T型开槽三角形贴片双模微带带通滤波器研究.docx

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T型开槽三角形贴片双模微带带通滤波器研究

学号：

200910321057

上海海事大学

本科生毕业设计<论文）

T型开槽三角形贴片双模微带带通滤波器的研究

学院：

信息工程学院

专业：

电子信息工程

班级：

092

姓名：

姜文俊

指导教师：

张友俊

完成日期：

2018年5月24日

摘要

随着电子通信系统在各领域应用的飞速发展，由于微波滤波器设计时具有独特的优点，模微带滤波器越来越得到重视。

对于早期提出的三角形谐振器，它们存在体积大，不利于滤波器的小型化，贴片之间靠缝隙耦合，导致插入损耗比较大，滤波器的频率响应一般只有一个衰减极点。

本文不使用传统的缝隙耦合，而采用直接抽头馈线作为输入输出，减小插入损耗；不使用多级片破坏对称性等激起双模，而采用开T型槽激起双模。

这样的三角形贴片滤波器有两个衰减极点在通带两侧，阻带的抑制能力得到加强,有利于小型化且性能更优。

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关键字：

微带带通滤波器，双模，T型开槽，三角形贴片

Abstract

Withtherapiddevelopmentoftheelectroniccommunicationsysteminvarietyofthefields，thedual-modemicrostripfiltershavebeenputmoreemphasisonbecauseoftheuniqueadvantageswhenbeingdesigned.Forthetriangularresonatorraisedintheearlytime，Ithaverelativelylargeinsertionlossbecauseofthepatchesarecouplingbythegapandhaveonlyonetransmissionzeros.Inthispaper，eeuseapairofparallelinsetfeedlineswithoutusingthecouplinggapsothatproblemisnolongerexistsandtheinsertionlossisdecreases.WeusethetriangularpatchwithaT-slotinitinsteadofusingmultiplepatchestosimulatethedegeneratemode.Inthisway,therearetwoattenuationpolesonbothsidesofthepassbandtoimprovethestopbandrejectionandensurethefilterminiaturizationandthebetterperformance.p1EanqFDPw

Keywords:

microstripbandpassfilter，dual-mode，T-shapedslot，triangularpatchDXDiTa9E3d

摘要1

1.引言3

1.1国内外研究现状3

1.2研究目标和内容3

2.滤波器设计原理4

2.1滤波器的发展状况4

2.2滤波器结构及原理分析6

2.2.1T型槽开槽6

2.2.2直接采用抽头作为输入输出<一对平行插入微带线馈线）11

2.3滤波器的常用参数12

2.4三角形贴片形状的分析<等边/等腰三角形）13

3.HFSS软件功能介绍14

3.1HFSS软件功能概述14

3.2HFSS软件的计算原理15

3.3HFSS中的边界条件16

3.4HFSS中的激励设置16

3.5HFSS广泛的应用领域16

4.滤波器性能分析18

4.1滤波器的性能介绍18

4.2各变量对滤波器性能分析18

5.总结与展望23

参考文献24

1.引言

伴随着双模微带滤波器在电子通信系统中的广泛应用，以及无线通信<移动通信和卫星通信）、雷达、遥感技术的快速发展，加快推动了微带滤波器的发展。

微带滤波器具有尺寸体积小、质量轻、成本低、辐射小、功率较高以及较易加工制作的优点。

所以，贴片微带滤波器越来越得到关注和研究，并且不同类型的贴片微带滤波器广泛被应用于各种微波集成电路。

微带滤波器的设计十分简单方便，都得益于其固有特性。

微带滤波器可以设计成单模和双模两种不同的谐振器，并且双模的谐振器可以等效成为双调谐的谐振电路，从而，简并模可以使得滤波器的固有阶数减少一半，即滤波器贴片的数量减少一半。

这样的话，滤波器尺寸体积会缩小，使得结构更为紧凑。

双模滤波器结构形式如方形贴片、圆形贴片、折线环等已经较为成熟和广泛应用于设计工作当中去了，本文所进行研究的三角形贴片双模滤波器则是一种较为新型的滤波器，越来越受到关注和研究。

传统的三角形贴片滤波器常常采用不对称馈线、开槽等微扰或者多贴片滤波器都对滤波器的性能和小型化产生了障碍。

除此之外，滤波器的频率响应往往只有一个衰减极点，而性能较好较为理想的带通滤波器最好有在通带两侧都存在衰减极点。

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1.1国内外研究现状

三角形贴片谐振器最早是N.Ogasawara和T.Noguchi在1974年提出的，之后J.Helszajn和D.S.James[1,2]分析了三角形谐振器，并用来制成了微带环流器，并给出了带阻和带通滤波器的原型。

