（电磁场与微波技术专业论文）无线通信微波双频带通滤波器研究.pdf

上海大学博士学位论文 摘要 近年，随着无线通信需求的不断增加，双频便携式电话和无线局域网被广泛 应用。双频段滤波器也成为这些通信系统前端的重要器件。本论文主要研究了无 线通信系统中双频带通滤波器的设计理论与方法，并首次提出运用频率变换和电 路变换法综合设计双频带通滤波器的理论。 主要完成的工作和创新有以下四个部分： 首先，提出了一种两级9 0 0 m h z 1 8 0 0 m h z 双频段滤波器。滤波器采用微带 开环谐振器，利用谐振器的基频和第一杂散频率得到双通带特性。通过合理设计 滤波器的级间耦合和外部耦合同时满足两个频段的指标；然后创新性地提出了一 种新型紧凑型三级双频段滤波器，滤波器的阻带特性有很大的提高。两个方形开 环谐振器被嵌入到一个u 形谐振器中，减小了滤波器的体积。同时，微带开路 枝节和不相邻谐振器之间的交叉耦合被同时用来在滤波器的阻带产生传输零点， 从而在获得宽阻带的同时，阻带陡峭度和深度也很大。理论和测试结果吻合很好。 其次，提出了一种适用于无线局域网系统中的微带慢波结构双频带通滤波 器。研究了慢波谐振器的基频和第一杂散频率特性与加载开路枝节长度之间的关 系。然后利用微带开环慢波谐振器设计了一个第二通带可以控制的双频段滤波 器。零度耦合结构被用来在滤波器的通带边产生传输零点，提高阻带的吸收深度； 同时用四分之一波长阻抗匹配线通过优化得到所需的外部品质因数。实验数据验 证了理论分析和设计过程。 再次，提出了频率变换法设计双频段带通滤波器的理论。通过对低通原型滤 波器进行两次频率变换，得到双频带通滤波器。滤波器经过电路变换后，得到新 型只含有倒置变换器和并联或串联谐振器的双频段滤波器电路。该电路可以很方 便的利用常见的分布参数元件实现。采用该综合理论设计了一个中心频率为 1 8 2 4 g h z 的双频带通滤波器，滤波器用微带传输线和开路枝节实现。仿真结 果和测试结果吻合很好，验证了提出的设计理论。 最后，提出了利用新型双频段谐振器综合设计带宽可控制的双频带通滤波器 的理论。该谐振器由一个一段式和一个两段式微带开路枝节并联而成。滤波器的 两个通带依次被三个传输零点分开。第一个和第三个传输零点分别由两段式开路 枝节的四分之一波长谐振和四分之三波长谐振产生，通带之间的传输零点由一段 v 上海大学博士学位论文 式开路枝节的四分之一波长谐振产生。同时给出了利用这种谐振器实现的带宽可 完全控制的双频段滤波器的设计公式。然后设计并加工了一个工作在2 4 g h z 频 段和5 2 g h z 频段的双频段滤波器。所有理论分析和设计过程最后通过实验得到 验证。 关键词：频率变换双频段滤波器导纳倒置变换器电纳斜率参量 耦合系数 上海大学博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s d u a l - b a n dp o r t a b l et e l e p h o n e sa n d ，i n ( w i r e l e s sl o c a la l - a n e t w o r k ) b e c o m eq u i t ep o p u l a rd u e t ot h en e e do fw i r e l e s sm o b i l ec o m m u n i c a t i 0 1 1 5 d u a l - b a n df i l t e r sb e c o m ek e yc o m p o n e n t si nt h ef r o n to ft h e s ec o m m u n i c a t i o n s s y s t e m s t l l i sd i s s e r t a t i o ng i v e sad e t a i ls t u d yo nt h ed e s i g nt e c h n i q u ea n dt h e o r yo f d n a l - b a n df i l t e r sf o rw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s as y n t h e s i st h e o r yo f d u a l - b a n d b a n d p a s sf i l t e r ( b p f ) i sf i r s t l yp r o p o s e db yu s i n gs u c c e s s i v ef r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o n a n dc i r c u i tc o n v e r s i o nt e c h n i q u e s t h ea u t h o r sm a i nc o n t r i b u t i o ni n c l u d e sf o u rp a r t sa sf o l l o w s ： f i r s t l y , a t w o p o l e9 0 0 m h z 1 8 0 0 m h zd n a l - b a