高低通級聯超寬帶帶通濾波器--論文

1、高低通級聯超寬帶帶通濾波器的設計摘 要隨著移動智能終端的快速發(fā)展，用戶對無線通信帶寬的要求越來越高，超寬帶(UWB)技術成為解決此矛盾的主要技術之一。超寬帶濾波器在此背景下應運而生，微波濾波器性能的好壞往往直接影響到整個無線通信系統(tǒng)的質量。本文針對超寬帶濾波器的設計而展開，設計了兩款高低通級聯超寬帶濾波器。本文首先對微波濾波器設計的基本理論進行分析，以及濾波器的技術指標。本文依據高低通級聯超寬帶帶通濾波器的特性，采用微帶多諧振蕩器設計了兩種多諧振蕩器實現微波高低通級聯的超寬帶濾波器，并給出了濾波器設計的結構參數和材料屬性。借助仿真軟件HFSS對兩種高低通級聯超寬帶濾波器進行仿真，通過對仿真結果

2、中正向傳輸系數S21和回波損耗S11進行了分析，結果表明由開槽諧振子組成的濾波器和由一對諧振子組成濾波器可使高頻段或低頻段的微波信號通過濾波器，且通帶頻段較寬實現高低通級聯超寬帶濾波。關鍵字： 超寬帶(UWB)技術；微波濾波器；超寬帶濾波器AbstractWith the rapid development of mobile intelligent terminal, the demand of wireless communication bandwidth demand has been increasing, Ultra-wideband (UWB) technology to bec

3、ome one of the key technologies to resolve this contradiction. Ultra-wideband filter in this context came into being, the performance of microwave filter will often directly affect the quality of the wireless communication system. This thesis designed for two high-low pass cascade ultra-wideband fil

4、ter.The thesis firstly analyzed the basic theory of microwave filter, and technical specifications of the filter. Based on the characteristics of high and low pass cascaded ultra-wideband bandpass filter, microstrip multivibrator designed two multivibrator realize microwave high and low pass filter

5、cascade of ultra-wideband, and gives structural parameters and material properties of the filters. With simulation software HFSS for both high and low pass filter cascade ultra-wideband simulation, the simulation results of the forward transmission coefficient S21 and return Loss S11 were analyzed,

6、the results show that the filter consists of slotted resonator and composed by a composition of the resonator filter allows high frequency or low frequency microwave signal through the filter, and Achieve a wider passband band cascade ultra-wideband filter.Key words：Ultra-wideband technology, microw

7、ave filter, ultra-wideband filter目 錄第一章 緒 論1第一節(jié) 研究背景及意義1第二節(jié) 研究現狀2第三節(jié) 論文的主要工作及結構安排6第二章 濾波器設計的基本原理8第一節(jié) 微波濾波器基本理論8第二節(jié) 濾波器的技術指標92.2.1 通帶頻段92.2.2 插入損耗92.2.3 帶外抑制102.2.4 端口駐波比102.2.5 其他指標10第三節(jié) 本章小結11第三章 高低通級聯超寬帶濾波器的設計12第一節(jié) 超寬帶濾波器的設計方法12第二節(jié) 基于開槽多模諧振器設計的超寬帶濾波器13第三節(jié) 基于一對多模諧振器設計的超寬帶濾波器15第四節(jié) 本章小結16第四章 超寬帶濾波器的仿

8、真與分析17第一節(jié) HFSS簡介17第二節(jié) 基于開槽多模諧振器的濾波器仿真與分析17第三節(jié) 基于一對多模諧振器的濾波器仿真與分析19第四節(jié) 本章小結21結 論22致 謝23參考文獻24第一章 緒 論第一節(jié) 研究背景及意義隨著移動智能終端的快速發(fā)展，用戶對無線通信帶寬的要求越來越高，超寬帶(UWB)技術成為解決此矛盾的主要技術之一，因此越來越多研究學者對其進行研究。超寬帶以其高速率、低功耗、高保密性以及抗干擾能力強等優(yōu)點，具有非常廣泛的應用前景和相當巨大的市場價值。雖然美國軍方以及航空界對于開放超寬帶頻段民用仍然存在著意見分歧，但是由于超寬帶技術潛在的誘人的應用前景，美國聯邦通訊委員會(FCC)

9、于2002年2月批準了超寬帶技術在短距離無線通信領域的應用1。這為超寬帶技術產品的商業(yè)化應用打開了大門，促進了超寬帶系統(tǒng)及其器件研究的進展。由于超寬帶技術可適用的領域十分廣泛，為了便于管理，FCC將超寬帶系統(tǒng)分為3類：(1)成像系統(tǒng)，包括地面穿透雷達系統(tǒng)、墻壁成像系統(tǒng)、墻壁穿透成像系統(tǒng)、監(jiān)視系統(tǒng)和醫(yī)療成像系統(tǒng)；(2)車載雷達系統(tǒng)；(3)室內超寬帶系統(tǒng)。對于不同的通信系統(tǒng)，FCC都劃分了不同的使用頻帶范圍。當前，各大研究機構最為關注的是室內超寬帶系統(tǒng)的商業(yè)價值。根據FCC的規(guī)定，室內超寬帶通信系統(tǒng)2使用的頻帶范圍是3.1GHz10.6GHz。隨著科學技術的發(fā)展，現代移動通信基站及移動通信終端都正

