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1 AEMC 硬件组 双模滤波器研究进展 报告人 : 吴边 bwu@mail.xidian.edu.cn Tel:

2 目录 一 研究背景二 双模滤波器结构设计三 双模滤波器理论研究三 课题组工作四 下一步方向 2

3 一 研究背景 无线通信技术发展 微波滤波器性能要求 低损耗高选择性小尺寸多通带传统滤波器 : 增加谐振器阶数 交叉耦合滤波器 : 增加非相邻腔或源和负载耦合 双模滤波器 : 引入微扰使简并模分裂并相互耦合 3

4 1972 年, 德国学者 Wolff, 平面双模滤波器 微带环谐振器引入不对称性可以激励出两个简并模式, 这些模式耦合可以实现微带双调谐带通滤波器 (1) 耦合馈线不对称 (2) 谐振环不对称 Wheeler 腔体磁壁模型 4

5 由于 7 年代卫星和空间通信的需求, 双模滤波器最早主要应用于波导腔体结构 1977 年 A.Williams 提出一种新型 TE111 模圆形波导腔体结构 双模正则滤波器, 在最小物理尺寸下获得最优椭圆函数响应 腔间交叉缝隙 双模,N/2 腔 圆腔 H111 极化 2 腔构成 4 级 方腔 H11 极化 输出极化旋转 9 度 腔间圆孔缝隙 输入极化 5

6 为了减少调谐螺钉的影响, 研究者又先后提出多种形式波导双模滤波器结构 TE11 模两极化 TE1,TE1 模 腔间耦合双模耦合矩形波导替代调谐和耦合螺钉 1996 Lucian.Accatino TE12,TE21 模 方形切角矩形波导双模 1994 Ji-Fuh Liang 全感性不连续性双模 21 Marco Guglielmi 6

7 随着无线通信和微波集成电路的发展, 微带双模滤波器近年来得到迅速发展 矩形贴片 圆形贴片 方环 圆环等形式的微带谐振器都属于双模谐振器 它们在结构上的共同特点是同时满足轴对称和中心对称的特点 它们都有一对简并模式, 通过在与谐振器表面水平方向成 45 角对角线方向设置某种特定的微扰方式可以使这一对简并主模的谐振频率分离并互相耦合 典型微带双模谐振器 7

8 1995 年,J.S. Hong 首次提出微带双模方环谐振器, 分析模式分裂特性 单模, 电场零极点在边中心 双模, 电场零极点在四个角 d 变大耦合变强 8

9 1999 年,Lei Zhu 采用一对非等长交叉缝隙加载正方形贴片谐振器实现双模滤波器, 并提出联合场 / 电路模型表征线与环耦合结构 偶模, 奇模 π 网络 + 传输线 + 并联电抗 ( 微扰 ) 9

10 24 年, Adnan Görür 提出一种在传统微带环谐振器的四角加载方形贴片或切角的新型双模滤波器, 其中一个为微扰单元, 另三个为参考单元, 改变微扰单元尺寸增加或减少传输零点 简并模耦合的本质决定滤波器的形式 mode1,mode2 对应腔体 TM1,TM1 P<d,Chebyshev P>d,Elliptic 1

11 同年 9 月,Smain Amari 通过该双模结构实验表明不同双模响应实际是在复 S 平面具有两个传输零点的响应, 通过改变微扰尺寸, 传输零点从椭圆函数响应的虚轴变到实轴, 可以通过带源和负载耦合的矩阵进行分析 S.Amari Camerom M23 由正变负 P<d,two real transmission zeros P>d,two attenuation poles 11

12 其他学者在微带双模结构形式和分析方法上做了大量研究工作 L 型耦合枝节加强耦合圆盘谐振器上刻蚀掉圆孔慢波枝节加载 地板 DGS 加载 三角形贴片 蝴蝶枝节加载和 DGS 微扰 12

13 感性加载交叉缝隙集总并联电容加载三角形环双模 正交叉缝隙 容性阶梯阻抗谐振器 六边形环双模 13

14 四角树形贴片 四模耦合线 圆环加载圆盘谐振器 方环容性加载巴伦 层叠双通带 CPW 馈电双通带 14

15 典型分析方法 : (1) 波导腔体模式匹配法和有限元结合分析 ; (2) 传输线网络分析法 ; (3) 源负载耦合矩阵分析 ; (4) 三维电磁场仿真分析 15

16 三 课题组工作 27 年我组做了大量滤波器文献调研工作, 樊军娃和薛伟选择双通带滤波器作为研究方向, 赵立鹏和陈志熙选择双模滤波器作为研究方向, 同时吴边 秦培元 赖鑫也将双模滤波器作为博士研究的一个分支 28.1 赵立鹏硕士论文 交叉耦合及双模滤波器的设计 28.1 陈志熙硕士论文 双模双通带滤波器的设计 赖鑫博士论文第 3.6 节 基于缺陷地面的双模双通带滤波器设计 16