n db a n a s sf i l t e ri sp r o p o s e db y u s i n gm i c r o s t f i po p e n - l o o pr e s o n a t o r s d n a l - b a n dc h a r a c t e r i s t i c sa r eo b t a i n e db y u s i n gt h ef u n d a m e n t a la n df i r s ts p u r i o u sr c s o n r n c eo f t h er e s o n a t o r s b o t ht h ei m e m a l a n de x t e r n a lc o u p l i n g so ft h ef i l t e ra r ea p p r o p r i a t e l yd e s i g n e dt os i m u l t a n e o u s l y s a r i s f yt h ed u a l b a n dr e q u i r e m e n t s t h e nan o v e lc o m p a c tm i c r o s t r i pt h r e e - p o l e d u a l b a n d b a n d p a s s f i l t e ri s d e v e l o p e dw i t hr e m a r k a b l yi m p r o v e ds t o p b a n d c h a r a c t e r i s t i c s t w o s q u a r e0 p e l l 一l o o pr e s o n a t o r sa r ee m b e d d e di nau s h a p e d r e s o n a t o rt oa c h i e v ea s i g n i f i c a n ts i z e - r e d u c t i o no ft h ef i l t e r m e a n w h i l e , m i c r o s t i p o p e ns t u b sa sw e l la sac r o s s c o u p l i n gb e t w e e nn o n a d j a c e n tr e s o n a t o r sa r ee x p l o i t e d t op r o d u c em u l t i p l et r a n s m i s s i o nz e r o si nt h es t o p b a n d so ft h ef i l t e r a sa c o u s c q u e n c 它,w i d es t o p b a n d s 埘ms h a r pa n dl a r g ea t t e n u a t i o n sa r eo b t a i n e d t h e o r e t i c a la n dm e a s u r e df 嘞u 如c yr e s p o n s e so ft h ed e s i g n e df i l t e rs h o wag o o d a g r e e m e n t s e c o n d l y , ad u a l - b a n db a n d p a s sf i l t e ru s i n gm i c r o s t r i ps l o w - w a v er e s o n a t o r si s d e v e l c df o rw l a na p p l i c a t i o n s t h ef u n d a m e n t a la n dh i g h e ro r d e rr e s o n a n t h a r m o n i c so fam i c r o s t r i po p e n - l o o pr e s o n a t o ra r ea n a l y z e da g a i n s tt h el e n g t ho ft h e l o a d i n go p c ns t u b t h e nad u a l - b a n db p f 、“t l lc o n t r o l l a b l es e c o n dp a s s b a n di s d e s i g n e di nt h ef o r mo fs l o w w a v eo p e n - l o o pr e s o n a t o r s az e r o - d e g r e ef e e ds 虹1 l c n l r e i se m p l o y e dt op r o d u c et r a n s m i s s i o nz e r o sn e a rt h ep a s s b a n dt oi n c r e a s et h er a t eo f a t t e n n a t i o u s ，a n