【正文】 波器用分布參數(shù) 來 實(shí)現(xiàn)的例子，由 LC 網(wǎng)絡(luò)變?yōu)?高 低阻抗變換微帶線的形式。 圖 插入損耗法的設(shè)計(jì)流程圖 圖 集總參數(shù)濾波器轉(zhuǎn)化為分布參數(shù)的微帶線低通濾波器 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 10 插入損耗設(shè)計(jì)法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)準(zhǔn)確，且設(shè)計(jì)時(shí) 已 經(jīng)考慮到了外接負(fù)載的影響。但是，這個(gè)缺點(diǎn)是可以彌補(bǔ)的，因?yàn)橹灰坏┌褲M足各種要求的低通原型濾波器設(shè)計(jì)出來以后，后來的設(shè)計(jì)手續(xù)就變成了簡(jiǎn)單的查表、讀圖和應(yīng)用淺顯數(shù)學(xué)方法換算數(shù)據(jù)。所以用 開 路、短路短截線級(jí)聯(lián) 來 實(shí)現(xiàn)的微波濾波器極為少用。 另外在設(shè)計(jì)帶通濾波器時(shí)，有 —種快速設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)方法。限于篇幅及與本文的相關(guān)程度，這里不詳細(xì)加以介紹，具體請(qǐng)參閱文獻(xiàn) ]34[ 。要實(shí) 現(xiàn)寬帶或?qū)捵鑾У臑V波器，一般通過特殊的結(jié)構(gòu)或設(shè)計(jì)方法。下面分別對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)單的介紹。 ADS電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化功能十分強(qiáng)大，包含時(shí)域 電路仿真 （ SPICElike Simulation） 、頻域電路仿真 （ Harmonic Balance、 Linear Analysis） 、三維電磁仿真 （ EM Simulation） 、通信系統(tǒng)仿真 （ Communication System Simulation） 、 數(shù)字信號(hào)處理 仿真設(shè)計(jì)（ DSP）； ADS支持射頻和 系統(tǒng)設(shè)計(jì) 工程師開發(fā)所有類型的 RF設(shè) 計(jì)，從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從離散的射頻 /微波模塊到用于通信和航天 /國(guó)防的集成MMIC，是當(dāng)今國(guó)內(nèi)各大學(xué)和研究所使用最多的微波 /射頻電路和通信系統(tǒng) 仿真軟件 軟件。 Zeland IE3D 仿真軟件 電磁仿真是一種新技術(shù)，在復(fù)雜微波和射頻印刷電路、天線、高速數(shù)字電路和其它電子元件設(shè)計(jì)中，可提供高準(zhǔn)確度的分析和設(shè)計(jì)。 IE3D集成了全波電磁仿真和最優(yōu)化包，可用于分析和設(shè)計(jì)三維微帶天線和高頻印刷電路和數(shù)字電路。仿真結(jié)果包括 S參數(shù)、 Y參數(shù)、 Z參數(shù)， VWSR，電流分布，近場(chǎng)分布和輻射方向圖，方向性，效率等。 HP8270 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀 Agilent 8720ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀可進(jìn)行全面的射頻和微波元件測(cè)評(píng)。內(nèi)置的 S 參數(shù)測(cè)試裝置提供正向和反向的全范圍幅度和相位測(cè)量。 Agilent 8720ES 系列包括 3 種 T/R 和 3 種 S 參數(shù)網(wǎng)絡(luò)分析儀 ,覆蓋范圍分別為 、 20GHz 和40GHz。 它具有下列特性： 50MHz至 20GHz的覆蓋范圍、 100dB的動(dòng)態(tài)范圍、高測(cè)量精度、 2個(gè)測(cè)量通道、 4 個(gè)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(cè)試，強(qiáng)大的標(biāo)記功能。 本章介紹了微波濾波器的基礎(chǔ)知識(shí)。同 時(shí)簡(jiǎn)單介紹了本文使用的電磁仿真軟件 ADS、 IE3D和測(cè)量?jī)x器 Agilent 8720ES矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀。