棋牌送金50|第一章绪论 第一章绪论 研究背景与意义微波滤波

 新闻资讯     |      2019-11-19 12:00
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  第一章绪论 第一章绪论 研究背景与意义微波滤波器一般用于隔离或者组合不同的频率。由于频谱资源是有限的 不同的频段使用有着严格的限制。所以滤波器的性能将严重影响到系统整体性能 目前大批学者致力于滤波器的研究工作 其成果已经广泛应用于商业通信 无线传输 以及军用雷达、电子战设备等系统中。 随着无线通信设Kuo在文献 11 中推导出了带通滤波器中带有频率变量的优化综合方法 取得了突破性进展。但这种定性的研究并未考虑到滤波器截止特性和零点分布的关系 导致带外抑制特性不佳。交叉耦合技术最初是在上世纪70年代Atia和Williams提出的交叉耦合滤波器一般综合理论 18 他们初步建立了谐振器耦合系数的提取方法。本文主要结构安排第一章——绪论 针对目前滤波器研究中面临的主要问题及解决方法进行了分析 对于国内外研究现状 特别是混合电磁耦合滤波器的研究进展进行了阐述。双层耦合滤波器结构10 针对Kuo提出的综合理论中存在的突出问题 2008 2010年王欢、褚庆昕等人对可控电磁耦合进行了大量研究 在文献 12 设计了一种开环混合电磁耦合滤波器通过相邻微带之间的缝隙实现磁耦合 通过开环缺口实现电耦合。通过矩阵相似变换和旋转消元法在确保特征值和特征向量不变的情况下对满耦合矩阵进行消元 以满足所需的滤波器拓扑结构 提出在任意N阶滤波器中实现小于N 2个传输零点的综合方法 20 。Generalized Chebyshev函数滤波器可以实现对称或者非对称的频率响应 传输零点的个数和分布位置可以根据设计要求进行控制 且拓扑结构简单的特点受到广泛关注。2007年Shin Cheng Lin等人提出了一种双层结构小型化滤波器 10 如图1 通过在介质基板的顶端放置微带片和放置在地面的微带线形成耦合电容同电子科技大学硕士学位论文 时通过放置在地面的螺旋线圈形成耦合电感上下层之间通过通孔连接。随着无线通信设备的迅速发展 对于频谱资源的争夺日趋激烈。对于分子FN 由不同的多项式组成 要知道FN 就必须推倒出两项之间的递推关系 即能确定CN 。2006年 马建国教授等人首次提出了将混合电磁耦合分解为独立的电耦合和磁耦合 基于电耦合和磁耦合的抵消效应可以在截止带外引入新的传输零点同时通过实验验证了电耦合占主导和磁耦合占主导的时候传输零点分布情况。首先是带内插损将会显著的提升 这将直接导致能量耗散和系统灵敏度的降低。在文献13 中系统地分析了谐振器之间电磁混合耦合机理 建立了具有电磁混合耦合的等效电路模型 并基于此阐述了适用于混合电磁耦合滤波器的频变耦合系数矩阵提取方法。这便是N 2阶耦合矩阵综合方法 该方法可以在一个N阶滤波器中产生N个传输零点。2003年Amari、Levy等人在对单一阻抗发夹型滤波器和发夹疏状滤波器进行对比分析时 引入了“反谐振”耦合的概念 混合电磁耦合才重新引起学者的关注。电子科技大学硕士学位论文 第二章电磁耦合滤波器综合理论基础 引言微波滤波器的设计大多基于综合的方法 这种设计方法包括滤波器频率响应逼近函数的设计和拓扑结构以及物理参数的调整。所以滤波器的性能将严重影响到系统整体性能 目前大批学者致力于滤波器的研究工作 其成果已经广泛应用于商业通信 无线传输 以及军用雷达、电子战设备等系统中。本文拟在进一步分析混合电磁耦合理论的基础上 首先采用双层结构实现具有良好通带选择特性的小型化滤波器 然后将混合电磁耦合技术应用到多层结构中 通过物理结构和耦合技术实现小型化、高选择特性的滤波器设计 最后本文还将混合耦合技术和交叉耦合技术结合 实现多零点高性能滤波器设计。