daq u a r t e r - w a v e l e n g t hf e e dl i n ef o ri m p e d a n c em a t c h i n gi sa d d e dt o g e td e s i r e de x t e r n a lq u a l i t yf a c t o ra tt h ei n p u ta n do u t p u t t h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d d e s i g np r o c e d u r e sa r es u c c e s s f u l l yv c r i f i e db ye x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h i r d l y , an o v e lm e t h o di sp r o p o s e dt os y n t h e s i z ed u a l b a n db a n d p a s sf i l t e r s f r o map r o t o t y p e l o w p a s sf i l t e r b yi m p l e m e n t i n gs u c c e s s i v ef r e q u e n c y t r a n s f o r m a t i o n sa n dc i r c u i tc o n v e r s i o n s an e wf i l t e rt o p o l o g yi so b t a i n e dw h i c h c o n s i s t so fo n l ya d m i t t a n c ei n v e r t e r sa n ds e r i e so rs h u n tr e s o n a t o r s ，a n di st h e r e b y 上海大学博士学位论文 e a s y t o b er e a l i z e d b y u s i n g c o n v e n t i o n a l d i s t r i b u t e d e l e m e n t s a m c r o s t r i p d u a l - b a n d b p fw i t hc e n t r a lf r e q u e n c i e so f1 8 g h za n d2 4 g h zi sd e s i g n e da n df a b r i c a t e du s i n g m i e r o s t r i p l i n e sa n ds t u b s t h es i m u l a t e da n dm e a s u r e dr e s u l t ss h o wag o o d a g r e e m e n ta n dv a l i d a t et h e r e b yt h ep r o p o s e dt h e o r y f i n a l l y , ad e s i g nt h e o r y f o rd u a l - b a n db a n a s sf i l t e rw i t hc o n t r o l l a b l e b a n d w i d t h si sp r o p o s e db yu s i n gn e wd u a l - b a n dr e s o n a t o r s ，t 1 l er e s o n a t o rc o n s i s t so f ao n e s e c t i o na n dat w o - s e c t i o nm i c r o s t r i po p e n - s t u b t w op a s s b a n d sa r es e p a r a t e db y t h r e et r a n s m i s s i o nz e r o s t h ef i r s tt r a n s m i s s i o nz g r oa n dt h et h i r dt r a n s m i s s i o nz e r o a r ec a u s e db yt h eq u a r t e r - w a v e l e n g t ha n dt h r e e - q u a r t e r - w a v e l e n g t hr e s o n a n to ft h e t w o s e c t i o no p e ns t u b 他et r a n s m i s s i o nz e r oi n - b e t w e e nt h et w op a s s b a n d si sc a u s e d b yt h eq u a r t e r - w a v e l e n g t hr e s o n a n to ft h eo n e - s e c t i o no p e ns t u