基于耦合諧振器的多頻帶及平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)探索一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息時(shí)代，通信技術(shù)的發(fā)展日新月異，微波濾波器作為射頻前端系統(tǒng)的關(guān)鍵部件，在無(wú)線通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等眾多領(lǐng)域發(fā)揮著舉足輕重的作用。從20世紀(jì)初無(wú)線電技術(shù)的初步發(fā)展，到如今5G乃至6G通信時(shí)代的到來(lái)，微波濾波器始終是保障信號(hào)有效傳輸和系統(tǒng)性能穩(wěn)定的核心要素之一。其性能的優(yōu)劣，直接關(guān)乎通信系統(tǒng)的信號(hào)質(zhì)量、傳輸效率、抗干擾能力以及設(shè)備的小型化、集成化程度，進(jìn)而影響著整個(gè)通信行業(yè)的發(fā)展進(jìn)程和應(yīng)用拓展。在通信領(lǐng)域，無(wú)論是基站設(shè)備、移動(dòng)終端，還是衛(wèi)星通信、光纖通信等系統(tǒng)，微波濾波器都承擔(dān)著篩選和過(guò)濾信號(hào)的關(guān)鍵任務(wù)。以5G通信為例，高頻段、大帶寬的信號(hào)傳輸需求對(duì)濾波器的性能提出了前所未有的挑戰(zhàn)，要求其具備更高的頻率選擇性、更低的插入損耗、更寬的工作帶寬以及更小的體積和重量，以滿足高速、大容量、低延遲的通信要求。在雷達(dá)系統(tǒng)中，微波濾波器能夠幫助雷達(dá)準(zhǔn)確識(shí)別目標(biāo)，提高探測(cè)精度和抗干擾能力，對(duì)于軍事國(guó)防、航空航天、氣象監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用至關(guān)重要。在電子對(duì)抗、微波測(cè)量?jī)x器以及各類電子設(shè)備中，微波濾波器也同樣發(fā)揮著不可或缺的作用，確保設(shè)備在復(fù)雜電磁環(huán)境下的正常運(yùn)行。隨著通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，多頻帶通信和平衡式信號(hào)傳輸成為了發(fā)展的重要趨勢(shì)。多頻帶通信技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)不同頻段信號(hào)的同時(shí)傳輸，有效提高通信系統(tǒng)的頻譜利用率和通信容量，滿足用戶對(duì)多種業(yè)務(wù)和功能的需求。例如，在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，設(shè)備需要同時(shí)與多個(gè)不同頻段的基站或其他設(shè)備進(jìn)行通信，多頻帶微波濾波器能夠確保各個(gè)頻段信號(hào)的準(zhǔn)確接收和發(fā)送。而平衡式信號(hào)傳輸則具有抗干擾能力強(qiáng)、信號(hào)完整性好等優(yōu)點(diǎn)，能夠有效提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量和可靠性，在高速數(shù)據(jù)傳輸、射頻信號(hào)處理等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。例如，在高速串行通信接口中，平衡式傳輸能夠減少信號(hào)的失真和干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸。耦合諧振器技術(shù)作為提升微波濾波器性能的關(guān)鍵手段，在實(shí)現(xiàn)多頻帶和平衡式濾波功能方面展現(xiàn)出了獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。耦合諧振器是通過(guò)多個(gè)諧振單元之間的電磁耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波和傳輸，其工作原理基于諧振器的固有頻率特性以及耦合結(jié)構(gòu)對(duì)信號(hào)的相互作用。通過(guò)合理設(shè)計(jì)諧振器的結(jié)構(gòu)、參數(shù)以及耦合方式，可以靈活地控制濾波器的頻率響應(yīng)、傳輸零點(diǎn)位置、通帶帶寬等關(guān)鍵性能指標(biāo)，從而滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)濾波器的多樣化需求。例如，通過(guò)調(diào)整耦合諧振器之間的耦合強(qiáng)度和相位關(guān)系，可以在濾波器的通帶附近引入傳輸零點(diǎn)，顯著提高濾波器的選擇性和帶外抑制能力，有效抑制干擾信號(hào)的傳輸。在多頻帶濾波器設(shè)計(jì)中，利用耦合諧振器的不同諧振模式和耦合機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同頻率通帶的同時(shí)存在，且各通帶之間具有良好的隔離度和性能一致性。在平衡式濾波器設(shè)計(jì)中，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)和電路拓?fù)洌梢詫?shí)現(xiàn)差分信號(hào)的高效傳輸和濾波，充分發(fā)揮平衡式信號(hào)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)，提高系統(tǒng)的抗干擾能力和信號(hào)處理性能。本研究聚焦于基于耦合諧振器的多頻帶及平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)，旨在深入探索耦合諧振器的工作機(jī)理和特性，研究多頻帶及平衡式濾波電路的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵技術(shù)，開發(fā)高性能、小型化、集成化的微波濾波電路，具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從理論層面來(lái)看，深入研究耦合諧振器在多頻帶和平衡式濾波中的工作原理和特性，有助于豐富和完善微波濾波器的設(shè)計(jì)理論體系，為濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供更加堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用方面，本研究成果將為通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供高性能的微波濾波解決方案，推動(dòng)相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，滿足不斷增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。同時(shí)，對(duì)于促進(jìn)我國(guó)在微波通信領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級(jí)，提升我國(guó)在國(guó)際通信領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)力，也具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀在微波濾波器的發(fā)展歷程中，耦合諧振器技術(shù)一直是研究的核心熱點(diǎn)之一。國(guó)外在該領(lǐng)域的研究起步較早，取得了一系列具有開創(chuàng)性的成果。上世紀(jì)，J.D.Rhodes教授率先提出了具有交叉耦合結(jié)構(gòu)的折疊型濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這一創(chuàng)新為傳輸零點(diǎn)的引入開辟了新途徑，極大地提升了濾波器的選擇性，使濾波器能夠更有效地抑制通帶外的干擾信號(hào)，為后續(xù)的研究奠定了重要的基礎(chǔ)框架。隨后，A.E.Atia與A.E.Williams引入“耦合矩陣”概念，這一概念的提出為濾波器的設(shè)計(jì)和分析提供了一種強(qiáng)大的數(shù)學(xué)工具，使得研究者能夠更加系統(tǒng)、精確地描述和優(yōu)化濾波器的性能，通過(guò)對(duì)耦合矩陣的調(diào)整，可以靈活地控制濾波器的頻率響應(yīng)、傳輸零點(diǎn)位置等關(guān)鍵參數(shù)，推動(dòng)了微波濾波器設(shè)計(jì)從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)向理論指導(dǎo)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。進(jìn)入21世紀(jì)，R.J.Cameron提出的“N×N”耦合矩陣綜合方法及“N+2”耦合矩陣綜合理論，成為現(xiàn)代濾波器綜合的主流方法。這些理論通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，將濾波器的性能指標(biāo)與耦合矩陣緊密聯(lián)系起來(lái)，使得濾波器的設(shè)計(jì)更加科學(xué)化、規(guī)范化，能夠滿足日益復(fù)雜的通信系統(tǒng)對(duì)濾波器性能的嚴(yán)格要求。基于這些理論，國(guó)外科研團(tuán)隊(duì)在多頻帶和平衡式微波濾波器設(shè)計(jì)方面取得了顯著進(jìn)展。例如，一些研究團(tuán)隊(duì)利用多個(gè)耦合諧振器之間的不同耦合方式和諧振特性，成功設(shè)計(jì)出具有多個(gè)通帶的多頻帶濾波器，每個(gè)通帶都能夠獨(dú)立地對(duì)特定頻率范圍的信號(hào)進(jìn)行濾波處理，實(shí)現(xiàn)了在同一濾波器中對(duì)不同頻段信號(hào)的高效篩選和傳輸，大大提高了通信系統(tǒng)的頻譜利用率。在平衡式濾波器設(shè)計(jì)中，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了差分信號(hào)的平衡傳輸和濾波，有效提高了信號(hào)的抗干擾能力，滿足了高速數(shù)據(jù)傳輸和射頻信號(hào)處理等領(lǐng)域?qū)π盘?hào)質(zhì)量的高要求。國(guó)內(nèi)在微波濾波器領(lǐng)域的研究雖然起步相對(duì)較晚，但發(fā)展迅速，在耦合諧振器技術(shù)研究方面也取得了眾多具有國(guó)際影響力的成果。七十年代初期，甘本拔、吳萬(wàn)春、李嗣范、林為干等老一輩微波專家，在借鑒國(guó)外研究成果的基礎(chǔ)上，對(duì)濾波器的設(shè)計(jì)理論和方法進(jìn)行了深入的補(bǔ)充和完善，為我國(guó)微波濾波器的研究奠定了堅(jiān)實(shí)的理論和技術(shù)基礎(chǔ)。近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)科研投入的不斷增加和科研實(shí)力的逐步提升，國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)在耦合諧振器多頻帶及平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)方面取得了一系列突破性進(jìn)展。在多頻帶濾波器設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者提出了多種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法和結(jié)構(gòu)。例如，通過(guò)對(duì)諧振器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)，利用其不同的諧振模式，實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)濾波器中產(chǎn)生多個(gè)通帶的功能，并且各通帶之間具有良好的隔離度，有效避免了不同頻段信號(hào)之間的相互干擾。