  第二章——电磁耦合滤波器综合理论基础 基于广义切比雪夫综合理论阐述了利用混合电磁耦合技术产生传输零点的原理 推导了混合交叉耦合频变矩阵。同样 负载耦合技术需要新设计的源负载耦合通道 需要额外的物理参数 这也导致了体积的和成本的增加。Kuo提出的混合电磁耦合滤波器11 根据Chun Hsiung Chen等人的研究结论 产生传输零点的频率位置其实是和电耦合强度和磁耦合强度的比值存约束关系。目前广泛使用的Cascaded Triple CT 和Cascaded Quadruplet CQ 结构滤波器中 一般采用交叉耦合技术 最多可以产生N 2个传输零点 当加入了源 负载耦合技术后 可以额外产生一个传输零点。对上式左侧的 0C0进行归一化 其中 1100GGC 00nnGGC第一章绪论 第一章绪论 研究背景与意义微波滤波器一般用于隔离或者组合不同的频率。这就对带通滤波器的性能提出了更加苛刻的要求。2、将混合电磁耦合技术应用到多层结构中 探讨了多层结构对于滤波器性能的影响 大幅缩减滤波器的体积 设计了一种极小型化的滤波器 仅为常规SIR滤波器体积的1 16 。2、小型化宽带六边形混合耦合滤波器设计 旨在克服一般混合耦合滤波器相对带宽较窄的问题 通过加入Defected Ground Structure DGS 结构扩展相对带宽。设计了多款小型化高性能混合耦合滤波器。特别是通过对传输零点分布的控制 有效改善滤波器频率选择第一章 绪论 特性。Kuo等人在2007年设计了平行级联结构的半波长谐振器滤波器实现了广义契比雪夫函数滤波响应 11 。第五章——总结和展望。国内外研究现状混合电磁耦合技术用于实现广义切比雪夫逼近函数滤波器 目前受到了大量学者的关注。3、将混合电磁耦合理论和交叉耦合理论结合 探讨了混合交叉耦合结构中耦合系数提取方法 基于新的混合交叉拓扑结构 构造了多零点高性能滤波器。Richard Cameron于1999年提出了多项式递归方法20 参考上述文献可以得到 21 21121 21221 21121 1111 11 11 11NNNNNNNNNNFFF 10电子科技大学硕士学位论文 10 至此 完成了CN 的构建 给定了滤波器的阶数N和传输零点位置 混合电磁耦合矩阵综合目前交叉耦合技术广泛用于实现广义切比雪夫函数滤波器 其技术已经成熟 这里就不在赘述 现在主要讨论混合电磁耦合技术矩阵综合 13 谐振单元呈级联分布仅在相邻两个谐振单元之间同时存在电耦合 En 和磁耦合Mn 这与交叉耦合在非邻谐振单元之间也存在耦合不同这也就避免了交叉耦合技术需要多条物理耦合路径带来的设计复杂、物理体积较大的问题。一对传输零点如图1 1所示 两个4阶带通滤波器的中心频率均在900MHz 带宽为90MHz。更为重要的问题是 通过交叉耦合技术产生的传输零点其位置分布是难以控制的 同样源 负载耦合技术产生的传输零点位置也受源 负载耦合强度控制 也难以做到精确设计。Elliptic函数滤波器在通带外具有有限频率传输零点 具备良好的通带选择特性 通带和阻带均呈现等纹波特性 但也存在电路实现较难 传输零点位置不可控的缺点。文献探讨了螺旋线圈不同放置方式对于磁耦合系数的影响 最终可以实现电耦合系数和磁耦合系数的叠加或者相消。

