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硕士论文 基于d b r 滤波器的微带双t 器的研究 摘要 随着卫星通信系统性能要求的提高和对射频电路小型化和集成化的要求，设计性能 良好的微带滤波器和双工器越来越受到大家的重视。由于基于双重行为谐振器( d b r ) 的滤波器可以独立控制衰减点，具有插入损耗小、阻带衰减好的优点，因此对基于d b r 的微带滤波器和双工器的研究具有重要的学术价值和应用前景。缺陷地结构( d g s ) 可 在一定的频率范围形成阻带、易于定义单元结构，由螺旋紧致谐振单元结构( s c m r c ) 和九4 微带线组成的双频带分支线结构( d b s ) 可提供一个易于控制的双频阻带，由于 两者都具有慢波特性，尺寸都相对较小，因此本文在基于d b r 的滤波器及双工器的基 础上分别加进了d g s 结构和d b s 结构，进行了研究制作。 本文首先对滤波器及双工器的基本理论和实现方法进行了简单阐述。然后以c 波段 的卫星通信系统为应用背景，根据基于分支线形式的d b r 的滤波器设计方法设计了c 波段的卫星通信微带双工器。 接着在对哑铃型缺陷地结构( d b d g s ) 和螺旋型缺陷地结构( s p d g s ) 的有关参 数进行了分析研究，在此基础上，设计了基于d g s 的准椭圆低通滤波器。并将此低通 滤波器加入微带双工器中以改善阻带性能，测试结果表明，双工器的插入损耗小于 1 4 扣，隔离度优于6 4 d b 。 同时，分析研究了d b s 结构的相关参数，设计了c 波段d b s 结构，将其加入双工 器中。测试结果表明，双工器中的接收端滤波器的插入损耗小于l d b ，发射端滤波器的 插入损耗小于1 3 d b ，整个双工器的隔离度优于6 2 d b ，验证了方法的可行性。 最后对全文的工作进行了总结，提出了下一步的研究方向。 关键词：双重行为谐振器，缺陷地结构，双谐振分支线结构，螺旋紧致谐振单元结构， 滤波器，双工器 a b s t r a c t硕i ：论文 a b s t r a c t w i t ht h es a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o ns y s t e md e m a n d si n c r e a s ea n dm i n i a t u r i z a t i o no fr f c i r c u i t sa n di n t e g r a t i o nr e q u i r e m e n t s ，a n dt h ep e r f o r m a n c eo fm i c r o s t r i pf i l t e r sa n dd i p l e x e r s g o tm u c ha t t e n t i o n a st h ef i l t e rb a s e do nd u a lb e h a v i o rr e s o n a t o r ( d b r ) c a ni n d e p e n d e n t l y c o n t r o la t t e n u a t i o np o i n t s ，w i t ht h ei n s e r t i o nl o s sa n dg o o ds t o p b a n da t t e n u a t i o no ft h e a d v a n t a g e s ，t h em i c r o s t r i pf i l t e r sa n dd i p l e x e r sb a s e do nd b r h a si m p o r t a n ta c a d e m i cv a l u e a n dp r o s p e c t s d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ( d g s ) c a nb ef o r m e da tac e r t a i ns t o p b a n d f r e q u e n c yr a n g e e a s yt o d e f i n et h es t r u c t u r eo ft h eu n i ts t r u c t u r e d u a l b a n ds t u b ( d b s ) s t r u c t u r ew h i c hf o r m e db ys p i r a lc o m p a c tm i c r o s t r i pr e s o n a t i n gc e l l ( s c m r c ) a n d m i c r o s t r i pl i n e s p r o v i d ea l le a s y t o c o n t r o ld u a l - s t o p b a n d t h e i rs i z ei sr e l a t i v e l ys m a