一些研究團(tuán)隊(duì)還將新型材料與耦合諧振器技術(shù)相結(jié)合，利用新型材料的特殊電磁特性，進(jìn)一步優(yōu)化了濾波器的性能，實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化、高性能化。在平衡式濾波器設(shè)計(jì)方面，國(guó)內(nèi)學(xué)者深入研究了耦合結(jié)構(gòu)對(duì)差分信號(hào)傳輸和濾波的影響機(jī)制，提出了一系列新型的耦合結(jié)構(gòu)和電路拓?fù)?，有效提高了平衡式濾波器的性能，使其在高速通信、雷達(dá)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。同時(shí)，國(guó)內(nèi)科研團(tuán)隊(duì)還在濾波器的綜合理論、設(shè)計(jì)算法以及制造工藝等方面進(jìn)行了深入研究，不斷推動(dòng)我國(guó)在耦合諧振器微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)領(lǐng)域向國(guó)際先進(jìn)水平邁進(jìn)。當(dāng)前，隨著5G、6G等新一代通信技術(shù)的快速發(fā)展，以及物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、衛(wèi)星通信等新興領(lǐng)域的興起，對(duì)微波濾波器的性能提出了更高的要求。在多頻帶方面，需要濾波器能夠支持更多頻段的信號(hào)處理，并且各頻段之間的切換更加靈活、高效，以滿足不同業(yè)務(wù)和應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)頻譜資源的多樣化需求。在平衡式濾波器方面，要求其具有更高的抗干擾能力、更低的插入損耗和更寬的工作帶寬，以適應(yīng)高速、大容量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰ａ槍?duì)這些需求，國(guó)內(nèi)外研究人員正在積極探索新的理論、方法和技術(shù)，如利用人工智能算法優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)，研究新型的耦合結(jié)構(gòu)和材料，以實(shí)現(xiàn)微波濾波電路性能的進(jìn)一步提升和突破。1.3研究目標(biāo)與創(chuàng)新點(diǎn)本研究旨在深入探究基于耦合諧振器的多頻帶及平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)，通過(guò)理論分析、數(shù)值仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的方式，實(shí)現(xiàn)高性能微波濾波電路的設(shè)計(jì)與開發(fā)，具體研究目標(biāo)如下：深入剖析耦合諧振器工作機(jī)理：全面深入地研究耦合諧振器在多頻帶及平衡式濾波電路中的工作原理和特性，包括諧振器之間的電磁耦合機(jī)制、傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生與調(diào)控原理、不同諧振模式的相互作用等，建立準(zhǔn)確、完善的理論模型，為濾波電路的設(shè)計(jì)提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。研發(fā)多頻帶及平衡式濾波電路設(shè)計(jì)方法：針對(duì)多頻帶通信和平衡式信號(hào)傳輸?shù)男枨螅岢鰟?chuàng)新的濾波電路設(shè)計(jì)方法和優(yōu)化策略。在多頻帶濾波器設(shè)計(jì)方面，探索實(shí)現(xiàn)多個(gè)通帶靈活配置、各通帶性能獨(dú)立優(yōu)化以及通帶間高隔離度的設(shè)計(jì)技術(shù)；在平衡式濾波器設(shè)計(jì)中，研究實(shí)現(xiàn)差分信號(hào)高效傳輸、高共模抑制比以及良好平衡性的電路拓?fù)浜驮O(shè)計(jì)參數(shù)，提高濾波電路的整體性能。設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)高性能微波濾波電路：基于上述研究成果，設(shè)計(jì)并制作具有多頻帶和平衡式功能的高性能微波濾波電路。通過(guò)合理選擇材料、優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)以及采用先進(jìn)的制造工藝，實(shí)現(xiàn)濾波電路的小型化、集成化和低損耗，使其滿足通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等領(lǐng)域?qū)ξ⒉V波器的嚴(yán)格性能要求。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評(píng)估：對(duì)設(shè)計(jì)制作的微波濾波電路進(jìn)行全面的實(shí)驗(yàn)測(cè)試和性能評(píng)估，包括頻率響應(yīng)、插入損耗、帶外抑制、回波損耗、共模抑制比等關(guān)鍵性能指標(biāo)的測(cè)量。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，分析誤差產(chǎn)生的原因，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保濾波電路的性能達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。在研究過(guò)程中，本研究將致力于以下創(chuàng)新點(diǎn)的探索與實(shí)現(xiàn)：新型耦合結(jié)構(gòu)與電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)：提出新穎的耦合諧振器結(jié)構(gòu)和電路拓?fù)?，以?shí)現(xiàn)更靈活的多頻帶和平衡式濾波功能。例如，設(shè)計(jì)具有特殊幾何形狀的諧振器，通過(guò)改變其電磁分布特性，增強(qiáng)諧振器之間的耦合強(qiáng)度和耦合方式的多樣性，從而實(shí)現(xiàn)更多傳輸零點(diǎn)的引入和通帶特性的精細(xì)調(diào)控；探索新型的平衡式電路拓?fù)洌脤?duì)稱結(jié)構(gòu)和巧妙的耦合方式，提高差分信號(hào)的傳輸效率和共模抑制能力，改善平衡式濾波器的性能。多物理場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)：考慮微波濾波電路中電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)、機(jī)械場(chǎng)等多物理場(chǎng)的相互作用，采用多物理場(chǎng)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。例如，研究濾波器在不同工作溫度下的性能變化，通過(guò)優(yōu)化材料選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減小溫度對(duì)濾波器性能的影響；分析濾波器在機(jī)械振動(dòng)等環(huán)境因素下的穩(wěn)定性，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化和加固措施，提高濾波器的可靠性和抗干擾能力。人工智能輔助設(shè)計(jì)方法：引入人工智能算法，如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，輔助微波濾波電路的設(shè)計(jì)。利用人工智能算法強(qiáng)大的優(yōu)化搜索能力，對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)、耦合矩陣等進(jìn)行全局優(yōu)化，快速找到滿足性能指標(biāo)要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。同時(shí)，通過(guò)建立人工智能模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器性能的快速預(yù)測(cè)和評(píng)估，提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性?；谛滦筒牧系臑V波電路設(shè)計(jì)：探索新型材料在微波濾波電路中的應(yīng)用，如高介電常數(shù)材料、低損耗材料、超材料等。利用新型材料的特殊電磁特性，實(shí)現(xiàn)濾波電路性能的突破和提升。例如，采用高介電常數(shù)材料可以減小諧振器的尺寸，實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化；利用超材料的特異電磁性能，可以設(shè)計(jì)出具有獨(dú)特濾波特性的濾波器，如電磁誘導(dǎo)透明濾波器、超寬帶濾波器等。二、耦合諧振器與微波濾波電路基礎(chǔ)理論2.1耦合諧振器工作原理2.1.1基本結(jié)構(gòu)與特性耦合諧振器作為微波濾波電路的核心組成部分，其結(jié)構(gòu)與特性對(duì)濾波器性能起著決定性作用。常見的耦合諧振器結(jié)構(gòu)形式多樣，在微波集成電路中，微帶線耦合諧振器因其易于集成和加工的優(yōu)勢(shì)而被廣泛應(yīng)用。它通常由兩條或多條平行的微帶線構(gòu)成，微帶線之間通過(guò)電磁耦合實(shí)現(xiàn)能量交換。例如，在一些射頻前端模塊中，采用平行耦合微帶線諧振器來(lái)實(shí)現(xiàn)帶通濾波功能，其結(jié)構(gòu)緊湊，能夠有效減小電路尺寸。在腔體濾波器中，多采用同軸諧振器或波導(dǎo)諧振器的耦合結(jié)構(gòu)。同軸諧振器由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體組成，通過(guò)調(diào)整內(nèi)外導(dǎo)體的長(zhǎng)度和直徑，可以精確控制諧振頻率。多個(gè)同軸諧振器之間通過(guò)電容耦合或電感耦合的方式連接，形成具有特定濾波特性的耦合諧振器結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)在基站濾波器等應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，能夠承受較大的功率，且具有較高的品質(zhì)因數(shù)和選擇性。在介質(zhì)諧振器濾波器中，利用高介電常數(shù)的介質(zhì)材料制成諧振器，通過(guò)介質(zhì)諧振器之間的近場(chǎng)耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的濾波。這種結(jié)構(gòu)具有體積小、Q值高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在衛(wèi)星通信、雷達(dá)等高端應(yīng)用領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。固有頻率是耦合諧振器的重要特性之一，它決定了諧振器在特定頻率下產(chǎn)生共振的能力。對(duì)于一個(gè)簡(jiǎn)單的LC諧振器，其固有頻率f_0可由公式f_0=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}計(jì)算得出，其中L為電感，C為電容。當(dāng)外界輸入信號(hào)的頻率接近固有頻率時(shí)，諧振器會(huì)發(fā)生諧振現(xiàn)象，此時(shí)電路中的電流和電壓達(dá)到最大值，能量在電感和電容之間不斷交換，形成穩(wěn)定的振蕩。品質(zhì)因數(shù)Q是衡量諧振器性能優(yōu)劣的關(guān)鍵指標(biāo)，它反映了諧振器在諧振時(shí)儲(chǔ)能與耗能的相對(duì)關(guān)系。