b f o r m u l a sf o r d e s i g n i n gf u l l yc o n t r o l l a b l eb a n d w i d t hd u a l - b a n db p fa l eg i v e n ad u a l - b a n db p f o p e r a t i n gi n2 4 g h z - b a n da n d5 2 0 h z b a n di sd e s i g n e da n dm e a s u r e d a l lt h e t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g n p r o c e d u r e sh a v e b e e ns u c c e s s f u l l yv e r i f i e db y e x p e r i m e n tr e s u l t s k e y w o r d s ：f r e q u e n c yt r a n s f o r m a t i o n ，d u a l - b a n df i l t e r , a d m i t t a n c e i n v e r t e r , s u s c e p t a n c cs l o p ep a r a m e t e r , c o u p l i n gc o e f f i c i e n t v 原创性声明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作。 除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人己发表 或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何 贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：绰日期：型丛 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可 以公布论文的全部或部分内容。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：亳哗导师签名：墨赴日期： i i 矽? f 矿 上海大学博士学位论文 第一章绪论 1 1 课题来源 本课题由国家自然科学基金项目( g p 6 0 2 7 1 0 2 9 ) 部分资助。 1 2 课题研究的目的和意义 伴随着信息革命的浪潮，无线通信技术近几年进入了高速发展时期。现代信息社会 中不断膨胀的巨大信息量要求通信技术向着高速、宽带、大容量方向发展，这就意味着 信息的传播媒体电磁波的使用频率不断向更高的频段方向拓展。目前移动通信手机 所使用的频率主要为0 8 1 9 g h z ，数据传输速率为9 6 k b p s t l l 。第三代移动通信中所使 用的w c d m a 约为2 g h z ，数据传输速率可达到2 m b p s 2 1 。被广泛采用的无线局域网 ( w l a n ) i e e e 8 0 2 1 1 w g 标准【3 1 1 4 ，工作在工业、科学和医学( i s m ) 2 4 g h z 频段，带 宽为8 3 m h z ，提供的最大速率为1 1 m b p s ，而8 0 2 1 l a 和h i 口e n a n - 2 标准6 】，工作在5 g h z 频段，带宽为3 0 0 m h z ，采用正交频分复用技术，可以提供高达5 4 m b p s 的数据传输速 率。一个2 4 g h z8 0 2 1 l b g 接点的有效覆盖范围要比5 2 g h z8 0 2 1 l a 要大，所覆盖区 域内的用户总量大。然而，大量的用户需要共享有限的8 3 m h z 带宽。大量用户同时接 入2 4 g h zw l a n 时，数据传输速率将大大降低。直接的解决办法是增加接入点数量， 但是也不一定能增加系统吞吐量，因为多接点共用8 3 m h z 带宽时带来的带内干扰问题。 相反，8 0 2 1 1 a 无线网络由于覆盖范围小和可用带宽比较宽，干扰问题会小很多【”。从另 一个方面说，由于8 0 2 1 l b g 已经在世界范围内广泛采用，发展现代高速无线局域网必 须考虑向下兼容现存的8 0 2 1 l b g 产品。把客户机节点升级到8 0 2 1 l a 标准，同时兼容现 有的8 0 2 1 l b 儋标准相对来说比较容易，用户只需安装一个双频通信设备即可。世界范 围的系统运营商为了满足日益增加的用户数量，正在转向双频段设备。然而，传统设计 双频段系统的方法在系统容量增加的同时也带来了另外一些问题，包括购买另外的站 址、基站、铁塔、馈线和天线等所需的费用以及类似于互调之类的性能问题。因此，升 级现有的通信系统和设计真正意义上双频工作的系统单元具有重要的意义。 人们希望随时随地都能够自由自在地获得他们所需要的各种信息，包括语音、图像 和数据等。这就需要通信向高速度、宽频带方向发展。但是上述目前人们能够使用的频 谱资源是有限的，特别是射频与微波频段低段可以说是已经到了捉襟见肘的地步。