10、在朝著小型化，集成化的方向發(fā)展，越來越多的通信系統(tǒng)和功能都集成在一種通信設備或終端上，例如，現在的手機中不僅可以同時支持GSM和CDMA通信制式，而且兼容GPS和WLAN等其他通信制式。而隨著無線通信系統(tǒng)的不斷增多的同時，頻率資源也日漸緊張，如何合理的利用頻率資源，在朝著更高頻段發(fā)展的同時兼容好現階段的各種通信頻段資源的通信系統(tǒng)是無線通信發(fā)展的一個關鍵。多通帶和超寬帶濾波器在此背景下應運而生，它可以根據通信系統(tǒng)要求同時工作于兩個或多個所需頻段，在兼容現有通信頻段的同時，濾除掉其他頻段的干擾信號。其中，微帶諧振結果非常適合于制作通信頻段的高低通級聯超寬帶濾波器，因為從綜合應用和集成化的角度出發(fā)，

11、微帶諧振結果非常緊湊，并且易于與基站中的射頻前端結合，便于應用?；谖еC振結果，DGS、SIR等結構和一些新的結構也隨之廣泛的應用于多通帶和超寬帶濾波器設計中。基于微帶諧振結果的高低通級聯超寬帶濾波器的研究，在最近十年內越來越受到學者們的重視。隨著技術的成熟，高低通級聯超寬帶濾波器技術在無線通信系統(tǒng)中的應用將會越來越廣，因此，研究高低通級聯超寬帶濾波器的新的實現形式和方法就顯得特別有意義3。作為無線通信系統(tǒng)中不可或缺的器件之一，特別是在日益擁擠的無線頻譜資源和復雜的電磁環(huán)境下，濾波器成為無線電技術中許多設計問題的中心，可以利用它來組合或分開不同的頻率。濾波器既可以用來限定大功率發(fā)射機在規(guī)定的

12、頻帶內輻射，又可以反過來防止接收機受到工作頻帶以外的干擾。從超長波到微波，直至光波以上的所有頻段都需要有濾波器。因此，微波濾波器是無線通信系統(tǒng)、雷達系統(tǒng)、測量系統(tǒng)中最常見的器件之一，其性能的好壞往往直接影響到整個無線通信系統(tǒng)的質量。隨著微波器件集成度的日益提高，濾波器的小型化顯得迫在眉睫。因此，研究具有高性能、小型化、易集成的微帶濾波器有著重要的意義4。針對以上背景，利用超寬帶的高保密性和抗干擾能力、多通帶在頻譜資源的利用率和頻段兼容性方面的優(yōu)勢，使得它們成為近些年來的研究熱點。本文針對超寬帶濾波器的設計展開的，設計了兩款高低通級聯超寬帶濾波器。第二節(jié) 研究現狀超寬帶技術的發(fā)展，促使新型超寬帶

13、濾波器也必須不斷地誕生和發(fā)展。新技術、新工藝的出現使得超寬帶濾波器的設計理論也不斷豐富和完善。超寬帶濾波器首先是由A.Saito及H.Harada等人在2003年提出來的5。他們將微帶線設計在一種特殊材料表面，而這種材料對高頻信號有較大的衰減。導致這種濾波器的插入損耗較大，遠遠滿足不了現代超寬帶系統(tǒng)的要求。在2004年H.Ishida等人提出了一種微帶環(huán)形結構的超寬帶濾波器6，其相對帶寬雖然可以達到83%，但是仍然滿足不了超寬帶系統(tǒng)的要求。其中，該微帶環(huán)采用的是階梯阻抗結構，其周長為一個波長，利用并聯在微帶環(huán)上的支節(jié)的微擾作用，可以形成雙模的環(huán)形諧振器。目前國內外超寬帶濾波器設計的主要方法7,

14、8有：(1)多模諧振器（MMR）技術；(2)混合微帶共面波導（CPW）技術；(3)最優(yōu)短路端技術；(4)電磁帶隙(EBG)結構負載技術；(5)級聯高低通濾波技術；(6)多層板耦合技術（新材料技術，如液晶聚合物LCP或低溫共燒陶瓷LTCC）。其中，多模諧振器技術最先由L. Zhu等人提出9，后來經過很多研究和設計得到發(fā)展。該技術目的是利用多模諧振器的諧振模式去設計超寬帶濾波器。圖1.1 多模諧振器的超寬帶濾波器結構和特性曲線圖1.1所示，一個典型的多模諧振器實現的超寬帶濾波器和特性曲線?？梢钥闯?，多模諧振器是一個中心為低阻抗線段而兩端為等長的高阻抗線段，通過調節(jié)高低阻抗微帶傳輸線段的阻抗比，使多

15、模諧振器的三個諧振模式在超寬帶通帶內。通過合適的輸入/輸出耦合，即可實現超寬帶濾波器。值得注意的是，合適的輸入/輸出耦合還可以形成另外的傳輸極點。圖1.2 復合微帶共面波導結構和S參數曲線參見圖1.2，采用復合微帶共面波導結構10，可以設計出結構緊湊的超寬帶濾波器。該結構采用微帶轉共面波導結構的過渡結構和共面波導短路端，作為準集總參數的電路元件實現高通濾波器。通過該高通濾波器的輸入/輸出端口引入交叉耦合電容，適當地設計耦合開路端，即可設計具有兩個靠近通帶邊緣的傳輸零點的超寬帶濾波器。為了進一步提高選擇性，兩個微帶短路端被集成到輸入/輸出端口，由此設計出一個五極點的超寬帶濾波器。圖1.3 最優(yōu)短