l l d u et o s l o w w a v ec h a r a c t e r i s t i c s t m sa r t i c l ei nt h ef i l t e ra n dd i p l e x e rb a s e do nt h ed b r s t r u c t u r e w e r ea d d e dt ot h ed g sa n dd b ss t r u c t u r ew a ss t u d i e da n dm a d e f i r s t l y , t h eb a s i ct h e o r ya n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s o ff i l t e ra n dd i p l e x e ra r ed e s c r i b e d b r i e f l yi nt h i sa r t i c l e a n dt h e nt oc b a n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e mf o r t h ea p p l i c a t i o n b a c k g r o u n d ，a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nm e t h o d so ft h ef i l t e rb a s e do nd b r o ft h eo p e ns t u b ，w e d e s i g nt h ec b a n ds a t e l l i t ec o m m u n i c a t i o n sm i c r o s t r i pd i p l e x e r t h e no nt h ea n a l y s i so ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r so fd b - d g sa n ds p - d g s ，w ed e s i g na q u a s i e l l i p t i cl o wp a s sf i l t e rb a s e do nt h ed g s j o i nt h i sl o w - p a s sf i l t e ri nm i c r o s t r i pd i p l e x e r i no r d e rt oi m p r o v ep e r f o r m a n c e t h et e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed i p l e x e ri n s e r t i o nl o s si sl e s s t h a n1 4 d b i s o l a t i o ni sb e t t e rt h a n6 4 d b m e a n w h i l e t h ea n a l y s i so ft h er e l e v a n tp a r a m e t e r so ft h ed b ss t r u c t u r e ，w ed e s i g na d b ss t r u c t u r ea n da d di tt ot h ed i p l e x e r p h y s i c a lt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h er e c e i v e rf i l t e r i n s e r t i o nl o s si sl e s st h a n1 扣t h et r a n s m i t t e rf i l t e ri n s e r t i o nl o s si sl e s st h a n1 3 d b ，t h e w h o l ed i p l e x e ri s o l a t i o ni sb e t t e rt h a n6 2 d bt ov e i l 母t h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o d f i n a l l y ，t h ep a p e rs u m m a r i z e st h ew o r ko fp r o p o s e df u t u r er e s e a r c hd i r e c t i o n s k e yw o r d s ：d u a lb e h a v i o rr e s o n a t o r , d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ，d u a l b a n ds t u b ，s p i r a l c o m p a c tr e s o n a n tc e l l ，f i l t e r , d i p l e x e r i i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名：细 少。