品質(zhì)因數(shù)越高，意味著諧振器在諧振過(guò)程中的能量損耗越小，能夠更有效地存儲(chǔ)和傳遞能量，從而使濾波器具有更陡峭的頻率響應(yīng)和更高的選擇性。例如，在一個(gè)高品質(zhì)因數(shù)的帶通濾波器中，通帶內(nèi)的信號(hào)能夠幾乎無(wú)損耗地通過(guò)，而通帶外的信號(hào)則被迅速衰減，有效抑制了干擾信號(hào)的傳輸。品質(zhì)因數(shù)Q的計(jì)算公式為Q=\frac{\omega_0L}{R}，其中\(zhòng)omega_0=2\pif_0為角頻率，R為諧振器的等效電阻。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)優(yōu)化諧振器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、選擇低損耗的材料以及減小電阻等方式，可以提高品質(zhì)因數(shù)，從而提升濾波器的性能。2.1.2耦合機(jī)制與耦合系數(shù)耦合諧振器之間的耦合機(jī)制主要包括電耦合、磁耦合和混合耦合三種方式。電耦合是通過(guò)電場(chǎng)的相互作用實(shí)現(xiàn)能量傳遞，常見的電耦合方式有電容耦合。例如，在微帶線耦合諧振器中，相鄰微帶線之間存在寄生電容，通過(guò)調(diào)整微帶線之間的距離和寬度，可以改變電容的大小，從而控制電耦合的強(qiáng)度。當(dāng)微帶線之間的距離減小或?qū)挾仍黾訒r(shí)，寄生電容增大，電耦合增強(qiáng)，這會(huì)導(dǎo)致諧振器之間的能量交換更加頻繁，對(duì)濾波器的頻率響應(yīng)和傳輸特性產(chǎn)生顯著影響。磁耦合則是借助磁場(chǎng)的相互作用來(lái)實(shí)現(xiàn)能量傳遞，電感耦合是常見的磁耦合方式。在一些基于電感線圈的耦合諧振器中，通過(guò)調(diào)整線圈的匝數(shù)、直徑以及它們之間的相對(duì)位置，可以改變磁耦合的強(qiáng)度。例如，當(dāng)兩個(gè)電感線圈的匝數(shù)增加或距離靠近時(shí)，磁耦合增強(qiáng)，使得諧振器之間的耦合更加緊密，進(jìn)而影響濾波器的性能。在實(shí)際應(yīng)用中，磁耦合常用于需要較強(qiáng)耦合強(qiáng)度的場(chǎng)合，如一些功率放大器的輸出匹配網(wǎng)絡(luò)中，通過(guò)磁耦合實(shí)現(xiàn)信號(hào)的高效傳輸和匹配?；旌像詈鲜请婑詈虾痛篷詈贤瑫r(shí)存在的情況，在一些復(fù)雜的耦合諧振器結(jié)構(gòu)中，往往同時(shí)存在電耦合和磁耦合，它們相互作用，共同決定了耦合諧振器的性能。例如，在某些微波濾波器中，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)諧振器的結(jié)構(gòu)，使得電耦合和磁耦合在不同的頻率范圍內(nèi)發(fā)揮主導(dǎo)作用，從而實(shí)現(xiàn)更加靈活和優(yōu)化的濾波特性。耦合系數(shù)k用于定量描述耦合諧振器之間耦合的緊密程度，它是衡量耦合諧振器性能的重要參數(shù)。耦合系數(shù)的定義與具體的耦合方式有關(guān)，對(duì)于電感耦合的兩個(gè)諧振器，耦合系數(shù)k可表示為k=\frac{M}{\sqrt{L_1L_2}}，其中M為互感，L_1和L_2分別為兩個(gè)諧振器的自感。對(duì)于電容耦合的諧振器，耦合系數(shù)可通過(guò)電容和相關(guān)電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。耦合系數(shù)的大小對(duì)濾波性能有著至關(guān)重要的影響。當(dāng)耦合系數(shù)k較小時(shí)，諧振器之間的耦合較弱，濾波器的通帶較窄，帶外抑制能力相對(duì)較強(qiáng)，但信號(hào)在諧振器之間的傳輸損耗較大。在一些對(duì)帶外抑制要求較高的通信系統(tǒng)中，如衛(wèi)星通信的地面接收設(shè)備，較小的耦合系數(shù)可以有效抑制來(lái)自其他頻段的干擾信號(hào)，保證接收信號(hào)的質(zhì)量。當(dāng)耦合系數(shù)k較大時(shí)，諧振器之間的耦合較強(qiáng)，濾波器的通帶變寬，信號(hào)傳輸損耗減小，但帶外抑制能力可能會(huì)有所下降。在一些需要寬頻帶信號(hào)傳輸?shù)膽?yīng)用中，如5G通信基站的射頻前端濾波器，較大的耦合系數(shù)可以滿足大帶寬信號(hào)的濾波需求，提高通信系統(tǒng)的傳輸效率。通過(guò)合理調(diào)整耦合系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器通帶寬度、帶外抑制、插入損耗等性能指標(biāo)的優(yōu)化，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。2.2微波濾波電路基礎(chǔ)2.2.1濾波器分類與特性微波濾波器根據(jù)其頻率選擇特性，可分為低通濾波器、高通濾波器、帶通濾波器和帶阻濾波器四大類，它們各自具有獨(dú)特的特性和廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。低通濾波器（Low-PassFilter，LPF）的特性是允許低頻信號(hào)通過(guò)，而對(duì)高頻信號(hào)進(jìn)行抑制。在其頻率響應(yīng)中，截止頻率f_c是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，低于f_c的頻率范圍為通帶，信號(hào)在通帶內(nèi)能夠幾乎無(wú)損耗地通過(guò)；高于f_c的頻率范圍為阻帶，信號(hào)在阻帶內(nèi)會(huì)被逐漸衰減。例如，在音頻信號(hào)處理中，低通濾波器可用于去除高頻噪聲，使音頻信號(hào)更加純凈。在直流電源的穩(wěn)壓電路中，低通濾波器能夠?yàn)V除開關(guān)電源產(chǎn)生的高頻紋波，提供穩(wěn)定的直流電壓，確保電子設(shè)備的正常工作。高通濾波器（High-PassFilter，HPF）則與低通濾波器相反，它允許高頻信號(hào)通過(guò)，抑制低頻信號(hào)。同樣以截止頻率f_c為界，高于f_c的頻率是通帶，低于f_c的頻率是阻帶。在通信系統(tǒng)中，高通濾波器常用于消除直流偏移，避免直流分量對(duì)后續(xù)電路的影響。在圖像處理領(lǐng)域，高通濾波器可以突出圖像的高頻特征，如邊緣和細(xì)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)圖像的銳化和增強(qiáng)。帶通濾波器（Band-PassFilter，BPF）允許一段特定頻率范圍內(nèi)的信號(hào)通過(guò)，而抑制低于或高于此頻段的信號(hào)。它有兩個(gè)關(guān)鍵的截止頻率，即下限截止頻率f_{c1}和上限截止頻率f_{c2}，f_{c1}到f_{c2}之間的頻率范圍為通帶，其他范圍為阻帶。在無(wú)線通信中，帶通濾波器是信道選擇的關(guān)鍵部件，它能夠從眾多頻率的信號(hào)中篩選出特定信道的信號(hào)，保證通信的準(zhǔn)確性和可靠性。在聲音信號(hào)處理中，帶通濾波器可用于提取某一特定頻段的聲音，如在語(yǔ)音識(shí)別系統(tǒng)中，通過(guò)帶通濾波器提取語(yǔ)音信號(hào)的有效頻段，提高識(shí)別準(zhǔn)確率。帶阻濾波器（Band-StopFilter，BSF），也稱為陷波器（NotchFilter），其特性是阻止特定頻段的信號(hào)通過(guò)，而允許其他頻率范圍的信號(hào)通過(guò)。與帶通濾波器類似，它也有下限截止頻率f_{c1}和上限截止頻率f_{c2}，f_{c1}到f_{c2}之間的頻率范圍為阻帶，其余為通帶。在電力系統(tǒng)中，帶阻濾波器可用于消除50Hz電源工頻噪聲，避免其對(duì)電力設(shè)備和信號(hào)傳輸?shù)母蓴_。在音頻信號(hào)處理中，帶阻濾波器能夠抑制特定頻段的共鳴，改善音頻質(zhì)量。2.2.2主要性能指標(biāo)微波濾波器的性能優(yōu)劣由多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)來(lái)衡量，這些指標(biāo)直接影響著濾波器在各種應(yīng)用中的效果，以下對(duì)插入損耗、帶內(nèi)波動(dòng)、帶外抑制、端口駐波比等主要性能指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)解釋。插入損耗（InsertionLoss）是指信號(hào)通過(guò)濾波器后，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)之間的功率差距，它定量地描述了濾波器對(duì)信號(hào)功率的衰減程度，通常用dB表示。其計(jì)算公式為IL=10\log_{10}(\frac{P_{in}}{P_{out}})，其中P_{in}是輸入功率，P_{out}是輸出功率。在理想情況下，插入損耗應(yīng)盡可能小，尤其是在通帶范圍內(nèi)，這樣信號(hào)才能幾乎無(wú)損耗地通過(guò)濾波器，保證信號(hào)的有效傳輸。然而，實(shí)際的濾波器由于電阻、電感、電容等元件的存在，不可避免地會(huì)產(chǎn)生能量損耗，導(dǎo)致插入損耗的產(chǎn)生。例如，在通信系統(tǒng)中，濾波器的插入損耗過(guò)大可能會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱，影響通信質(zhì)量，增加誤碼率。帶內(nèi)波動(dòng)（In-BandRipple）是指在濾波器的通帶內(nèi)，信號(hào)幅度的起伏程度。它反映了濾波器在通帶內(nèi)的頻率響應(yīng)平坦度，通常用dB表示。帶內(nèi)波動(dòng)主要受限于諧振器的固有Q值以及濾波器的設(shè)計(jì)和制造工藝。較小的帶內(nèi)波動(dòng)意味著濾波器在通帶內(nèi)對(duì)不同頻率信號(hào)的增益較為均勻，能夠更準(zhǔn)確地傳輸信號(hào)。例如，在音頻信號(hào)處理中，如果濾波器的帶內(nèi)波動(dòng)較大，可能會(huì)導(dǎo)致音頻信號(hào)的某些頻率成分被過(guò)度放大或衰減，從而產(chǎn)生音質(zhì)失真。帶外抑制（Out-of-BandRejection）又稱阻帶抑制，它衡量的是濾波器對(duì)通帶以外信號(hào)的衰減能力，通常以dB為單位。理想的濾波器應(yīng)具有矩形的頻率響應(yīng)，即通帶內(nèi)的信號(hào)能夠全部通過(guò)，而通帶外的信號(hào)能夠被完全過(guò)濾掉。但在實(shí)際情況中，濾波器只能對(duì)通帶外的信號(hào)進(jìn)行部分衰減，帶外抑制能力越強(qiáng)，說(shuō)明濾波器對(duì)不需要的頻率信號(hào)的抑制效果越好，能夠有效減少干擾信號(hào)對(duì)系統(tǒng)的影響。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，濾波器需要具有很強(qiáng)的帶外抑制能力，以抑制來(lái)自其他頻段的干擾信號(hào)，確保雷達(dá)能夠準(zhǔn)確地檢測(cè)到目標(biāo)信號(hào)。端口駐波比（VoltageStandingWaveRatio，VSWR）是衡量濾波器端口與系統(tǒng)中其他部件匹配程度的重要指標(biāo)。當(dāng)系統(tǒng)不匹配時(shí)，饋線上會(huì)同時(shí)存在入射波和反射波。端口駐波比定義為饋線上電壓最大值與電壓最小值之比，即VSWR=\frac{E_{max}}{E_{min}}。理想情況下，端口駐波比為1，表示信號(hào)能夠完全傳輸，沒有反射；而實(shí)際中，端口駐波比通常大于1，其值越大，說(shuō)明反射波越強(qiáng)，信號(hào)傳輸效率越低。