微波大作业——滤波器新技术研究.docx

微带滤波器新技术研究
一：微带折线槽带阻滤波器研究
1.1微带折线槽带阻滤波器—— 一种新型的微带带阻滤波器的设计方法, 即在微带线上添加折线槽结构, 显示出良好的窄带带阻特性。
相比原滤波器, 添加了折线槽结构的带阻滤波器增加了一个窄带阻带, 形成具有两个阻带的滤波器, 其中较窄的阻带S21低于-20dB的频率范围为8.7GHz-9.1GHz，较宽的阻带S21低于-20dB的频率范围为12.3GHz-15.7GHz。在此基础上, 讨论折线槽结构的长度和位置对带阻滤波器性能的影响。

1.2 结构模型分析

折线槽结构是一种简单的缺陷结构, 即在微带线上刻蚀一个折线槽, 易于操作且不会导致尺寸的增大这种结构具有优越的带隙特性, 可被用于滤波器的设计阴。将周期型折线凹槽结构用于微带祸合带阻滤波器的设计, 可获得更宽的阻带宽度以及更加陡峭的频率响应特性。

微带折线槽结构如图1所示,其槽宽度为w ,折线高度为h ,折线长度为l。一般地, 凹槽起电容的作用, 折线起电感的作用。这样,微带线添加了折线槽结构也即增加了有效电容和有效电感, 从而也增加了介质板的有效介电常数。折线的横向及纵向宽度分别为a和b , 它们代表了折线槽的周期。

折线槽结构的尺寸如表l所示。介质板厚度为0.20mm ,折线槽嵌在一个0.19mm宽的50欧姆的微带线上。图2所示为微带折线槽结构的传输参数S11和S2l仿真结果,由图可看出,在谐振频率为1.2GHz处有一个很窄很尖锐的阻带,传输衰减的峰值达到38dB 。

表1 折线槽结构尺寸(单位:m m)

表2 微带折线槽结构的S参数 表3 折线槽结构的等效电路

折线槽结构的等效电路模型为一个LCR谐振器, 如图3所示。基于传输线理论及波谱域近似,电路模型参数可用下列式子表示:

其中,Z0为50欧姆传输线的特性阻抗,f0为谐振频率,S21为传输损耗, 为S21的-3dB带宽如图2所示, 这种微带折线槽结构显示了良好的窄带带阻特性
1.3 典型参数设计

本设计是在一个经典带阻滤波器的50欧姆微带传输线上添加这种折线槽结构做成一个新的带阻滤波器, 如图4所示。其中, 折线槽结构的尺寸同表l, 微带线短线的尺寸由L1 、L2和L3来确定, 两短线之间的微带线长度为L4, 折线槽与左边的微带线支节间的距离为L5,50欧姆微带线的宽度为S。以上参数的数值如表2 所示。
表2 微带折线槽带阻滤波器尺寸（单位：m m）

图4: 微带折线槽带阻滤波器设计图

仿真结果如图5和图6所示。其中, 图5为未加折线槽结构的微带带阻滤波器的S参数曲线, 图6为添加折线槽结构的新型微带带阻滤波器的S 参数曲线
未加折线槽缝结构的带阻滤波器的S 参数曲线如图5所示, 此带阻滤波器有一个较宽的阻带,S21低于-20dB 的阻带频率范围为12GHz-15.6GHz。添加折线槽缝结构的新型微带带阻滤波器的S 参数曲线如图6所示, 此带阻滤波器有两个阻带, 其中较宽的阻带S21低于-20dB的频率范围为12.3GHz-15.7GHz,较窄的阻带S21低于-20dB的频率范围为8.7GHZ-9.1GHz,其谐振频率为8.9GHZz。由此可见, 添加折线槽缝结构的新型滤波器其中一个较宽的阻带频率范围与原来未添加折线槽缝结构的带阻滤波器的阻带频率范围基本相符。因此, 添加折线槽缝结构可以在基本不影响原滤波器阻带的情况下, 为带阻滤波器增加一个窄带阻带, 从而构成具有不同频率范围的一宽一窄两个阻带的带阻滤波器

图5 未加折线槽结构的微带带阻滤波器S参数

图6 添加折线槽结构的微带带阻滤波器S参数

2.1 X波段基片集成波导带通滤波器的设计
理论基础
基片集成波导的结构，如图1所示：两排金属化通孔的中心间距为a，金属化通孔的直径和间距分别为d和p，介质基片的厚度和介电常数分别为w和εr，电磁波在介质基片的上下金属面和两排金属化空所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导中的场模式传输。

图1 基片集成波导的结构图
W.CHE等人对普通矩形金属波导和基片集成波导的等效性进行了分析，L.Yan等人提出基于MOL(Method of Lines)的用于分析基片集成波导传输特性的全波分析方法，并提出了反映普通矩形金属波导和基片集成波导之间等效关系的经验方程
对TMx0n而言，其中：a表示等效矩形金属波导的归一化宽度，即基片集成波导宽度a与其等效的矩形金属波导的宽度之比

由于基片集成波导与普通金属波导具有近似的结构和传输特性，可以采用等效矩形金属波导的模型分析基片集成波导。文中将普通矩形金属波导的并联电感耦合波导滤波器的理论运用到基片集成波导滤波器的设计之中。并联电感耦合波导滤波器是用半波长的波导段作为串联谐振器，用电感膜片的并联电感作为谐振器间的耦合结构。    
设计方法：
(1)设仅有TE10单模传输，选定低通原型，实现低通与带通之间的转换。