年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 盈缉 d 年月 日 硕一 ：论文基于d b r 滤波器的微带双工器的研究 1 绪论 1 1 滤波器与双工器的研究历史与发展 空间无线电通信指的是以地球大气层外空间飞行体为对象的无线电通信，而卫星通 信是s t 的形式之一。卫星通信系统于2 0 世纪6 0 年代以来就得到了迅速发展，在经济、 军事、政治和文化生活中都起着很重要的作用。尤其是c 波段的卫星通信系统，应用非 常广泛，而滤波器和双工器是卫星通信系统的射频前端的重要的组成部分，其性能的好 坏直接影响整个卫星通信系统的质量。 随着卫星通信系统的发展，对滤波器及双工器提出了越来越高的要求，因此设计一 个插入损耗小，隔离度好的双工器至关重要。 现今，在通信系统前端中存在各种各样的双工器，双工器的主要种类有：波导双工 器、同轴线双工器、带状线双工器、微带双工器、介质双工器和s a w 双工器等。一般 情况下，双工器由带通滤渡器和分支接头组成，因此滤波器的种类与双工器相对应。这 些双工器都有各自的优点，当然也有自己的缺陷。随着通信的飞速发展，射频电路集成 化要求程度也越来越高，除了要求很好的性能外，还提出了低损耗，小体积和低成本等 要求，因此微带滤波器及双工器越来越受到大家的青睐。 目前，微带滤波器及双工器的主要形式如下：平行耦合线形式、阶梯阻抗( s i r ) 形式、双重行为谐振器形式( d b r ) 及丌路环形式等。由于现在通信系统对滤波器及双 工器提出了插入损耗小，阻带衰减大等较高的要求，c e d r i cq u e n d o 和e r i cr i u s 于2 0 0 3 年提出了双重行为谐振器结构d b r ( d u a l b e h a v i o rr e s o n a t o r ) ，用d b r 制作的带通 滤波器具有插入损耗小、阻带衰减较好的优点，因此本文将对d b r 形式的滤波器及双 工器进行系统地研究。 1 2 基于d g s 的微带滤波器及双工器的研究 随着微波通信领域的发展，对微波集成电路设计提出了小型化、集成化的要求。因 此在传输线上加入周期性结构使其具有低通特性已经被提出，对于平面传输线和微波电 路具有代表性的周期性结构是p b g ( p h o t o n i cb a n d g a p ) 和d g s ( d e f e c t e dg r o u n d s t r u c t u r e ) 。 缺陷接地结构( d g s ，d e f e c t e dg r o u n ds t r u c t u r e ) ，是在微带线、共面波导等平面 微波传输线的接地层上蚀刻出的一种周期或非周期形状的结构。由于d g s 有易于定义 单元结构、建模和尺寸小等优点，被广泛应用于滤波器、功分器、耦合器、功率放大器 和振荡器等。 l 绪论硕f ：论文 由于本文提出的基于d b r 的微带滤波器及双工器虽然插入损耗小、阻带衰减相对 比其他微带线形式较好，但是还是满足不了卫星通信系统对滤波器及双工器等无源器件 的要求即阻带衰减达不到性能要求，不仅如此，而且微带d b r 滤波器还有谐振特性这 一缺点。而d g s 结构具有低通特性，加入其中可以改善阻带衰减，进而抑制谐振特性。 现今研究的d g s 结构有直线型、哑铃型、螺旋型、三角形、圆形、六角形和八角 形等形式。由于先前设计的微带d b r 滤波器的阻带和通带相距比较近，需采用较陡峭 的d g s 结构。本文在此选用常用的哑铃型结构和阻带较为陡峭的螺旋型缺陷地结构， 通过一定的组合方式，设计了一个基于d g s 的准椭圆低通滤波器。将此低通滤波器加 入微带d b r 滤波器的馈线当中以期改善微带d b r 滤波器的性能，从而使基于d b r 的 微带双工器可以满足性能要求。 本文将设计的基于d g s 的准椭圆低通滤波器加入微带d b r 带通滤波器的馈线当 中，既不影响微带d b r 滤波器的原有性能，也不用进行大量调节，最重要的是可以改 善滤波器的阻带性能，不仅如此，由于基于d g s 结构的准椭圆低通滤波器插入损耗比 较小，即使加入微带d b r 滤波器当中，也没有使滤波器的插入损耗变的很差。 1 3 基于d b s 的微带滤波器及双工器的研究 y a b l o n o v i t c h 于1 9 8 7 年提出了光子晶体的概念，即具有一定光子带隙p b g ( p h o t o n i c b a n d g a p ) 的一种周期性电介质结构【3 6 】。从本质上来说，p b g 结构是一种电磁带隙结构 ( e l e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ，e b g ) 。随着m e m s 的飞速发展，e b g 结构越来越受到大家 的重视，但是e b g 结构分为一维、二维、三维，不是很容易应用到微波电路中的。 