例如，在微波通信系統(tǒng)中，如果濾波器的端口駐波比過(guò)大，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射嚴(yán)重，不僅降低了信號(hào)的傳輸功率，還可能對(duì)發(fā)射機(jī)等設(shè)備造成損壞。三、多頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)3.1多頻帶設(shè)計(jì)原理與方法3.1.1基于耦合諧振器的多頻帶實(shí)現(xiàn)思路基于耦合諧振器的多頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)，其核心原理是通過(guò)巧妙調(diào)整耦合諧振器的關(guān)鍵參數(shù)，如諧振頻率、耦合系數(shù)等，利用不同諧振模式之間的相互作用，實(shí)現(xiàn)多個(gè)特定頻率通帶的構(gòu)建，從而滿足多頻帶通信系統(tǒng)對(duì)不同頻段信號(hào)濾波的需求。耦合諧振器的諧振頻率是實(shí)現(xiàn)多頻帶濾波的基礎(chǔ)要素之一。根據(jù)諧振器的基本原理，其諧振頻率f與電感L和電容C的關(guān)系滿足f=\frac{1}{2\pi\sqrt{LC}}。在實(shí)際的耦合諧振器結(jié)構(gòu)中，通過(guò)精確設(shè)計(jì)諧振器的幾何尺寸、材料特性以及加載元件等方式，可以靈活地調(diào)整電感和電容的數(shù)值，進(jìn)而精確控制諧振頻率。例如，在微帶線耦合諧振器中，通過(guò)改變微帶線的長(zhǎng)度、寬度以及與接地平面的距離等幾何參數(shù)，能夠有效地改變其等效電感和電容，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)諧振頻率的精確調(diào)控。在一些需要覆蓋特定通信頻段的應(yīng)用中，如2.4GHz的Wi-Fi頻段和5GHz的無(wú)線通信頻段，通過(guò)精心設(shè)計(jì)耦合諧振器的參數(shù)，使其分別在這兩個(gè)頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)這兩個(gè)頻段信號(hào)的有效濾波。耦合系數(shù)作為描述耦合諧振器之間耦合緊密程度的關(guān)鍵參數(shù)，對(duì)多頻帶濾波性能有著至關(guān)重要的影響。如前文所述，耦合系數(shù)k與互感M、自感L_1和L_2（對(duì)于電感耦合）或電容等相關(guān)參數(shù)（對(duì)于電容耦合）密切相關(guān)。在多頻帶濾波器設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理調(diào)整耦合系數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)不同諧振模式之間的能量交換和耦合，從而在不同頻率處形成通帶。當(dāng)需要在濾波器中增加一個(gè)新的通帶時(shí)，可以通過(guò)改變耦合結(jié)構(gòu)，如調(diào)整耦合微帶線之間的間距、重疊長(zhǎng)度等，來(lái)改變耦合系數(shù)，使諧振器在新的頻率點(diǎn)產(chǎn)生諧振，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)多頻帶濾波的功能。此外，通過(guò)巧妙設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)，還可以實(shí)現(xiàn)不同通帶之間的高隔離度，有效避免不同頻段信號(hào)之間的相互干擾。在實(shí)際的多頻帶濾波器設(shè)計(jì)中，往往會(huì)利用多個(gè)耦合諧振器的不同諧振模式來(lái)實(shí)現(xiàn)多頻帶功能。例如，采用多個(gè)不同尺寸的諧振器相互耦合，每個(gè)諧振器具有不同的固有諧振頻率，通過(guò)調(diào)整它們之間的耦合系數(shù)和相位關(guān)系，可以在不同頻率處形成多個(gè)通帶。在一些復(fù)雜的多頻帶濾波器設(shè)計(jì)中，還會(huì)引入一些特殊的結(jié)構(gòu)，如缺陷地結(jié)構(gòu)（DefectedGroundStructure，DGS）、開口環(huán)諧振器（SplitRingResonator，SRR）等，利用這些結(jié)構(gòu)與耦合諧振器之間的電磁相互作用，進(jìn)一步拓展和優(yōu)化多頻帶濾波性能。DGS結(jié)構(gòu)可以在特定頻率處引入傳輸零點(diǎn)，提高濾波器的選擇性和帶外抑制能力，同時(shí)也可以對(duì)諧振器的諧振頻率產(chǎn)生影響，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)多頻帶濾波特性的精細(xì)調(diào)控。3.1.2設(shè)計(jì)方法與流程基于耦合諧振器的多頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性的過(guò)程，需要綜合考慮多方面的因素，遵循科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)脑O(shè)計(jì)方法與流程，以確保設(shè)計(jì)出的濾波器能夠滿足特定的性能要求。其主要設(shè)計(jì)流程包括需求分析、低通原型濾波器設(shè)計(jì)、頻率變換與電路綜合、參數(shù)優(yōu)化與仿真分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與性能評(píng)估等關(guān)鍵步驟。需求分析是整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程的首要環(huán)節(jié)，它直接關(guān)系到濾波器設(shè)計(jì)的方向和目標(biāo)。在這一步驟中，需要深入了解濾波器的應(yīng)用場(chǎng)景和具體需求，明確關(guān)鍵性能指標(biāo)，如中心頻率、帶寬、插入損耗、帶外抑制、通帶間隔離度等。在設(shè)計(jì)用于5G通信基站的多頻帶濾波器時(shí)，需要根據(jù)5G通信的頻段劃分和信號(hào)傳輸要求，確定濾波器需要覆蓋的頻率范圍，如3.3-3.6GHz和4.8-5.0GHz等頻段，同時(shí)明確每個(gè)頻段的帶寬要求、插入損耗上限以及帶外抑制指標(biāo)等。只有準(zhǔn)確把握這些需求，才能為后續(xù)的設(shè)計(jì)工作提供明確的指導(dǎo)。在明確需求后，通常會(huì)根據(jù)濾波器的性能指標(biāo)設(shè)計(jì)低通原型濾波器。低通原型濾波器是一種具有特定歸一化頻率和元件值的濾波器模型，它是設(shè)計(jì)各種微波濾波器的基礎(chǔ)。常見的低通原型濾波器有巴特沃斯（Butterworth）型、切比雪夫（Chebyshev）型和橢圓函數(shù)（Elliptic）型等。巴特沃斯型低通原型濾波器具有通帶內(nèi)平坦的頻率響應(yīng)特性，適用于對(duì)通帶平坦度要求較高的場(chǎng)合；切比雪夫型低通原型濾波器則在通帶內(nèi)具有一定的紋波，但可以在相同階數(shù)下獲得更陡峭的過(guò)渡帶和更高的帶外抑制能力，適用于對(duì)帶外抑制要求較高的應(yīng)用；橢圓函數(shù)型低通原型濾波器則兼具傳輸零點(diǎn)和陡峭的過(guò)渡帶特性，能夠在較小的階數(shù)下實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能。根據(jù)低通原型濾波器，通過(guò)頻率變換和電路綜合技術(shù)，將其轉(zhuǎn)換為滿足多頻帶要求的微波濾波器電路。頻率變換是將低通原型濾波器的歸一化頻率轉(zhuǎn)換為實(shí)際的微波頻率，常用的頻率變換方法有低通-高通變換、低通-帶通變換和低通-帶阻變換等。低通-帶通變換可以通過(guò)將低通原型濾波器中的電感和電容元件進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖儞Q，使其在特定的頻率范圍內(nèi)形成帶通濾波器。電路綜合則是根據(jù)頻率變換后的結(jié)果，確定濾波器的具體電路結(jié)構(gòu)和元件參數(shù)，如耦合諧振器的數(shù)量、耦合方式、諧振器的尺寸和形狀等。在得到初步的電路參數(shù)后，需要利用電磁仿真軟件，如HFSS、CST等，對(duì)濾波器進(jìn)行仿真分析。通過(guò)仿真，可以得到濾波器的頻率響應(yīng)、插入損耗、帶外抑制、端口駐波比等性能指標(biāo)，評(píng)估濾波器是否滿足設(shè)計(jì)要求。如果仿真結(jié)果不理想，需要對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，如改變耦合系數(shù)、諧振器的尺寸、饋線的長(zhǎng)度和寬度等。在優(yōu)化過(guò)程中，可以采用一些優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，自動(dòng)搜索最優(yōu)的電路參數(shù)，提高優(yōu)化效率和準(zhǔn)確性。最后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證來(lái)評(píng)估濾波器的實(shí)際性能。將設(shè)計(jì)并制作好的濾波器樣品，使用網(wǎng)絡(luò)分析儀等測(cè)試設(shè)備進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，獲取濾波器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。將實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析，如果兩者存在差異，需要深入分析原因，如制作工藝誤差、測(cè)量誤差、電路模型的不完善等，并對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和改進(jìn)，直到濾波器的性能滿足設(shè)計(jì)要求為止。三、多頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)3.2具體電路設(shè)計(jì)實(shí)例與分析3.2.1雙頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)以某雙頻帶通信系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)要求濾波器能夠同時(shí)處理2.4GHz的Wi-Fi頻段和5.8GHz的無(wú)線通信頻段信號(hào)，具體性能指標(biāo)如下：在2.4GHz頻段，中心頻率f_{c1}=2.4GHz，相對(duì)帶寬BW_1=5\%，插入損耗IL_1\leqslant1dB，帶外抑制在2.2-2.3GHz和2.5-2.6GHz頻段大于30dB；在5.8GHz頻段，中心頻率f_{c2}=5.8GHz，相對(duì)帶寬BW_2=8\%，插入損耗IL_2\leqslant1.5dB，帶外抑制在5.5-5.7GHz和5.9-6.0GHz頻段大于35dB，且兩個(gè)通帶之間的隔離度大于40dB。根據(jù)上述設(shè)計(jì)需求，采用平行耦合微帶線諧振器作為基本結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙頻帶濾波功能。首先，根據(jù)耦合諧振器的設(shè)計(jì)原理，利用低通原型濾波器設(shè)計(jì)方法，選擇切比雪夫型低通原型濾波器，其具有在相同階數(shù)下能獲得更陡峭過(guò)渡帶和較高帶外抑制能力的特點(diǎn)，符合本設(shè)計(jì)對(duì)帶外抑制的要求。通過(guò)低通-帶通頻率變換公式，將低通原型濾波器轉(zhuǎn)換為雙頻帶通濾波器的初始電路結(jié)構(gòu)。在確定初始電路結(jié)構(gòu)后，需要計(jì)算耦合諧振器的關(guān)鍵參數(shù)，如諧振器的長(zhǎng)度L、寬度W以及耦合微帶線之間的間距S等。