  这就表明多条物理传输路径就能产生更多传输零点 基于此 Cameron在交叉耦合拓扑中加入了源 负载耦合 扩展了矩阵综合方法 27 。C Tang等人将交指耦合引入openloop结构中实现了多通带 可调节带宽滤波器设计 22 文献 23 采用发夹线结构成功实现了窄带滤波器和对带外谐波的抑制。为解决以上问题 我们可以考虑在低阶滤波器中引入多个传输零点 这样一方面避免了高阶滤波器的诸多限制 同时通过传输零点的作用提升通带选择性能满足实际需求。与文献 不同的是Kuo设计的滤波器是首次实现了非相邻谐振单元之间的电磁耦合。由于频谱资源是有限的 不同的频段使用有着严格的限制。同时通过引入新结构提升耦合系数 扩展相对带宽 克服了常用混合耦合滤波器相对带宽较窄的问题。在文献 28 31 中作者探讨了半波长或四分之一波长阶跃阻抗谐振器 SIR 结构的特性 发现具有结构紧凑、带外抑制高的特点。但目前还没有一套完善的正向设计理论 以上成果的取得都还停留在定性的研究阶段。在常用的开环结构中嵌入了交指电容 设计了一款小型化、高性能带通滤波器 通过对电磁耦合强度的控制 实现了对于传输零点分布的控制。本章将首先阐述Generalized Chebyshev多项式 然后讨论可以实现Generalized Chebyshev逼近函数频率响应滤波器的几种拓扑结构的综合矩阵 其中包括混合电磁耦合 以及将混合电磁耦合和交叉耦合结合在一起的混合交叉耦合矩阵综合。交叉耦合以及后来发展的源 负载耦合 26 技术其本质均是信号在谐振单元中的传输经过不同物理传输路径 从而在负载端时会产生相位差 多路不同相位信号的叠加即可在滤波器带外引入有限频率传输零点 产生锐截止的广义Chebyshev函数滤波器。在一般常用的CQ和CT结构交叉耦合滤波器中 通过新设计的谐振器引入混合电磁耦合路径 设计了一款多零点、结构紧凑、带外抑制较好的带通滤波器。

  1968年Temes等人对混合电磁耦合技术进行了初步研究 提出了混合电磁耦合系数的概念后来由于交叉耦合技术的迅速发展 混合电磁耦合的研究陷入沉寂。特别是随着大数据时代的到来 为满足大容量通信信道的要求 相邻无线通信设备的频谱划分越来越接近 使原本紧张的频谱资源更显匮乏。在文献中他通过引入辅助的网络参数来研究电、磁耦合系数对传输零点分布的影响 但这增加了模型和综合过程的复杂度。因为多个传输零点的引入将会有效改善滤波器的频率选择特性 合理调节传输零点的位置分布也将对滤波器谐波抑制能力产生积极作用。随着无线通信设5.劲胜智能(300083):公司是国内消费电子精密结构件产品及服务的领先供应商。针对以上缺陷王欢采用奇偶模分析方法对耦合系数进行了重新定义 这个公式的意义在于他们使得混合电磁耦合系数中的磁耦合和电耦合系数有了具体的计算方式 这是对耦合系数定义的极大改进。广义切比雪夫滤波器函数Generalized Chebyshev函数是在传统的Chebyshev函数基础上进行扩展的一种特例 主要不同在于能够产生有限带外频率上的传输零点 N阶滤波器最多可以产生N个传输零点 。目前Low Temperature co fired ceramic LTCC 技术 24 广泛用于实现滤波器的小型化设计中 文献 25 将交指结构和多层结构结合在一起 极大地缩减了滤波器的体积 同时改善了带外抑制特性。首次基第一章 绪论 于耦合电感和耦合电容的方式重新定义了电耦合系数和磁耦合系数。上述两种技术目前普遍应用于广义切比雪夫函数滤波器设计中 但交叉耦合技术存在耦合项较多 在实际设计过程中调试较为复杂!

