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1、电子工程学院本科学位论文参考格式分类号：TN454 U D C：D10621-408-（2008）0566-0密 级：公 开 编 号：2005020000成都信息工程学院学位论文左右手共面波导的建模与带通滤波器设计论文作者姓名：申请学位专业：电子信息工程申请学位类别：工学学士指导教师姓名（职称）：（副教授）论文提交日期：2009年06月03日独 创 性 声 明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得成都信息工程学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

2、与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名： 日期： 年 月 日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解成都信息工程学院有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权成都信息工程学院可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后应遵守此规定）签名： 日期： 年 月 日左右手共面波导的建模与带通滤波器设计摘 要本世纪以来，一种被称为“左手材料”的人工复合材料在固体物理、材料科学、光学和应用电磁学领域内

3、开始获得愈来愈广泛的青睐，对其的研究正呈现迅速发展之势，而它的出现却是源于上世纪60年代前苏联科学家的假想。本研究提出了一种新型混合左右手（CRLH）共面波导（CPW）等效模型，其中包括一系列叉指电容器和并联短路电感的对称结构。这项新技术给出了解决混合左右手共面波导等效电路中的代表元件：电感，电容和电阻的电路损耗特性的有效方法。紧凑型谐振器和滤波器的应用都突出了混合左右手共面波导（CRLH CPW）的独特功能。目前这种有效电长度为0的新型混合左右手共面波导（CRLH CPW）谐振器正在兴起，这种谐振器工作在5GHz时的体积比常规结构的谐振器缩减小49.1%。关键词：带通滤波器（BPF）；混合左

4、右手共面波导；谐振器Modeling of Right/Left-Handed Coplanar Waveguides with Applications to Bandpass FiltersAbstractThe artificial composite material called left-handed material is becoming more and more popular in solid-state physics, materials science, optical and electromagnetic field from this century. And

5、 the study of the material showed the trend of rapid development. In fact, it emerged from the former Soviet Union scientists imaginary in the 1960s.In this paper, an equivalent-circuit model is proposed for the composite right/left-handed (CRLH) coplanar waveguide (CPW) consisting of the series int

6、erdigital capacitor and shunt meandering short-circuited stub inductor in symmetric configuration. The new technique for extracting the equivalent-circuit elements of the CRLH CPW, which include inductances, capacitances, and resistances to represent the left-handed, right-handed, and lossy characte

7、ristics, is developed based on the effective medium concept. The applications to the compact resonators and filters are presented to emphasize the unique features of the CRLH CPW. A novel CRLH CPW resonator with a 0 effective electrical length at resonance is proposed, which gives a 49.1% size reduc

8、tion when compared with the conventional half-wavelength resonator at 5 GHz. Key words：Bandpass filter (BPF); composite right/left handed (CRLH) coplanar waveguide (CPW); resonator目 录1 引言 11.1 背景和意义 11.2 微波滤波器的现状 21.3 本课题研究的意义 21.4 本文的主要任务及结构 32 共面波导 32.1 共面波导的综述 32.2 共面波导的建模与仿真 42.1.1 仿真软件介绍 42.1.2

9、 普通结构共面波导的建模与仿真 53 结论 73.1 全文总结 73.2 前景展望 8参考文献 9致 谢 10附 录 111 引言1.1 背景和意义左手材料,指的是介电常数()和磁导率()都是负数的材料(物质)，其概念最初是在1968 年被veselage提出,在理论上研究了介电常数和磁导率为负值的电磁性质。在自然界中,所有物质的介电常数()和磁导率()都是正数。左手材料这种新型材料的非常之处,在于其负的介电常数和磁导率使得主导普通材料行为的许多物理特性产生逆变。左手材料有时也被称作“异向介质”,“负折射系数材料”。左手材料的巨大应用前景源于它的制造实现。Pendry在2000年就曾建议制作“