频谱 资源在各国都作为一种国家资源受到严格管理。单频段通信系统已显得陈旧，不能很好 地满足无线通信的需求。通信向更高频段发展，又同时能兼容现用的各种通信频段资源 的双频和多频通信系统是今后无线通信发展的个方向。 上海大学博士学位论文 为了充分利用现有的频谱和基础设备资源，在通信系统中设置能同时工作的多个通 信频段，有效途径之一就是研究和开发高性能的双频段微波滤波器。滤波器作为现代通 信设备中不可缺少的关键器件之一，它能有效地滤除各种无用信号及噪声信号，降低各 通信频道间的信号干扰，从而保障通信设备的正常工作，实现高质量的通信，进而达到 频谱资源的有效利用 a - n l 。 双频段微波滤波器，可以同时工作在无线通信两个不同频段。这种滤波器是用一个 双频段单元来处理两个波段的信号。这种设计概念提供了容易实现的基础设施和高性能 的产品。传统设计双频通信系统，每一个通信系统都有其独立的天线，滤波器，低噪声 放大器等元器件，因此体积大，功耗大。采用具有单端口输入单端口输出的双频段天线， 滤波器和低噪声放大器，可以大大降低双频系统体积，提高系统可靠性。因此通信设备 中双频段滤波器已经成为微波频段的无线通信设备中的重要元件。 本论文研究的目的在于研究双频段滤波器设计理论，开发无线通信所使用的射频和 微波双频段带通滤波器。近年来中国的通信与信息技术发展及应用日新月异，通信与信 息产业已经成为国民经济的支柱产业之一。而无线通信相关产业又是其中最具活力，发 展最快的部分之一，市场巨大。因此，积极研究无线通信中双频段滤波器设计理论，开 发无线通信中的微波双频段滤波器，具有极其重要的理论意义、极大的潜在经济效益和 广阔应用前景。 1 3 1 通信系统的发展概况 1 3 国内外研究概况 在通信技术发展早期，主要采用的是如图1 1 所示的单频段通信系统【i 。系统由单 频段天线，单频段滤波器，单频段低噪声放大器( l n a ) 和单频段混频器构成，它们只 处理某单一频段的信号。天线接收到的频段纨的信号经过带通滤波器b p f l 选出有用信 号后，由l n a 放大，再经过b p f 2 ，送到混频器与本振信号l o l 混频，混频得到的信号 经过b p f 3 取出所需的中频信号，得到的中频信号经过再次混频得到基带信号送到接收 机内部的基带信号处理模块。 图1 1 单频段通信系统框图 2 上海大学博士学位论文 随着无线通信的迅猛发展，单频段通信系统越来越显示出它的局限性。特别是 w l a n 技术的应用和发展，促进了许多科研机构和学者转而从事双频段及多频段通信系 统相关方面的研究 1 3 - 2 1 】。图1 2 是一个双频段通信系统框图1 1 9 1 。框图的上半部分是传统 双频段通信系统。传统通信系统为了实现双频段工作，需要采用两套独立的单频段通信 系统组合得到。系统各自的接收，滤波和放大单元，分别接收处理频段吮和蛾，信号， 其实质是两个图1 1 中单频通信系统的简单叠加，体积比较大。框图的下半部分是新型 双频段通信系统框图。它由双频段天线 2 2 - 2 7 】，双频段带通滤波器【2 8 - 3 0 】，双频段低噪声放 大器p ”“，和双频段镜像抑制下变频器组成。信号的处理和传输由双频段元器件单元来 完成。通信设备的体积为原来的一半，系统的性能也有很大提高。 图1 2 双频段通信系统框图【1 9 l 1 3 2 双频段滤波器的国内外研究概况 本世纪以来，在欧美日等国，对于双频段滤波器等器件的研究与设计直受到极大 的重视，迄今已开发了多种形式的双频段滤波器，发表了很多论文和研究报告 3 3 4 7 】。特 别是从近几年开始，配备了微波双频段滤波器的双频通信系统前端已经研制成功，微波 双频滤波器件已逐步进入实用化阶段。国内对于双频段通信系统研究和应用也一直非常 重视。但对双频段滤波器设计理论研究，特别是在应用研究与开发上，国内还处在起步 阶段，与欧美日等国相比仍有一定差距。 无线通信中的双频段滤波器常用的设计方法主要有： 上海大学博士学位论文 1 ) 滤波器组合 为了实现双频带通特性，通常把两个中心频率不同的带通滤波器并联。滤波器的系 统结构图如图1 3 ( a ) 所示。系统函数的关系可以表示为 h ( o s ) = 马( 功+ h 2 ( c o ) ( 1 1 ) 图1 3 0 0 是双频段滤波器的响应特性，图1 3 ( c ) 和( d ) 分别给出了单个滤波器响应特 性图。由于双频带通滤波器的通带中心位置和带宽是由每一个带通滤波器独立决定，因 此滤波器的带宽和频带位置控制都很灵活。 l 是 ( 1 + f 2 ) c o l 呸 ( c ) ( d ) 图1 3 带通滤波器并联实现双频带通滤波器原理 两个带通滤波器共有两个输入端和两个输出端。为了得到单端1 ：3 输入和单端1 2 1 输出 需要把两个滤波器的输入和输出端1 2 1 分别连接起来。而直接连接必然带来阻抗失配的问 题，因此在连接时需要在滤波器端口外加匹配电路。 ( a ) 薹 雾 图1 4 多层结构双频段带通滤波器及其特性 4 n 玄 i l l n 盲韫沓眺 一 母 上海大学博士学位论文 图1 4 是采用带通滤波器并联法设计的双频段带通滤波器及其频率响应【3 3 1 。