微波谐振器电磁耦合特性及其应用研究

1、华 北 电 力 大 学毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告 题目： 微波谐振器电磁耦合特性及其应用研究 学生姓名： 吴昌鹏 学 号： 1111230123 所在院系：电气与电子工程学院 专业班级： 电子1101班 指导教师： 高 雪 莲 职 称： 副 教 授 2015年 4月 15 日一 、选题背景和意义近几年来,全球通信技术发展日新月异,尤其是近两三年来,无线通信技术的发展速度与应用领域已经超过了固定通信技术,呈现出如火如茶的发展态势。其中最具代表性的有蜂窝移动通信、宽带无线接入,也包括集群通信、卫星通信,以及手机视频业务与技术。并且已经广泛应用于电话、传真、数据、电视/电话会议、声音/视

2、频/数据广播、电子邮政、运距离教育、远距离医疗以及计算机联网等业务。随着业务种类的日益增加,频率资源越发显的紧张。因此,为了充分地利用宝贵的频率资源,收发频段一般具有较小的频率间隔,这样对分离收发信号的微波器件提出了更高的要求。例如，在当今移动通信所采用的 1.9GHz 频段，上行链路(从用户到基站天线)占用的频段与下行链路（从基站天线到用户）占用的频段的间隔只有 20MHz，实际中要求分离两路信号的双工器对带外信号具有较高的抑制度。所以，具有高选择性的微波滤波器和双工器一直是微波电路与器件设计者研究的热点问题。 在高选择性的微波滤波器中,由谐振腔和介质谐振器构成的滤波器和双工器损耗较低且选择

3、性较好,缺点是体积和重量过大,成本过高。为了减小滤波器的尺寸、重量和成本,人们开始采用平面微带结构的滤波器和双工器,其基本单元是微带开路线谐振器。通过平面上谐振器间的特殊布局结构,使谐振器间具有特定的耦合特性,从而得到满足频率响应要求的微带滤波器或双工器。 目前,微带耦合结构在各领域中得到了广泛的应用。工程上常用的微带带通滤波器大多是由半波长耦合微带线平行放置后构成,由于谐振器在一个方向依次摆开,因此造成滤波器在一个方向上占用很大空间。为了减小微带滤波器的尺寸,在70年代,Crisatl和Frnakel设计了发夹式滤波器1,其基本组成单元是发卡谐振器,它是由半波长开路线谐振器折成U字形结构,因

4、此减小了滤波器的面积。同时,发卡式滤波器具有较高的频率稳定度和较低的损耗,易于微波集成。80年代末,Sagawa和他的同事研制出更加小型化的发夹式滤波器,并应用到微波集成电路中的前端电路部分2。随后又有人提出了正方形开环滤波器3,其基本组成单元为正方形开环谐振器,各谐振器之间通过交叉耦合而满足滤波特性。由于谐振器单元可以看成是发卡谐振器的两臂向内折叠而形成一个方形,因此进一步减小了滤波器的尺寸。2、 国内外研究现状 微带滤波器在通信领域中应用广泛,其基本组成单元是开路微带谐振器。通过平面上谐振器间的特殊布局结构,使谐振器间具有特定的耦合特性,从而得到满足频率响应要求的微带滤波器或双工器。在微带

5、谐振器微波集成电路中,谐振器之间的基本耦合只有两类:电耦合和磁耦合4。谐振器间的耦合往往是电耦合和磁耦合同时存在,称之为混和耦合。混和耦合中,在一定的频率范围往往是一种耦合(电耦合或磁耦合)比另一种耦合更强,所以它表现为电耦合特性或磁耦合特性。由于电耦合是通过电场的作用而产生的,磁耦合是通过磁场的作用而产生,两种耦合而生的信号具有不同的相位。这一特性在高选择性的微带滤波器和双工器设计中得到了广范应用567,在微波微带集成电路设计中可以利用这样的耦合特性减小信号的泄漏和干扰,使电路具有优化的平面布局结构。所以在微波微带集成电路设计中,需要提前知道谐振器之间的耦合是电耦合还是磁耦合,这样才能得到满

6、足要求的特性。耦合系数可用来描述馈线与微带谐振器以及微带谐振器之间的耦合强度,因此准确计算耦合系数,对于微带滤波器和双工器的设计具有重要的指导意义。 目前国外所发表的一些文献8910中提到了关于计算微带馈线与介质谐振器之间的耦合系数的计算方法。文献8中采用等效电路模型，将介质谐振器等效为 RLC并联谐振回路，用互分布电感来表示微带线与介质谐振器间的磁耦合，并用有限差分法和解析法计算了微带线中感应电流在介质谐振器中产生的磁场，进而可求解出两者间的耦合系数。而文献9中也采用双端口电路模型，通过将 S 参数推导出的串联阻抗的表达式与并联等效电路模型进行对比，得出互分布电感系数的表达式，然后用数值分析