2 0 0 0 年，薛泉教授设计了一种紧致微带谐振单元结构c m r c ( c o m p a c tm i c r o s t r i p r e s o n a t i n gc e l l ) 1 9 】，此结构是一维的，仅单个结构就足以达到类似的p b g 结构特性。 正是由于此特性，被广泛应用于无源和有源电路中。近年来，大家先后研究了最原始的 c m r c 结构、加宽的c m r c 结构、s c m r c 结构【3 】和不对称的c m r c 机构。这些结构 都具有类似p b g 的特性，即带阻特性，不仅如此，还具有慢波特性，大大减小了电路 的尺寸，更方便电路的集成化。 这些结构具有各自的特点，基于改善滤波器性能的需要，本文选取螺旋紧致微带谐 振单元结构即s c m r c ( s p i r a lc o m p a c tm i c r o s t r i pr e s o n a t i n gc e l l ) ，将s c m r c 结构和和 一根九4 的微带线相结合组成了种新的结构，即双频带分支线结构d b s ( d u a l b a n d s t u b ) 。此结构可作为分支线来增加阻带衰减和抑制谐振，不仅可以通过慢波效应来减 小整个结构的尺寸，同时提供了一个易于控制的双频阻带。本文设计了工作于3 9 5 g h z 的d b s 结构，将此结构作为分支线加入接收端d b r 滤波器的导纳变换器和馈线的连接 处，改善了滤波器的阻带性能，并进一步提高了微带d b r 双工器的隔离度。 2 硕十论文基十d b r 滤波器的微带双t 器的研究 1 4 本文的主要工作及章节安排 本文的主要研究工作是以卫星通信系统为应用背景，深入系统的研究了滤波器及双 工器。本文分为五章，各章的具体内容概述如下： 第一章概述滤波器及双工器的研究背景及其发展历史与趋势，概述本文的主要研 究工作。 第二章概述滤波器及双工器的基本理论，深入研究了双重行为的谐振器，并设计 了基于d b r 的分别工作于3 9 5 g h z 和6 1 5 g h z 的滤波器，和由这两个滤波器通过t 型 结组成的工作于c 波段的微带d b r 双工器。 第三章分析了d g s 结构的特性，设计了一个工作在3 9 5 g h z 的基于d g s 的准椭 圆低通滤波器，将其加入先自订设计的滤波器及双工器中，以期改善它们的性能。 第四章研究了s c m r c 的慢波和带阻特性，并且设计了一个截止频率为3 9 5 g h z 的 d b s 结构，将其加入第二章设计的滤波器及双工器中，以期达到预定的指标要求。 第五章总结了全文的工作，并提出了以后的研究方向。 2 基于d b r 的微带滤波器及双工器的原理及设计硕i ：论文 2 基于d b r 的微带滤波器及双工器的原理及设计 卫星通信系统是以卫星作为中继站转发微波信号，从本质上来说，它实际上是一种 微波通信，虽然不能普及使用，但在我们的生活中起着很重要的作用。本文主要研究工 作于c 波段的卫星通信系统，它的工作频段为3 7 g h z 4 2 g h z 和5 9 g h z 6 4 g h z 。 然而，滤波器及双工器是卫星通信系统射频前端的重要组成部分，由于是无源器件， 它的性能指标直接影响整个系统的性能质量。因此，对滤波器及双工器提出了越来越高 的要求，由于现在对集成电路小型化、高性能的追求，本章主要对基于d b r 的微带滤波 器及双工器进行研究。 2 1 滤波器的基本理论及实现方法 2 1 1 滤波器的基本理论 在通带范围内能使微波信号完全传输，在阻带范围内能使微波信号完全不能传输， 即在通带内插入损耗为零，在阻带内衰减为无限大，且在通带内是线性相位响应的二端 口网络称为理想的滤波器【5 】。根据频率响应，滤波器就其特性可分为低通滤波器、高通 滤波器、带通滤波器、带阻滤波器。 对一个滤波器来说，下列技术指标是至关重要的： ( 1 ) 频率范围：滤波器通过或截断信号的频率界限；中心频率厶和相对工作带宽： f b w = ( 石一z ) 厶 ( 2 1 ) ( 2 ) 通带内允许的最大衰减即插入损耗儿和通带内的回波损耗：插入损耗是描述功率响应 幅度与o d b 基准的差值，数学表达式为1 4 j ： i l - - 1 0 l o g ( 只) = - 1 0 l o g l l 一nj ) ( 2 2 ) 其中，只是滤波器从信号源得到的输入功率，只是滤波器向负载输出的功率，i r 。i 是从 信号源向滤波器看去的反射系裂4 1 ；回波损耗描述了滤波器的反射损耗的大小。 ( 3 ) 阻带内的衰减：取通带外与截止频率为一定比值的某频率的衰减值。 ( 4 ) 寄生通带：在通带外的频段又产生了新的通带。 由于可以通过频率变换可将低通、高通、带通、带阻滤波器变换为低通原型来进行 综合设计，因此低通原型滤波器是设计滤波器的基础。在工程上，用逼近函数来逼近理 想低通原型滤波器的衰减特性，逼近函数有：椭圆函数、准椭圆函数、切比雪夫和巴特 沃斯。