶通、帶阻、全通 5種類別；按低通原型的函數(shù)模型可分為 巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器、橢圓函數(shù)濾波器等。 微帶線濾波器 在射頻和微波電路中最常用的便是微帶線濾波器。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 2 (1)平行耦合微帶線濾波器 圖 11 所示，半波長(zhǎng)平行耦合微帶線帶通濾波器是微波集成電路中廣為應(yīng)用的帶通濾波器形式。其缺點(diǎn)為插損較大，同時(shí)，諧振器在一個(gè)方向依次擺開，造成濾波器在一個(gè)方向上占用了較大空間。 ?21 圖 11 半波長(zhǎng)平行耦合線濾波器 （ 2)發(fā)夾型濾波器 圖 12示，發(fā)夾型濾波器是由發(fā)夾型諧振器并排排列耦合而成的。 圖 12 發(fā)夾型濾波器 (3)交指型濾波器 圖 13示，交指型濾波器是由 2個(gè)平行耦合線諧振器陣相互交叉組成的結(jié)構(gòu)，具有良好的帶通濾波器特性：它的諧振器波長(zhǎng)近似等于 1/4λ 0，第二通帶中心在 3w0，其間不會(huì)有寄生響應(yīng)。交指型濾波器有終端短路和終端開路兩種基本形式，天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 3 前者 適于窄帶，后者適于寬帶，既可做成印刷電路形式，又可做成圓桿或矩形自 撐式，還可人為地加載電容來減小體積。如圖 14所示，微帶類橢圓函數(shù)濾波器，通過在帶外引入衰減極點(diǎn)，能明顯改善濾波器的帶外特性，比平行耦合線濾波器、交指型濾波器有更好的電特性。同時(shí)，在超導(dǎo)狀態(tài)，由于導(dǎo)體薄膜 的無載 Q值很高，該種濾波器將在具有較高選擇性的同時(shí)又具有較低的插損，前景誘人。同軸腔體具有高 Q值、電磁屏蔽、低損耗特性和小尺寸等優(yōu)異特 點(diǎn)，但要在 10GHz以上使用時(shí)，由于其微小的物理尺寸，制作精度很難達(dá)到。在小信號(hào)電平上，它基本上是用在 8～ 100GHz的頻率范圍。例如，在微波接收機(jī)中，波導(dǎo)帶通濾波器濾掉不需要的帶外信號(hào)，保持前端噪聲特性；在微波發(fā)射機(jī)中，減小不需要的頻譜，抑制發(fā)射機(jī)噪聲傳到接收機(jī)。 聲表面波 (SAW)濾波器 SAW濾波器的體積小，質(zhì)量輕，一致性好，便于批量生 產(chǎn)，性能價(jià)格比較合理，品質(zhì)因數(shù)和帶阻高，可廣泛用于射頻前端和中頻系統(tǒng)，并可滿足多模、多頻段移動(dòng)終端的 SAW雙工器或多工器。 陶瓷介質(zhì)濾波器 陶瓷介質(zhì)濾波器是用微波陶瓷介質(zhì)按照 TM010 、 TEM等模式要求制成的圓柱、圓環(huán)等形狀的介質(zhì)諧振器，再按微波網(wǎng)絡(luò)傳輸原理用電容集總參數(shù)或分布參數(shù)耦合而成。當(dāng)材料 和具體工藝確定后，采用不同的電路結(jié)構(gòu)，可得到不同通帶寬度的陶瓷濾波器。但是，陶瓷濾波器的體積大，形狀因子與品質(zhì)因數(shù)較小，較難用于多帶多功能 3G移動(dòng)通信系統(tǒng)。 SIR是由兩個(gè)以上具有不同特性阻抗的傳輸線組合而成的橫向電磁場(chǎng)或準(zhǔn)橫向電磁場(chǎng)模式的諧振器。此外，通過調(diào)節(jié)耦合線段與非耦合線段的阻抗比，還可以控制寄生通帶在頻率軸上的位置，從而具有較好的抑制諧波性能。在基于多媒體的全球個(gè)人通信系統(tǒng)中將表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性。但該頻段的集成諧振器的值較低、損耗較高。微波有源濾天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 5 波器的目的是不失真地通過所要求的通帶信號(hào)，同時(shí)盡可能大地抑制不需要的阻帶信號(hào)。 薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù) 近年來，薄膜聲學(xué)體波共振技術(shù) (FBAR)給射頻前端濾波器小型化和集成化帶來一線曙光。