超宽带带通滤波器的设计理论及其小型化研究

摘要

在现代无线通信高速发展的背景之下，超宽带系统的研究具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。本论文对超宽带系统中关键部件之一的超宽带滤波器进行了深入研究，在对国内外现有的超宽带滤波器进行充分调研的基础上首次提出具有结构紧凑、低损耗、频率选择性好、宽阻带和易于加工等优点的五种新型高性能超宽带滤波器设计，并给出了精确的综合理论和详细的设计方法。这些滤波器的频率响应特性的实验值与理论值吻合得非常好，并且满足美国联邦通信委员会(FCC)的要求。论文主要包括以下五个方面的研究内容： 第一、对超宽带滤波器的综合理论进行了研究，提出了一种基于分布参数的z变换优化方法，实现了由λ<,0>/4(λ<,0>是滤波器中心频率处的波导波长)短路枝节和λ<,0>/2连接线组成的超宽带滤波器的精确设计。并在此基础上提出了用两段λ<,0>/4级联开路枝节代替λ<,0>/4短路枝节，在通带外产生传输零点，从而实现滤波器小型化的方法； 第二、对平行耦合线的宽带等效电路模型进行了详细分析，并推导出双模谐振平行耦合超宽带滤波器所能实现的具有等波纹特性的理想传输函数，结合 z 变换优化算法给出了滤波器的设计方法。实验结果说明，根据这种方法设计得到的一个三级超宽带双模谐振平行耦合滤波器具有良好的通带和阻带特性，并且插入损耗能够满足FCC的要求； 第三、利用奇、偶模理论对带有两个λ<,0>/4(或3λ<,0>/4)的正方环形谐振器进行了系统分析，得到了谐振器传输零点的计算公式。并在此基础上提出了用这种谐振器来设计相对带宽分别为60％和30％左右的正方环形双模超宽带滤波器的基本思路； 第四、根据正方环形双模超宽带滤波器的频率响应的特点，提出了几种增加滤波器阻带带宽的方法。并用这些方法设计出通带范围分别为3.1-5.1GHz和22-29GHz的具有宽阻带特性的超宽带滤波器。 第五、提出了一种新型双模超宽带环形滤波器结构。对影响滤波器的带宽、通带内反射损耗和插入损耗特性的因素进行了详细的分析，提出了一种新型耦合结构并给出了滤波器的设计方法。

目录

文摘

英文文摘

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第一章绪论

1.1 引言

1.2 传统宽带滤波器概述

1.2.1 平行耦合线结构

1.2.2交指型结构

1.2.3 四分之一波长短路枝节结构

1.3 超宽带滤波器研究近况

1.3.1 双模宽带滤波器

1.3.2 三线平行耦合线结构

1.3.3 多模谐振平行耦合线结构

1.3.4 地面环形开槽结构(分离环形谐振器)

1.3.5 超宽带脊形波导滤波器

1.3.6 双边平行带状线宽带滤波器

1.3.7 两种滤波器组合实现宽带滤波器的结构

1.4 微波滤波器的综合方法简介

1.5 本论文研究内容与主要贡献

第二章基于z变换技术的超宽带滤波器的综合与设计

2.1 引言

2.2 基于z变换技术的综合方法

2.2.1 理想z域传输函数的获得

2.2.2链形散射矩阵

2.2.3优化算法

2.3 利用z变换优化综合方法设计超宽带滤波器

2.3.1 超宽带滤波器的设计

2.3.2 滤波器结构的改进

2.4 小结

第三章双模谐振平行耦合结构的超宽带滤波器

3.1 引言

3.2 平行耦合微带线宽频带等效模型

3.2.1 平行耦合线的阻抗矩阵

3.2.2 平行耦合节的ABCD矩阵

3.2.3等效模型

3.2.4 等效关系的推导

3.2.5 计算验证

3.3 双模谐振平行耦合线超宽带滤波器的理想传输函数

3.3.1 四分之一波长平行耦合节和传输线的ABCD矩阵

3.3.2 一级双模滤波器的ABCD矩阵

3.3.3 n级双模滤波器的ABCD矩阵

3.3.4 n级双模滤波器的理想传输函数

3.4 双模谐振平行耦合线超宽带滤波器的综合与设计

3.4.1 滤波器的综合理论

3.4.2 两级滤波器的设计

3.4.3 三级滤波器的设计

3.4.4 三级滤波器的加工与实验

3.4.5 新型四模超宽带滤波器的设计

3.5 小结

第四章双模正方环形超宽带滤波器

4.1 引言

4.2 环形谐振器及其分析

4.2.1 环形谐振器结构

4.2.2 正方环形谐振器传输零点的分析

4.3 宽阻带双模环形超宽带滤波器

4.3.1 双模环形超宽带滤波器的设计

4.3.2 展宽滤波器阻带方案

4.3.3 滤波器结构的进一步改进及其仿真和实验结果分析

4.4 小结

第五章准毫米波超宽带滤波器

5.1 引言

5.2 带有3λ0/4开路调谐枝节的正方环形谐振器

5.3 准毫米波超宽带滤波器的设计

5.3.1 准毫米波超宽带环形双模滤波器

5.3.2 宽阻带准毫米波超宽带滤波器(一)

5.3.3 宽阻带准毫米波超宽带滤波器(二)

5.4 小结

第六章一种新型双模超宽带滤波器

6.1 引言

6.2 新型双模超宽带滤波器的设计

6.2.1 双模谐振器的线宽对滤波器带宽的影响

6.2.2 耦合强弱对滤波器频响特性的影响

6.2.3 引入低阻抗线

6.3 设计结果及仿真分析

6.3.1 单级双模滤波器的设计结果与仿真分析

6.3.2 两级双模滤波器的设计结果与仿真分析

6.4 小结

第七章结论与展望

参考文献

作者在攻读博士学位期间公开发表的论文

致 谢