这些逼近函数都有各自的特点，准椭圆式低通滤波器具有类似椭圆式滤波器的通 带、阻带波纹特性和优良的频选特性，但是电路结构较复杂；椭圆函数式滤波器在通带 和阻带的衰减量起伏变化较大，而且在这四种滤波器中通带和阻带间隔最窄即阻带衰减 最陡峭，和准椭圆式一样电路结构复杂；切比雪夫式滤波器的阻带衰减次之，通带内有 4 硕1 j 论文基于d b r 滤波器的微带双丁器的研究 等起伏变化的衰减量，电路结构比前两种简单；巴特沃斯式即最平坦式滤波器阻带陡峭 程度最差，但是电路结构是最简单的1 5 1 。对比了这四种滤波器，根据要设计的滤波器插 入损耗小、阻带衰减高的性能指标，同时考虑设计的简单化，我们选用最常用的切比雪 夫式滤波器。 切比雪夫式低通原型滤波器的衰减频率特性如图2 1 所示【1 3 1 ：从图中可看出，通带 q 毋 图2 1 切比雪夫式低通滤波器的衰减频率特性 内衰减有规律的起伏，呈现等波纹响应。l ，表示通带内的最大衰减，：为通带内的截 止频率，0 ：为通带，：以上为阻带。 2 1 2 滤波器的实现方法 低通原型滤波器是设计微波滤波器的基础，是由集总参数元件组成的二端口网络。+ 下面介绍等波纹切比雪夫滤波器的实现方法，首先我们研究归一化低通滤波器的结构。 低通原型滤波器的电路结构如图2 2 所示【1 3 】： 厶= g 厶= g ，t = g 。 q = g 。 r o = g o l 2 = 9 2 弘j ( b ) 图2 2 低通原型滤波器的电路 尼“= g 川 2 幕于d b r 的微带滤波器及双下器的原理及设计 硕一l ：论文 由图2 2 可知，电路中串联电感与并联电容存在对换关系，为双终端低通原型滤波 器的梯形电路结构。图2 2 ( a ) 是从串联电感丌始，g o 是波源内电导，g ，( i = 1 寸玎) 表示 串联电感的电感量或者并联电容的电容量，当最后一个元件是串联电感值时，邑+ 表示 负载电导值。与之相对应的图2 2 ( b ) 是从并联电容开始，g 。是波源内电阻，g ，( i = i 寸以) 表示并联电容的电容量或者串联电感的电感量，当最后一个元件是并联电容值时，邑+ 表 示负载电阻值。 2 1 2 1 频率变换 在实际应用中，频率对国：归_ 化即( o ：= 1 ，低通原型滤波器的元件值对g o 归一化即 g o = 1 。由于本文主要研究带通滤波器，因此只介绍带通到低通的变换。我们可以根据 要设计的滤波器的指标要求，首先将实际频率反归一化，根据公式【6 1 ： q = 一。d u - - 0 lb i 0 0 ) 仁3 ， l 其中，。= 石，吼，q ，= 2 兀z ，0 3 。= 2 7 【五，而z ，无分别代表通带的上边频和下边频。然 后根据衰减指标和通带波纹先查图确定滤波器的阶数，然后查表得到低通原型滤波器的 各元件值。 其次，将归一化低通原型滤波器转换成实际的带通滤波器f 4 1 ，如图2 3 所示： l石l 三= 蜀j f 产 上虻竺。 t 6 c = 晶 ( b ) 图2 3低通到带通的变换 图2 3 ( a ) 为电感l = g 转换成串联z c 电路即 上- 兰，c ：挚 q ，一t o o l 图2 3 ( b ) 为电容c = 吕转换成并联c 电路，即 c ：竺，z ：挚 f ，一 2 c ( 2 4 ) ( 2 5 ) 上tl 硕一i ：论文基于d b r 滤波器的微带双t 器的研究 最后进行阻抗变换，用实际电阻的月。，倍乘以滤波器的所有参数。这就是基于低通 滤波器原型的切比雪夫带通滤波器的设计方法1 4 j 。 2 1 2 2 导纳变换器 在2 1 2 1 节中所讲的是两种电抗元件的低通原型及低通到带通的实现方法，为了简 便起见，可将两种电抗元件的低通原型转换成只含有一种电抗元件的低通原型等效电 路。然后从只含有种电抗元件的低通原型出发，再经过低通到带通的频率变换【l 引。 由两种电抗元件到只含有一种电抗元件的低通原型的转换主要借助阻抗或导纳变 换器，由于本文只涉及到导纳变换器，在此只介绍有关导纳变换器的内容。理想的导纳 变换器指的是其工作好像在所有频率上特性导纳都是，的1 4 波长线那样1 1 3 j ，如图2 4 所 示。 艺= 等 i ， 七k + l l 1 一 l 图2 4 导纳变换器 若导纳变换器的一端接导纳巧，在另一端的导纳艺则是1 3 】： 艺= 专 ( 2 6 ) 导纳变换器是以合适的色系数为特性，设计者仅需计算四分之一波长导纳变换器的 特性阻抗z ( j 川，公式如下所示1 7 】： 乙- z o f 熙 | z c j ，乙怯 z c n n + l = 2 0 i 厩 其中，w 为相对带宽即w - - - - ( c o t ，一吼) 南。，= g h = l 为电路的终端导纳， 切比雪夫低通原型滤波器的元件值，0 3 ：为低通原型的截止频率即：= l 。 2 2 双重行为谐振器的基本原理及基于d b r 的滤波器的设计 ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) g j 为等波纹的 2 2 1 双重行为的谐振器( d b r ) 射频滤波器经常被用在接收机中，由于高的发射功率带来的破坏和性能减退，对滤 7 2 基于d b r 的微带滤波器及双下器的原理及设计 硕1 j 论文 波器的阻带即在临近的发射频带中有较高的要求。