但真正用来设计滤波器的是高温超导滤波器，高温超导滤波器虽然Q值很高，但是它的推广和普及有两个主要障碍：

一是高温超导电路对制冷的要求仍是一个有待解决的问题，需要发展具有高效率、高可靠、长寿命、小体积而又价格低廉的制冷装置；二是目前高温超导薄膜的价格昂贵，从而阻碍了其推广应用。

J.S.Hong和M.Lancaster避开了用高温超导的方法设计制作滤波器，他们采用微带贴片的方法设计了两种类型的滤波器。

利用了三角形贴片谐振器中的两个简并模，模一和模二设计了两种滤波器。

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目前国内研究机构有：

南京邮电学院无线通信与电磁兼容实验室、电子科技大学电子工程学院、浙江正原电气股份有限公司、西安空间无线电技术研究所、华东工学院405教研室等。

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1.2研究目标和内容

本文采取在等腰三角形贴片上开挖出一个T型槽，采用抽头直接输入输出，并不存在缝隙耦合的插入损耗；并对滤波器进行了分析和优化，这样使得滤波器在通带两侧都存在了衰减极点，提高了滤波器的性能和小型化。

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2.滤波器设计原理

2.1滤波器的发展状况

在微波技术突飞猛进的发展过程中，微波滤波器是一个极其活跃的分支，以致要想全面而详尽的讨论其进展，需要相当的篇幅，这里只对近年来的主要进展和发展趋势做一简单的概括。

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1.从个别应用到一般应用

如果考虑到一个微波空腔谐振器就是一个微波滤波器的基本单位的话，可以说它也是微波技术中研究最早的基本课题之一。

但事实上或者是由于初期微波设备所承担的任务还较低级，或者是由于微波滤波器的分析、设计和制造均很繁琐，因此，当初人们宁可直接应用单腔谐振器，而较少的把它们组合成具有更为优良性能的微波滤波器。

但是随着微波理论和技术的发展，微波波段中电子设备的增多、频谱的拥挤，加之电子对抗技术的普遍应用，促使微波滤波器在应用的广度和深度上都进展极大。

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2．设计方法从繁到简、从粗糙到精确

由于条件限制的原因，过去人们用场与波的方法对一些简单的微波滤波器结构进行分析和设计，已感相当困难，而现在却可以成套的应用现代网络综合理论成果，顺利的进行各种微波滤波器的综合了，并有电子计算机所解出的大量的曲线和数据可用，简化了人工计算，提高了设计精度。

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3.形式多样化、标准化和元件化

随着广泛的应用和制造工艺的不断进展，微波滤波器已经从少数的几种产品发展到数以千计的类型。

常用的一些滤波器结构已标准化和元件化。

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4.采用各种新材料、新工艺

各种微波材料的不断进步及其在微波滤波器中的应用，对滤波器性能的提高起到了不可忽视的作用。

例如铁电体、陶瓷材料、超导体、微波铁氧体、等离子体以及新工艺低温共烧陶瓷。

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5.与其他无源或有源微波器件结合日益紧密

现在，微波滤波器已成为主要的微波无源器件之一，它不仅能够实现本身的功能，还能起到其他微波器件的功能，也可以说可以把其他微波器件以微波滤波器的结构来分析设计。

另外，由于半导体器件工艺向更高频率的飞速发展，各种半导体器件中微波滤波器也被广泛的应用，如开关、调制器、放大器、倍频器、变频器等。

在微波集成电路中，它们可以结合成一个整体。

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6.体积越来越小、集成度越来越高

随着无线通信技术的不断发展，对适合无线移动通信中器件的要求也越来越高，这就使得滤波器在保证其优越的性能之外，还需重量轻、体积小、易于装配。

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7.向高波段进军

近几年人们对毫M波以及亚毫M波的兴趣日益加深，对于分析和制造这一波段的微波滤波器，要在原有厘M波研究技术的基础上，引用光学上的成果。

可以预料，随着新型功率源和传输线的研究不断进步，这些新波段微波滤波器的研究工作将更加活跃。

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到目前为止，关于微波滤波器的研究热点主要有以下几个方面：

1，在卫星通信行业中，对质量小，窄频带，低损耗以及具有严格的选频特性及相位线性度的滤波器等的各种需求，这些需求导致了介质腔体滤波器、多模波导以及多路复用器的发展。