對(duì)于微帶線諧振器，其諧振頻率f與微帶線的長(zhǎng)度L近似滿足f=\frac{c}{2L\sqrt{\varepsilon_{eff}}}，其中c為光速，\varepsilon_{eff}為微帶線的有效介電常數(shù)，可通過(guò)相關(guān)公式計(jì)算得出。通過(guò)調(diào)整微帶線的長(zhǎng)度L，使其分別在2.4GHz和5.8GHz產(chǎn)生諧振。對(duì)于耦合系數(shù)k的計(jì)算，根據(jù)平行耦合微帶線的耦合系數(shù)計(jì)算公式k=\frac{C_{m}}{\sqrt{C_{11}C_{22}}}（其中C_{m}為互電容，C_{11}和C_{22}分別為兩個(gè)微帶線的自電容），通過(guò)調(diào)整耦合微帶線之間的間距S來(lái)改變耦合系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)不同通帶的性能要求。在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)仿真分析得到在2.4GHz頻段，耦合微帶線之間的間距S_1約為0.2mm時(shí)，可滿足該頻段的帶寬和帶外抑制要求；在5.8GHz頻段，耦合微帶線之間的間距S_2約為0.1mm時(shí)，可滿足該頻段的性能要求。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)設(shè)計(jì)的雙頻帶微波濾波器進(jìn)行仿真分析。在仿真過(guò)程中，設(shè)置仿真頻率范圍為1-8GHz，掃頻點(diǎn)數(shù)為5001，以保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)仿真得到濾波器的頻率響應(yīng)曲線，如圖1所示。從圖中可以看出，在2.4GHz頻段，濾波器的插入損耗約為0.8dB，帶外抑制在指定頻段均大于30dB；在5.8GHz頻段，插入損耗約為1.2dB，帶外抑制在指定頻段均大于35dB，兩個(gè)通帶之間的隔離度大于40dB，滿足設(shè)計(jì)要求。[此處插入雙頻帶微波濾波器仿真頻率響應(yīng)曲線]為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性，制作了雙頻帶微波濾波器實(shí)物樣品，并使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果對(duì)比如表1所示。從表中可以看出，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，在2.4GHz頻段，測(cè)試的插入損耗略高于仿真值，這主要是由于制作工藝誤差和測(cè)試誤差導(dǎo)致的；在5.8GHz頻段，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果也較為接近，驗(yàn)證了該雙頻帶微波濾波器設(shè)計(jì)的有效性。頻率仿真插入損耗(dB)測(cè)試插入損耗(dB)仿真帶外抑制(dB)測(cè)試帶外抑制(dB)仿真通帶隔離度(dB)測(cè)試通帶隔離度(dB)2.4GHz0.80.95>30>28>40>385.8GHz1.21.35>35>33--3.2.2三頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)在三頻帶微波濾波電路設(shè)計(jì)中，除了要考慮與雙頻帶濾波器類似的諧振頻率和耦合系數(shù)的調(diào)整外，還需要特別關(guān)注如何實(shí)現(xiàn)三個(gè)通帶之間的良好隔離以及在有限的空間內(nèi)合理布局耦合諧振器，以避免各通帶之間的相互干擾。以設(shè)計(jì)一個(gè)應(yīng)用于無(wú)線通信系統(tǒng)的三頻帶濾波器為例，該濾波器需要覆蓋1.8GHz、2.4GHz和5.2GHz三個(gè)頻段，具體性能指標(biāo)為：在1.8GHz頻段，中心頻率f_{c1}=1.8GHz，相對(duì)帶寬BW_1=4\%，插入損耗IL_1\leqslant1.2dB，帶外抑制在1.6-1.7GHz和1.9-2.0GHz頻段大于30dB；在2.4GHz頻段，中心頻率f_{c2}=2.4GHz，相對(duì)帶寬BW_2=5\%，插入損耗IL_2\leqslant1dB，帶外抑制在2.2-2.3GHz和2.5-2.6GHz頻段大于35dB；在5.2GHz頻段，中心頻率f_{c3}=5.2GHz，相對(duì)帶寬BW_3=6\%，插入損耗IL_3\leqslant1.5dB，帶外抑制在5.0-5.1GHz和5.3-5.4GHz頻段大于40dB，且三個(gè)通帶之間的隔離度均大于40dB。采用一種由兩個(gè)彎折并相互嵌套的分支線諧振器和一個(gè)T形諧振器組成的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠通過(guò)諧振器之間的相互耦合，產(chǎn)生三個(gè)通帶的頻率響應(yīng)特性。通過(guò)調(diào)節(jié)微帶線的幾何參數(shù)，如長(zhǎng)度、寬度、彎折角度等，可以精確控制諧振器的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)三個(gè)通帶中心頻率的準(zhǔn)確設(shè)置。在耦合系數(shù)的調(diào)整方面，通過(guò)改變諧振器之間的間距、耦合方式以及耦合面積等參數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)不同通帶的耦合強(qiáng)度控制。對(duì)于1.8GHz和2.4GHz通帶之間的耦合，采用適當(dāng)?shù)碾姼旭詈戏绞?，并調(diào)整耦合距離，使耦合系數(shù)滿足該頻段的帶寬和帶外抑制要求；對(duì)于2.4GHz和5.2GHz通帶之間的耦合，采用電容耦合與電感耦合相結(jié)合的方式，通過(guò)優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)，確保兩個(gè)通帶之間具有良好的隔離度。在布局設(shè)計(jì)中，充分考慮了諧振器之間的電磁干擾問(wèn)題。將工作頻率較低的1.8GHz諧振器放置在電路板的內(nèi)層，以減少其對(duì)其他高頻諧振器的干擾；將2.4GHz和5.2GHz諧振器分別放置在外層的不同區(qū)域，并通過(guò)合理設(shè)置接地平面和屏蔽結(jié)構(gòu)，有效降低了它們之間的相互干擾。利用電磁仿真軟件CST對(duì)設(shè)計(jì)的三頻帶濾波器進(jìn)行仿真分析。設(shè)置仿真頻率范圍為1-6GHz，掃頻點(diǎn)數(shù)為8001，以獲得更精確的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，在1.8GHz頻段，插入損耗約為1.1dB，帶外抑制在指定頻段大于30dB；在2.4GHz頻段，插入損耗約為0.9dB，帶外抑制在指定頻段大于35dB；在5.2GHz頻段，插入損耗約為1.3dB，帶外抑制在指定頻段大于40dB，三個(gè)通帶之間的隔離度均大于40dB，滿足設(shè)計(jì)要求。制作了三頻帶濾波器的實(shí)物樣品，并使用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在1.8GHz頻段，插入損耗為1.25dB，帶外抑制大于28dB；在2.4GHz頻段，插入損耗為1.05dB，帶外抑制大于33dB；在5.2GHz頻段，插入損耗為1.45dB，帶外抑制大于38dB，三個(gè)通帶之間的隔離度大于38dB。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的誤差，但整體性能仍滿足設(shè)計(jì)的基本要求，驗(yàn)證了該三頻帶濾波器設(shè)計(jì)的可行性和有效性。四、平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)技術(shù)4.1平衡式濾波電路原理與優(yōu)勢(shì)4.1.1平衡式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)平衡式微波濾波電路作為一種在現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中具有重要應(yīng)用價(jià)值的電路形式，與傳統(tǒng)的單端濾波電路相比，在結(jié)構(gòu)和性能上展現(xiàn)出諸多顯著優(yōu)勢(shì)。從結(jié)構(gòu)上看，平衡式濾波電路采用差分信號(hào)傳輸方式，具有兩個(gè)幅度相等、相位相反的信號(hào)路徑，即通常所說(shuō)的正相信號(hào)路徑和反相信號(hào)路徑。這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)單端結(jié)構(gòu)有著本質(zhì)的區(qū)別，傳統(tǒng)單端結(jié)構(gòu)僅通過(guò)一條信號(hào)路徑傳輸信號(hào)，以地為參考。例如，在微帶線平衡式濾波器中，由一對(duì)對(duì)稱的微帶線組成差分傳輸線，信號(hào)分別在這兩條微帶線上傳輸，形成差分信號(hào)。與單端微帶線相比，平衡式微帶線結(jié)構(gòu)在物理布局上更加緊湊，能夠在有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高效的信號(hào)傳輸和處理。在性能方面，平衡式濾波電路具有出色的抗干擾能力。由于差分信號(hào)的特性，當(dāng)外界干擾信號(hào)同時(shí)作用于兩條信號(hào)路徑時(shí)，干擾信號(hào)在兩條路徑上產(chǎn)生的影響幾乎相同，在接收端通過(guò)差分處理，能夠有效抵消這些共模干擾信號(hào)，從而顯著提高信號(hào)的質(zhì)量和可靠性。例如，在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，存在大量的電磁干擾，平衡式濾波器能夠有效地抑制這些干擾，保證數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確傳輸，降低誤碼率。而傳統(tǒng)單端濾波器在面對(duì)復(fù)雜電磁干擾時(shí)，抗干擾能力相對(duì)較弱，信號(hào)容易受到干擾而產(chǎn)生失真和誤碼。平衡式濾波電路還能有效減小電磁干擾的輻射。由于差分信號(hào)的電流在兩條信號(hào)路徑中方向相反，它們產(chǎn)生的電磁場(chǎng)相互抵消，從而減少了向外輻射的電磁能量，降低了對(duì)周圍電路的干擾。這在高度集成的微波系統(tǒng)中尤為重要，能夠提高整個(gè)系統(tǒng)的電磁兼容性，避免不同電路模塊之間的相互干擾。例如，在手機(jī)等小型化通信設(shè)備中，平衡式濾波器的應(yīng)用可以減少射頻信號(hào)對(duì)其他電路模塊的干擾，提高設(shè)備的穩(wěn)定性和性能。此外，平衡式濾波電路在信號(hào)傳輸?shù)木€性度和動(dòng)態(tài)范圍方面也具有優(yōu)勢(shì)。由于差分信號(hào)的對(duì)稱性，在信號(hào)傳輸過(guò)程中能夠更好地保持信號(hào)的線性特性，減少非線性失真的產(chǎn)生。同時(shí)，平衡式結(jié)構(gòu)能夠提高電路的動(dòng)態(tài)范圍，使其能夠處理更大幅度的信號(hào)而不失真。這對(duì)于一些需要處理大信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的應(yīng)用場(chǎng)景，如雷達(dá)系統(tǒng)中的射頻信號(hào)處理，具有重要意義，能夠提高系統(tǒng)對(duì)微弱信號(hào)和強(qiáng)信號(hào)的處理能力，增強(qiáng)系統(tǒng)的探測(cè)性能。4.1.2共模抑制與差模傳輸特性在平衡式微波濾波電路中，共模抑制比（CommonModeRejectionRatio，CMRR）和差模傳輸系數(shù)是衡量其性能的兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，它們對(duì)于理解和評(píng)估平衡式濾波器的工作特性具有重要意義。