微带带通滤波器小型化研究与设计

河北工业大学硕士学位论文微带带通滤波器小型化研究与设计姓名：曹晓申请学位级别：硕士专业：通信与信息系统指导教师：赵全明20081101河北工业大学硕士学位论文i微带带通滤波器的小型化研究与设计摘要微波滤波器作为一种重要的微波元器件在近年来得到了大力的发展，其性能的优劣直接影响到整个微波系统性能的好坏。而微带滤波器具有体积小、重量轻、性能稳定、低成本等优点，被广泛地应用在微波集成电路和系统中。本论文以微带平行耦合带通滤波器为研究对象，介绍了微波滤波器的基础理论，分析了在滤波器设计中存在的多种不确定性因素，即滤波器设计方法、多种实现结构、选用材料以及仿真软件等，研究了微波滤波器的电气性能与耦合结构几何尺寸之间的关系，即通带边缘与中心频率的变化关系，以及耦合间距与带宽的变化关系。在此基础之上，结合经典滤波器设计理论，给出了平行耦合滤波器的设计实例以及仿真结果，并对滤波器进行了优化和小型化。仿真结果表明，在滤波器电气性能基本不变的情况下，通过改变耦合结构的弯曲角度，减小其几何尺寸，达到了小型化的目的。关键词：微波滤波器，微带线，带通滤波器，小型化，Ansoftdesigner微带带通滤波器小型化研究与设计iiTHERESEARCHANDDESIGNOFMINIATURIZATIONMICROSTRIPBANDPASSFILTEABSTRACTMicrowaveBand-passfilterisakindofveryimportantmicrowavecomponentsandhavebeendevelopinggreatlyinrecentyears.Themicrowavesystem’sperformanceisdirectlyinfluencedbythemicrowaveband-passfilter’sperformance.Themicrostripfilterwithasmallsize,lightweight,stableperformance,low-cost,havebeenwidelyappliedinmicrowaveintegratedcircuitsandsystems.Inthispaperonthebasisofstudyingthemicrostripparallelcouplingfilter,thebasictheoryofmicrowavefilterisstated.Uncertaintyfactorsindesigningfilterareanalyzed，suchasdesignmethods,filterstructures，filtermaterialandsimulationsoftwares.Therelationbetweenmicrowavefilterelectricalspecificationsandthesizeoffilterstructureisstudied，namelytherelationbetweentheedgeofband-passandcentralfrequency,therelationbetweencouplingdistanceandbandwidth.Furthermore,amicrostripparallelcouplingfilterisdesignedandsimulatedwithAnsoftdesigner,optimizedandminiaturized.Thesimulationresultsshowthatthesizeoffiltercanbecutdownefficientlybychangingthecouplingstructure.KeyWords:Microwavefilter,Microstripline,Bandpassfilter,Miniaturization，Ansoftdesigner河北工业大学硕士学位论文1第一章绪论§1-1引言微波滤波器是微波系统中的重要器件之一，用来分离和组合各种不同频率信号。它的主要作用是抑制不需要的信号,使所需信号通过。在微波中继通信、卫星通信、雷达技术、电子对抗以及微波测量中，具有广泛的应用。早在1915年德国科学家W．Wagner(瓦格纳)和美国的G.A.Campbell(坎贝尔)各自独立地提出滤波器的概念。而微波滤波器的设计方法和实践应用大多是在第二次世界大战以及随后一些时间内发展起来的。近年来随着计算机技术突飞猛进的发展，出现了一些新的、实用的计算机微波仿真工具如美国安捷伦公司开发的大型综合设计软件AdvancedDesignSystem(ADS)，通过两个模拟器来对微波平面电路进行模拟和仿真的MicrowaveOffice软件，以及Ansoft公司开发的大型综合设计仿真软件Ansoftdesigner等一系列微波电路的仿真软件，还有一些三维高频电磁场仿真软件比如AnsoftHFSS，CSTMICROWAVESTUDIO等，这些仿真软件是微波滤波器设计，仿真、优化，达到在实际加工中的准确性和一致性的良好的工具。§1-2微带滤波器小型化研究的背景和意义随着通信、雷达、广播、遥感、测量、电子对抗和空间技术等的日益发展，微波滤波器在通信、信号处理、雷达等各种电路系统的收发、传输和变换处理中具有广泛用途。移动通信、电子对抗和导航技术的飞速发展，对新的微波元器件的需求和现有器件性能的改善也提出了更高的要求，高性能、小体积的微波滤波器也越来越受到设计者的青睐[1]。由于新材料、新工艺的不断出现，以及半导体技术的迅速发展，研制高性能、小体积的无源器件，缩短无源器件设计周期，是目前微波、毫米波通信领域的关键环节之一。在实际应用中，雷达、移动通讯等部门多频率、多通道工作的要求越来越普遍，对分隔频率的要求也越来越高，从超长波经微波到光波以上的所有的电磁波段，需要使用各种形式的滤波器。微带滤波器易与其它无源微波电路和有源器件集成实现集成化和小型化，因而在现在微波电路中起着重要的作用。