16、路端技術的電路模型圖1.3表示最優(yōu)短路端技術的電路模型。該技術的輸入輸出端口沒有耦合，且有超過100%的相對帶寬，可以實現更多的傳輸極點，級數較多，增加了尺寸和損耗。該電路模型有五個分支短路端，連接的電長度是端長度的兩倍。通常端長度選為超寬帶中心頻率對應電長度的四分之一。由于連接線是非相鄰的，對濾波器的選擇性起到作用。因此，這種濾波器在通帶邊緣呈現高選擇性，這等效于九階契比雪夫濾波器。為了進一步提高選擇性，改進型最優(yōu)短路端的超寬帶濾波器引入了輸入/輸出端口的交叉耦合10。不僅減小了尺寸，而且增加了傳輸零點，進而提高了選擇性。圖1.4為改進型最優(yōu)短路端技術的超寬帶濾波器結構和S參數曲線。圖1.4

17、 最優(yōu)短路端技術設計的帶有傳輸零點的超寬帶濾波器結構和S參數響應最直接實現超寬帶濾波器的方法是使用級聯的單層高通和低通濾波器或者級聯帶阻和帶通濾波技術11，圖1.5表示一個級聯寬帶帶通和帶阻濾波器構成的超寬帶濾波器。寬帶帶通濾波器包含半波長傳輸線，在輸入輸出端分支連接兩個四分之一短路端。寬帶帶阻濾波器包含兩個分支平行傳輸線和兩個開路端?？梢酝ㄟ^選擇合適的傳輸線阻抗，調節(jié)帶阻和帶通的帶寬，進而實現超寬帶。圖1.5 級聯帶阻和帶通結構和S參數結果隨著先進的封裝材料（如液晶聚合物LCP或低溫共燒陶瓷LTCC）的到來，可以利用多層板耦合技術實現超寬帶濾波器12。如圖1.6所示，該結構不僅尺寸小，而且耦

18、合強。圖1.6 LCP的多層結構美國聯邦通信委員會會定義的超寬帶室內限制覆蓋了已經存在的無線通信系統(tǒng)的某些頻段，例如5GHz的無線局域接入網絡和8GHz的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。因此，為了減小來自這些無線通信系統(tǒng)的干擾，隨之產生了一些帶有陷波特性的超寬帶濾波器。從相關文獻看出，主要產生陷波的技術有集成開路端技術、非對稱輸入/輸出耦合技術、集成陷波諧振器技術等13-15，圖1.7、圖1.8和圖1.9分別列出該陷波技術的一個實物結構和頻率響應曲線。嵌入式枝節(jié)在陷波處得反射最小，陷波帶寬最窄，而傳統(tǒng)的開路枝節(jié)在陷波處得反射最大，陷波帶寬最寬。Shaman. H和Jia ShengHong等人采用圖1.7所示的

19、由四分之一波長短路枝節(jié)和半波長連接線構成的UWB濾波器，同樣加上嵌入式的開路枝節(jié)得到了對5.8GHz的WLAN頻段的濾波。這種結構很好的滿足了FCC的要求，同時也具有了良好的陷波特性。隨后，Jia ShengHong等人在圖1.7結構的基礎上，又設計了一種開關式的嵌入型陷波結構，使用一個PIN二極管控制陷波的產生，同時通過偏置電壓控制PIN管的導通與截止。圖1.7 嵌入式開路端產生陷波的結構和結果圖1.8 非對稱輸入/輸出耦合技術產生陷波的結構和S參數結果圖1.9 LCP技術的折疊階梯阻抗諧振器陷波結構和頻率特性目前，國內在UWB濾波器方面的研究相對滯后，但在國家963計劃的鼓勵下，隨著很多高

20、校和科研機構加大對UWB濾波器的投入，呈現了迅猛發(fā)展的趨勢。2007年，上海交通大學提出了一種可以獲得100%的通帶帶寬的微帶諧振結果的 UWB濾波器16。該濾波器通過在地面開啞鈴形的孔來實現低通濾波，又通過開槽來進一步的降低通帶內的插損，有效抑制通帶外的回損。這種濾波器有其尺寸小、易于集成的優(yōu)點，但是結構復雜導致加工難度大。第三節(jié) 論文的主要工作及結構安排本文旨在對高低通級聯超寬帶帶通濾波器進行研究與設計，在深入理解濾波器設計的基本原理的基礎上，設計兩種高低通級聯超寬帶帶通濾波器，一種超寬帶帶通濾波器基于開槽多模濾諧振器而設計，一種超寬帶帶通濾波器基于一對多模諧振器而設計。論文的章節(jié)安排如下

21、：第一章：詳細地介紹了高低通級聯超寬帶帶通濾波器的研究背景及意義，查閱帶通濾波器的相關文獻總結出帶通濾波器的研究現狀，并給出論文主要研究內容與結構安排。第二章：詳細地闡述了濾波器的基本原理，主要有濾波器的參數和分類，以及濾波器評價的具體指標。第三章：根據濾波器的設計原理，分析超寬帶帶通濾波器的設計方法，設計了基于開槽多模濾諧振器的多通帶濾波器和基于一對諧振子的多通帶濾波器，并給出濾波器的結構參數。第四章：采用HFSS對設計的兩種超寬帶濾波器進行仿真，依據仿真結果進行實驗分析。第五章：對本文的主要研究內容和研究成果進行了總結。第二章 濾波器設計的基本原理第一節(jié) 微波濾波器基本理論微波濾波器主要實