但是隨著尺寸的不斷減小，微帶濾波器的性能則不可避免地出現(xiàn)下降，比如輻射損耗增加和匹配不穩(wěn)定。 LC諧振回路在無線電技術(shù)中有著廣泛的應(yīng)用，但是隨著頻率的升高，普通 LC 回路 的缺點(diǎn)越來越顯著，主要是：（ a）損耗增加。（ b）儲(chǔ)能變小。因此 LC 回路到了分米波段就難以適用了。微波諧振器在微波電路中起著與低頻電路中 LC 諧振回路相同的作用 ，是一種儲(chǔ)能和選頻特性的諧振器件，兩者的諧振原理也大致相同。 微波諧振器 是一個(gè)閉合系統(tǒng)，將電磁波約束在內(nèi)部，通過恰當(dāng)?shù)难b置進(jìn)行激勵(lì)和耦合與外部電路交鏈。這種現(xiàn)象稱為諧振器的多諧性。設(shè)頻率為 1f 的電磁波在無限長(zhǎng)的矩形波導(dǎo)中沿正 z 方向傳播，在0?z 處的橫截面上放一塊理想導(dǎo)體板使波導(dǎo)短路，則在 2/1gnz ?? （ n=1,2,… ）處為橫向電 場(chǎng)的波節(jié)點(diǎn)，此時(shí)在 lz g ???? 2/1? 處放一塊無限薄的理想導(dǎo)體板，則并不破壞駐波分布，這樣就成了一個(gè)振蕩頻率為 1f 的矩形諧振腔。這就是多諧性。 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 13 圖 矩形諧振腔的形成 所以，對(duì)于一個(gè)微波諧振器，從理論上講，它可以諧振于無窮多個(gè)模式。微帶濾波器的固有優(yōu)勢(shì)在于尺寸小，便于加工，但是對(duì)于 RF 濾波器和振蕩器等含有諧振器的電路的尺寸縮小的優(yōu)化方面還存在許多有待解決的 問題。所以，濾波器尺寸的縮小和性能的提高將繼續(xù)是兩大重要課題。本文的研究范圍只限于雙模濾波器，其它類型的可以在文 獻(xiàn) ]34[ 中找到。 兩個(gè)調(diào)諧的自由振蕩電路之間的相互作用與他們之間的耦合系數(shù)有關(guān)，并和他們之間的復(fù)數(shù)諧振頻率之比有關(guān)。在由理想導(dǎo)電壁圍成的簡(jiǎn)單幾何結(jié)構(gòu)（也就是諧振器）中的無限多個(gè)模式中存在著正交關(guān)系，故在這些模式中沒有能量變換。如果要保持場(chǎng)結(jié)構(gòu)的原有形式，則這個(gè)擾動(dòng)要小。換句話說，這些模式應(yīng)是簡(jiǎn)并 模。 “ 雙模 ” 乃至 “ 多模 ”的概念很早就被研究者提出過了，其利用一個(gè)諧振腔里兩個(gè)或多個(gè)模式間的耦合來設(shè)計(jì)濾波器。由于其優(yōu)勢(shì)明顯，吸引了大 量 研究人員的注意，隨后逐漸在微帶濾波南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 14 器的設(shè)計(jì)中得到廣泛的應(yīng)用。因而，濾波器設(shè)計(jì)所需要的固有階數(shù)可以減少一半，便于設(shè)計(jì)出緊湊的結(jié)構(gòu)，從一定程度上解決了尺寸問題。 圖 Wollf 1972年提出的環(huán)形雙模濾波器 微帶雙模濾波器的損耗主要有兩個(gè)原因 ： 由較細(xì)的微帶線易引起較大的導(dǎo)體損耗和由濾波器的半開放性的場(chǎng)結(jié)構(gòu)引起的輻射 損耗。損耗問題會(huì)導(dǎo)致無法設(shè)計(jì)出高 Q值的濾波器，在衛(wèi)星通信中使用的濾波器較多的采用了高溫超導(dǎo)（ HTS） 材料以解決損耗問題。也可以給濾波器加屏蔽盒，但是這樣增加了重量與尺寸，而且屏蔽盒的不當(dāng)設(shè)置會(huì)激起高次的寄生模式。其都有一對(duì)簡(jiǎn)并 模式，通過在諧振器 45176。 圖 出了幾種常見的雙模微帶諧振器及其微擾的結(jié)構(gòu)示意圖。圖 器所對(duì)應(yīng)的常見微擾方式，它們都是在與諧振器水平方向成 45176。微擾的引入使得兩種正交模式相互耦合 ， 再加上合適的饋電方式就能以雙模方式工作。例如方形貼片和圓形貼片都是采用了切角的方式，而各種環(huán)形諧振器則采用了加小貼片的方式。 在文獻(xiàn) ]33[ 中， 作者提出了雙模濾波器的一個(gè)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，直到目前為止出現(xiàn)的雙模濾波器都遵循這一準(zhǔn)則。（ 對(duì)諧振主模而言）； （ 2） 諧振器中存在產(chǎn)生反射波的不連續(xù)點(diǎn)或其它替換方式； （ 3） 采用對(duì)稱的電路平面。 圖 雙模濾波器的一般構(gòu)成 如圖 所示，為了獲得一個(gè)最簡(jiǎn)單的一階雙模帶通 濾波器，需要對(duì)雙模諧振器進(jìn)行正交饋電。