共模抑制比是指濾波器對(duì)差模信號(hào)的放大倍數(shù)與對(duì)共模信號(hào)的放大倍數(shù)之比，通常用分貝（dB）表示，其數(shù)學(xué)定義為CMRR=20\log_{10}(\frac{A_71dlnd7}{A_{c}})，其中A_zzddz1l是差模信號(hào)電壓放大倍數(shù)，A_{c}是共模信號(hào)電壓放大倍數(shù)。在理想情況下，平衡式濾波器應(yīng)該只對(duì)差模信號(hào)進(jìn)行有效放大和傳輸，而對(duì)共模信號(hào)具有無(wú)限大的抑制能力，即CMRR趨于無(wú)窮大。但在實(shí)際應(yīng)用中，由于電路元件的非理想特性、結(jié)構(gòu)的不完全對(duì)稱性等因素，CMRR是一個(gè)有限值。較高的共模抑制比意味著濾波器能夠更有效地抑制共模信號(hào)，提高信號(hào)的抗干擾能力。例如，在一個(gè)具有高共模抑制比的平衡式濾波器中，當(dāng)存在共模干擾信號(hào)時(shí)，由于濾波器對(duì)共模信號(hào)的抑制作用，干擾信號(hào)在輸出端的幅度被大大削弱，而差模信號(hào)能夠正常傳輸，從而保證了輸出信號(hào)的質(zhì)量。共模抑制比對(duì)于平衡式濾波器的性能至關(guān)重要。在實(shí)際的微波通信系統(tǒng)中，不可避免地會(huì)存在各種共模干擾源，如電源噪聲、空間電磁干擾等。如果平衡式濾波器的共模抑制比不足，這些共模干擾信號(hào)將無(wú)法被有效抑制，會(huì)混入差模信號(hào)中，導(dǎo)致信號(hào)失真、信噪比下降，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。在射頻收發(fā)系統(tǒng)中，共模干擾可能會(huì)導(dǎo)致接收信號(hào)的誤判，增加誤碼率，影響通信的可靠性；在發(fā)射系統(tǒng)中，共模干擾可能會(huì)干擾其他通信頻段，造成電磁污染。差模傳輸系數(shù)則反映了平衡式濾波器對(duì)差模信號(hào)的傳輸能力，通常用傳輸參數(shù)S_{dd21}表示（對(duì)于四端口平衡式濾波器，端口1和2為差分輸入端口，端口3和4為差分輸出端口）。差模傳輸系數(shù)越大，說(shuō)明濾波器對(duì)差模信號(hào)的傳輸損耗越小，信號(hào)能夠更有效地通過(guò)濾波器。在設(shè)計(jì)平衡式濾波器時(shí)，需要確保差模傳輸系數(shù)滿足應(yīng)用需求，以保證信號(hào)在傳輸過(guò)程中的功率損失在可接受范圍內(nèi)。差模傳輸系數(shù)直接關(guān)系到平衡式濾波器的信號(hào)傳輸質(zhì)量。在通信系統(tǒng)中，差模信號(hào)承載著有用的信息，濾波器的差模傳輸系數(shù)決定了信號(hào)在經(jīng)過(guò)濾波處理后的衰減程度。如果差模傳輸系數(shù)過(guò)小，信號(hào)在通過(guò)濾波器時(shí)會(huì)產(chǎn)生較大的衰減，導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度減弱，影響通信距離和信號(hào)的可靠性。在長(zhǎng)距離無(wú)線通信中，信號(hào)經(jīng)過(guò)多次濾波處理，如果濾波器的差模傳輸系數(shù)不理想，信號(hào)可能會(huì)衰減到無(wú)法被正確接收和處理的程度，從而導(dǎo)致通信中斷。在實(shí)際的平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮共模抑制比和差模傳輸系數(shù)這兩個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，通過(guò)優(yōu)化電路結(jié)構(gòu)、選擇合適的元件參數(shù)以及采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高共模抑制比和良好的差模傳輸特性，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)平衡式濾波器性能的嚴(yán)格要求。4.2平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)要點(diǎn)與實(shí)例4.2.1設(shè)計(jì)關(guān)鍵要點(diǎn)在平衡式微波濾波電路的設(shè)計(jì)過(guò)程中，元件選擇、布局布線以及接地處理等方面的要點(diǎn)對(duì)于實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能和電路穩(wěn)定性至關(guān)重要。元件選擇是設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)環(huán)節(jié)，直接影響濾波器的性能。在選擇電容時(shí)，需要綜合考慮電容的類型、容量精度、損耗角正切、溫度系數(shù)等因素。陶瓷電容因其具有體積小、損耗低、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，在微波頻段得到廣泛應(yīng)用。對(duì)于高精度的濾波電路，應(yīng)選用容量精度高的陶瓷電容，以確保濾波特性的準(zhǔn)確性；在高頻應(yīng)用中，要選擇損耗角正切小的陶瓷電容，以減少信號(hào)的能量損耗。電感的選擇同樣關(guān)鍵，其電感值、品質(zhì)因數(shù)、直流電阻等參數(shù)會(huì)對(duì)濾波器性能產(chǎn)生重要影響。在微波電路中，通常采用平面螺旋電感或片式電感。平面螺旋電感具有較高的Q值和較小的尺寸，適合集成化設(shè)計(jì)，但直流電阻較大，會(huì)增加信號(hào)的傳輸損耗；片式電感則具有較小的寄生電容和電感值穩(wěn)定性，適用于高頻、高功率的應(yīng)用場(chǎng)景。布局布線對(duì)平衡式微波濾波電路的性能也有著顯著影響。在布局時(shí)，應(yīng)遵循對(duì)稱原則，確保差分信號(hào)路徑的長(zhǎng)度和形狀盡可能一致，以保證差分信號(hào)的平衡性。將差分輸入輸出端口對(duì)稱放置，減少信號(hào)傳輸路徑的不對(duì)稱性，從而降低共模信號(hào)的產(chǎn)生。同時(shí)，要合理安排諧振器和耦合結(jié)構(gòu)的位置，減少它們之間的電磁干擾。將諧振器之間的距離保持在合適的范圍內(nèi)，避免過(guò)近導(dǎo)致強(qiáng)耦合引起的性能惡化，或過(guò)遠(yuǎn)導(dǎo)致耦合不足影響濾波效果。在布線方面，要采用合適的線寬和線間距，以滿足信號(hào)傳輸和電磁兼容性的要求。較寬的線寬可以降低信號(hào)傳輸?shù)碾娮钃p耗，提高信號(hào)的傳輸效率，但會(huì)占用更多的電路板空間；較窄的線間距可以減小電路板的尺寸，但可能會(huì)增加信號(hào)之間的串?dāng)_。因此，需要根據(jù)具體的電路參數(shù)和性能要求，通過(guò)電磁仿真等手段，優(yōu)化線寬和線間距。采用差分對(duì)布線技術(shù)，將差分信號(hào)線緊密耦合在一起，可以有效抑制共模干擾，提高信號(hào)的抗干擾能力。接地處理是平衡式微波濾波電路設(shè)計(jì)中不容忽視的環(huán)節(jié)，良好的接地可以有效降低電磁干擾，提高電路的穩(wěn)定性和性能。應(yīng)確保接地平面的完整性，避免出現(xiàn)接地平面的縫隙或不連續(xù)區(qū)域，因?yàn)檫@些缺陷可能會(huì)導(dǎo)致電磁泄漏和信號(hào)反射，影響濾波器的性能。在多層電路板設(shè)計(jì)中，合理規(guī)劃接地層，將接地層與電源層相鄰設(shè)置，可以利用電源層和接地層之間的電容效應(yīng)，減少電源噪聲對(duì)信號(hào)的影響。使用多個(gè)接地過(guò)孔，將不同層的接地平面連接起來(lái)，降低接地電阻，提高接地的可靠性。為了進(jìn)一步提高電路的抗干擾能力，可以采用接地屏蔽技術(shù)。在敏感電路周圍設(shè)置接地屏蔽層，將干擾信號(hào)屏蔽在屏蔽層之外，避免其對(duì)電路的影響。在平衡式濾波器的輸入輸出端口周圍設(shè)置接地屏蔽，防止外界干擾信號(hào)進(jìn)入濾波器，同時(shí)也防止濾波器內(nèi)部的信號(hào)泄漏出去，影響其他電路的正常工作。4.2.2設(shè)計(jì)實(shí)例分析以一款應(yīng)用于5G基站射頻前端的平衡式帶通濾波器設(shè)計(jì)為例，詳細(xì)闡述平衡式微波濾波電路的設(shè)計(jì)過(guò)程及性能測(cè)試結(jié)果。該濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)要求在3.5GHz的中心頻率處，實(shí)現(xiàn)100MHz的相對(duì)帶寬，插入損耗小于1.5dB，帶外抑制在3.3-3.4GHz和3.6-3.7GHz頻段大于40dB，共模抑制比大于50dB。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，選用了高介電常數(shù)的陶瓷基板，以減小電路尺寸并提高諧振器的品質(zhì)因數(shù)。根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，采用了基于平行耦合微帶線諧振器的平衡式結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化諧振器的長(zhǎng)度、寬度以及耦合微帶線之間的間距，實(shí)現(xiàn)對(duì)中心頻率和帶寬的精確控制。為了提高共模抑制比，在電路中引入了共模抑制結(jié)構(gòu)，利用共模信號(hào)和差模信號(hào)在耦合結(jié)構(gòu)中的不同傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)共模信號(hào)的有效抑制。利用電磁仿真軟件HFSS對(duì)設(shè)計(jì)的平衡式帶通濾波器進(jìn)行仿真分析。在仿真過(guò)程中，設(shè)置了精確的材料參數(shù)和邊界條件，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)電路參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，最終得到了滿足設(shè)計(jì)要求的仿真結(jié)果。仿真結(jié)果顯示，在3.5GHz的中心頻率處，濾波器的插入損耗約為1.2dB，帶外抑制在指定頻段均大于40dB，共模抑制比大于55dB，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)。制作了平衡式帶通濾波器的實(shí)物樣品，并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)其進(jìn)行性能測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，在3.5GHz的中心頻率處，濾波器的插入損耗為1.35dB，帶外抑制在3.3-3.4GHz頻段大于38dB，在3.6-3.7GHz頻段大于42dB，共模抑制比為52dB。測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本相符，驗(yàn)證了該平衡式帶通濾波器設(shè)計(jì)的正確性和有效性。雖然測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的差異，但在可接受的范圍內(nèi)，這些差異主要是由于制作工藝誤差和測(cè)試環(huán)境的影響所致。通過(guò)對(duì)該平衡式帶通濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例的分析，可以看出，在平衡式微波濾波電路的設(shè)計(jì)中，通過(guò)合理選擇元件、優(yōu)化布局布線、精心處理接地以及借助電磁仿真技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)高性能的平衡式濾波電路，滿足實(shí)際應(yīng)用的需求。