22、現對微波信號進行濾除，讓需要的信號通過，抑制不需要的信號，主要目的為了解決不同頻段、不同形式的無線通訊系統(tǒng)之間的干擾問題。微波濾波器可看作一種頻段信號選擇性損耗的二端口系統(tǒng)，用于控制微波的頻率響應，使需要的微波頻率的信號分量近似無損耗地濾過，而阻斷其他微波頻段的信號分量。其傳輸特性可用傳輸函數表示為式(2.1)： (2.1)式中是頻率的函數，其間的關系稱為濾波器的幅度頻率響應，相移也是頻率的函數，其間的關系稱為濾波器的相移頻率響應。一般來說微波濾波器主要研究其幅度響應，只有在特促的情況下，才考慮其相移響應。微波濾波器通常由多諧振蕩器和耦合電路構成。在微波通信中，多諧振蕩器利用合適的諧振帶來實現

23、，它具有動態(tài)儲能、頻率選擇的作用。微波多諧振蕩器利用電磁振蕩原理實現電場能量與磁場能量相互交換。在多諧振蕩器的諧振頻率段，在理想無損耗的情況下，諧振器的電能的大小與磁能相等，兩者可相互交換能量，可保持總能量不變。當微波信號頻率偏離多諧振蕩器的諧振頻率段時，諧振器的電能和磁能相互交換的平衡狀態(tài)被打破，導致兩者不能相互交換能量，所以多諧振蕩器借助此特性實現對微波信號頻率的選擇，通過構造多諧振蕩器的結構和參數實現對微波特定頻段的信號進行選取。微波多諧振蕩器又稱為微波諧振腔，是微波電路的最基礎的元件之一，常被用于微波濾波器、天線波長計、雷達回波箱等器件電路，類似于低頻電路中的LC回路。當微波頻率提升到

24、分米波段及其以上，主要由以下兩方面的原因使集總參數的LC諧振回路需借助由諧振腔替代。a. 由于微波回波損耗、導體阻抗的損耗、器件介質的損耗等因素的存在，使微波多諧振蕩器的品質因數降低，諧振阻抗減小，因而很難保證足夠的選擇性。b. 為了將多諧振蕩器的諧振頻率提升至微波頻段，需采用很小的電感電容，導致制作難度加大，而且功率容量減少，回路存儲能量降低。微波多諧振蕩器由集總參數諧振器發(fā)展而來。隨著頻率的提升，電感和電容隨之降低，通常增大電容極板之間的距離降低電容值，較少電感線圈的圈數來達到。根據濾波器通過的信號頻帶的不同，微波濾波器可分為低通、帶通、帶阻、高通濾波器；按濾波器的插入衰減地頻響特性可分為

25、平坦型和等波紋型；根據工作頻帶的寬窄可分為窄帶和寬帶；按濾波器的傳輸線分類可分為微帶、交指型、同軸、波導、梳狀線腔、螺旋腔、小型集總參數、陶瓷介質、SIR(階躍阻抗諧振器)。第二節(jié) 濾波器的技術指標濾波器的主要技術指標有通帶工作頻段、插入損耗、帶內波動、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數、功率容量、群時延等指標，下面對其中較主要的技術指標進行介紹。2.2.1 通帶頻段濾波器的通帶頻段是指濾波器允許通過電磁波的頻率范圍。通常規(guī)定的插入損耗為3dB，若某一頻率的微波通過濾波器的損耗低于3dB，則該頻率的微波能通過濾波器，因此將所有能通過濾波器的微波頻率組合在一起構成了濾波器的通帶頻段范圍。2.

26、2.2 插入損耗濾波器的插入損耗，又稱衰減。在理想情況下，插入到射頻電路中的理想濾波器，不應在其通帶內引入任何功率損耗。然而在實際應用中我們無法消除濾波器固有攜帶的一定程度的功率損耗。插入損耗定量地描述了功率響應幅度與0dB基準的插值，其可表述為： (2.2)式中是濾波器向負載輸出的功率，是濾波器從信號源得到的輸入功率，根據公式的定義可知，一般情況下插入損耗越小表明器件越優(yōu)質。2.2.3 帶外抑制濾波器的帶外抑制又稱阻帶抑制，濾波器的形狀通常是較規(guī)整的形狀，理想狀態(tài)下通帶內的微波全部通過，通帶外的微波全部過濾掉。在其實際應用中，通帶內的微波信號出現衰減，通帶外的微波信號未完全濾除，僅能濾除大部

27、分能量，帶外抑制度反應了對過濾微波信號的衰減幅度，對不需要的頻率點，微波信號的抑制能力，一般希望盡可能的大，并在通帶范圍外陡峭的下降，通常取帶外與帶寬為一定比值的某一頻率的衰減值作為此項指標。帶外抑制這個概念實際上還是屬于損耗的范疇，只是我們現在所說指的是在通帶外，微波信號的衰減已經被抑制得比較充分，這個具體的損耗值就是帶外抑制的值。2.2.4 端口駐波比端口駐波是衡量濾波器性能的關鍵指標之一，衡量濾波器與系統(tǒng)中其它器件的匹配程度。當系統(tǒng)器件之間出現不匹配時，饋線上同時存在入射波Ei和反射波Er。在入射波和反射波相位相同的地方，入射波電壓與反射波電壓的幅度相加形成一個最大電壓振幅Emax，稱為

28、波腹；而在入射波和反射波相位相反的地方電壓幅度相減形成一個最小電壓振幅Emin，稱為波節(jié)。其它各點電壓的幅度值則介于波腹與波節(jié)之間，這種合成波稱為駐波。駐波波腹電壓幅度與波谷電壓幅度之比為端口駐波比。若駐波比值為1時，微波信號全部通過，不存在回波損耗；若駐波比接近無窮大時，微波信號全部被反射，濾波器的輸出信號能量近似為零。2.2.5 其他指標濾波器的脈沖功率容量為濾波器所能承受的最大信號通過功率，由濾波器中強電場對介質的擊穿來決定，通常與濾波器的結構和介質強度有關。一般情況下同軸線和帶狀線結構的功率容量至少要比矩形波導小6、7倍，而矩形波導又比圓波導小4倍左右。在規(guī)定的帶寬內，插入損耗最大值與