10、超级透镜”（也称“理想棱镜”）以实现左手材料的应用，这一建议在 2004年被变成了现实，科学家利用左手材料已经成功制造出平板微波透镜。2004年月，俄罗斯莫斯科理论与应用电磁学研究所的物理学家宣布他们研制成功一种具有超级分辨率的镜片，但是他们的技术要求被观察的物体几乎接触到镜片，这一前提使其在实际应用中难以操作。同年，加拿大多伦多大学的科学家制造出一种左手镜片，其工作原理与具有微波波长的射线有关，这种射线在电磁波频谱中的位置紧邻无线电波。两国科学家的研究成果获得科学界的高度赞赏，被美国物理学会评为2004年度国际物理学会最具影响的研究进展。此外，根据左手材料不同凡响的特性，科学家已预言可以应用

11、于通讯系统以及资料储存媒介的设计上，用来制造更小的移动电话或者是容量更大的储存媒体；等效的负折射媒质电路可以有效减少器件的尺寸，拓宽频带，改善器件的性能。未来，左手材料将会在微波器件的发展中起到不可忽略的作用。为了适应市场的发展和需要，例如移动通信、卫星通信的迅速发展和通讯设备的进一步向便捷化、多功能化、全数字化和高集成化及器件组合化、功能集成化的发展进程，滤波器的小型化问题也得到了很大的重视，因为它也是实现整机微型化的重要因素1。因此，发展小型化、高性能的微波滤波器是当前十分热门的研究课题，具有很大的发展潜力，也具有十分重要的研究意义。1.2 微波滤波器的现状在微波波段的滤波器可以通过多种方

12、式来实现，包括同轴线，波导，介质谐振器，微带线等。同轴线的微波滤波器具有包括电磁屏蔽，低损耗特性和小的尺寸等优异的特点，但要在10GHz以上使用，则由于其微小的物理尺寸，制作精度难以达到。介质谐振器有低的损耗，可接受的温度稳定性和小尺寸等优点，然而，高成本和现在的加工技术限制，使它在一般50GHz以下范围使用。波导型的微波滤波器有很长的使用历史，它具有低损耗和可应用到100GHz这两个优点，但其最大的缺点是尺寸明显比其它可应用在微波段的滤波器要大。在平面电路中最常用的是微带型滤波器，它具有小的尺寸，通过光刻易于加工，易于和其它有源电路元件兼容等优点2-4。另外微带通滤波器采用不同衬底材料能够在

13、很大的频率范围内得到应用。微带滤波器和其它的滤波器相比也有一些缺点，如损耗和尺寸还是比较的大，但即使这样微带滤波器在现代滤波器的设计中还是被寄予厚望5。目前有负介电常数和通透性的人造超材料，通常被称为左手材料，由于这种物质拥有普通材料所没有的电磁特性，而在科学和工程学领域引起了广泛的兴趣。在工业工程上，人们采用非谐振和谐振两种结构方法实现左手材料在微带线和共面波导在物理上的应用。左手材料开创了一个全新的领域,其独特的电磁特性引起了许多科学研究者的兴趣,随着左手材料在微波段即可见光波段的研究发展,左手材料在科技进步和材料应用上必将发挥出其巨大的潜在能量6。1.3 本课题研究的意义随着对左手材料的

14、制备和物理特性等研究的深入,人们也开始尝试研究开发左手材料的应用。微波段左手材料可广泛应用于微波器件,如微波平板聚焦透镜、带通滤波器、耦合器、宽带相移器和天线等。这种新型材料应用在相关器件上，可大大改善器件性能。经研究，基于左手材料的混合左右手材料与左手材料相比，在特性参数的等效与物理实现上，都要简单。如本题目所研究的混合左右手共面波导紧凑型带通滤波器，其各项性能指标都得到了一定改善。例如该器件的空载品质因数要比普通材料的高很多。此外，物理制作时该器件的体积比普通材料减小40%50%等。因此，该题目的研究内容符合当前微波器件高性能、小型化的发展方向，具有很大的发展潜力。1.4 本文的主要任务及