7、方法可求出上式，即可求解出耦合系数。在文献10中，建立了两根终端接有负载的微带线与介质谐振器的模型，给出了其集总参数的等效电路模型，用三维有限元法计算其互分布电感产生的磁场。由上述三篇文献可以看出求取耦合系数的方法都是先建立等效电路模型，然后用电磁场的计算方法分析、计算电路模型中各参量，进而求解出耦合系数。 较早提出电耦合和磁耦合是文献11,该文献分别称其为容性耦合和感性耦合。在以后国外文献8及国内文献12发表的有关微带谐振器电磁耦合特性研究中,只是给出了用软件仿真求解耦合系数的方法,在判断是电耦合还是磁耦合时,这些文献只是提到:对于电耦合,在耦合区域的电场较强;对于磁耦合,在耦合区域的磁场较

8、强,并没有给出定量的方法。目前还没有关于计算馈线与微带谐振器之间耦合系数的文献，但可以通过借鉴文献1314中计算耦合系数的思想提出一种基于场量来分析微带馈线与谐振器间耦合系数15的方法，并借助电磁场仿真软件 HFSS 进行了验证其正确性。3、 设计（论文）的主要研究内容及预期目标 毕业设计的主要研究内容如下：1. 了解课题的背景和研究现状，了解微波滤波器的工作原理，学习微带谐振器的电磁耦合特性及其应用。2. 学习使用HFSS软件，能够熟练操作该软件。3. 能够利用HFSS软件建立模型，验证计算馈线与微带谐振器之间耦合系数的方法。四、工作进度安排 主要工作进度安排如下：序号设计项目名称完成时间备

9、注1确定毕业设计题目，与指导教师沟通研究详细内容，指导教师下达任务书。2015.3.30-4.31周2学生查找资料，撰写开题报告。指导教师评阅开题报告。2015.4.4-4.172周3开始论文工作，并且着手建模、编程和仿真工作。2015.4.18-4.262周4进行中期检查。2015.4.27-5.11周5继续完成论文工作，并完成毕业设计论文撰写。 2015.5.2-5.223周6修改完善论文，网上提交论文。2015.5.23-5.291周7论文检测，修改论文，准备答辩工作。2015.6.1-6.122周8答辩2015.6.13-6.191周5、 参考文献1E.G.Cristal, S.Fra

10、nkel. Hairpin-line and hybrid hairpin-line/half-wave parallel-coupled fitersJ. IEEE Trans.Microwave Theory Tech,1972,3(20):7197282M.Sagawa, K.Takahashi, M.Makimoto. Miniaturized hairpin resonator filters and Their application to receiver front-end MICsJ. IEEE Trans. Microwave Theory Tech,1989,4(37):

11、199119973G.L.Mattaei, N.O.Fenzi, R.Forse, et al.Narrow-band hairpin-comb filters for HTS and other applicationsJ. IEEE MTT-S Dig,1996,2(10): 4574604Jia-Sheng Hong, J.Lancaster. Cross-coupled microstrip hairpin-resonator filtersJ. Microwave Theory Tech,1998,46(l):1181225Jia-Shen Hong , J.Lancaster. D

12、esign of Highly selective microstrip bandpass filters with a single pair of attenuation poles at finite frequenciesJ. Microwave Theory Tech,2000,48(7):109811076Cheng-Chun. Miniaturized microstrip cross-coupled filter using quarter-wave or quasi-quarter-wave resonatorJ. Microwave Theory Tech,2003,51(

13、l):1201317Y.Di, P.Gardner, P.Hall et al. Multiple-coupled microstrip hairpin-resonator filterJ. Microwave and Wireless Components Letters,2003,13(12):5325348Jia-Sheng Hong, Michael J.Lancaster. Couplings of microstrip square open-loop resonators for cross-coupled planar microstrip filtersJ. Microwav

14、e Theory and Techniques,1996,44(12):209921089Kari T. Kokela. Narrow-band stripline or microstrip filters with transmission zeros at real and imaginary frequenciesJ. Microwave Theory and Techniques，1980，28 (6)：542547 10姜遵富，Z.M.Hejazi.P.S.Excell. 新型高温超导(HTS)双膜多次曲折微带环窄带滤波器N.电子学报,2000-8-25(B4)11Kari T.K

15、okela. Narrow-band stripline or microstrip filters with transmission zeros at real and imaginary frequenciesJ. Microwave Theory Tech,1980,28(6):54254712李胜先,吴须大. 微带类椭圆函数滤波器J. 空间电子技术.2001,(3):485213陈振国. 微波技术基础与应用M. 北京: 北京邮电大学出版社,1996,13714414陈振国. 微波技术基础与应用M. 北京: 北京邮电大学出版社,1996,10112015李宗谦,佘京兆. 微波技术M. 西安: 西安交通大学出版