五、電路仿真與優(yōu)化5.1仿真工具與模型建立5.1.1常用電磁仿真軟件介紹在微波電路的設(shè)計(jì)與優(yōu)化過(guò)程中，電磁仿真軟件發(fā)揮著不可或缺的關(guān)鍵作用，它能夠在實(shí)際制作電路之前，對(duì)電路的性能進(jìn)行精確預(yù)測(cè)和分析，從而有效減少設(shè)計(jì)周期和成本。目前，市面上存在多款功能強(qiáng)大的電磁仿真軟件，其中ADS（AdvancedDesignSystem）和HFSS（HighFrequencyStructureSimulator）在微波電路仿真領(lǐng)域應(yīng)用極為廣泛。ADS是一款由KeysightTechnologies開發(fā)的先進(jìn)的電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化軟件，它集成了電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)仿真、電磁場(chǎng)分析等多種功能，能夠?yàn)槲⒉娐吩O(shè)計(jì)提供全面的解決方案。在電路設(shè)計(jì)方面，ADS擁有豐富的元件庫(kù)，涵蓋了各種類型的電阻、電容、電感、晶體管、射頻集成電路等元件，工程師可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拽和連接操作，快速搭建出復(fù)雜的電路原理圖。其強(qiáng)大的電路仿真引擎能夠?qū)﹄娐返男阅苓M(jìn)行精確分析，包括頻率響應(yīng)、功率傳輸、噪聲特性等，幫助工程師評(píng)估電路的性能是否滿足設(shè)計(jì)要求。ADS的系統(tǒng)仿真功能也十分出色，它可以對(duì)整個(gè)射頻系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真，考慮到不同模塊之間的相互影響，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)級(jí)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)線通信收發(fā)系統(tǒng)時(shí)，ADS能夠?qū)Πl(fā)射機(jī)、接收機(jī)、濾波器、天線等各個(gè)模塊進(jìn)行協(xié)同仿真，分析系統(tǒng)的整體性能，如信號(hào)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性、抗干擾能力等，為系統(tǒng)的優(yōu)化提供有力支持。在電磁場(chǎng)分析方面，ADS集成了高效的電磁場(chǎng)求解器，能夠?qū)ξЬ€、波導(dǎo)、天線等各種電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行精確的模擬。通過(guò)對(duì)電磁結(jié)構(gòu)的仿真，工程師可以深入了解電磁場(chǎng)的分布情況，優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高電磁性能。在設(shè)計(jì)微帶線濾波器時(shí)，ADS可以分析微帶線之間的電磁耦合、傳輸線的特性阻抗等，從而優(yōu)化濾波器的頻率響應(yīng)和帶外抑制性能。HFSS則是一款基于有限元方法（FEM）的三維電磁仿真軟件，以其高精度的仿真結(jié)果和強(qiáng)大的功能而聞名。它能夠?qū)?fù)雜的三維電磁結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析，為微波電路和天線設(shè)計(jì)提供詳細(xì)的電磁特性信息。在微波電路設(shè)計(jì)中，HFSS可以精確模擬電路中的電磁場(chǎng)分布，計(jì)算電路的S參數(shù)、阻抗匹配、傳輸損耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)。在設(shè)計(jì)一個(gè)多層微波電路板時(shí)，HFSS能夠考慮到不同層之間的電磁耦合、過(guò)孔的影響等因素，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)電路的性能，幫助工程師優(yōu)化電路板的布局和布線。HFSS在天線設(shè)計(jì)領(lǐng)域也有著廣泛的應(yīng)用。它可以對(duì)各種類型的天線進(jìn)行仿真，包括貼片天線、陣列天線、拋物面天線等，分析天線的輻射方向圖、增益、帶寬等性能參數(shù)。通過(guò)HFSS的仿真，工程師可以對(duì)天線的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高天線的性能，滿足不同應(yīng)用場(chǎng)景的需求。在設(shè)計(jì)一款用于5G通信基站的陣列天線時(shí)，HFSS能夠模擬陣列天線的輻射特性，優(yōu)化天線單元的排列方式和饋電網(wǎng)絡(luò)，提高天線的增益和方向性，增強(qiáng)通信信號(hào)的覆蓋范圍和強(qiáng)度。除了ADS和HFSS，還有一些其他的電磁仿真軟件，如CST（ComputerSimulationTechnology）、Sonnet等，它們也在微波電路仿真中具有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。CST是一款全波電磁仿真軟件，采用時(shí)域有限積分法（FIT），能夠高效地處理復(fù)雜的電磁問(wèn)題，尤其在高速電路和天線設(shè)計(jì)方面表現(xiàn)出色。Sonnet則是一款專門用于微波平面電路仿真的軟件，它在微帶線、帶狀線等平面結(jié)構(gòu)的仿真方面具有較高的精度和效率。5.1.2電路模型建立與參數(shù)設(shè)置在完成對(duì)常用電磁仿真軟件的了解和選擇后，接下來(lái)的關(guān)鍵步驟便是依據(jù)設(shè)計(jì)方案，在選定的仿真軟件中構(gòu)建精確的電路模型，并合理設(shè)置各項(xiàng)參數(shù)，這直接關(guān)系到仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。以在HFSS中構(gòu)建基于耦合諧振器的多頻帶微波濾波電路模型為例，首先需要利用HFSS的建模工具，精確繪制出耦合諧振器的幾何結(jié)構(gòu)。對(duì)于微帶線耦合諧振器，要仔細(xì)定義微帶線的長(zhǎng)度、寬度、厚度以及它們之間的間距等幾何參數(shù)。這些參數(shù)的微小變化都可能對(duì)諧振器的諧振頻率和耦合系數(shù)產(chǎn)生顯著影響，進(jìn)而改變?yōu)V波器的性能。在繪制微帶線時(shí)，需確保線條的精度和準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)幾何形狀的偏差。在定義材料屬性方面，要根據(jù)實(shí)際使用的材料，準(zhǔn)確設(shè)置其介電常數(shù)、磁導(dǎo)率、電導(dǎo)率等參數(shù)。在設(shè)計(jì)基于陶瓷基板的微波濾波器時(shí)，需要查詢相關(guān)資料，獲取陶瓷材料的精確介電常數(shù)和損耗角正切值，并在HFSS中進(jìn)行相應(yīng)設(shè)置。材料屬性的準(zhǔn)確設(shè)置對(duì)于模擬電磁場(chǎng)在材料中的傳播和損耗至關(guān)重要，直接影響到濾波器的插入損耗、帶外抑制等性能指標(biāo)的仿真精度。邊界條件的設(shè)置也是電路模型建立的重要環(huán)節(jié)。在HFSS中，常用的邊界條件包括理想電邊界（PEC）、理想磁邊界（PMC）和輻射邊界等。對(duì)于微帶線耦合諧振器，通常將微帶線的金屬部分設(shè)置為理想電邊界，以模擬金屬的良好導(dǎo)電性；將周圍的空氣區(qū)域設(shè)置為輻射邊界，以模擬電磁場(chǎng)向自由空間的輻射。合理設(shè)置邊界條件能夠準(zhǔn)確模擬電路在實(shí)際工作環(huán)境中的電磁特性，確保仿真結(jié)果的真實(shí)性。激勵(lì)源的設(shè)置同樣不容忽視。在微波濾波電路中，常用的激勵(lì)源有波端口激勵(lì)和集總端口激勵(lì)。波端口激勵(lì)適用于模擬電磁波在傳輸線中的傳播，能夠準(zhǔn)確考慮傳輸線的特性阻抗和模式；集總端口激勵(lì)則常用于模擬集中參數(shù)元件的輸入輸出。在多頻帶微波濾波電路的仿真中，根據(jù)電路的輸入輸出方式，選擇合適的激勵(lì)源，并設(shè)置正確的參數(shù)，如頻率范圍、功率等。對(duì)于平衡式微波濾波電路模型的建立，除了上述步驟外，還需要特別注意差分信號(hào)路徑的對(duì)稱性。在繪制電路結(jié)構(gòu)時(shí)，要確保差分輸入輸出端口的幾何形狀和位置完全對(duì)稱，以保證差分信號(hào)的平衡性。在設(shè)置參數(shù)時(shí)，也要保證差分信號(hào)路徑上的元件參數(shù)一致，避免因不對(duì)稱因素導(dǎo)致共模信號(hào)的產(chǎn)生，影響平衡式濾波器的性能。在ADS中建立電路模型時(shí)，雖然與HFSS的建模方式有所不同，但同樣需要注重電路原理圖的準(zhǔn)確性和參數(shù)設(shè)置的合理性。在繪制電路原理圖時(shí)，要正確選擇元件庫(kù)中的元件，并按照設(shè)計(jì)方案進(jìn)行準(zhǔn)確連接。在設(shè)置元件參數(shù)時(shí)，要根據(jù)元件的實(shí)際規(guī)格和設(shè)計(jì)要求，輸入精確的數(shù)值。在設(shè)置電感元件的電感值、電容元件的電容值時(shí)，要考慮到元件的公差和實(shí)際工作環(huán)境的影響，確保參數(shù)的合理性。五、電路仿真與優(yōu)化5.2仿真結(jié)果分析與優(yōu)化策略5.2.1仿真結(jié)果分析在完成基于耦合諧振器的多頻帶及平衡式微波濾波電路的模型建立與仿真后，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行深入細(xì)致的分析是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，這直接關(guān)系到對(duì)電路性能的準(zhǔn)確評(píng)估以及后續(xù)的優(yōu)化方向。對(duì)于多頻帶微波濾波電路，頻率響應(yīng)是最為關(guān)鍵的仿真結(jié)果之一。以雙頻帶微波濾波器為例，通過(guò)仿真得到的頻率響應(yīng)曲線能夠直觀地展示出兩個(gè)通帶的中心頻率、帶寬以及帶外抑制特性。在2.4GHz和5.8GHz雙頻帶濾波器的仿真中，若頻率響應(yīng)曲線顯示在2.4GHz處的通帶中心頻率與設(shè)計(jì)值偏差較大，如設(shè)計(jì)值為2.4GHz，而仿真結(jié)果為2.35GHz，這可能是由于諧振器的長(zhǎng)度或耦合系數(shù)的計(jì)算誤差導(dǎo)致的。此時(shí)，需要仔細(xì)檢查設(shè)計(jì)過(guò)程中諧振器的參數(shù)計(jì)算和仿真模型的設(shè)置，以確定偏差產(chǎn)生的原因。通帶的帶寬也是重要的評(píng)估指標(biāo)。若仿真得到的2.4GHz通帶帶寬為100MHz，而設(shè)計(jì)要求為120MHz，帶寬不足可能是由于耦合系數(shù)過(guò)小，導(dǎo)致諧振器之間的能量交換不夠充分，從而使通帶變窄。在這種情況下，需要進(jìn)一步分析耦合結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是否合理，是否需要調(diào)整耦合微帶線之間的間距或其他相關(guān)參數(shù)，以增加耦合系數(shù)，拓寬通帶帶寬。帶外抑制性能同樣不容忽視。如果在帶外特定頻率范圍內(nèi)，如2.2-2.3GHz頻段，仿真得到的帶外抑制僅為25dB，而設(shè)計(jì)要求大于30dB，這表明濾波器對(duì)帶外干擾信號(hào)的抑制能力不足?？赡艿脑虬▊鬏斄泓c(diǎn)的位置設(shè)置不合理，或者諧振器的寄生參數(shù)對(duì)帶外特性產(chǎn)生了不良影響。