现今，这些问题成为研究微波平面滤 波器的主要目的。正是基于此，2 0 0 3 年c e d r i cq u e n d o 和e r i cr i u s 提出了双重行为谐 振器结构d b r ( d u a l b e h a v i o rr e s o n a t o r ) 1 1 j 。 首先研究一下阶梯阻抗分支线的形式及电磁响应，定义阶梯阻抗比率 7 i = 羔 f 2 1 0 ) z s c c 删 、 当r 1 时的电磁响应如图2 5 ( c ) 所 示。从图中看出，不管f 1 ，阶梯阻抗分支线形式都有一个带阻响应，只是 衰减点的位置不一样【。 ( a )阶梯阻抗分支线形式 f r e q u e n c y ( g h z ) ( b ) r 1 时的电磁响应【1 图2 5 阶梯阻抗分支线的形式及电磁响应 然而，d b r 正是由这两种不同的并联带阻结构组成的，每一个带阻结构基于本身 的基本谐振条件引进一个传输零点。同时，带阻结构在建设性的联合标准下合适地连接， 就可以在较低和较高的阻带中间产生一个通带响应，基本结构如图2 6 ( a ) 所示。从电磁 响应图2 6 ( b ) 中可看出，z i ，z ：，z 3 ，z 4 分别是传输线的特性阻抗，如，厶，是这四段传输 线的电长度。d b r 结构不仅在1 g h z 处产生了一个通带响应，而且保持原来衰减点的位 置不变，这是它的最大的优点可以通过阶梯阻抗比率来独立地控制衰减点。 8 硕j j 论文基于d b r 滤波器的微带双f t 器的研究 o 5o 6o 70 b0 9 11 1 1 2 1 31 41 5 f 只e o u e n c y ( g h z ) 由上面的分析可知，根据参数的数目和带阻结构的初始行为，d b r 允许以下参数 的独立控制：通带的中心频率：在较低衰减带的传输零点；在较高衰减带的传输零点。 2 2 2 基于d b r 的微带滤波器的设计 2 2 2 1 最基本的阶梯阻抗线形式 为了简化上面所述的d b r 结构，将四段分支线的长度都设置为，即 = 乞= ，3 = 厶= ，阻抗比率设置为z , z 2 = z 3 z 4 。d b r s 可以通过斜率参数6 来建模， 一个刀阶d b r 滤波器的第个谐振器由如下公式表示f 7 】： 2 硪丽c o ( 2 1 1 ) 乙4 = 丽 y j c o o ( 2 1 2 ) z n = z j p j ( 2 1 3 、) 弓= 乙2t a n 2 ( 0 0 ( 2 1 4 ) 乙3 = z j 4t a n 2 ( 0 j 2 ) ( 2 1 5 ) 舯， 旷l 毒删l 亿旧 丫，= 等( 1 + t a n 2 ( e ，。) ) ( c 0 0 ) + ( 。) ( 2 1 7 ) 旷吨， 匦错器鬻型 亿嘞 刚= 篙裂 亿 洲2 蒜耥 亿2 。， 2 基于d b r 的微带滤波器及双工器的原理及设计顾七论文 而电长度为： o：，二a 2 r c k j , f o 2 t 0 ： f2 2 r c k j 2 f 。l 2 c o j 。矿挚t 。 巳 。 ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) 公式中，层为中心频率，k 肿k ，分别是较低和较高衰减频率与中心频率比， c o = 2 9 9 7 9 2 4 5 8 x 1 0 8 m s 为真空中的光速。计算导纳变换器的特性阻抗在2 1 节中已经 介绍过，在此不再赘述。 需注意的是，在满足阻带抑制的同时，还需要考虑加工技术的限制，因此不管是分 支线还是导纳变换器的特性阻抗，都必须设置在2 5 r 2 9 5 1 2 之间。然而，由求解导纳变 换器的特性阻抗公式可知，b ，是一个无量纲的常数，可以通过调节b ，来得到合适的特性 阻抗值。为了直观地理解以上原理和公式，我们将2 阶的基于d b r 阶梯阻抗式形式的 滤波器的结构如图2 7 所示： 图2 72 阶基于阶梯阻抗的d b r 滤波器的理想传输线形式 2 2 2 2 简化的丌路线和短路线形式 近几年来，学者们对d b r 滤波器进行了深入的研究，又提出了两种新的不同长度 的d b r 形式：开路线和短路线形式。 1 0 开路线形式的d b r 如图2 8 所示： 图2 8 基于不同k 度的开路线形式的d b r 硕j j 论文基于d b r 滤波器的微带双工器的研究 j f 如2 2 2 1 节所浣，外路分文线的并联组合彤式对传输零点频率没有任1 口j 影喇，凼 此，分支线的输入阻抗可以被独立地用来设置传输零点。与阶梯阻抗形式不同的是，两 根分支线的长度不相等，结构较简单。d b r s 可以通过斜率参数b 来建模，对于一个n 阶d b r 滤波器，第j 个谐振器可以定义如下【7 】： 7 = 上 (224191 ) 一4 f o k n l， ：2 丽c o ( 2 2 5 ) z j l = 一警 ( 2 2 6 ) z j 2 = z 0 石、r j 一_ ) ( 2 2 7 ) 14 - t a n 2 0 e 2彳(2284k j i ， i = 訾 亿2 9 ， 其中，电长度。