滤波器 采用多层技术，在滤波器的上半层是一个工作在9 0 0 m h z 的带通滤波器，滤波器的下半 层是一个工作在1 9 0 0 m h z 的带通滤波器，每个滤波器都有其各自的输入和输出端口。 采用多层技术虽然可以降低滤波器的体积，但是两个带通滤波器具有各自的输入和输出 端口。为了使滤波器实现单端口输入和单端口输出，电路通过外接贴片电容和贴片电感 以实现电路的匹配。 槲一争 口口r 刍 (a)(b) 图1 5 耦合线结构作为输入输出的双频段滤波器及其响应 外加匹配电路不但增加了滤波器的体积，而且也引入了额外的损耗，同时又增加了 滤波器设计的难度。为了降低外加匹配电路对电路体积和特性的影响，滤波器输入和输 出耦合可以采用耦合线耦合结构【3 引。图1 5 ( a ) 是采用耦合线结构作为输入和输出的双 频段滤波器电路图【3 5 】。该滤波器采用两组谐振器，它们分别工作在2 4 g h z 和5 2 g h z 频段。在2 4 g h z 频段，图1 5 ( a ) 中右半部分尺寸较大的谐振器谐振，形成低频段信号通 路；在5 2 0 h z 频段，尺寸较小的谐振器谐振，形成高频段信号通路。各频段的信号都 是通过耦合线结构耦合到输入和输出端口。该结构可以通过调节谐振器与输入输出耦合 线间的距离j 和谐振器的水平位置来调节输入和输出耦合量的大小。图1 5 ( b ) 是该滤波 器的仿真结果与测试结果比较。 采用带通滤波器并联的方法设计双频段滤波器，虽然可以通过采用新型盼输入输出 耦合结构而不必设计外加匹配电路，但是由于一个滤波器中包含有两个不同的带通滤波 器，所以整个滤波器的体积比较大。滤波器设计时还需要考虑低频段带通滤波器的寄生 通带对高频段带通滤波器特性的影响。 双频带通滤波器也可以利用一个宽带带通滤波器串联一个窄带带阻滤波器来实现。 滤波器的系统结构如图1 6 ( a ) 所示。系统函数的关系为 日( m ) = q ( ) - h 2 ( c o ) ( i - 2 ) 5 上海大学博士学位论文 叫蛩昏 b p f b s f ( a ) 随 ( 1 + 占2 ) ( c )( d ) 图1 6 宽带带通滤波器串联窄带带阻滤波器实现双频带通滤波器原理 图1 6 ( b ) 是双频段滤波器的响应特性，图1 6 ( c ) 是宽带带通滤波器的频率响应，图 1 6 ( d ) 是带阻滤波器的响应特性。在宽带带通滤波器的通带中插入一个阻带，这个阻带 把一个通带分成两个通带，从而形成双频带通特性。 ( a ) 图1 7 滤波器串联双频段带通滤波器及其特性 图1 7 是采用滤波器串联法设计的双频段滤波器和它的频率响应【3 9 1 。由于这种方法 设计的双频带通滤波器中也包含有两个不同的滤波器，滤波器体积比较大。宽带带通滤 波器的带宽要能宽到足够容纳两个通带的信号，而宽带带通滤波器的设计也还是一个研 究课题。滤波器的带内特性不是很好，串联所带来的插入损耗也比较大。 采用以上两种滤波器组合方法设计的双频带通滤波器，都是基于传统单频带滤波器 的设计理论。滤波器体积大、损耗大、特性差。 6 上海大学博士学位论文 2 ) 原型滤波器变换 z o l o t a r e v 有理函数1 a o - 4 2 1 可以应用在需要两个很窄通带的滤波器中。与b u r e t w o r t h 函数和c h e b y s h e v 函数滤波器的设计方法一样，z o l o t a r e v 响应滤波器可以根据需要得到 原型电路参数值，这些参数然后通过变换可以得到所需要的电路参数。 z o l o t a r e v 函数通过适当的参数设置，具有能够产生两个通频带的特性，因此可以用 来设计双频带通滤波器。z o l o t a r e v 函数与c h e b y s h e v 函数角频率间的关系为 2 邓。) 2 材，2 = 牟 ( 1 - 3 ) 其中吃和国幽分是c h e b y s h e v z o l o t a r e v y g 频率，a 是带内归一化截止频率。 13 7 7 92 2 5 93 70 7 8 73 7 1 72 0 9 13 7 1 70 7 8 73 72 2 5 93 7 7 91 一翻1 一熨il 神 一贸1 。- - 3 2 i ( d 8 仔蝴 图1 8z o l o t m e v 函数双频带滤波器响应图 ( d ) 图1 8 0 ) 和( b ) 分别是当滤波器的级数n 为偶数和奇数时z o l o t a r e v 低通原型滤波器的 响应特性。滤波器在通带内具有等波纹特性。然而当月为奇数时，在低通原型滤波器的 频率为零的位置会出现传输极点。图1 8 ( c ) 和( d ) 分别是利用z o l o t a r e v 原型设计的双频带 通滤波器电路和它的响应结果。滤波器具有一般滤波器的简单电路结构。滤波器通带内 的响应具有等波纹特性，但是滤波器两个通带间的隔离度不到2 0 d b 。 7 上海大学博士学位论文 利用z o l o t a r e v 函数设计双频带通滤波器的优点是滤波器的所有参数可以由原型参 数变换得到，因此设计比较简单。但由于z o l o t a r e v 函数的固有特性，两个通频带之间 的阻带带宽比较窄，特别是在两个频段相距比较近的情况下，阻带的抑制度比较差。 