29、最小值之間的差值為帶內波動，又叫帶內波紋或者通帶波紋。帶內波動用于描述通帶內信號幅度的起伏程度，也受限于諧振器的固有Q值，其值越小，則通帶信號波動越小，說明濾波器更穩(wěn)定。第三節(jié) 本章小結本章主要對濾波器設計的基本原理進行介紹，通過設計濾波器實現對需要的微波頻段進行過濾，濾除不需要的微波頻段，有效地降低信號各頻段之間的干擾，提升微波信號質量。并介紹了濾波器的主要技術指標，包括濾波器通帶的頻段、插入損耗、帶外抑制、端口駐波比等技術指標。第三章 高低通級聯超寬帶濾波器的設計第一節(jié) 超寬帶濾波器的設計方法近年來，離散時域技術17-19被應用到超寬帶濾波器的設計。這種方法與以往的超寬帶濾波器的綜合設計方

30、法有所不同，雖然它也是從集總元件電路特性得到的系統(tǒng)函數出，但不同的是，它將該系統(tǒng)函數變換成離散時域的系統(tǒng)函數并將其作為目標函數；然試圖利用電長度相等的傳輸線（包括短路枝節(jié)、開路枝節(jié)等）來實現該目標函數。實現的過程中，通過網絡分析方法得到這些傳輸線的鏈形散射矩陣，根據各個部分鏈形散射矩陣便可以獲得系統(tǒng)的傳輸函數；最后對這一傳輸函數進行優(yōu)化，其響應與目標函數盡可能地接近，便可獲得各個傳輸線的特性阻抗，從而完成整個濾器的綜合過程。這種方法的缺點有以下幾個方面：(1)設計出的濾波器結構往往沒有規(guī)律性，從使得這種結構實現起來不是唯一的，這樣就會增加優(yōu)化的難度；(2)由于傳輸線電路構的不確定性，優(yōu)化計算有

31、時也會難以成功；(3)優(yōu)化得到的實際電路結構中傳輸線阻抗有時會相差很大，實現操作比較復雜；(4)此方法綜合設計出的濾波器通常尺寸比較大?；趜變換技術的濾波器綜合設計方法主要包括三個步驟：第一，根據網絡分析理論對濾波器的結構進行分析，得到該結構所能實現的理想傳輸函數。用z變換技術將該傳輸函數轉化成z域的傳輸函數F(z)，并將其作為優(yōu)化過程中的目標函數。第二，先推導出濾波器各個部分的鏈形散射矩陣，并將其轉化成離散形式，然后通過矩陣運算得到濾波器的實際傳輸函數T(z)，其系數是關于濾波器各連接線和短路線的特性阻抗的表達式。第三，利用優(yōu)化算法得到濾波器各連接線和短路線的特性阻抗值，從而完成濾波器的設

32、計。蔡鵬18對z變換方法進行了改進，徹底擺脫傳統(tǒng)窄帶濾波器的設計思路。改進后的方法基于z變換技術的超寬帶濾波器的設計，依據其分布參數特性得到的系統(tǒng)函數出發(fā)，利用離散時域技術獲得z域的系統(tǒng)函數。采用“四分之一長短路枝節(jié)、半波長連接線、四分之一波長短路枝節(jié)”為基本單元的周期性結構實現該系統(tǒng)函數所得到的濾波特性。經過優(yōu)化計算之后得到濾波器各個部分的特性阻抗，然后根據公式計算和仿真調整，就可以得到濾波器的物理尺寸。該方法有以下特點：(1)繼承了利用離散時域技術設濾波器的基本設計思路，并提出了從分布參數電路特性得到的系統(tǒng)函數出發(fā)的設計新思路；(2)得到的周期性電路結構使得實際電路結構具有一定的規(guī)律性，可

33、以清楚地定義濾波器的級數，這是上述傳統(tǒng)離散時域設計方法所不能得到的；(3)由于實際電路結構的確定性，使得優(yōu)化計算非常容易成功；(4)優(yōu)化得到實際結構的特性阻抗相差不會很大，實現起來比較容易。一般來講，上述方法中，不論是“傳統(tǒng)離散時域技術優(yōu)化綜合設計方法”還是“改進的z變換優(yōu)化綜合設計方法”，它們設計出來的濾波器都有一個共同的特點，那就是帶外衰減緩慢、頻率選擇性不高。如果要加快帶外衰減，常用的方法就是增加濾波器的級數，但是這樣會使得電路結構變得非常復雜而且龐大，設計調試也比較困難?！叭绾文軌虿捎帽M可能少的級數，得到盡可能好的特性”，這不僅是濾波器小型化所需要的，而且也可以大大簡化設計人員對濾波器

34、的設計和調試過程。根據以上綜合設計方法，發(fā)展起來最優(yōu)短路端的設計方法20,21。圖3.1 五階四分之一波長短路端傳輸線帶通濾波器的結構圖3.1表示四分之一短路端構成的超寬帶帶通濾波器的原理圖?；镜臑V波器包括五階四分之一波長的分支短路端，每個短路端也用四分之一波長的聯接線連接，該波長對應于中心頻率為6.85GHz的導波波長。超寬帶濾波器的特性由分支短路端Yi(i=1,2,3,4,5)和聯接線的特性導納Yi,i+1(i=1,2,3,4)決定。第二節(jié) 基于開槽多模諧振器設計的超寬帶濾波器超寬帶濾波器的設計原理是基于傳統(tǒng)的多模諧振器而設計，并采用微帶諧振結果的傳統(tǒng)的開路多模諧振器的結構圖，其結構如圖