15、结构本论文所完成的任务是对混合左右手共面波导的建模和紧凑型带通滤波器的设计方法进行研究，对混合左右手共面波导（CRLH CPW）进行了建模，并在此基础上设计出了一个新型混合左右手共面波导带通滤波器（CRLH CPW BPF），并且运用工具软件进行仿真与优化，得到最优结果，本论文在总体结构上共分为5章。第1章引言，本章介绍了左手材料的基础知识及其发展。第2章共面波导（CPW），本章简要介绍了普通结构共面波导的建模及其仿真结果，然后在此基础上建立混合左右手共面波导（CRLH CPW）模型，并对其进行仿真优化。第3章共面波导带通滤波器，本章主要介绍了由混合左右手共面波导构成的谐振器（CRLH CPW

16、 resonator）的仿真优化，并建立了以（CRLH CPW resonator）为基础的混合左右手共面波导带通滤波器（CRLH CPW BPF）模型，且进行了仿真。第4章新型混合左右手共面波导带通滤波器（CRLH CPW BPF with EBG）的设计与仿真，本章以上两章的设计成果为基础，设计出新型混合左右手共面波导带通滤波器（CRLH CPW BPF EBG）模型，并对模型进行仿真优化，将得出的结果与普通结构的共面波导带通滤波器进行比较，总结出该新型滤波器的优点。第5章结论，对全文进行总结，并对该课题的前景进行展望。2 共面波导2.1 共面波导的综述共面波导是由微带传输线发展起来的一种

17、重要的微波平面传输线。随着微波和毫米波集成电路特别是单片微波集成电路技术的飞速发展，共面波导这种新型集成介质传输系统受到了人们的广泛关注，对共面波导的传输特性的分析在近几年也愈来愈受到国内外学者的重视。与常规的微带传输线相比，共面波导具有容易制作，容易实现无源、有源器件在微波电路中的串联和并联(不需要在基片上穿孔)，容易提高电路密度等优点，因此共面波导被广泛应用于微波、毫米波、光学和高温超导等集成电路中。随着航空和航天技术的发展，要求微波电路和系统做到小型、轻量、性能可靠。首当其冲的问题是要有新的导波系统，而且应为平面型结构，以便使微波电路和系统能集成化。共面波导和共面带线属于共面线，所谓的共

18、面线是指介质基片与导电金属板在同一表面的传输线。值得注意的是，近几年共面波导(CPW)受到了愈来愈多的重视。主要是因为相对于常规微带线来说，共面波导用于砷化镓单片微波集成电路(GaAs MMIC)时有它的优点。对于各种两端器件，无论是有源或是无源，都很容易实现串联或者并联连接而不必在基片上钻孔;寄生参量小;很容易提高集成电路密度;其色散特性也好于微带线阁。为了提高GaAsMMIc的机械强度，还在CPW介质基片的背面增加了金属接地板，这样既提高了电路的机械强度又增大了电路的功率容量，此外还可以实现共面/微带混合电路图。共面波导不仅可以应用到微波集成电路中，还可以应用到毫米波和光学集成电路中。然而

19、共面波导在实际微波集成电路的设计中却没有像预料的那样普及，例如在我们国家共面波导还尚未应用到微波集成电路的设计中。其原因有以下几方面:缺乏共面波导的测试条件和实际应用经验;相对于微带线来说，缺少成熟的CPW及其变型结构微波电路设计的CAD软件;CPW仍处在发展阶段，还有许多变型结构的CPW有待于研究人员在理论上去研究和总结。因此我们有必要继续深入的研究共面波导2。2.2 共面波导的建模与仿真2.1.1 仿真软件介绍本文所研究的课题所用到的仿真软件为Ansoft HFSS。Ansoft HFSS是Ansoft 公司推出的基于电磁场有限元方法（FEM）的分系微波工程问题的三维电磁仿真软件。Anso