2，蜂窝移动通信基站中，对大量功率容量高、损耗低、尺寸小并易于加工的滤波器的各种需求，这些需求推动了同轴腔体、介质腔体、超导滤波器以及包括计算机辅助设计在内的降低开发成本方法的发展。

3，在军事领域中，各种电子探测设备需要宽带可调的滤波单元，这推动了对高选择性宽带波导滤波器、悬浮底多路复用器和同轴谐振腔滤波器，以及电控调谐滤波器的发展。

4，在蜂窝移动通信系统中，手持终端需要数以亿计性能良好的超小型滤波器，大量的需求导致了微波集成电路中陶瓷、表面声波和有源滤波器的快速发展[8-11]。

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微波平面滤波器，尤其是微带滤波器，由于其尺寸小，易加工，便于集成等优点在无线通信系统中有着较为广泛的应用。

但由于微带线结构简单，可设计参数有限，故对于要求较精确的滤波器的设计难度较大，而且多级滤波器的尺寸仍比较大。

然而在微带滤波器的接地板上开槽，可在尺寸基本不变的情况下增加滤波器的阶数，从而改善滤波器的性能。

这种结构易于加工，而且不需要增加面积，因此，这种结构与现有的微带滤波器理论相结合会有广泛的发展前景。

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2.2滤波器结构及原理分析

2.2.1T型槽开槽

微波谐振器一般是由任意形状的电壁或磁壁所限定的体积，其内产生微波电磁振荡，是一种具有储能和选频特性的微波谐振元件。

微波谐振器在微波电路和系统中有非常广泛的应用，可以用作微波滤波器、振荡器[17]、天线和调谐放大器等。

根据其结构，微波谐振器可以分为两类，一类是传输线性，如波导腔谐振器、微带谐振器和介质谐振器等；另一类是非传输线型，如环形谐振器和混合同轴线型谐振器等。

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如同图3.1所示为本文所设计的三角形贴片滤波器，在等腰三角形贴片谐振器上挖出一个T型槽。

T型槽的由来，是由于一个三角形贴片谐振器在它的基波谐振频率上存在一对简并模模式1和模式2。

具有相同谐振频率，不同电磁场分布的模式被称为简并模。

它会使得原来正交的电场分布发生改变，从而让一对正交简并模发生耦合作用。

这样的话，两个发生了耦合的简并模就可以相当于两个耦合谐振器，可以节省一半数目的谐振器在保持谐振回路不变的情况下。

更为重要的是，交叉耦合过的一对简并模可以产生衰减极点，提高了滤波器的性能，降低了滤波器的中心频率，使高次谐波频率发生偏移。

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并且，在三角形贴片谐振器上的一点任意几何形状的小改变都可以改变影响这一对简并模，对谐振频率的扰动十分大。

如图2.1和图2.2所示，由于在谐振器上简并模模式1的电流分布是横向流动，会改变竖直方向上的电流分布，从而会降低模式2的谐振频率。

所以，水平的开槽可以单独地影响并激励模式1。

同样的，由于简并模模式2的电流分布是纵向流动的，会改变水平方向上的电流分布，从而会降低模式1的谐振频率。

所以，竖直的开槽可以影响激励模式2。

将水平槽和竖直槽结合在一起就形成了T型槽，可以将双模工作模式完成，同时激起模式1和2，将滤波器的性能大大的提高了。

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图2.2竖直开槽三角形贴片模式1

图2.1水平开槽三角形贴片模式1

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为了学习和研究这种模式在带有水平开槽和竖直开槽的等边三角形贴片中的分裂特征，作者使用了一个单模的谐振器，耦合了输入输出的微带线来分别进行分析。

如图2.3所示，通过改变水平开槽的尺寸，即水平槽到三角形底边的距离a、槽的横向长度L、槽的竖直长度w来分析模式的谐振频率变化。

通过分析发现，L、w、a对模式1的谐振频率毫无影响，而l、w对模式2的谐振频率存在强烈影响，但a只有微微的影响存在。

所以，水平槽可以单独地激励起简并模式1。

类比地控制变量法研究竖直槽，我们通过改变竖直开槽的尺寸，即竖直槽到等边三角形底边的长度a、竖直槽的竖直高度L、竖直槽的横向高度w。

a、L、w的影响恰恰与水平开槽的影响完全相反，即对模式1的谐振频率存在影响，对模式2毫无影响，所以，竖直槽可以单独地激励起简并模式2。

由此，我们发现竖直开槽的长度和宽度是模式分裂的最重要的参数，可以影响并降低模式1的谐振频率。

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图2.3

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（c>当L=6mm、a=2mm时，简并模式1和2的频率随三角形贴片的水平开槽宽度w变化而变化的频率响应图