本课题旨在通过研究耦合结构几何参数与微带线滤波器电气性能的之间的关系，应用计算机仿真，从而缩短产品的设计周期，节约设计成本，提高产品和加工的准确性以及工程的成品率。§1-3微带滤波器小型化的研究现状微波滤波器实现方式多种多样，以所采用传输线型式可分为来说常用的有同轴线，波导，带状线，微带线等。同轴型的微波滤波器具有辐射屏蔽，低损耗等特点。波导型的微波滤波器具有低损耗和功率微带带通滤波器小型化研究与设计2容量大这两个主要优点。在平面电路中昀常用的是微带线型滤波器，它具有小的尺寸，易于加工，易于和其它有源电路元件集成等优点，采用不同衬底材料能够在很大的频率范围内得到应用，因此微带滤波器在现代滤波器的设计中还是被寄予厚望。而小型化、微型化、片式化是目前元器件研究开发的一个重要目标，针对市场的需求，人们也对微波滤波器的小型化技术进行了很多方面的探究。（1）LTCC（LowTemperatureCo-firedCeramic，LTCC）多层结构LTCC技术的研究是上个世纪七十年代开始的，此技术是将陶瓷粉制成均匀而且致密的生瓷带，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，并可将多个无源元件埋入其中，然后叠压在一起，在900℃下烧结，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IC和有源器件，制成无源/有源集成的功能模块。LTCC陶瓷的烧制温度低于许多良导体材料如金、银、铜的熔点温度，是能够提供实际的三维微波内联的基片。近年来，体积更小且性能更好的多层微带滤波器引起研究者的广泛兴趣，相比较微带单层滤波器而言，多层滤波器大大的减小了滤波器的体积，为微带滤波器的设计提供了多层的结构和多维设计空间[2]。LTCC的陶瓷基片的组成成分可变，根据配料的不同可生成具有不同电气性能（如介电常数）和其它物理性能（如热膨胀系数）的介质材料[3]。如图1.1所示为多层滤波器的结构。现在国外一些厂家理论上可以生产多达50多层100mm×100mmMCM-C[4],国内也对LTCC技术其中几个主要的研究难点如材料，金属通孔，封装技术等做了大量的研究并取得了一些成果[5-7]。其中国内清华大学材料系以及上海硅胶研究所也在LTCC材料上面有了一定的研究但是还没有做到批量的生产。图1.1多层滤波器结构Fig1.1Thestructureofmultiple-layerfilter（2）高温超导高温超导（HighTemperatureSuperconductor，HTS），高温超导是在1986年才问世的，但是在短短20年里面，国际上一批著名的微波、毫米波权威和专家,相继投入到其间的研究工作，美国海军研究所(NRL)分别于1992年和1994年实施高温超导空间试验计划(HTSSEⅠ、HTSSE)Ⅱ,其中有AT&TBell实验室、Hugh-es研究所、JPL、MIT林肯实验室、NASALewis、GE、TRW及NRL等10余家著名的公司、研究单位研究出22多种超导微波器件如微波谐振器、滤波器、耦合器、多工器和天线等，大大地改善微波系统的性能[8]。图1.2给出的是基于一种YBCO/LAO/YBCO衬底材料上设计的多曲折滤波器（23rε=）以及频率响应特性曲线[9]。一些结构比较复杂的微带滤波器也多采用高温超导技术，如Geroge.L,Lun-huaHsieh河北工业大学硕士学位论文3等一些文献中设计的几种微带滤波器也多采用这一技术[10-15]，有效的减小了滤波器的体积。图1.25级高温超导多曲折滤波器Fig1.25levelsHigh-temperaturesuperconductormulti-windingfilter（3）慢波结构漫波结构由于可以降低在其中传播波的相速,使之与电子束同步而相互作用,且有较高的功率容量,因而在微波器件尤其是高功率微波器件中有着广泛的应用，通过它的色散方程以及耦合阻抗表达式可以计算出不同结构参数的微带曲折线慢波结构，不仅可以减小传统滤波器的体积，而且由于色散作用的影响，可以增加带宽，现在国内也对慢波系统进行了一系列的研究，通过使用新技术、新材料、新工艺使其功率容量不断提高，并且设计出一些新型的慢波结构[16]。如图1.3所示为一种电容加载微带慢波开环谐振器，是由微带线及其终端加载的阻抗较低的开路支节线构成[17]。图1.3微带慢波开环谐振器Fig1.3Themicrostripslow-wave,open-loopresonator（4）双模结构双模谐振器是小型化微波滤波器昀有效的手段之一[18-21]，包括波导双模谐振器和微带双模谐振器，所谓双模谐振特性是指一个结构对称的谐振器由于在对称面上引入微扰而使得一对简并模式分开,等效于两个调谐电路，从而使它们的谐振频率发生分裂，相互之间耦合，产生滤波器的特性，这相当于在保持谐振回路不变的情况下，使谐振器的个数减少了一半，从而减小了体积。图1.4是一些常见的微带双模谐振器的二维结构，(a)是圆盘型的、(b)是方形的、(c)是圆环形的、(d)是方环形的、(e)是弯曲环形的。由图中可以看出弯曲环形双模谐振器具有昀小的尺寸，并注意到有小的贴片和缺口用来耦合两个相互垂直的简并模。利用这些基本的谐振结构可以构成不同构造的滤波器[22]。微带带通滤波器小型化研究与设计41.84/goDλπ≈/2goDλ≈/goDλπ≈/4goDλ≈/4goDλ图1.4几种常见双模谐振器Fig1.4Severalcommondual-moderesonators如果用高介电常数材料填充双模谐振器或作为微带双模谐振器的基片可以进一步减小滤波器的体积。但是双模谐振器由于其小的结构致使其导体损耗较大，对频率变化非常敏感等，这对双模谐振器滤波器的设计制造提出了更高的要求。（5）光子带隙1987年E.Yablonovitch和S.John分别独立提出了光子晶体的概念，它是在一种介质在另一种介质中周期排列所组成的晶体结构，由于