小型化多模基片集成波导滤波器研究

发布时间：2020-08-19 14:00

【摘要】：作为对特定频率进行选择的一种器件,滤波器是无线通信系统中不可缺少的环节,因而一直作为微波和毫米波专业各位学者研究的热点。滤波器按照结构可分为多类,波导结构最先被研发出来,其具有低损耗以及高功率等特点,随后,结构简单且易加工的微带结构被有关学者提出。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)兼具了波导和微带结构的共同优点,具有高Q值、低损耗和易于和平面结构集成等特点,近二十年来一直受到研究人员的重视并且广泛应用于工程中。随着无线通讯技术的发展和现代社会对小型化器件的追求,滤波器小型化技术得到了工程界和学术界学者的共同重视。腔体多模技术作为滤波器小型化的一个研究方向,逐年来不断地得到提升。本论文以多模理论为基础设计了多款SIW滤波器,结构中金属通孔,金属盲孔以及缝隙等结构的有效利用使得滤波器的带宽可控,交叉耦合思想的融入使得滤波器通带带内选择性满足设计指标,设计的多款滤波器结构均满足小型化需求。首先,本文设计了一款方形三模SIW带通滤波器。不同于传统的四周均为金属通孔的SIW结构,此结构仅双边加载通孔,特殊的边界条件使得TE_(100)模式能够在腔体中进行传输。相较于传统的以TE_(101)模式作为主模的多模滤波器,TE_(100)模式的有效利用缩小了滤波器体积。此外,腔体内部的金属通孔以及金属盲孔可以对特定模式的场图进行扰动从而控制相应的谐振频率,滤波器的带宽可控。仿真和实测结果验证了此模型的可靠性和准确性。其次,设计了一款三角型半模宽带滤波器。在之前方形三模滤波器的基础上将拓扑结构复杂化,融入了交叉耦合和非对称馈线的思想,在滤波器通带两侧各产生一个传输零点,改善了滤波器的通带选择性。更进一步地,馈电枝节端加载的“哑铃状”微带结构以及地面刻蚀的方形槽线结构共同抑制了滤波器高次杂波,滤波器体现了良好的阻带抑制性能。仿真和实测结果表明设计模型的可行性。最后,设计了一款基于多模理论的SIW双通带滤波器。根据腔体内各个工作模式场图分布的差异,在特定位置加载金属通孔来对所需频率点进行调节。此外,基质板上表面刻蚀的对称哑铃形状的槽线结构能够对通带两边传输零点进行有效控制。滤波器的两个通带带内损耗和通带选择性能均良好。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN713
【图文】：

均匀分布,函数零点,巴特沃斯,极点位置

巴特沃斯响应产生的传输极点均匀分布于左半部分的单位圆上，有限频率处没有传输零点生成。图2.1 巴特沃斯函数零点和极点位置分布曲线图2.3.2 切比雪夫响应切比雪夫响应对应的传输函数如式(2-11)所示：

函数零点,极点位置,切比雪夫,分布曲线图

对应的零极点分布图如 2.2 所示，从中可以总结得出：和巴特沃斯函数相似，切比雪夫滤波器函数极点主要分布于左半区域，但是分布形状表现为椭圆。图2.2 切比雪夫函数零点和极点位置分布曲线图2.3.3 椭圆响应椭圆函数的的显著特征是在参数曲线的通带以及阻带频率点处波形幅值浮动范围基本相等，类似于等波纹浮动。椭圆函数传输函数如下：2212 211 ( )nS F = （j ）(2-12)/22 21/22 2 21( -1 /22 21( 1)/22 2 21( )( / )=( )( / )niins iinniins iiM nFN n n=== = ）为偶数（）为奇数（ 3）(2-13)其中i s 和分别表示边界数值，M 和N 为定义函数[29,30]。由函数曲线图可以观察得出，在满足 1和 ( 1) 1nF = =条件下，函数nF（）的取值范围江湖介于+1 和-1 之间。假设滤波器阶数 n = 4和 n= 5，绘制了其对应的频率和幅值变化关系，如图 2.3 所示。

频率变化曲线,椭圆函数,频率变化曲线,幅值

第二章基片集成波导基础理论11图2.3 椭圆函数幅值随频率变化曲线图2.4 基础 SIW 腔体模型从本质上来说，SIW 结构可看做介质填充的波导结构[31]，其结构示意图如 2.4 所示。经典的基片集成波导结构主要包含以下几个方面：介质基板，介质基板上下表面印制的金属层，介质基板周围排列的金属通孔。金属通孔直径通常表示为D，两通孔中心距离为S ，基质板窄边长度为W ，宽边为L且高度为h。和矩形波导的传输模式有所不同

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