35、3.2所示。多模諧振器的中心是一個低阻抗線段，兩邊是等長的高阻抗線段。其中每段的特性阻抗分別被定義為和，而和分別是它們的電長度。根據多模諧振器原理，我們可以得到其雜散諧振頻率，其中f1、f2、f3、f4是一系列的諧振頻率，而(f1)、(f2)、(f3)、(f4)是相應的電長度，推導得到公式（3.1），如下所示。圖3.2 多模諧振器的示意圖 (3.1)前三個雜散諧振模式可以被高低阻抗線的阻抗比(R = Z2 /Z1)調整。傳統(tǒng)的多模諧振器可以適當地調整結構，用來重新分配它的前三個諧振模式，從而實現超寬帶頻譜所要求的頻率范圍。本文提出的超寬帶濾波器包括一個非均勻的多模諧振器在中心，兩端是兩個等長的

36、平行耦合線段，位于左右兩端。利用在地板開口技術，不僅增強了耦合線的耦合程度，而且對于多模諧振器也實現了特定的阻抗比。眾所周知，多模諧振器三段的阻抗比和長度被用來調整超寬帶通帶內的三個雜散諧振頻率。本節(jié)提出的超寬帶濾波器和參數參見圖3.3，其中尺寸的單位為毫米。本節(jié)提出的超寬帶濾波器利用了提出的雙線耦合結構，相對于傳統(tǒng)的單線平行耦合饋線結構，這種雙線耦合結構，可以增強輸入/輸出端口和多模諧振器間的耦合度，可以提高超寬帶S21的幅度，從而加寬了超寬帶濾波的通帶帶寬。除此之外，在多模諧振器上開了一個矩形槽，見圖3.3。這是一個新的方式去微調超寬帶濾波器通帶內的三個雜散諧振頻率。結合以上多個結構，本節(jié)

37、設計了一款具有良好性能的超寬帶濾波器。微帶線地開槽仰視圖俯視圖圖3.3 基于開槽多模諧振器的濾波器結構示意圖多模諧振器開槽的目的是微調三個雜散諧振頻率，從而改善帶通濾波的性能。通過改變開槽的長度，寬度和開槽位置，位于超寬帶通帶內的前三個雜散諧振頻率被重新分配，已達到良好的濾波器性能。第三節(jié) 基于一對多模諧振器設計的超寬帶濾波器在本節(jié)中，設計出一個基于一對多模諧振器的高性能超寬帶濾波器。一對多模諧振器，階梯阻抗饋電結構和地板開口結構，這三種結構應用在此濾波器上，改善了超寬帶濾波器的性能。設計原理是基于傳統(tǒng)的多模諧振器濾波器的設計方法，并采用微帶諧振結果的傳統(tǒng)的開路多模諧振器的結構圖。前三個雜散諧

38、振模式可以被高低阻抗線的阻抗比(R = Z2 /Z1)調整。傳統(tǒng)的多模諧振器可以適當地調整結構從而分配它的前三個諧振模式，以實現超寬帶頻譜所要求的頻率范圍。傳統(tǒng)的多模諧振器稱作單一多模諧振器，它包含中間的一個半波長的低阻抗線端，而兩端是四分之一的高阻抗線段。在本節(jié)中，提出的一對多模諧振器結構見圖3.4，它包含兩個平行的多模諧振器，相互對稱且互相耦合。這里提出的多模諧振器是在傳統(tǒng)的結構上適當地改進，目的是為了重新分配它的前三個諧振模式，從而實現超寬帶濾波器。這樣，傳統(tǒng)多模諧振器的前三個諧振模式可以被重新分配，進而在通帶內實現五個傳輸零點和更高的返回損耗。而且，利用一對多模諧振器和背板開口結構，加

39、強了輸入/輸出平行雙線耦合結構與多模諧振器之間的耦合強度。除此之外，通過階梯阻抗結構實現了良好的阻抗匹配，進而實現了高性能。提出的濾波器的結構圖和物理尺寸如圖3.4所示，中心部分是一對多模諧振器，包含兩個相互平行耦合的多模諧振器，兩邊是等長的背板開口的平行耦合線結構。除此之外，兩邊是等長的階梯阻抗結構的饋線，整個濾波器在結構上是對稱的。微帶線單位俯視圖地仰視圖圖3.4 基于一對多模諧振器的濾波器的結構示意圖第四節(jié) 本章小結本章首先詳細地闡述了時域離散分析和網絡分析等常用的超寬帶濾波器設計方法。依據高低通級聯超寬帶帶通濾波器的特性，設計了一種開槽諧振子的多諧振蕩器和一種未開槽諧振子的多諧振蕩器實

40、現微波高低通級聯的超寬帶濾波器，同時也還設計了由一對諧振子組成的多諧振蕩器實現微波高低通級聯的超寬帶濾波器，并給出了濾波器設計的詳細結果參數。第四章 超寬帶濾波器的仿真與分析第一節(jié) HFSS簡介HFSS High Frequency Structure Simulator是由Ansoft公司提供的三維的電磁場仿真軟件；是世界上第一個商業(yè)化的三維結構電磁場仿真軟件，業(yè)界公認的三維電磁場設計和分析的工業(yè)標準。HFSS的用戶界面簡潔直觀具有精確的自適應場解器、強大的電性能分析能力和處理器能力，可以計算出任何形狀的三維無源結構的S參數與全波電磁場。HFSS軟件擁有強大的微波濾波器設計功能，它可以計算微