20、ft HFSS以其无以伦比的仿真精度和可靠性，快捷的仿真速度，方便易用的操作界面，稳定成熟的自适应网格剖分技术，使其成为高频结构设计的首选工具和行业标准，并已广泛应用与航空、航天、电子、半导体、计算机、通信等多个领域，帮助工程师们高效地设计了各种高频结构。HFSS提供了简洁直观的用户设计界面、精确自适应的场解器、拥有空前电性能分析能力的功能强大后处理器，能计算任意形状三维无源结构的S参数和全波电磁场。HFSS软件拥有强大的天线设计功能，它可以计算天线参量，如增益、方向性、远场方向图剖面、远场3D图和3dB带宽；绘制极化特性，包括球形场分量、圆极化场分量、Ludwig第三定义场分量和轴比。使用H

21、FSS，可以计算： 基本电磁场数值解和开边界问题，近远场辐射问题； 端口特征阻抗和传输常数； S参数和相应端口阻抗的归一化S参数； 结构的本征模或谐振解。而且，由Ansoft HFSS和Ansoft Designer构成的Ansoft高频解决方案，是目前唯一以物理原型为基础的高频设计解决方案，提供了从系统到电路直至部件级的快速而精确的设计手段，覆盖了高频设计的所有环节。2.1.2 普通结构共面波导的建模与仿真在HFSS中建立如图2-1、2-2所示的共面波导模型，并对其进行仿真。图2-1 普通结构共面波导模型三维图模型参数设置如下： 特性阻抗：50欧姆； 中间导带宽：1.42毫米； 间隙宽度：0

22、.42毫米； 基质板厚度：0.635毫米； 基质填充介质材料：RT/Duroid 6010.2仿真结果如下图2-3、2-4中所示。从图2-3可以看出，所建模型非常成功，可以收敛到0.01258，接近0。从图2-4中的S参数图可以看出，S21接近0，说明这个共面波导的电压传输性能很好，损耗很小。综上，所建共面波导模型达到了预期目的，为下一步工作做好了铺垫。图2-2 图2-1中模型仿真收敛图表2-1 微带耦合线的主要参数值变量W(mm)S(mm)L(mm)CLin11.000220.217.6733CLin23.551640.218.9298CLin33.551640.218.9298CLin41

23、.000220.217.6733表2-2 微带传输线的主要参数值变量W（mm）L(mm)TL12.7438110.6245TL22.7438110.6245TL32.7438110.6245 (2-1) (2-2)3 结论3.1 全文总结滤波器在微波电路中的应用极也为广泛，不胜枚举，例如预选滤波器、中频滤波器、单边带滤波器、频率复用、倍频和变频等等。滤波器根据使用的波段和元件的不同，可以分为很多种类，而且随着技术的发展，种类还在不断增加。总的来说滤波器可以分为无源滤波器和有源滤波器两大类。像LC滤波器、晶体和陶瓷滤波器、机械滤波器和分布参数滤波器均属于无源滤波器。分布参数滤波器应用于频率较高的

24、时候，即电磁波长和电路尺寸可以相比拟，这时滤波器工作于微波波段。常用的微带带通滤波器有平行耦合微带线滤波器、发夹型滤波器、1/4波长短路短截线滤波器、叉指滤波器等。其中平行耦合微带线滤波器是个窄带滤波器, 由于它易于设计、造价低、又容易利用微波程序来分析, 所以应用很广泛, 但是它存在杂散的二次谐波响应, 而且在微波低端时, 尺寸过长, 结构不够紧凑, 不利于系统集成。叉指带通滤波器结构非常紧凑, 通常不存在杂散的二次谐波通带, 尺寸较平行藕合微带线滤波器大大减小, 但不易调节。本论文以软件Ansoft HFSS为工具，在人工设计的基础上进行仿真和优化，利用这种设计方法摆脱了盲目性的人工调试，

