摘要
当今无线通信技术的发展对微波电路的性能要求越来越高、种类越来越多，新的工艺和设计方法也相应层出不穷。而带通滤波器作为其中的一个重要器件其相关技术也得到了广泛而深入的研究和长，足的发展。本文就无线通信系统中的带通滤波器的设计方法和新结构新工艺进行了分析和研究。论文主要包括以下内容:
首先，基于模板变换的思想，借助新型EDA软件的辅助功能提出了一种祸合型带状线带通滤波器的设计方法。根据文中提出的经验公式，在充分利用现有实际电路制备的模板库中选择合适的模板，再进行适当的变换来实现最终设计。
其次，在介绍了阶跃阻抗谐振器(SIR)结构相关原理之后，用SIR的原理讨论了一种锥形线带通滤波器的设计方法，并提出了一种在锥形线上增加spurline来提供2个零点的新结构。在基本不增加尺寸的情况下实现谐波抑制的功能，同时讨论了spurline放置位置的影响。加载spurline后杂散响应明显得到了抑制，满足设计要求，证实了设计方法的正确性。
最后，先对LTCC技术进行了基本介绍，然后基于多层结构设计了一个利用在输入输出端增加一个祸合电容以在高低阻带各提供一个衰减零点的2阶带通滤波器。相比它的参考原型，体积基本不变，却提高了阻带性能。之后又提出了一种能提供指定频率零点的2阶BPF结构，能得到近似椭圆函数的响应，并给出了一种借助多种EDA软件来提高设计速度的设计方法。通过采用SIR技术和LTCC工艺使电路尺寸较微带平面电路得到了很大减小。最后给出了一个用于无线局域网的BPF设计实例，并结合LTCC实际生产需要提出了一种利用SIR谐振器带来的高阻带零点位置来判断基板介电常数细微变化的分析方法。
关键词:带通滤波器，模板变换法，SIR, spurline，锥形线，衰减零点，LTCC
ABSTRACT
As an essential component in modern wireless communication systems，RFbandpass filter has attracted more and more attention and got many achievementstoo .In this thesis，some research of the design methods and new structures andtechniques of bandpass filter in wireless communication systems are proposed .Thedissertation is classified into three parts stated as follows.
Firstly ,based on the theory of SCALING :method ,and with the aid of modern EDAsoftware,we get a new design method of coupled-microstrip bandpass filter.With thecollection of a series of templates,designer can choose the most suitable model fromthe templates by the algorithm brought forward in this thesis.Then,the ultimate designcan be achieved with some simple transformations.
Secondly, after introducing the main theory of SIR(stepped impedance resonator),adesignmethod of taper-bandpass filter has been discussed .To get two attenuationpoles in the stopband ,a new structure with spurline in the taper is proposed.Thesimulation result shows that this structure enhances the filter's performance asexpected.
Lastly, the theory and development of LTCC(low temperature co-firedceram)technology ispresented.Then a compact second-order LTCC bandpass filterwith two finite transmission zeros is proposed.In the end ,a second-order bandpassfilter designed from a modified-Chebyshev model is demonstrated,The secondharmonic frequency can be suppressed with SIR technology being used.Keywords: bandpass filter ,scaling method ,SIR ,spurline ,taped ,attenuationpole ,LTCC
摘要 .................................................................................................................................................. 1 ABSTRACT ...................................................................................................................................... 2 第一章绪论....................................................................................................................................... 4
§1.1通信领域滤波器的发展历史 ........................................................................................... 4 §1.2无线通信中的滤波器及分类 ........................................................................................... 5 §1. 3本文研究内容和结构 ...................................................................................................... 6 第二章 微带BPF设计中的模板法 ................................................................................................ 8