41、波濾波器的參量，如增益、方向性、遠場方向圖剖面、遠場3D圖和3dB帶寬；可以繪制極化特性，其中包括圓極化場分量、Ludwig第三定義場分量和軸比等。利用HFSS，能夠計算出： 基本的電磁場數值解與開邊界的問題，近遠場輻射的問題； 端口特征阻抗和傳輸常數； S參數和相應端口阻抗的歸一化S參數； 結構的本征?；蛘呤侵C振解。并且，由Ansoft HFSS與Ansoft Designer組成的Ansoft高頻解決方案，為當前唯一用物理原型當作基礎的高頻設計解決方案，它擁有從系統(tǒng)到電路甚至是部件級的精確又快速的設計手段，基本可以覆蓋完高頻設計中的所有環(huán)節(jié)。HFSS是當今微波濾波器設計最流行的設計軟件。因

42、此，本文選擇HFSS軟件進行濾波器的仿真與分析。第二節(jié) 基于開槽多模諧振器的濾波器仿真與分析根據第三章所設計基于開槽多模諧振器的超寬帶帶通濾波器，利用HFSS13.0軟件建立超寬帶帶通濾波器的結構模型，其濾波器的仿真結構材料設置為RT-Rogers/5880-Duroid，材料所對應的介質系數為2.2，仿真結構如圖4.1所示。圖4.1（a）和圖4.1(b)分別為未開槽的多模諧振器結構示意圖和開槽的多模諧振器結構示意圖。圖4.1（a） 未開槽的多模諧振器HFSS仿真結構圖4.1（b） 開槽的多模諧振器HFSS仿真結構針對兩種多模諧振器，圖4.2描述了多模諧振器有無開槽時微波通過濾波器回波損耗(S

43、11)和正向傳輸系數(S21)的幅度曲線的仿真結果曲線，圖中紅色線條表示未開槽濾波器，藍色線條表示開槽濾波器。通過對仿真曲線的分析可知，仿真的S參數證明了所設計的超寬帶濾波器有著良好的性能，多模諧振器未開槽時濾波器在微波頻率低于2.4GHz或高于12.4GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于2.8GHz或者高于11.5GHz時，濾波器的正向傳輸系數大于-3dB；而多模諧振器開槽時濾波器在微波頻率低于3.4GHz或高于11.6GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于3.1GHz或者高于11.1GHz時，濾波器的正向傳輸系數大于-3dB。仿真結果表明，本課題設計的超寬帶濾波器可實

44、現高低通級聯的超寬帶帶通濾波器，而基于未開槽多模諧振器所設計的濾波器的高通寬帶和低通寬帶略低于開槽多模諧振器。圖4.2 S21和S11的幅度仿真曲線第三節(jié) 基于一對多模諧振器的濾波器仿真與分析根據第三章所設計基于一對簡諧振子和基于單個簡諧振子的高低通級聯的超寬帶帶通濾波器，利用HFSS13.0軟件建立該濾波器的結構模型，其濾波器的仿真結構材料設置為RT-Rogers/5880-Duroid，材料所對應的介質系數為2.2。設計的模型如圖4.3所示。圖4.3(a)和圖4.3(b)分別為由單一簡諧振子組成多諧振蕩器的結構示意圖和由一對簡諧振子組成的多諧振蕩器的結構示意圖，從圖中可知，一對多模諧振器較

45、單一多模諧振器多一個諧振子。圖4.3（a） 基于單個諧振子的多模諧振器HFSS仿真結構圖4.3（b） 基于一對諧振子的多模諧振器HFSS仿真結構針對兩種多模諧振器，圖4.4描述了多模諧振器的不同諧振子時微波通過濾波器回波損耗(S11)和正向傳輸系數(S21)的幅度曲線的仿真結果曲線，圖中紅色線條表示由單個諧振子構成的濾波器，藍色線條表示由一對諧振子構成的開槽濾波器。通過對仿真曲線的分析可知，仿真的S參數證明了所設計的超寬帶濾波器有著良好的性能，由單一諧振子構成的濾波器在微波頻率低于1.9GHz或高于11.7GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于2.6GHz或者高于11.4GHz時，濾

46、波器的正向傳輸系數大于-3dB；而由一對諧振子構成的濾波器在微波頻率低于2.1GHz或高于11.3GHz具有小于-10dB回波損耗，在微波頻率低于2.9GHz或者高于10.7GHz時，濾波器的正向傳輸系數大于-3dB。仿真結果表明，本課題設計的超寬帶濾波器可實現高低通級聯的超寬帶帶通濾波器，而基于一對諧振子構成的多模諧振器所設計的濾波器的高通寬帶和低通寬帶略優(yōu)于基于單一諧振子構成的多模諧振器所設計的濾波器。圖4.4 S21和S11的幅度仿真曲線第四節(jié) 本章小結本章首先介紹了微波濾波器所采用的仿真軟件HFSS，對由開槽諧振子和未開槽諧振子組成多諧振蕩器的高低通級聯超寬帶濾波器和由一對諧振子和單一

47、諧振子組成多諧振蕩器的高低通級聯超寬帶濾波器進行仿真，并結合仿真結果對正向傳輸系數S21和回波損耗S11進行了分析，分析結果表明由開槽諧振子組成多諧振蕩器的濾波器和由一對諧振子組成濾波器可使高頻段或低頻段的微波信號通過濾波器，且通帶頻段較寬實現高低通級聯超寬帶濾波。結 論隨著移動智能終端的快速發(fā)展，用戶對無線通信帶寬的要求越來越高，超寬帶(UWB)技術成為解決此矛盾的主要技術之一，越來越多研究學者對其進行研究。超寬帶濾波器在此背景下應運而生，它可以根據通信系統(tǒng)要求同時工作于兩個或多個所需頻段，在兼容現有通信頻段的同時，濾除掉其他頻段的干擾信號。因此，微波濾波器性能的好壞往往直接影響到整個無線通