典型 (FBAR)測(cè)試結(jié)果 顯示， FBAR技術(shù)帶來的高 Q值和高耦合系數(shù)，可與高級(jí)的陶瓷和聲表面波振子相媲美。 FBAR的電特性已達(dá)到目前 CDMA和 PCS陶瓷雙工器的性能標(biāo)準(zhǔn)。高溫超導(dǎo)材料在微波頻段的表面電阻接近于零，因此，用這種材料制備的濾波器具有理想的 濾波性能，是常規(guī)金屬濾波器無法比擬的。超導(dǎo)濾波器不僅帶內(nèi)衰減低，而且相位延時(shí)和色散 特性也大為改善。 濾波器在微波通信的作 用 微波濾波器作為濾波器的一種，在移動(dòng)通信中有著廣泛的應(yīng)用。 如圖 15所示，為典型的發(fā)射機(jī)接受機(jī)原理框圖模型，濾波器在該系統(tǒng)中各位置起著舉足輕重的作用。所以接收端帶通濾波器的最佳性能包括衰減以除去干擾，同時(shí)減少將直接影響接收端靈敏度的通帶插損。另一個(gè)重要的功能是衰減掉發(fā)射信號(hào)中接受頻段內(nèi)的噪聲，把它抑制在接收機(jī)的靈敏度之下。 圖 15 典型接受發(fā)射機(jī)原理模型 本論文研究的內(nèi)容 隨著通信系統(tǒng)的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)往往需要通過一個(gè)波束發(fā)射多個(gè)不連續(xù)信道的頻率信號(hào)，這就需要雙通帶甚至多通帶濾波器。為了提高頻譜利用率，在通信系統(tǒng)中設(shè)置能同時(shí)工作的多個(gè)通信頻段顯得十分必要。此外，這樣的設(shè)計(jì)方式由于在電路中引入了多個(gè)濾波器，不僅會(huì)增加加工成本 ,且會(huì)增加電路損耗，從而最終影響無線通信系統(tǒng)的整體工作性能。 本論文的具體研究問題按章數(shù)安排如下： 第一章是緒論：本章主要介紹了微波濾波器的發(fā)展歷史、現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及本文擬開展的研究工作。 第三章：帶通濾波器的設(shè)計(jì) 本章主要介紹了帶通濾波器的散射參量，以及帶通濾波器的技術(shù)指標(biāo)和設(shè)計(jì)過程。 第五章：測(cè)量結(jié)果 本章主要介紹了用 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量的結(jié)果與仿真結(jié)果的對(duì)照。 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 8 2 微帶線 介質(zhì)微帶線 微帶線是微波集成電路 (MIC)中使用最多的一種傳輸線，隨著 MIC 的日益的進(jìn)步，微帶電路在微波中的地位也越來顯著。 其縱向尺寸雖和工作波長(zhǎng)可以比擬，也可以方便地解決匹配問題。 圖 21 微帶線橫截面 微帶線的主要傳輸性參數(shù)為： eeVV ?0? (21a) ee ??? 0? (21b) 天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 9 eeVLC ????? 2??? (21c) CVLVCLZ ee 10 ??? (21d) 一、 微帶線基本特性 在實(shí)際應(yīng)用中，要解決電路匹配問題時(shí)，阻抗特性是一個(gè)重要參量。在 TEM 波傳輸線中，波的常數(shù)在忽略損耗時(shí) ?? j? ，其中 ee ????????? 022 ??? (25) 式中， 0? 為自由空間波長(zhǎng)， e? 為介質(zhì)波長(zhǎng)，兩者關(guān)系為： ee ??? 0? (26) 同其它類型的 TEM 波傳輸線一樣，微帶中波的傳輸速度也滿足下列關(guān)系式： ???pV (27) 將 f?? 2? 和式 (25)代入 （ 27）式 得 ep cV ?? (28) 由此可見，微帶線主模特性可以用兩個(gè)參數(shù)表示。 ?????????????? ???? 21101121Whq天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 10 二、 微帶線損耗 損耗是傳輸線的重要參量之一。