通過控制 1d 和 2d 間的比例大小，就可以獲得不同帶寬的濾波器。 兩種不同響應(yīng)的雙模濾波器 在上一小節(jié)中，我們?cè)岬接捎?21 dd? 而造成了諧振腔的兩個(gè)簡(jiǎn)并主模 01TM 與 10TM 之間產(chǎn)生了耦合。 如圖 所示，（ a）為濾波器的基本結(jié)構(gòu)；（ b） 中為 21 dd? 的情況， 這時(shí)由于諧振器中沒有不對(duì)稱點(diǎn)的出現(xiàn)，因此兩個(gè)簡(jiǎn)并主模不能互相耦合，構(gòu)成不了雙模濾波器，在圖中可以看到，一端口對(duì)二端口的隔離度超過了 20dB；（ c） 中是 21 dd? 的情況，這時(shí)有明顯的帶通濾波器響應(yīng)（準(zhǔn)切比雪夫型）；（ d）中是 21 dd? 的情況， 這時(shí)不僅有帶通的響應(yīng)，并且在通帶兩旁各出現(xiàn)了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。這樣我們就可以通過簡(jiǎn)單的控制一個(gè)參數(shù) 2d 而達(dá)到自由選擇傳輸函數(shù)的目的。 圖 雙模濾波器的兩種基本響應(yīng) 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 17 由經(jīng)典的奇偶模分析方法 ]35[ 可知，具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的二端口網(wǎng)絡(luò)總可以采用同相、反相的對(duì)稱激勵(lì)（ 奇偶模）來方便地求得其網(wǎng)絡(luò)特性。這樣，我們就可以精確的獲得其諧振特性。這就解釋了為什么圖 中 21 dd? 時(shí)會(huì)有零點(diǎn)的出現(xiàn)。本章介紹了微波諧振器 在高頻段的應(yīng)用及其基本特性，重點(diǎn)講解了微波諧振器的多諧性。然后，主要介紹了 微帶雙模濾波器的基本 原理 ，并給出了雙模濾波器的一般設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，最后討論了簡(jiǎn)單微帶雙模帶通濾波器的電路 ，為電可調(diào)微帶雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。由于材料、加工工藝、環(huán)境等方面的影響，使得加工出來的濾波器與設(shè)計(jì)的結(jié)果有一定的出入，對(duì)于一般的濾波器，這種差別是不好調(diào)節(jié)的。 基礎(chǔ) 通過第三章的分析可知 ，如圖 所示 的一階雙模帶通濾波器，通過縫隙耦合對(duì)其進(jìn)行正交饋電。同時(shí)，諧振器與 饋 線間的耦合程度是通過控制間隙 g 與長(zhǎng)度 l 來實(shí)現(xiàn)的。 為了獲得濾波器的可調(diào) 特性，我們可以利用變?nèi)荻O管的電特性。變?nèi)莨転榉蔷€性可變電抗器件，為了獲得可調(diào)的濾波器，我們可以利用變?nèi)莨艿倪@一電特性。圖 。因此等效電路可簡(jiǎn)化為 （ b） 所示的形式。 （ 2）變?nèi)莨艿慕Y(jié)電容 圖 所示的是變?nèi)莨?SMV1236 的結(jié)電容 TC 與反向偏執(zhí)電壓 RV 的曲線圖，該變?nèi)莨茉?V時(shí)的電容值為 ， 在 15V時(shí)的電容值為 。參考圖 （ a） 所示的等效電路， Q值的計(jì)算公式為 RCRCQ TST ?? /11?? （ ） 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 20 當(dāng) 頻段較低時(shí)，并聯(lián)電阻可以忽略。 （ 4）串聯(lián)電感、串聯(lián)諧振頻率、截止頻率 當(dāng)串聯(lián)電感不能忽略時(shí)，串聯(lián)電感，串聯(lián)諧振頻率和截止頻率定義高頻時(shí)二極管的高頻特性。如圖 (a)所示，它和電容串聯(lián)，在一個(gè)合適的頻率，就可以形成串聯(lián)諧振電路。 截止頻率定義為 Q值取 1是的頻率。 （ 5）泄漏電容，擊穿電壓 當(dāng)反向偏壓加到二極管上，這兩個(gè)參數(shù)表征二極管的直流特性，擊穿電壓定義為反向電流超過某值時(shí)的反偏電壓。 濾波器的電調(diào)原理 根據(jù)上一小節(jié)中所討論的變?nèi)荻O管的特性，我們可以用變?nèi)荻O 管進(jìn)行電容耦合饋電，使諧振器與饋線之間的耦合強(qiáng)度可調(diào)。所以，我們也可以用變?nèi)荻O管來代替小貼片 1d 和 2d ，從而改變?yōu)V波器的帶寬和中心頻率。 