17 1 三角形双模双通带滤波器 设计一种新型三角形双模谐振器的双模双通带滤波器 沿着等腰三角形的对称轴引入微扰, 实现简并主模的分离 S21 Meas. S21 Simu. S Frequency (GHz) [1] L.-P. Zhao, X.-W. Dai, Z.-X. Chen, and C.-H. Liang Novel Design of Dual -mode Dual-Band Bandpass Filter with Triangular resonators PIER 77, page , 27. [2] L.-P. Zhao, C.-H. Liang, G- Li, and X.-W. Dai Novel Design of Dual -mode Bandpass Filter with Triangular structure,journal of Electromagnetic Waves and Applications volume 22, page ,

18 2 双环双模双通带滤波器 利用内环和外环提供中心频率不同的两个通带实现双模双通带滤波器, 低频通带由外环的一对简并模耦合产生, 高频通带由内环的一对简并模耦合产生 q w p x w 2 i w 3 w 1 S 21 (db) With inner loop Without inner loop Frequency(GHz) Z.-X.Chen, X.-W. Dai, and C.-H. Liang Novel Dual-Mode Dual-Band Bandpass Filter Using Double Square-Loop Structure, PIER 77, ,

19 3 基片集成波导双模带通滤波器 提出设计 SIW 双模带通滤波器新方法, 调整基片谐振腔电感不连续性的位置产生简并模式的耦合, 不同模式间的相位差在通带两边各引入一个传输零点, 实现了不对称传输特性 S/dB f/ghz s 11 s 21 S/dB f/ghz s 11 s 21 S-parameters (db) -5 Simulation Measurement Frequency (GHz) [1] P.-Y. Qin, C.-H. Liang, B.Wu, and T. Su, A Novel Substrate Integrated Waveguide Dual-Mode Bandpass Filter, Journal of Electromagnetic Waves and Applications, 28, 22: [2] 秦培元, 石小林, 梁昌洪, 吴边, 一种新型 X 波段基片集成波导双模带通滤波器, 西安电子科技大学学 报,29,36 (5):

20 4 CPW 谐振环双模带通滤波器 (1) 把微带环双模谐振器引入到微带板地面, 采用贴片或切角引入扰动, 再通过微带馈线与谐振器之间的平行电耦合实现外部耦合, 从而可以实现双模滤波器的设计 T shaped feed line L 1 w 1 w 2 SLR DGS L 2 D w ε r = 9.6 h =. 8mm w 3 P Square Patch S parameters(db) -5 S 11 S 21 Measurement Simulation Frequency(GHz) 2

21 (2) 给出了一种采用 CPW 正方形谐振器实现的双模滤波器, 通过左上角的切角引入模式间的扰动 调整缺陷枝节长度降低谐振频率, 实现小型化 小型化 S 21 (db) -5 L4=1mm -6 L4=2mm -7 L4=3mm L4=4mm Frequency (GHz) 交叉耦合 S parameters(db) -5 S 11 S 21 Measurement Simulation Frequency(GHz) 21

22 (3) 给出了一种基于 SLR DGS 的双模双通带滤波器 地板上的两个微带环谐振器工作于不同的两个工作频率, 内环通过内贴片引入扰动, 外环则通过外贴片引入扰动 S parameters(db) -5 S 11 S 21 Measurement Simulation Frequency(GHz) 22

23 (4) 提出一种基于缺陷地面结构 DGS 方环谐振器的微带双模带通滤波器, 以灵活控制带外传输零点的个数和位置, 实现对称或不对称的高抑制带通频率响应, 增强外部耦 合, 扩展带宽 S parameters(db) Simulated S21 Simulated S11 Measured S21 Measured S Frequency (GHz) S parameters(db) -5 Simulated S21 Simulated S11-6 Measured S21 Measured S Frequency (GHz) 23

24 5 电容加载方环谐振器双模双通带滤波器 提出一种采用电容加载方环谐振器设计双模双通带滤波器的新方法, 通过在单个双模谐振器中引入大的微扰使奇偶模频率分裂成两个通带, 采用镜像法级联构成两阶双模双通带滤波器 采用直接馈电, 源和负载耦合馈电和 CPW 馈电等方式获得带外传输零点和宽带效应 S-parameters(dB) Frequency (GHz) Simulated S11&S21 Measured S11&S21 S-parameters(dB) S-parameters(dB) Simulated S11&S21-7 Measured S11&S21 Simulated S11&S21-6 Measured S11&S Freq(GHz) Freq(GHz) 24

25 四 下一步方向 (1) 双模滤波器的耦合矩阵综合技术 (2) 双模滤波器的传输线网络分析与电路综合技术 (3) 快速电调双模滤波器技术 (4) 多模多通带滤波器技术 (5) 小型化高 Q 值多模滤波器技术 (6) 双模带阻滤波器理论与设计 25

26 谢谢! 26

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