3 ) 利用耦合谐振滤波器的寄生通带 在利用耦合谐振器结构实现单频段带通滤波器时，通常遇到高频寄生通带对滤波器 阻带特性影响的问题。由于寄生通带的存在，使得滤波器阻带宽度大大降低。而应用耦 合谐振器结构实现双频段滤波器，正是把谐振器的基带谐振频率和它的第一个杂散响应 频率通过合理的耦合设计，分别形成双频段滤波器的第一和第二通带。 图1 9 ( 8 ) 是利用平行耦合线设计的一个小型双频段滤波器【4 3 1 。平行耦合线之间的耦 合通过耦合线之间的距离和重叠长度来控制。图1 9 ( b ) 是该滤波器的响应特性。电路的 输入和输出结构采用耦合线方式，避免了外加匹配电路对滤波器体积和特性的影响。 (a)(b) 图1 9 平行耦合线结构双频段带通滤波器及其响应 南糖t 产鼍 二 h 髓誊筌乳 、一搬l 二，。二jl 矗+ ，il + j “0 t ? ? j 鼍 ：。一? ， 髟，兰i 二二0 。j ；i ，。r l j一 ( a )f b ) 图1 1 0 具有交叉耦合的耦合谐振器结构双频段带通滤波器及其响应 上海大学博士学位论文 图1 1 0 ( a ) 是一个耦合谐振器式的双频段带通滤波器m 。通过在滤波器的不相邻谐振 器之间引入交叉耦合，在滤波器的阻带产生传输零点，提高了滤波器的边带特性和阻带 特性。图1 1 0 ( b ) 是该滤波器的响应特性图。由于传输零点的存在，滤波器两个通带的边 带都很陡峭。但是由于滤波器需要采用抽头的形式进行输入和输出耦合，而在同一抽头 位置两个频段的外部品质因数难以同时达到设计要求，必须在输入输出端与抽头点之间 外加一段阻抗匹配网络。匹配网络既增加了滤波器体积，又增加了设计难度。 j2 2 j0 j ，j j 毒 s j j 岫_ 舛0 4 ( a ) ( b ) 图1 1 l 双模谐振器双频带通滤波器 采用平行耦合型和开环型阶梯阻抗谐振器结构可以降低双频段滤波器的体积。然 而，为了达到所需要的滤波器指标，通常需要增加滤波器的级数。滤波器级数的增加一 方面增加了滤波器耦合设计的难度，同时又增加了滤波器的损耗和体积。双模谐振器的 辐射低，体积小，因此采用双模形式的阶梯阻抗谐振器可以进一步降低滤波器的体积 4 5 】。 图1 1 1 ( a ) 是一频带位置可调节的小型双模双频段滤波器。整个谐振器的长度保持固定使 通带中心频率保持不变，第二通带的中心频率可以通过调节谐振器的阻抗比来改变。图 1 1 1 0 , ) 该双模滤波器的仿真结果和测试结果比较。 4 ) 零点和极点综合 1 利用带阻结构 一个带阻特性结构，会在电路特性中产生一个传输零点。利用两个带阻特性结构， 便可以产生两个传输零点。通过选择合理的参数，使两个带阻结构并联谐振在两个零点 之间，这是这种双特性谐振器( d b r ) 结构带通滤波器的设计原理 4 6 1 。在微波频段，带 阻结构通常可以用一个开路传输线来实现，开路传输线的四分之一波长谐振可以产生传 输零点。为了能产生两个通带特性，可以在原来的谐振器中增加一个开路传输线结构。 新增加的传输零点位于原来的通带内，把这个通带分离成两个通带，如图1 1 2 所示。 9 上海大学博士学位论文 ( a ) 图1 1 2 带阻结构实现双频段滤波器原理 图1 1 2 ( a ) q ，整个谐振器的阻抗可以表示为 z ： 兰! ! 互! 兰! ( 1 - 4 ) z n z ，2 + z ，2 z 订+ z ，3 z j l 谐振器乙。、互：和乙，对应的零点分别为厶、z ：和厶，它们也是新谐振器的零点。 谐振器的零点位置由谐振器的长度决定。滤波器通带中心频率厶和：必为谐振器的极 点。此时只要令( 1 _ 4 ) 的分母为零，便可以求出各谐振器间的阻抗关系。谐振器阻抗则 可以用来确定滤波器的带宽。 露 e d ： (矗)(b) 图1 1 3 利用l c p 技术实现的双频段滤波器及其响应 c q u e n d o 等人在2 0 0 3 年提出了这种双频段带通滤波器的设计原理【4 ”。连接谐振器 之间的倒置变换器用四分之一波长线近似实现，四分之一波长计算所用的频率为两个通 带频率的算术平均值。r b a i r a v a s u b r a m a n i a n 等于2 0 0 5 年【舶l 在此结构的基础上利用液 晶聚合物( l c p ) 材料实现了双频段滤波器( 图1 1 3 所示) 。由于这些设计中需要用到 五路枝节，实际中并没有这种结构的电路模型，因此设计时需要对电路做比较大的调整， 来补偿枝节的不连续性效应。同时，合理安排枝节的位置也是设计时需要考虑的问题。 1 0 上海大学博士学位论文 2 系统函数综合【4 1 】 系统函数综合是指由给定滤波器的零点和极点的位置，综合该滤波器的响应特性曲 线，使原型滤波器的特性达到设计的要求。在设计单频段滤波器时，通常要把零点的位 置设置在滤波器的阻带上，以提高滤波器的阻带特性。而多谐振器耦合结构双频段滤波 器的设计时，零点则放置在带通滤波器的通带中，在通带的中间插入一个阻带，从而形 成双通带特性。这种特性的获得，需要通过合理设计谐振器之间的耦合系数来满足。耦 合系数可以利用现代优化的算法，由给定的目标函数和需要优化的参量，通过编程优化 得到5 2 】【5 3 】。耦合系数也可以通过运用网络综合理论，通过综合变换方法得到【5 删。