仿真分析 在這一小節(jié)中，我們將運(yùn)用 ADS 仿真軟件對(duì)含有并聯(lián)電容的濾波器進(jìn)行仿真，并分析并聯(lián)電容對(duì)濾波器響應(yīng)的影響。 圖 電可調(diào)濾波器的 ADS 仿 真電路圖 在 ADS 中運(yùn)用微帶線進(jìn)行仿真，設(shè)置基板的厚度為 ，介電常數(shù)為 ，微帶線的寬度為 ，總長(zhǎng)度為 。又由于并聯(lián)的電容使環(huán)的周長(zhǎng)變大，從而導(dǎo)致諧振頻率相應(yīng)的降低，所以可將掃頻范圍設(shè)置為 。根據(jù)對(duì)該電路進(jìn)行調(diào)諧的經(jīng)驗(yàn)以及實(shí)際變?nèi)荻O管的電容范圍，將電容的調(diào)節(jié)范圍設(shè)置為 。如圖 。此仿真結(jié)果與上一章所討論的 1d 與 2d 的關(guān)系對(duì) S參數(shù)的影響是相同的。 如圖 所示。根據(jù) || 11S 與 || 21S 曲線的變化可知， Cp 越大，耦合越強(qiáng)；當(dāng) Cp=，濾波器處于臨界耦合狀態(tài)；當(dāng) Cp，濾波器處于過耦合狀態(tài)；當(dāng) Cp，濾波器處于欠耦合狀態(tài)。在調(diào)節(jié)濾波器時(shí)，要盡量讓其處于臨界耦合狀態(tài)，以減少濾波器的插入損耗和回波損耗。 如何 解決駐波比與帶外抑制這一矛盾， 增加低頻方向的帶外衰減是后續(xù)研究工作的重點(diǎn)之一。 圖 不同 C1 取值對(duì) S參數(shù)的影響（ C1 的單位為 pF） 如圖 ，當(dāng) C1 從 3pF增加到 ，濾波器的第二個(gè)傳輸零點(diǎn)逐漸變小，而第一個(gè)傳輸零點(diǎn)幾乎不變。 南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 24 （ 4）電容 C2 的影響 令 Cp=， C1=，改變電容 C2 的值，觀察頻率響應(yīng)的變化。相應(yīng)的濾波器的帶寬逐漸變大，中心頻率逐漸變小。對(duì)于不同的頻率和帶寬，要注意調(diào)節(jié) Cp 使濾波器工作于臨界耦合的狀態(tài)。 IE3D 仿真分析 利用 IE3D對(duì)上一小節(jié)的濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，電路如圖 ，圖中灰色的部分為導(dǎo)體條帶，黑色部分為過孔焊 盤。端口 2是輸入 /輸出端口，輸入 /輸出端口的微帶線寬度 W2=（ 50歐的輸入 /輸出阻抗）。將該電路導(dǎo)入 ADS，并在各個(gè)端口加入相應(yīng)的電容，如圖 。 （ 1）可調(diào) 的 中心頻率 （ a）不同中心頻率下的 || 11S 參數(shù)曲線 （ b）不同中心頻率下的 || 21S 參數(shù)曲線 圖 可調(diào)中心頻率的 S參數(shù)（ wf =100MHz，電容單位為 pF） 從圖 ，當(dāng)濾波器的帶寬固定為 100MHz時(shí)，中心頻率的調(diào)節(jié)范圍為 到 。 （ 2）可 控的 帶寬 （ a）不同帶寬下的 || 21S 曲線（ 0f =） （ b）不同帶寬下的 || 21S 曲線（ 0f =） 圖 可調(diào)帶寬的 || 21S 曲線（ 0f = 0f =，電容單位為 pF） 從圖 ，當(dāng)濾波器的中心頻率 固定為 ，帶寬的調(diào)節(jié)范圍為 15MHz南京郵電大學(xué) 20xx屆本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（ 論文） 28 到 105MHz（百分比帶寬為 2%—15%），當(dāng)中心頻率固定為 時(shí)，帶寬的調(diào)節(jié)范圍為93MHz到 363MHz（百分比帶寬為 8%—33%）。電可調(diào)微帶雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)主要研究了變?nèi)荻O管對(duì)濾波器電可調(diào)特性的作用。 然后，通過 ADS 和 IE3D軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真，并分別討論了 不同的電容對(duì)濾波器頻率響應(yīng)的影響，以及濾波器 在固定的帶寬下中心頻率的可調(diào)范圍和在固定的中心頻率下帶寬的可調(diào)范圍。如果在仿真中考慮的都是理想化的狀態(tài)，最終會(huì)導(dǎo)致與實(shí)際性能相差較大，這也就使仿真失去了意義。根據(jù)上一章所討論的電可調(diào)雙模帶通濾波器的設(shè)計(jì)原理，以及對(duì)其仿真結(jié)果的分析，并結(jié)合實(shí)際的二極管偏置電路，設(shè)計(jì)出電可調(diào)帶通濾波器