  通过调节高低阻抗线之间的阻抗比 控制寄生通带在频率轴上的位置 从而对谐波进行抑制。即采用低阶多传输零点滤波器达到和高阶滤波器一样的性能。第一章绪论 第一章绪论 研究背景与意义微波滤波器一般用于隔离或者组合不同的频率。当所有传输零点都趋于无穷大时 CN 即转化为传统的Chebyshev滤波函数 coshcosh nNCN 由于第二章 电磁耦合滤波器综合理论基础 为简便计算这里假设 nnax 21nnbx 可改写为11111 cosh expexp 21 2NNnnnNNnnnnnnNNnnnnnnClnablnablnababab 可以得到1111 可知CN 的分母PN 可由预先设定的传输零点 n确定。相反当两者相差较远时 零点分布也相应的远离中心频率。文献 21 对多种交指耦合结构进行了探讨 得出了交指耦合的基本结论。常用的逼近函数包括Chebyshev Butterworth Elliptic和Generalized Chebyshev?

  其次 采用多个谐振子将不可避免的提高滤波器生产成本 这将限制其在商业领域的应用。这其中Chebyshev和Butterworth一般不含有有限频率传输零点 通带外衰减较慢。图 的抑制仅为28dB 的抑制高达60dB 这就凸显出传输零点对于滤波器选择性能的意义。在图2 1中采用Kirchhoff电流定律可以得到 111 11 211 11 2121 22 221 22 221 11100111 010 11100 NNNNNNNNNNNNNNNNGjCjCjCLLLvjCjCjCLLLvjCLvjCGjCjCLLL 00si 11上式中 1iiLC表示滤波器的中心角频率 Li 1分别为第i个和i1个谐振单元之间的耦合电感和耦合电容。0 馈线技术是一种基于对称结构的零点产生技术 可以在通带两侧产生一对对称的传输零点 可以有效提升滤波器选择性能 但首先这种结构很难应用于非对称谐振子中 其次这种技术对于滤波器体积的缩减无积极作用 反而在某些应用场合受到限制 同样其零点的位置也是难以精确设计的。分析验证了交叉耦合、混合耦合对于传输零点的影响 这种新的混合拓扑结构具有设计简单、效果较好的优势 可用于提升常用的交叉耦合滤波器性能。广义Chebyshev函数滤波器的推出为实现滤波器的多零点、高带外抑制以及小型化提供了新的方法 在近十多年的发展中 国内外大量学者致力于使用简化的广义Chebyshev函数综合矩阵 采用不同结构的谐振电子科技大学硕士学位论文 子实现交叉耦合取得了大量成果 21 25 。电子科技大学硕士学位论文 当然无论是那种逼近函数滤波器它们的带外抑制性能都是随着滤波器阶数N的升高而提升的 相应的其矩形系数也是随着N的升高而更趋于理想通带。

  在最后实现的4阶带通滤波器中 其中两个谐振子实现电磁耦合系数的叠加 另两个相消 这样在通带的上下两端都对称分布了两个传输零点 改善了带外抑制特性 双层结构也有效缩减了整个滤波器的物理尺寸。特别是在窄带应用领域 设计者总是希望滤波器对近端频段具有极好的抑制能力 如果在通带近端引入传输零点 无疑是一种有效的方法。以上目标的实现 那么直接将谐振器通过混合电磁耦合级联起来构造广义切比雪夫函数滤波器将变的简易 这将促进滤波器理论研究与设计方法的完善。第三章——1、小型化高性能平面结构混合电磁耦合滤波器设计 针对目前平面结构混合电磁耦合滤波器设计不足之处进行了分析。在文献 14 16 没有理清混合电磁耦合产生传输零点的原因。