48、信系統(tǒng)的質量。隨著微波器件集成度的日益提高，濾波器的小型化顯得迫在眉睫。本文針對超寬帶濾波器的設計展開的，設計了兩款高低通級聯超寬帶濾波器。本文首先對微波濾波器設計的基本理論進行展開分析，微波濾波器可看作一種頻段信號選擇性損耗的二端口系統(tǒng)，通過設計微波諧振腔的結構，用于控制微波的頻率響應，使需要的微波頻率的信號分量近似無損耗地濾過，而阻斷其他微波頻段的信號分量。并闡述了濾波器的通帶頻段、插入損耗、帶內波動、帶外抑制、端口駐波比、隔離度、矩形系數、功率容量、群時延等技術指標。其次，本文闡述了時域離散分析和基于z變換的綜合設計方法等常用的超寬帶濾波器設計方法。依據高低通級聯超寬帶帶通濾波器的特性，

49、采用微帶多諧振蕩器設計了一種開槽諧振子的多諧振蕩器和一種未開槽諧振子的多諧振蕩器實現微波高低通級聯的超寬帶濾波器，同時還設計了由一對諧振子組成的多諧振蕩器和由單一諧振子組成的多諧振蕩器實現微波高低通級聯的超寬帶濾波器，并給出了濾波器設計的結構參數和材料屬性。最后，本文借助仿真軟件HFSS對由開槽諧振子和未開槽諧振子組成多諧振蕩器的高低通級聯超寬帶濾波器和由一對諧振子和單一諧振子組成多諧振蕩器的高低通級聯超寬帶濾波器進行仿真，并結合仿真結果對正向傳輸系數S21和回波損耗S11進行了分析，分析結果表明由開槽諧振子組成的濾波器和由一對諧振子組成濾波器可使高頻段或低頻段的微波信號通過濾波器，且通帶頻段

50、較寬實現高低通級聯超寬帶濾波。致 謝楊柳岸邊，林蔭道旁，走在大學生活的盡頭?；叵肫疬@四年的點點滴滴，感激之情油然而生。在此，我謹向在大學期間關心、支持和幫助過我的老師、同學、親人和朋友致以衷心地感謝。正因為有你們的關心和陪伴，我的大學生活才能如此充實和美好，我的畢業(yè)論文才能順利完成。首先要感謝的是我的導師，老師對我的論文的選題、開題、撰寫以及修改等方面傾注了大量的時間和精力。老師認真負責、鍥而不舍的精神給我留下了深刻的印象。老師在日常生活中對我的關懷和照顧使得我在平時的學習、生活和科研等方面受益匪淺。在此，我要向老師表示衷心地感謝，感謝您在我人生成長道路上給予的體恤和諄諄教誨，這不僅是我讀書期

51、間的寶貴財富也必將深深影響我以后的人生道路。感謝所有幫助我的同學，與他們共同學習才使我思路更加開闊，并取得了不錯的成績。感謝在讀書期間認識我和我認識的所有人，有你們伴隨，才有我學習生活的豐富多彩，絢麗多姿。感謝我的父母，他們任勞任怨，一直默默無私地支持和鼓勵我，是伴我在人生道路不斷前進的最大精神支柱。可惜長久以來都沒有機會對他們說聲謝謝，在這里我要特別感謝他們。最后，衷心感謝參與論文審閱和論文答辯的各位老師、專家付出的辛勤工作。參考文獻1 Federal Communications Commission. Revision of Part 15 of the Commission's

52、 Rules Regarding Ultra-Wideband Transmission Systems,“First Report and Order,” FCC 02J. V48, April, 2002.2 官雪輝, 陳鵬, 劉海文, 等. 超寬帶濾波器的研究現狀與進展J. 華東交通大學學報, 2011, 28(1): 7-14.3 李奇. 無線通信中微帶濾波器的研究與設計D. 西安: 西安電子科技大學電子工程學院, 2011.4 王磊. 小型化超寬帶濾波器及雙模濾波器的研究與設計D. 電子科技大學, 2011.5 Saito A, Harada H, Nishikata A. Deve

53、lopment of band pass filter for ultra wideband (UWB) communication systemsC/Ultra Wideband Systems and Technologies, 2003 IEEE Conference on. IEEE, 2003: 76-80.6 Ishida H, Araki K. Design and analysis of UWB band pass filter with ring filterC/Microwave Symposium Digest, 2004 IEEE MTT-S International

54、. IEEE, 2004, 3: 1307-1310.7 Hao Z C, Hong J S. Ultrawideband filter technologiesJ. Microwave Magazine, IEEE, 2010, 11(4): 56-68.8 Sun S, Zhu L. Multiple-resonator-based bandpass filtersJ. Microwave Magazine, IEEE, 2009, 10(2): 88-98.9 Zhu L, Sun S, Menzel W. Ultra-wideband (UWB) bandpass filters using multiple-mode resonatorJ. Microwave and Wireless Components Letters, IEEE, 2005, 15(11): 796-798.10 Kuo T N, Lin S C, Chen C H. Compact Ultra-Wideband Bandpass Filters Using Composite Microstrip&# 8211; Coplanar-Waveguide StructureJ. M