§2.0引言 ................................................................................................................................... 8 §2. 1现有几种半波长微带BPF的设计方法 ......................................................................... 8
2.1.1平行藕合型设计原理 .............................................................................................. 9 2. 1. 2发夹型设计原理 .................................................................................................. 10 2. 1. 3 SIR型设计原理................................................................................................... 11 §2. 2模板法的原理 ................................................................................................................ 12 §2．3快速设计公式 .............................................................................................................. 13 § 2. 4设计实例 ....................................................................................................................... 15 §2．5结束语 .......................................................................................................................... 16 第三章SIR滤波器的研究 ............................................................................................................ 17
§3.0引言 ................................................................................................................................. 17 §3. 1 SIR的理论概述 ......................................................................................................... 17
3.1.1 SIR的基本结构..................................................................................................... 17 3. 1.2 SIR的谐振条件和谐振器的电学长度 ................................................................ 18 3.1.3 SIR的杂散谐振频率 ............................................................................................. 21 3. 1.4一种SIR等效电路的推导 ................................................................................... 22 3.1.5半波长SIR的特性分析 ........................................................................................ 23 §3.2一种抑制寄生通带的锥形线BPF ................................................................................. 24
3.2. 1锥形线谐振器的SIR分析方法 ........................................................................... 24 3.2.2锥形线BPF的设计方法 ....................................................................................... 27 3.2.3 spur line的带阻特性 ............................................................................................. 29 §3.3谐波抑制的锥形线BPF设计实例 ................................................................................ 30
3. 3. 1设计实例 .............................................................................................................. 31
第四章 多层陶瓷带通滤波器 ....................................................................................................... 33
§4.0引言 ................................................................................................................................. 33 §4. 1 LTCC技术 ..................................................................................................................... 34 §4.2一种带2个衰减零点的二阶LTCC BPF ...................................................................... 35