（b>带有6mmx0.5mm的水平槽的三角形贴片对于随着水平槽离底边的长度a变化而变化的简并模式1和2的频率响应。

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图2.4

m1=8.30GHzm2=9.32GHz

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图2.5

m1=8.70GHzm2=9.33GHz

图2.6（a>带竖直槽的三角形贴片

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从图2.4至图2.6可以分析看出，当三角形贴片结构不被破坏时，简并模式1和2都稳定在9.40GHz上下，图2.4

同理从图2.6

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谐振器中对于不同的场分布有无穷多个谐振模式和谐振频率，其中具有相同谐振频率的模式称为简并模。

若在单个谐振器中通过加入一些微扰<比如开槽、切角或加入小的贴片、内切角等），会改变原正交简并模的电场分布，使得一对正交简并模之间发生耦合，两个耦合简并模的作用相当于两个耦合谐振器，从而在保持谐振回路不变的情况下，使谐振器的个数减少一半。

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我们通过观察图2.1和2.2模式1和模式2的两个模式的电流分布，发现模式1的电流主要沿垂直方向流动，分布在贴片的顶部，而模式2的电流主要沿水平方向流动，分布在贴片的底部。

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因为电流的流经长度和谐振器的谐振频率直接相关，假如在同一个谐振器里，电流流经长度越长，表示工作波长越长，也就是说明谐振器的谐振频率越低，即如果谐振器谐振频率相同，谐振器的尺寸就可以越小。

因此，我们想到在贴片上垂直于模式电流的流动方向上设计细槽，如图2.7

同样的道理，我们在贴片上垂直于水平方向的电流设计细槽，同样对模式2几乎没什么影响，但是阻碍了电流的垂直流动即模式1，使模式1的电流流经长度变长，即模式1的谐振频率就降低了。

因此，我们设想在贴片上水平和垂直的方向上同时设计细槽，如图2.7

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图2.7

除此之外，电流的流经长度和滤波器的谐振频率直接密切相关，在滤波器当中，电流的流经长度与工作波长成正比，电流流经长度越长的话，工作波长也就越长，这就是说滤波器的谐振频率就会越低。

如果使用相同谐振频率来设计滤波器的时候，带T型槽作为微扰源的滤波器的尺寸可以更小，也利于滤波器的小型化。

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在三角形贴片上通过结合水平开槽和竖直开槽来形成一个倒置的“T”型开槽，非常有可能可以自由地控制模式1和2的频率下降。

这样的话，制作一个小型化的微带带通滤波器的频率就会比单模三角形贴片谐振器小很多，可以更加小型化。

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2.2.2直接采用抽头作为输入输出<一对平行插入微带线馈线）

比较传统的三角形贴片微带带通滤波器往往为了达到拥有两个衰减极点的目的，常常会使用多个三角形贴片滤波器相互缝隙耦合，抑或使用微带线缝隙耦合来达到良好的性能<在通带两侧都获得衰减极点）。

但是的话，这样为了衰减极点而使用的方法会使得插入损耗提高，影响了滤波器的性能。

本文中使用的直接插入50Ω微带线不仅可以在通带两侧拥有衰减极点，也可以降低插入损耗，优化滤波器。

除此之外，使用缝隙耦合的方式作为输入输出在制造和生产上面具有很大的不确定性，会影响到滤波器的谐振频率，从而影响滤波器的性能。

而使用微带线馈线插入的滤波器结构显得更为紧凑，也更加容易制作且稳定性高。

插入馈线的深度影响滤波器的输入阻抗，馈线两边的槽可以近似认为是小的电容，从而可以降低滤波器的中心频率。

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2.3滤波器的常用参数

本节将对滤波器的常用参数作一下简要的介绍：

<1）插入损耗：

在理想条件下，插入到电路中的理想滤波器，不应该在其通带内引入任何功率损耗。

然而，实际上我们不能完全消除滤波器固有的、某种程度的功率损耗。

有了插入损耗的概念，我们可以定量地描述功率响应幅度与0dB基准的插值，其数学表达式为：

AVktR43bpw

<2-28）

其中，

是从信号源向滤波器看去的反射系数，

是滤波器从信号源得到的功率，

是滤波器向负载输出的功率。

<2）带宽B。

上下两截止频率之间的频率范围称为滤波器带宽，或-3dB带宽，单位为Hz。

带宽决定着滤波器分离信号中相邻频率成分的能力——频率分辨力。

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<3）中心频率:

