基于微波介质陶瓷的X波段平面滤波器的研究

摘要

超宽带（UWB）技术被人们普遍地应用于军用和民用领域。平面滤波器具有小的体积、快的生产周期、价格便宜、容易与板级电路集成等优点，被广泛应用在通信领域的系统设备中。然而，随着信息技术快速发展，平面滤波器必须适应更加苛刻的使用环境。在UWB技术中，现在人们希望平面滤波器不仅体积小、容易集成，而且还需小的插入损耗。传统的微带、带状线类型的平面滤波器因为结构所限，已无法满足上述要求。本论文以平面滤波器小型化和高性能为目标，基于滤波器基板材料和结构两方面，对平面滤波器的设计展开研究，旨在实现一种小型化、高性能、易于集成的平面滤波器。
　　在滤波器基板材料研究方面，利用固相研究法，对B2T9（Ba2Ti9O20）微波介质陶瓷的介电性能和烧结特性展开了研究。首先在课题组研究成果基础上，确定了B2T9介电材料的主配方。然后用BBSZ（Bi-B-Si-Zn）玻璃、Al2O3纳米粉、LBSA（Li-B-Si-Al）玻璃作为助烧剂，分别对B2T9微波介电陶瓷烧结特性、介电性能、微观形貌进行了研究。研究表明：1）掺杂BBSZ玻璃的样品拥有最大的介电常数和最小的Q*f值。掺杂Al2O3纳米粉的陶瓷的样品，介电常数和Q*f值都比较适中。掺杂LBSA玻璃的样品介电常数最小，但Q*f值最大；2）烧结后的陶瓷样品颗粒尺寸越均匀，空洞越少，介电性能越优异。
　　在滤波器结构方面，首先使用B2T9微波介电陶瓷为基板，设计了一款基于B2T9微波介质陶瓷的11阶超宽带悬置带线滤波器，体积为23.34 mm*10.65 mm*10 mm，测试结果跟仿真有一定的差距，最终测试带宽为5.38~13.27 GHz，验证了仿真软件设计滤波器的可行性和便捷性。然后，选用相同的罗杰斯4003介质基板，分别制作了9节的微带和悬置带线两种平面结构滤波器，滤波器的设计通带为8.55-11.7 GHz，微带和悬置带线滤波器大小分别为10.92 mm*16.04 mm*10 mm和41.62 mm*10.65 mm*14 mm。通过以上三个实物和测试结果的对比表明：1）使用B2T9微波介电陶瓷基板可有效的减小悬置带线滤波器的体积；2）微带滤波器具有较小的体积，但容易发生频偏现象；3）悬置带线滤波器体积较大，但带内插损和带外抑制均优于微带滤波器。

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第一章 绪 论

1.1 引言

1.2 微波介质陶瓷

1.3 微波介质陶瓷的性能与优势

1.4 超宽带滤波器和介电陶瓷国内外研究现状

1.5 本论文的主要研究内容与创新点

第二章 微波滤波器概述

2.1 滤波器的技术参数

2.2 滤波器的类型和响应曲线

2.3 理想的低通滤波器及频率转换

2.4 滤波器的设计

2.5 本章小结

第三章 平面滤波器的特点与结构

3.1 悬置带线简介

3.2 悬置带线中的能量分布

3.3 悬置带线等效介电常数和特征阻抗

3.4 微带线等效介电常数与特征阻抗

3.5 本章小结

第四章 Ba2Ti9O20介质陶瓷的制备与性能研究

4.1 实验原料及工艺流程

4.2 Ba2Ti9O20介电陶瓷掺杂改性和烧结温度的研究

4.3 LBSA玻璃掺杂下Ba2Ti9O20微波介电陶瓷的物相和形貌分析

4.4 本章小结

第五章 悬置带线滤波器的设计

5.1 超宽带滤波器难点分析

5.2 超宽带滤波器的设计

5.3 超宽带悬置带线滤波器实物组装与性能测试

5.4 超宽带悬置带线滤波器的优缺点

5.5 本章小结

第六章 微带滤波器与悬置带线滤波器性能的对比

6.1 两款平面滤波器指标要求

6.2 微带滤波器的仿真设计

6.3 同频带下悬置滤波器的仿真结果

6.4 两种滤波器的实测结果与误差分析

6.5 本章小结

第七章 结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的研究成果