4.2. 1设计原理 ............................................................................................................... 36 4.2.2设计实例 ................................................................................................................ 37 §4.3一种改进阻带特性的LTCC BPF .................................................................................. 40
4.3. 1理论分析 ............................................................................................................... 40 4.3.2设计实例 ................................................................................................................ 46
第五章结束语 ................................................................................................................................. 49 参考文献......................................................................................................................................... 50 致谢 ................................................................................................................................................ 52
第一章绪论
§1.1通信领域滤波器的发展历史
从电信发展的早期，滤波器在电路中就扮演着重要的角色，并随着通信技术的发展而取得不断进展。1910年，一种新颖的多路通信系统即载波电话系统的出现，使得电信领域引发了一场彻底的技术革命，迎来了电信行业的新纪元。新的通信系统要求发展一种能在特定的频带内提取和检出信号的新技术，而这种新技术的发展进一步加速了滤波器技术的研究和发展。
1915年，德国科学家K. W. Wagner开创了一种现已闻名于世的瓦格纳滤波器设计方法。与此同时，在美国G A. Can bell发明了另一种影像参数的设计方法。随着这些技术的突破，许多科技人员开始积极地和系统地对采用集总元件电感和电容的滤波器设计理论进行研究。随后，1940年出现了包括两个特定设计步骤的精确的滤波器设计方法.第一步是确定符合特性要求的传递函数，第二步是由先前的传递函数所估计的频率响应来综合电路。该方法的效果是相当不错的，现在所采用的很多滤波器设计技术就是基于这一早期的设计方法。
不久，滤波器设计由原先的集总元件LC谐振器扩展到一个新的领域，即分布元件同轴谐振器和波导谐振器。同时，滤波器材料领域也取得了很大的发展，极大地推动了滤波器的发展。1939年，P. D. Rich tmeyer报道了介质谐振器。它利用了介质块的电磁谐振，有小尺寸和高Q值两个显著的特点，然而由于当时的材料温度稳定性不高使该种滤波器不能在实际中得到广泛的应用。70年代，各种具有优异的温度稳定性和高Q值的陶瓷材料的发展增加了介质滤波器的实际应用的可行性。随着陶瓷材料的发展，该滤波器的应用得到了迅速的发展。在现有的射频和微波通信器材中介质滤波器己成为最重要、最常见的元件之一此外，80年代，出现的高温超导材料，被认为很有可能被用于设计极低损耗和极小尺寸的新颖微波滤波器，许多研发人员己致力于它们的研究和实际应用。 在滤波器发展的早期，滤波器的设计主要集中在以电感电容组合为主的无源电路上，这是一种线性谐振腔系统。然而许多早期的研究人员认为基于分布元件电路物理原理的谐振器系统也能达到滤波性能。1933年，W P Mason展示了一种石英晶体滤波器，这种滤波器由于其优异的温度稳定性和低损耗特性而在不久以后成为通信器材中不可缺少的重要元件。和晶体谐振器一样，陶瓷谐振滤波器系统采用体声波。虽然陶瓷滤波器的某些性能不及晶体滤波器，但由于其成本低而得到了广泛的应用。采用某些单晶材料的声表面滤波器也被用作滤波元件。声表面滤波器比体波滤波器可在更高的频率范围里得到实际应用。 虽然上面提到得滤波器都是采用了线性谐振系统，但人们也意识到可以用其它的方法获得滤波器响应。这想法产生的主要原因是滤波器作为一种功能器件，是通过给出得传递函数来实现性能。采用有源电路的滤波器就是一个典型的例子。在真空电子管时代，没有LC电抗电路的有源滤波器得到了广泛的应用。这样的有源滤波器包括采用回转器获得LC等效电路的一般技术和通过采用反馈电路的运算放大器以实现需要的传递函数响应的技术。除了在前面提到的技术之外，还有更直接地实现滤波器传递函数的数字技术。最近，几乎所有的数字通信系统都采用数字滤波器作为基带滤波器。另外:，硬件水平的提高和高速运算算法的改进不断地扩展着应用频率的上限。
如上所述，滤波器机器设计方法的发展己有相当长的历史，滤波器已经成为电信领域、同时也是其他许多电子设备中不可或缺的器件。
§1.2无线通信中的滤波器及分类
微波滤波器作为滤波器的一种，在移动通信中有着广泛的应用。在射频有源电路中输入输出各级之间普遍存在，各滤波器都有不同的功能和特性要求。接受端带通滤波器的必要功能是避免由于发射端输出信号泄漏而使接收器前端饱和;
除去如镜频一类的干扰信号;减少来自天线端的本机振荡器的功率泄漏。所以接收端带通滤波器的最佳性能包括高衰减以除去干扰，同时减少将直接影响接收端灵敏度的带通插损。发射端带通滤波器的基本功能是从发射端减少杂散辐射功率以避免对其他无线通信系统的干扰，这些无用的信号的主要成分是发射信号频率的二、三次谐波和本级振荡。另一个重要的功能是衰减掉发射信号中接受频段内的噪声，抑制它到接收机的灵敏度之下。因此，发射端带通滤波器必须保持一个宽的阻带以抑制杂散信号，同时能维持低的通带插损和在输出端处理大电平信。
随着单片微波集成电路(MMIC)的出现预示着射频有源电路如放大器、调制器、频率转换器的微型化越来越成为可能。但对射频滤波器和谐振器等含有谐振器的电路尺寸缩小的优化方面还存在许多有待解决的问题。因此，滤波器尺寸缩小和性能的提高将继续是两大重要课题。并且很有可能将要在电路理论、材料、精巧工艺技术、精确的设计方法等方面开创一个新的前沿。
分配给无线通信的主要频带范围非常宽，从几十兆赫兹到几十吉赫兹，因此有相当多种类的滤波器能在这些频带中使用。图1.1给出了几种典型例子可使用的频率范围。图1.1中没有包括有源RC滤波器、开关电容滤波器(SCF)和数字滤波器等在内的有源电路滤波器，因为这些微波滤波器到现在还没有实用可行性，尚处于研发阶段。另外，图1. 1也没有列入主要用于测量设备而在无线通信设备中极少使用的静磁式滤波器。
图1.1典型的滤波器应用频率范围
现在，在射频和微波电路中最常用的式带状线谐振器、滤波器。由于带状线滤波器具有小的尺寸、通过光刻技术易于加工、与其他有源电路元件易于兼容等优点，许多电路使用此类滤波器。它的另一类优势是能通过采用不同的衬底材料而在很大的频率范围内得以应用。