微帶線的損耗分成三部分： 介質(zhì)損耗，當(dāng)電場(chǎng)通過介質(zhì)時(shí)，由于介質(zhì)分子交替極化和晶格來回碰撞，而產(chǎn)生的熱損耗。 導(dǎo)體損耗，微帶線的導(dǎo)體帶條和接地板均具有有限的電導(dǎo)率，電流通過時(shí)必然引起熱損耗。由于微帶線橫截面尺寸遠(yuǎn)小于波導(dǎo)和同軸線，導(dǎo)體損耗也較大，這也是微帶線損耗的主要部分。減小線的橫截面尺寸時(shí)，這部分損耗即很小，而只在微帶線的不均勻點(diǎn)才比較顯著。 微帶耦合線 在微波集成電路中，兩條相互靠近的微帶線就構(gòu)成耦合微帶線。 耦合微帶線的橫截面如圖 22 所示。 分析耦合微帶線的主模傳輸特性，常把任意激勵(lì)的耦合微帶線分成兩種對(duì)稱激勵(lì)方式來計(jì)算，一種是用等幅同相電壓 Ve激勵(lì)，稱為偶模激勵(lì) ； 另一種是用等幅反相電壓 Vo 激勵(lì)，稱為奇模激勵(lì)。 奇、偶模激勵(lì)時(shí)，耦合微帶中的電、磁場(chǎng)分布如圖 23 所示。由于場(chǎng)分布不同，故奇、偶模的參量也不同。于是耦合微帶的奇、偶模特性阻抗為 ： ? ?010 01oo p o o reoZZ VC ???? (210a) ? ?010 01ee p e e reoZZ VC ???? (210b) 式中， 01oZ 和 01eZ 分別為空氣耦合微帶的奇、偶模特性阻抗。根據(jù)奇、偶模電場(chǎng)的分布狀態(tài)，我們 可以將耦合微帶每根帶條單位長(zhǎng)度的分布電容近似地看成由三部分組成， 耦合微帶線的近似分布電容 如 圖 24 所示。其實(shí)我們可以看出，實(shí)際設(shè)計(jì)中直接涉及的參量是 0oZ ， 0eZ ， eo? 和 ee? ， 他們均是耦合微帶幾何尺寸 W， S， h和 t的函數(shù)。 利用這層關(guān)系，根據(jù)不同的 r? 和 S ，就可以繪制出不同的 hW 0oZ W h? 曲線。當(dāng)在微帶結(jié)構(gòu)中到帶的厚度不為零，就要使導(dǎo)帶的邊緣電容增大，相當(dāng)于導(dǎo)帶增寬。但在微帶電路中，此厚度總是很小，實(shí)際影響并不大，只需對(duì)其寬度進(jìn)行修正，以補(bǔ)償帶厚的影響即可。這個(gè)增量寬度 W? 是用來修正厚度 t的影響的。 （ a）終端短路 （ b）終端開路 圖 26 微帶諧振電路 l l0Z0ZinZinZ0Y0YinYinY微帶結(jié)構(gòu)等效電路微帶結(jié)構(gòu)等效電路天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 14 計(jì)算傳輸線上某點(diǎn)的反射系數(shù)公式為： (213) 式 （ 213） 中， ?U 和 ?U 分別是我們研究傳輸線上的反射電壓和入射電壓。顯然在終端即 39。理想的微帶線諧振器如 圖 （ 26） 所示， 圖 26(a)是終端短路式， 圖 26(b)終端開路式。 輸入阻抗為： （ l??? ，為諧振器電長(zhǎng)度） (214) 由式 （ 214） 可見，隨著微帶線諧振器的長(zhǎng)度不同，輸入阻抗特性就不一樣，這里有兩個(gè)極端情況。 半波長(zhǎng)短路諧振器 微帶的半波長(zhǎng)諧振器是指?jìng)鬏斁€長(zhǎng)度 l 為半波長(zhǎng)的整數(shù)倍時(shí)的諧振電路。此時(shí)諧振 器與等效電路間對(duì)應(yīng)關(guān)系如 圖 27 所示： ? ? zjllllzjgzljljgl ZZ ZZUUUU ???? ?????? ??????? ???? 212? ? 022 22022 2200 1111tantan ZZljZlZZ jl jlljl ljlin ?? ???? ????? ?? ???? ?? ????????? ?? ???? ??天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 2021屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計(jì) 15 (a) (b) 圖 27 半波長(zhǎng)短路諧振等效電路圖 要使集總參數(shù)電路和分布參數(shù)諧振電路建立起等