25、大大缩短了研制周期、减少了设计成本，并比较容易达到高指标。在建模设计过程中，刚开始由于对设计方法不熟悉，盲目建模，最后导致模型仿真不成功，经多次改正，才得出正确结果。总结原因，一定要计算好模型各部分的尺寸，俗话说，磨刀不误砍柴工，这样会节省很多时间和精力，收到事半功倍的效果。3.2 前景展望随着电子器件制造技术特别时集成电路技术快速地朝着微型化方向发展，对通信系统的小型化提出了越来越高的要求。通信系统的小型化意味这移动方便、保密性强、成本降低。而滤波器在集成电路系统中占到了很大的作用，能不能减少滤波器的尺寸，也是促使集成电路微型化的一个关键，因此在提高性能的基础上减小滤波器的尺寸是当前一个非常

26、热门的研究课题。目前，左手材料的研究已引起我国有关科学界的关注。除上海科学家以外，香港科技大学、中科院物理研究所、南京大学、北京大学、西北工业大学等单位均有科学家先行涉足这一领域的研究。国家自然科学基金委将左手材料和负折射效应的研究列入了2005年重点交叉项目指南中，在数理部和工程与材料学部联合的“准相位匹配研究中的若干前沿课题”主题中将“左手材料相关基础性问题研究”列为主要探索内容之一，在数理部和信息科学部联合的“周期和非周期微结构的新光子学特性”主题中将“周期及非周期微结构中在太赫兹、近红外及可见波段的负折射效应研究”列为主要探索内容之一。同时，基金委信息学部将“异向介质理论与应用基础研究

27、”列入2005年重点项目指南，异向介质即是左手材料的另一个名称。本文研究项目已经得到了初步发展。目前，由阻抗，感抗，容抗组成的混合左右手共面波导等效电路已经得到了发展，此等效电路是用来制作带有左右手材料和其损耗特性的混合左右手共面波导带通滤波器实际模型的。测出的混合左右手共面波导谐振器空载品质因数为81.2，大大高于由片式电感和电容组成的左手微带线谐振器。此外，比常规结构小51.4%的混合左右手共面波导带通滤波器已被更进一步的向0阶混合左右手共面波导谐振器的实际应用方向发展。这些技术对其他左、右手结构和混合左右手结构的建模仍然大有用处。基于共面波导的新型设备，如混合环，耦合器，不平衡变压器，天

28、线等，希望该该结构能够延伸到新型波导和辐射波装置领域。参考文献1王浩刚,聂在平.三维矢量散射积分方程中奇异性分析.电子学报,1999,27(12):68-712 竺可桢.物理学.北京：科学出版社,1973,56-603 Yi Zhang, Lemin Li, Bo Li. Network Traffic Modeling Using Fully-Stable Cascades. 2005 International Conference on Communication, Circuits and Systems,Vol.2:726-7304 陈念永.毫米波细胞生物效应及抗肿瘤研究：博士学位论

29、文. 成都：电子科技大学,20015 姜锡洲. 一种温热外敷药制备方法.中国专利，881056073，1980-07-266 中华人民共和国国家技术监督局.GB3100-3102. 中华人民共和国国家标准量与单位.北京：中国标准出版社，1994-11-01致 谢本文是在老师的热情关心和指导下完成的，她渊博的知识和严谨的治学作风使我受益匪浅，对顺利完成本课题起到了极大的作用。在此向她表示我最衷心的感谢！在论文完成过程中，本人还得到了其他老师和、等同学的热心帮助，本人向他们表示深深的谢意！最后向在百忙之中评审本文的各位专家、老师表示衷心的感谢！附 录1：最终电路板2：主要程序fs=200KHz，f

30、c=18.3KHz的matlab对比程序fs=200000;%设定采样频率N=1024;n=0:N-1;t=n/fs;f0=18300;%设定正弦信号频率x=sin(2*pi*f0*t); %生成正弦信号subplot(2,1,1);plot(t,x);%作正弦信号的时域波形xlabel(t);ylabel(y);title(正弦信号时域波形);grid;y=fft(x,N);%进行FFT变换并做频谱图mag=abs(y);%求幅值f=(0:length(y)-1)*fs/length(y);%进行对应的频率转换subplot(2,1,2);plot(f,mag);%做频谱图xlabel(频率(Hz);ylabel(幅值);title(正弦信号幅频谱图,f0=18.3khz);grid;