，：分别为：e 。：竽粤o 。 ( 2 3 0 ) 。，2 ：2 , f o6 2( 2 3 1 ) 导纳变换器的特性阻抗计算公式( 2 7 卜( 2 9 ) 在2 1 中已经介绍过，而谐振器也是以合适 的屯系数为特性。基于不同长度的开路线形式的d b r 滤波器形式大体与阶梯阻抗类似， 只是将单元d b r 形式交换一下就可以了。 镝路线形式的2 阶d b r 滤波器如图2 9 所示： 八 z i j i n lz 2 1 ，1 2 l 。 m 。h ，h kh 鱼k h 卫 图2 92 阶基于短路分支线形式的d b r 滤波器的理想传输线形式 第，个谐振器可以定义如下7 卜 1 = z f c 。o i ( 2 3 2 ) 1 1 2 基于d b r 的微带滤波器及双t 器的原理及设计 硕i ：论文 l j 2 丽c o ( 2 3 3 ) z i i = 一等 ( 2 3 4 ) 乙z = z 0 ( q s j ) ( 2 3 5 ) e j 岩4 kt a 斋n0 ( 2 3 6 ) 去( 2 3 6 ) ，2 2 ，2 、7 s ，：! 生堕型( 2 3 7 ) 。 2 七，lt a n 0 ，lt a n 0 ，2 、 d b r 结构可以在衰减频带独立地设置传输零点，正因如此，与传统的耦合微带线 技术相比，减小了滤波器的阶数，从而减小了整个结构的损耗。不仅如此，还可以控制 两个衰减带的带宽，由于两个带阻结构的独立性，没有额外的可调谐性的困难。 上面介绍了3 种形式的d b r ，它们具有各自的特点：阶梯阻抗分支线形式的d b r 是最基本的d b r ，具有内在的设计自由度，在设计仿真中便于优化，而且它可以减小 十字街头引起的不连续性，但是它的衰减度不好；开路分支线形式的d b r 比较适合高 频率的宽带控制，结构相对也比较简单：短路分支线形式的d b r 在接近通带两旁的阻 带有一个很高的抑制度。不仅如此，这些结构还可以联合使用，但是由于加工技术的限 制和滤波器的性能指标要求，我们选用丌路分支线形式的d b r 来设计滤波器，其余联 合形式不再赘述。需注意的是：基于d b r 的滤波器像所有的滤波器一样都有一个缺点， 就是会出现谐振。 2 3 基于开路分支线形式的i ) b r 滤波器的设计仿真 2 3 1 接收端d b r 滤波器的设计与仿真 正如绪论里所说，双工器一般是由带通滤波器和分支接头组成的，首先我们必须设 计两个频段的滤波器。本文设计的滤波器位于c 波段，接收端滤波器中心频率为 3 9 5 g h z ，通带为3 7 g h z 4 2 g h z ，相对带宽为1 2 6 6 ，阻带为5 9 g h z 6 4 g h z ；发 射端滤波器中心频率为6 1 5 g h z ，通带为5 9 g h z 6 4 g h z ，相对带宽为8 1 3 ，考虑到 镜像频率的作用，将阻带定为3 5 g h z 4 2 g h z 。初始设定的指标要求为：通带插入损 耗小于l d b ，回波损耗小于- 2 0 d b ，阻带衰减小于- 6 0 拈。 鉴于两个滤波器的阻带带宽较宽和加工的精细程度，由2 2 节可知，我们选择基于 开路分支线形式的d b r 来建模。 首先我们设计接收端滤波器，根据上面的技术指标，我们将参数定为：f o = 3 9 5 g h z ， 毛l = k 2 i = 屯l = o 6 5 ，毛2 = 1 4 9 ，k 2 2 = 1 5 6 ，包2 = 1 6 2 。选定3 阶切比雪夫低通原型 1 2 硕b 论文 壮fd b r 滤浊嚣的礅带h i 糌的研究 ( o o l d b 波纹) 即：g o = l ，g i = 06 2 9 1 ，9 2 = 0 9 7 0 2 ，岛= 06 2 9 1 ，9 4 = 1 。考虑到应 用方面和上艺误差，将相对带宽选定为1 7 ，特性阻抗z = 5 0 n 。 首先，根据公式( 22 4 ) 一23 1 ) ，用m a t l a b 编程，由于加工微带线尺寸的限制，需将 特性阻抗限制在2 5 1 1 9 5 n 因此选定 = 以= 良= 5 。计算出来的特性阻抗和相位为： z l l = 3 2 4 4 0 3 ，1 = 1 3 84 6 1 5 ；五2 = 6 44 6 5 6 ，2 = 6 04 0 2 7 ；毛= 3 l4 4 0 4 t = 1 3 84 6 1 5 ； z ”= 5 6 1 2 1 2 ，f22 = 5 76 9 2 3 ：z ) i = 3 07 7 4 7 ，l = 1 3 84 6 1 5 ；毛2 = 5 06 4 8 5 ，2 = 5 55 5 5 6 。 用a d s 的l i n e c a l c 工具来计算开路分支线的尺寸为：，= 1 4 r a m ，= 2 0 9 5 r a m ； 2 = 0 5 r a m ，2 = 9 4 5 r a m ；叱i = 1 4 6 r a m ，l = 2 09 2 r a m ：2 = o6 3 r a m ，2 = 8 9 6 m m ； i = 1 s m m ，“= 2 09 r a m ；嵋2 = 0 7 4 r a mt 2 = 8 5 8 m m 。 