通常定义为带通滤波器<或带阻滤波器）的两个3dB点之间的中点，一般用两个3dB点的算术平均来表示。

声音高低主要与频率有关，由于可听声的声频太宽（从20Hz到20000Hz>，为便于进行频率分析，将其分为若干段，称为频程。

每频程的上限与下限频率的几何平均值称为该频程的中心频率。

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<4）阻带抑制：

理想情况下，我们都希望在阻带频带内滤波器具有无穷大衰减。

但事实上我们只能根据滤波器元件数目来得到与之相关的有限衰减。

实际应用中，通常把阻带抑制的设计值定义为60dB。

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（5）截止频率fc：

幅频特性值等于0.707A0所对应的频率称为滤波器的截止频率。

以A0为参考值，0.707A0对应于-3dB点，即相对于A0衰减3dB。

若以信号的幅值平方表示信号功率，则所对应的点正好是半功率点。

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（6）回波损耗，又称为反射损耗。

是电缆链路由于阻抗不匹配所产生的反射，是一对线自身的反射。

不匹配主要发生在连接器的地方，但也可能发生于电缆中特性阻抗发生变化的地方，所以施工的质量是提高回波损耗的关键。

回波损耗将引入信号的波动，返回的信号将被双工的千兆网误认为是收到的信号而产生混乱。

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2.4三角形贴片形状的分析<等边/等腰三角形）

为了适应滤波器小型化的要求，J.S.Hong等提出了两种单个三角形贴片双模滤波器如图3-12所示。

考虑到等边三角形中

为了分裂等边三角形的两重简并模，可以通过切去小顶角<3-12

，从而引入微扰造成简并模式发生分裂。

也可以将等边三角形略微变形成等腰三角形<3-12

，从而引起简并模式的分裂。

由于这两类滤波器是通过平行微带线耦合馈电的，制作过程中的不确定性对滤波器的性能指标影响较大，两类滤波器的S参数<尤其是通带内回波损耗S11）不够理想。

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图2.8两种单个贴片三角形双模滤波器（a>结构1和（b>结构2

3.HFSS软件功能介绍

3.1HFSS软件功能概述

作为电磁仿真领域的领军产品，HFSS正式发布于1989年，至今已具有二十年的成功商用史，在全球拥有最大的用户群，其对微波设计领域的贡献超越了以往任何计算机辅助设计

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HFSS针对任意三维结构能够快速、精确、可靠地计算高频/高速部件的电气性能，包括磁场分布、S参数、辐射特性、功率容量、SAR、TDR/TDT等。

在二十多年的商用过程中，HFSS的有限元法

上世纪90年代后期，计算电磁学领域的区域分解算法的出现为超大规模问题的求解拓宽了道路。

经过十年的技术衍进，HFSS于2009年推出的12.0版本中加入了这一革命性的成果。

区域分解算法配合现代计算机强大的并行求解能力，可以有效地攻克大型天线阵、电大尺寸目标RCS、复杂结构等电磁场求解的大规模计算问题。

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HFSS支持0阶、1阶、2阶、混合阶基函数插值的有限元法求解，适合于求解从电小尺寸到电大尺寸和EMI/EMC等多尺度问题的求解。

HFSS采用四面体网络剖分和先进的共形网络技术，对结构有广泛的适应性，容错的网络划分算法能够处理从三维机械CAD软件中读入的复杂结构，独有的自适应网络剖分技术不仅大大降低了软件的使用难度，使HFSS成为工程化的仿真工具，并且确保了求解的可靠性，能够在求解速度和精度之间获得最佳均衡。

HFSS能够与AnsoftDesigner/Nexxim进行动态链接和协同设计，建立了基于电磁场的高频/高速系统设计流程，将复杂的系统拓扑结构、强非线性的晶体管级电路和细节的电磁场寄生效应结合在一起，实现系统和电路的精确设计与仿真，为一次设计成功提供了有力的保障。

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HFSS是基于有限元法的，有限元法的原理如下：

建立待求微波工程问题的支配方程。

对于待求解的物理问题包含本构参数的几何模型和求解区域。

对于几何模型和求解区域进行离散化剖分。

利用加权残数法建立误差泛函。

利用对应离散化剖分单元的分域基函数离散化误差泛函，建立对应矩阵方程。

求解矩阵方程，获得待求函数的离散化近似解。

矩量法主要利用惠更斯