混合电磁耦合滤波器作为一种广义切比雪夫函数滤波器目前国内外研究较少 同时设计理论也远落后于交叉耦合技术 主要原因有三 在实际电路中电耦合和磁耦合总是一起出现的很难将两者独立开来 这就无法进行单独的量化分析 在电路设计时对于耦合强度的控制还只能控制总耦合系数 对于单独的电耦合或者磁耦合强度还没能独立控制 目前的文献中混合电磁耦合滤波器的设计还是通过定性分析和优化设计 没有形成一套完整的精确的正向设计理论。最为严重的问题是 无论是商业手持通讯设备还是军用电子装备均对微波电路的体积有着严格的限制。采用多层谐振子结构设计的混合电磁耦合滤波器 将具有极小的体积和更好的通带选择性能。第四章——多层结构电磁耦合滤波器设计 设计了新型多层SIR结构谐振器 基于此谐振器通过混合电磁耦合方式和交叉耦合方式设计了极小型化多层结构滤波器。文献 17 18 采用三角形谐振子对此做了改进 但这种结构会导致体积过大 同时谐振子物理参数过多 难以调试 只能采用优化的方法进行设计 很难实现普遍的应用。随后Cameron进行了大量的研究 在文献 19 首次推导出广义切比雪夫滤波函数递归程序。首次定性的指出 在两阶混合电磁耦合滤波器中若电耦合占优势 则将在滤波器截止带的低端产生传输零点 若磁耦合占优势 则将在截止带的高端产生传输零点。由于频谱资源是有限的 不同的频段使用有着严格的限制。这直接导致在实际的平面电路中很难同时做到较强的电耦合和磁耦合 15 16 。本论主要工作及创新点近年来混合电磁耦合技术受到极大的重视 在电磁耦合系数的分离及计算方面的理论基本成熟 对于电耦合系数和磁耦合系数对传输零点分布的影响进行了大量的探讨 设计了一系列性能优良的滤波器。目前广义切比雪夫函数滤波器以其优异的通带选择性能 特别是可调节的传输零点 零点个数及分布位置均可调节 成为学术界关注的重点?特别是在微波较低频段 通常采用的λ 4或者λ 2波长谐振器体积仍较大 很难满足系统低成本、小型化、集成化的需求。

  混合电磁耦合技术是一种真正意义上通过电、磁耦合路径来实现传输零点 相比交叉耦合技术和源负载耦合技术 具有拓扑结构简单 零点分布易于控制 可以实现更多传输零点的优势 目前受到广泛重视。对于耦合电感、电容的大小对于传输零点分布、带宽的影响尚未有相关文献发表。当磁耦合和电耦合强度几乎相等的时候 传输零点分布将靠近中心频率 这样会有效提升滤波器的频率选择特性。目前普遍使用的Stepped Impedance Resonator SIR 或Open loop谐振结构基本是通过微带线之间的缝隙实现电磁耦合 但限于结构限制 微带线缝隙不能设计太窄 通过高阻抗线通孔接地以实现磁耦合的方式 也受限于制作工艺 通孔直径很难做小。广义切比雪夫低通原型函数定义为 20 11 cosh cosh NNNnnNFCxP 上式中FN和PN为次数不超过N次的多项式最高次项系数均为1 另外 为归一化频率变量 n为第n个传输零点的频率。探讨了电耦合系数相消或者叠加时由于混合电磁耦合产生的零点分布情况 这实际上是探讨了当电耦合或磁耦合占据主导时 对于零点分布的影响。但滤波器阶数的提升将带来一系列的负面影响。但也存在以下不足 首先他设计的滤波器只能实现对称的传输零点 其次他的综合方法只能适用于他所提出的平面半波长滤波器 很难套用到其它类型中 第三他对于电耦合系数和磁耦合系数的理解仍是基于传统的符号上的不同 而不是基于耦合电感和耦合电容强度的定义。本文的创新点主要有以下几个方面 1、本文对于经常使用的级联混合电磁耦合滤波器进行了深入分析。所以滤波器的性能将严重影响到系统整体性能 目前大批学者致力于滤波器的研究工作 其成果已经广泛应用于商业通信 无线传输 以及军用雷达、电子战设备等系统中。目前针对混合电磁耦合滤波器的研究还多停留在平面结构上 如果将混合电磁耦合引入到多层结构中 将大幅缩减滤第一章 绪论 波器体积的同时实现高的带外抑制特性。