其次，根据公式( 27 h 29 ) ，由于岛= 如= 以= 5 可计算出来四分之一波长导纳变换 器的特性阻抗为：毛= 4 30 1 5 0 ，z ( ：= 4 59 5 5 9 ，五，= 4 59 5 5 9 ，z c ，= 4 30 1 5 0 。由 于其相位为9 0 ，因此通过l i n e c a l c 工具可计算出导纳变换器的尺寸为：w ，= 0 9 6 r a m ， t 2 1 37 9 r a m ；”= 0 8 6 r a m ，n = 1 38 3 r a m ；，= 0 8 6 r a m ，乜= 1 38 3 r a m ： 啦。= 0 9 6 r a m ，k = 1 3 7 9 r a m 。本文设计的结构都采用介质板r o g e r s5 8 8 0 即相对介 电常数，= 22 ，厚度h = o2 5 4 m m 。版图结构如图21 0 所示： 一- 卜 k 、 l j ”j t - 、 圈21 0 接收端滤波器( j 二作频率为39 5 g h z ) 的版图结构 由图21 0 可知，加进了十字接头来连接分支线和导纳变换器，十字接头占用了一定 的尺寸因此，分支线和导纳变换器都需要对尺寸进行相应的调节。在a d s 罩建模， 经过原理图和版图仿真，微调确定最终的尺寸为：分支线的尺寸为= 14 r a m ， f l 】= 2 17 5 r a m ；2 = o5 r a m t 2 = 9 2 5 m m ；l = l4 6 r a m ，i = 2 l7 2 m m ：2 = o6 3 r a m ， 2 = 87 6 r a m ；l = l5 r a m ，i = 2 1 7 r a m ：w 3 2 = 0 7 4 r a m ，2 = 8 3 8 m m ；导纳变换器的 尺寸为；”t = o 9 6 r a m ，。= 1 37 9 r a m ；，= 08 6 r a m ，：= 1 3 8 3 r a m ；w ( 。= 08 6 r a m ， 。= 1 38 3 r a m ；。= 0 9 6 r a m ，。= 1 37 9 r a m 1 3 2 基于d b r 的微带滤波器及双t 器的原理及设计 硕l ：论文 1 ：1 3 已 e ( ，) f r e q u e n c y ( g h z ) 图2 1l 接收端d b r 滤波器的版图仿真结果 仿真结果如图2 1 1 所示，通带3 7 g h z 4 2 g h z 内的插入损耗小于0 4 d b ，回波损 耗小于- 2 0 d b ，但是阻带衰减没有达到预定的指标要求，整个阻带5 9 g h z 6 4 g h z 内 的衰减小于_ 4 8 如，只有个别点可以达到预定的指标小于- 6 0 邪。增加d b r 滤波器的 阶数虽然可以增加阻带衰减，但是插入损耗比较大。因此可加入其他结构来改善此滤波 器的性能以满足低插损、高阻带衰减的指标，这是第二章和第三章所要讲述的内容。 2 3 2 发射端d b r 滤波器的设计与仿真 在2 3 1 节中提到了发射端滤波器的指标要求，即中心频率为6 1 5 g h z ，通带为 5 9 g h z 6 4 g h z ，相对带宽为8 1 3 ，考虑到镜像频率的作用，将阻带范围定为 3 5 g h z 4 2 g h z 。初始设定的指标要求为：通带插入损耗小于l d b ，回波损耗小于 - 2 0 d b ，阻带衰减小于“o 拈。 与上节的步骤一样，根据预定的指标，我们将参数定为：f o = 6 1 5 g h z ，毛。= 0 5 7 ， 岛= 0 6 4 ，如，= o 6 8 ，毛：= k 2 ：= 屯2 = 1 6 。选定3 阶切比雪夫低通原型( 0 0 1 d b 波纹) 即：g o = l ，g l = o 6 2 9 1 ，9 2 = 0 9 7 0 2 ，9 3 = 0 6 2 9 1 ，9 4 = 1 。基于相同的考虑，将相对 带宽选定为1 2 ，特性阻抗z o = 5 0 f 2 ，选定b l = 6 2 = 反= 5 。用m a t l a b 编程，计算出来 的特性阻抗和相位为：z l ，= 2 5 4 6 0 1 ，t 1 = 1 5 7 8 9 4 7 ；z l ，= 9 3 8 1 3 4 ，t l ，= 5 6 2 5 ； z 2 l = 3 6 5 7 2 4 ，f 2 l = 1 4 0 6 2 5 0 ；z 2 2 = 6 6 6 9 4 2 ，t 2 2 = 5 6 2 5 ；z 3 i = 4 6 3 8 0 7 ，t 3 l = 1 3 2 3 5 2 9 ； z 3 2 = 6 3 2 7 8 9 ，t 3 2 = 5 6 2 5 。 与2 3 1 节相同，根据公式( 2 2 4 ) - - ( 2 3 1 ) ，由于6 1 = 6 2 = 政= 4 可计算出来四分之一波 长导纳变换器的特性阻抗为：z r ，= 5 7 2 4 1 3 ，z f = 8 1 3 8 0 3 ，z r = 8 1 3 8 0 3 ， z r j = 5 7 2 4 1 3 。用a d s