这种 方法需要根据电路特性，确定低通原型电路所需要的传输零点和极点的位置、通带的宽 度和带内波纹，以及阻带内的纹波系数，从而确定滤波器响应特性 耕= 而1 ( 1 - 5 ) 其中f o ) 是传输函数，胄( j ) 特征函数，f 是滤波器带内波纹系数。 兀( 5 - - z ，) r 5 2 而i ( 1 - 6 ) k 由此可以综合出传输函数f ( s ) ，然后由f ( s ) 得到滤波器的外部品质因数和通用耦合 系数矩阵 t 2 ”1 ，l k 2 砚。 。 ： ( 1 - 7 ) 通用耦合系数矩阵中的每一个元都代表一条耦合路径及耦合量的大小。其中 m i ia = 1t o 栉) 表示各谐振器的自耦合，牌。( j ，) 代表谐振器之间的耦合。耦合的大小， 主要由给定的滤波器的相对带宽决定。一般情况下，这种综合出来的耦合系数矩阵可能 存在各个谐振器之间的耦合，若要全部耦合要达到要求，耦合结构和形式非常复杂。在 这种极其复杂的耦合结构下，耦合量的大小难以调整，通常情况下难以实现。因此需要 对矩阵进行相似正交变换，以消除相应位置的元，降低耦合实现的难度。这种相似正交 变换可以在首先确定谐振器耦合的路径的前提下完成。 上海大学博士学位论文 n p u t 1 6： r 一 234 图1 1 4 多谐振器耦合双频段滤波器及其响应 图1 1 4 ( a ) 是- - 个多谐振器耦合双频段滤波器的祸合示意酬4 9 】，滤波器采用六级谐 振耦合结构。为了在通带能产生传输零点，滤波器引入谐振器1 、6 和谐振器3 、6 之间 的交叉耦合。图1 1 4 ( b ) 是滤波器的响应。滤波器两个通带中的六个传输极点由谐振器谐 振产生，滤波器两个通带边缘各有两个传输零点，它们由谐振器之间的交叉耦合得到。 系统函数综合法设计双频带通滤波器，可以根据需要在频带的各个位置设置零点， 提高滤波器的带外特性，满足不同系统的需求。但是这种设计更多的是基于数值优化算 法设计，算法的收敛性无法保证。并且当需要设计频率选择性要求特别高的滤波器时， 该方法的有效性值得考虑。两个通带中间有传输零点存在，改善了滤波器带间特性。零 点位置的改变，可以控制滤波器的两个频段的带宽。由于滤波器的特性是通过谐振器之 间的耦合来达到，因此该方法只能够在两个通带中心频率之问的间隔比较小的情况下才 能应用。这是由于通带太宽的情况下要求谐振器间的耦合系数比较大，实现起来要求谐 振器间距很小，加工比较困难。 5 ) 利用l t c c ( l o w - t e m p e r a t u r ec o - f i r e dc e r a m i c s ) 技术 最近，滤波器的小型化设计可以采用低温共烧陶瓷( l t c c ) 技术。由于利用l t c c 技术设计的电路性能好，集成度高。并且具有很高的稳定性，因此这一技术被广泛地应 用在微波和射频电路中。所谓l t c c 技术，就是将低温烧结陶瓷粉制成厚度精确而且致 密的生瓷带，作为电路基板材料，在生瓷带上利用激光打孔、微孔注浆、精密导体浆料 印刷等工艺制出所需要的电路图形，并将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在 9 0 0 烧结，制成三维电路网络的无源集成组件，也可制成内置无源元件的三维电路基 板，在其表面可以贴装i c 和有源器件，制成无源有源集成的功能模块峥“。l t c c 双频段 滤波器的设计，既可以采用以上介绍的双频段滤波器的设计方法脚j ，也可以采用其特有 的实现结构和方法 6 7 。 1 2 上海大学博士学位论文 ( a ) 图1 1 5 滤波器和三维电路结构 图1 1 5 0 ) 是一种新型双频段滤波器结构【6 9 】。其中包括一对接地平行耦合线，两个电 容和两条开路枝节。这种结构不仅可以实现双频带特性，而且开路枝节和耦合传输线的 谐振产生的传输零点可以提高滤波器的阻带特性和两个通带之间的隔离度。同时滤波器 的两个通带可以通过改变电容的大小和枝节的长短来调整。图1 1 5 m ) 是该滤波器的三维 电路结构图。两个集中参数电容用贴片实现，电路的中的各部分被分别安排在l t c c 多 层结构的各层上，有效地利用了电路空间，降低了滤波器的体积。整个滤波器体积为 1 3 2 m i l x l o o m i l x 4 0 5 r a i l 。滤波器体积小，集成度高，非常适合应用在片状模块电路中。 1 4 论文的主要研究内容 本论文以作者攻读博士学位期间承担课题的工作为基础，系统地研究了无线通信中 双频段滤波器的设计理论与方法。主要研究内容包括 第一章阐述了课题研究的来源、目的、意义以及国内外研究的现状。 第二章阐述了滤波器设计的一般理论。回顾了通用带通滤波器电路的设计方法和耦 合谐振带通滤波器基本设计理论，并对多耦合谐振器带通滤波器的电路综合理论进行了 分析。 第三章阐述了均匀阻抗谐振器耦合双频段滤波器的设计理论。首先分析了均匀阻抗 谐振器的特性，研究了双频段滤波器耦合系数和外部品质因数的e m 提取方法，并对均 匀阻抗谐振器耦合双频带通滤波器的外部匹配电路设计进行了研究；然后设计了一个两 级和一个小型三级移动通信用9 0 0 1 8 0 0 m h z 双频带通滤波器。 第四章阐述了通带位置可控制的谐