λg0、λg1、λg2、λg分别是在频率ω0、ω1、ω2、ω上的波导波长，Wλ是相对带宽。    
(2)计算出各阻抗变换器阻抗K。

已知这些阻抗变换器阻抗后，即可对电感膜片的尺寸和谐振器的长度进行设计。    
(3)从各阻抗变换器阻抗计算出各并联感抗X。

(4)根据上面求得的归一化电抗求出各谐振器的电长度和各谐振器的长度。    
各谐振器的电长度：

(5)由各耦合膜片的感抗和矩形波导膜片电感加载关系曲线求出电感膜片的尺寸。   
(6)利用矩形金属波导与基片集成波导的等效关系，通过式(1)~式(4)将普通金属波导并联电感耦合滤波器所得到的设计尺寸转换为基片集成波导结构滤波器的尺寸。
1.2基片集成波导与微带过度的设计
测试基片集成波导器件既不能利用传统测试金属波导的实验装置，也不能利用测试微波毫米波平面电路的实验装置。文中利用基片集成波导易与其他微波平面电路集成的特点，采用微带渐进线，如图2所示，实现基片集成波导与50 Ω微带线的过渡，通过50 Ω微带线实现对基片集成波导滤波器的测试。经HFSS 10仿真优化后，得到如下的过渡尺寸：l=4 mm，w=0．64 mm，d=1．8 mm。

1.3基片集成波导滤波器的设计
文中设计的基片集成波导带通滤波器参数如下：滤波器的中心频率是9．5 GHz，通带9．1~9．9 GHz(相对带宽8．42％)，通带内允许有0．5 dB的波纹，阻带频率分别是8．3 GHz和10．7 GHz，阻带上的最小衰减是40 dB。该滤波器采用9阶切比雪夫并联电感耦合波导滤波器结构，介质基片选用高介电常数基片CER_10(介电常数是9．5，厚度是0．63 mm)。选用高介电常数基片一方面可以有效地减小基片集成波导滤波器的尺寸，另一方面由于高介电常数基片的损耗正切相对较大，也会增加基片集成波导滤波器的插入损耗。    
X波段基片集成波导滤波器尺寸如下：
基片集成波导尺寸：a=8.1mm，p=0.8mm，d=0.4mm。
每对电感膜片间距：w1=5.25mm，w2=4.04mm，w3=3.65mm，w4=3.46mm，w5=3.36mm。
各谐振器长度：L1=5.23mm，L2=5.82mm，L3=6.04mm，L4=6.11mm，L56.12mm。

1.4仿真分析

由仿真结果可知，该滤波器的中心频率是9．5 GHz，带宽是1 GHz，通带内插入损耗是1．9 dB，回波损耗<一20 dB。在阻带频率是8．3 GHz和10．7 GHz的阻带上，阻带衰减>50 dB。    
利用惠普8510矢量网络分析仪进行测试，实测结果，如图4所示。由实测结果可知，该滤波器的中心频率是9．58 GHz，带宽是800 MHz，通带内插入损耗是3．8 dB，纹波是0．2 dB，回波损耗<一15 dB，在阻带频率是8．3 GHz和10．7 GHz的地方，阻带衰减>44 dB。实测插入损耗偏高是因为实测插入损耗除了滤波器本身的损耗外还包括一对SMA接头的损耗和微带渐变线过渡的损耗。实测中心频率向高频段漂移了80 MHz，带宽减小了200 MHz，主要是由基片的介电常数不稳定造成的。在频率是14 GHz的地方出现寄生通带是基片集成波导中的高次模相互作用的结果，可以通过调整谐振器的长度使寄生通带远离滤波器通带。加工实物，如图5所示。

学习心得：
通过此次微波大作业的学习和设计，我充分认识到了以前课堂上老师讲述的理论的深刻含义。以前只是知其然不知其所以然。然而在书写这份论文时，为了弄懂某个公式或名词含义，我不得不上网查找大量资料。通过对比各种文献、期刊，最后汇集各种解释，我对这些理论才有了较为清醒、深刻的认识。
对于滤波器，有高通、低通、带通、带阻等基本分类。每种滤波器都有其独特的功能，它们之间有明显的优缺点，不分谁最好谁最坏，只是针对某个问题谁最适合而已。我们设计一个实际功能的微带滤波器，首先要知道它所要求的技术指标，根据技术指标选用合适的滤波器，然后设计相关参数。微带滤波器工作于微波波段，老师曾说过：“微波波段下，一点小小的误差就可能引起器件性能的改变，比如电感变作电容，电容变作电感。”因此在计算滤波器性能指标的时候，我不得不小心翼翼，生怕弄错。
在此过程中，为了查看所设计的滤波器的性能，我利用ADS软件对相关步骤进行了参数设置以及最后的仿真，在微调参数的情况下尽可能的得到了最优化的设计。这不仅完善了我的设计还让我进一步熟悉了相关软件的使用，相信这对将来的学习和工作有个良好的影响。
学无止境，是微波带我走进了这个新奇的世界，我懂得了它们的基本原理，这仿若让我和它们之间建立了联系。我好想能感受到它们在我周围传来传去所引起的空气律动。我知道了它们的利与弊，在科技上我们离不开它们，在生活中我们却要注意避开它们！最后谢谢任课老师一学期来的默默耕耘，在此我真心谢过，谢谢您的辛勤教导！！!