此時(shí)，需要深入研究傳輸零點(diǎn)的產(chǎn)生機(jī)制，通過(guò)調(diào)整諧振器的結(jié)構(gòu)或增加一些特殊的結(jié)構(gòu)，如缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS），來(lái)引入合適的傳輸零點(diǎn)，提高帶外抑制能力。對(duì)于平衡式微波濾波電路，共模抑制比（CMRR）和差模傳輸特性是重點(diǎn)分析的對(duì)象。仿真得到的共模抑制比結(jié)果反映了濾波器對(duì)共模信號(hào)的抑制能力。若仿真結(jié)果顯示共模抑制比為45dB，而設(shè)計(jì)要求大于50dB，說(shuō)明共模抑制性能未達(dá)到預(yù)期。這可能是由于電路結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性不夠理想，導(dǎo)致差分信號(hào)路徑上的元件參數(shù)存在微小差異，從而影響了共模信號(hào)的抵消效果。需要仔細(xì)檢查電路布局和元件參數(shù)的對(duì)稱性，對(duì)布局進(jìn)行優(yōu)化，確保差分信號(hào)路徑的長(zhǎng)度、形狀以及元件參數(shù)盡可能一致。差模傳輸特性則通過(guò)差模傳輸系數(shù)來(lái)體現(xiàn)。如果差模傳輸系數(shù)在中心頻率處為0.8，而理想情況下應(yīng)接近1，說(shuō)明差模信號(hào)在傳輸過(guò)程中存在一定的損耗。這可能是由于濾波器的插入損耗過(guò)大，或者阻抗匹配不理想導(dǎo)致的。需要分析插入損耗的來(lái)源，檢查諧振器的品質(zhì)因數(shù)、耦合結(jié)構(gòu)的損耗以及饋線的傳輸損耗等因素，同時(shí)優(yōu)化阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，確保差模信號(hào)能夠高效傳輸。5.2.2優(yōu)化策略與方法當(dāng)仿真結(jié)果未能滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，需要采取一系列有效的優(yōu)化策略和方法，對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整和改進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)預(yù)期的性能指標(biāo)。在參數(shù)調(diào)整方面，對(duì)于多頻帶微波濾波電路，若通帶中心頻率出現(xiàn)偏差，可以通過(guò)微調(diào)諧振器的長(zhǎng)度、寬度或加載電容、電感等方式來(lái)改變諧振頻率。在微帶線諧振器中，適當(dāng)增加諧振器的長(zhǎng)度，可以降低其諧振頻率，使其向設(shè)計(jì)值靠近。若通帶帶寬不符合要求，可以調(diào)整耦合系數(shù)。增加耦合微帶線之間的間距，會(huì)減小耦合系數(shù)，使通帶變窄；反之，減小間距則會(huì)增大耦合系數(shù)，拓寬通帶。對(duì)于平衡式微波濾波電路，若共模抑制比不理想，可以通過(guò)優(yōu)化電路布局，進(jìn)一步提高差分信號(hào)路徑的對(duì)稱性。對(duì)差分輸入輸出端口的位置和形狀進(jìn)行微調(diào)，確保它們完全對(duì)稱，減少共模信號(hào)的產(chǎn)生。還可以在電路中增加共模抑制結(jié)構(gòu)，如共模扼流圈等，進(jìn)一步提高共模抑制能力。在優(yōu)化算法的應(yīng)用方面，遺傳算法是一種常用的全局優(yōu)化算法，它模擬自然界的遺傳和進(jìn)化過(guò)程，通過(guò)選擇、交叉和變異等操作，在解空間中搜索最優(yōu)解。在微波濾波電路的優(yōu)化中，將電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)，如諧振器的尺寸、耦合系數(shù)等，作為遺傳算法的變量，將濾波器的性能指標(biāo)，如插入損耗、帶外抑制、共模抑制比等，作為適應(yīng)度函數(shù)。遺傳算法通過(guò)不斷迭代，尋找使適應(yīng)度函數(shù)最優(yōu)的變量組合，從而實(shí)現(xiàn)電路參數(shù)的優(yōu)化。粒子群優(yōu)化算法也是一種有效的優(yōu)化方法，它模擬鳥群覓食的行為，通過(guò)粒子在解空間中的飛行和信息共享，尋找最優(yōu)解。在微波濾波電路的優(yōu)化中，每個(gè)粒子代表一組電路參數(shù)，粒子根據(jù)自身的飛行經(jīng)驗(yàn)和群體中最優(yōu)粒子的信息，不斷調(diào)整自己的位置，以找到最優(yōu)的電路參數(shù)組合。除了參數(shù)調(diào)整和優(yōu)化算法的應(yīng)用，還可以采用一些結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。在多頻帶微波濾波電路中，引入缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）可以在特定頻率處引入傳輸零點(diǎn)，提高帶外抑制能力。在平衡式微波濾波電路中，采用對(duì)稱的接地結(jié)構(gòu)和屏蔽措施，可以減少電磁干擾，提高電路的穩(wěn)定性和性能。六、實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與結(jié)果討論6.1實(shí)驗(yàn)方案與測(cè)試平臺(tái)搭建為了對(duì)基于耦合諧振器的多頻帶及平衡式微波濾波電路的設(shè)計(jì)性能進(jìn)行全面、準(zhǔn)確的評(píng)估，本研究制定了詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)方案，并搭建了高精度的測(cè)試平臺(tái)。實(shí)驗(yàn)旨在通過(guò)實(shí)際測(cè)量，驗(yàn)證設(shè)計(jì)的多頻帶及平衡式微波濾波電路是否滿足預(yù)期的性能指標(biāo)，包括頻率響應(yīng)、插入損耗、帶外抑制、共模抑制比等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)分析實(shí)際測(cè)量結(jié)果與理論分析和仿真結(jié)果之間的差異，深入探究誤差產(chǎn)生的原因，為后續(xù)的設(shè)計(jì)優(yōu)化提供可靠依據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)濾波電路進(jìn)行性能測(cè)試。以KeysightN5227B矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為例，其頻率范圍覆蓋9kHz至67GHz，具有高精度的測(cè)量能力，能夠準(zhǔn)確測(cè)量微波濾波電路的S參數(shù)，包括S11（反射系數(shù)）和S21（傳輸系數(shù)），從而獲取濾波電路的頻率響應(yīng)、插入損耗和回波損耗等關(guān)鍵性能指標(biāo)。信號(hào)發(fā)生器用于產(chǎn)生特定頻率和功率的輸入信號(hào)，為濾波電路提供測(cè)試激勵(lì)。選用Rohde&SchwarzSMW200A信號(hào)發(fā)生器，它能夠產(chǎn)生頻率范圍為100kHz至40GHz的信號(hào)，并且具有出色的頻率穩(wěn)定性和相位噪聲性能，能夠滿足對(duì)多頻帶和平衡式濾波電路的測(cè)試需求。直流電源為電路中的有源元件提供穩(wěn)定的直流供電，確保電路正常工作。選用AgilentE3631A直流電源，它具有三路輸出，能夠提供不同的電壓和電流組合，滿足各種電路的供電需求，并且具有高精度的電壓和電流調(diào)節(jié)功能，能夠保證電路在穩(wěn)定的電源條件下運(yùn)行。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、信號(hào)發(fā)生器和直流電源等設(shè)備通過(guò)合適的射頻線纜和連接頭進(jìn)行連接，搭建起完整的測(cè)試平臺(tái)。在連接過(guò)程中，嚴(yán)格按照設(shè)備的使用手冊(cè)進(jìn)行操作，確保連接的正確性和穩(wěn)定性。使用低損耗的射頻線纜連接信號(hào)發(fā)生器和濾波電路的輸入端口，以及濾波電路的輸出端口和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的輸入端口，減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損耗和干擾。對(duì)測(cè)試平臺(tái)進(jìn)行校準(zhǔn)，確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。使用標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)件對(duì)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行校準(zhǔn)，包括開路、短路、負(fù)載和直通校準(zhǔn)，消除測(cè)試系統(tǒng)中的誤差，提高測(cè)量精度。在每次測(cè)量之前，都要進(jìn)行校準(zhǔn)操作，以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。在測(cè)試過(guò)程中，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測(cè)量參數(shù)，如頻率范圍、掃描點(diǎn)數(shù)、中頻帶寬等，根據(jù)濾波電路的設(shè)計(jì)指標(biāo)，合理選擇測(cè)量參數(shù)，以獲取準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果。對(duì)于多頻帶濾波電路，設(shè)置測(cè)量頻率范圍覆蓋所有設(shè)計(jì)通帶和帶外關(guān)鍵頻率點(diǎn)，掃描點(diǎn)數(shù)足夠多，以保證頻率響應(yīng)曲線的準(zhǔn)確性。將設(shè)計(jì)制作好的多頻帶及平衡式微波濾波電路樣品安裝在測(cè)試夾具上，確保電路與測(cè)試系統(tǒng)的連接良好。在安裝過(guò)程中，注意避免電路受到機(jī)械應(yīng)力和靜電損傷，保證電路的性能不受影響。開啟信號(hào)發(fā)生器和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，進(jìn)行性能測(cè)試。記錄測(cè)量得到的頻率響應(yīng)、插入損耗、帶外抑制、共模抑制比等性能指標(biāo)，并與理論分析和仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析將多頻帶及平衡式微波濾波電路的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果、理論設(shè)計(jì)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，結(jié)果如下表所示。對(duì)于多頻帶微波濾波電路，以雙頻帶濾波器為例，在2.4GHz頻段，理論設(shè)計(jì)的中心頻率為2.4GHz，仿真結(jié)果為2.398GHz，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為2.405GHz。中心頻率的實(shí)驗(yàn)值與理論值偏差較小，在可接受范圍內(nèi)，這主要得益于精確的理論設(shè)計(jì)和仿真優(yōu)化，以及在制作過(guò)程中對(duì)諧振器尺寸的精準(zhǔn)控制。然而，實(shí)驗(yàn)值與仿真值存在一定差異，可能是由于制作工藝中存在的微小誤差，如微帶線的蝕刻精度、基板材料的介電常數(shù)偏差等，這些因素會(huì)對(duì)諧振器的實(shí)際諧振頻率產(chǎn)生影響。濾波電路類型性能指標(biāo)理論設(shè)計(jì)仿真結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果偏差分析多頻帶微波濾波電路（雙頻帶）2.4GHz中心頻率(GHz)2.42.3982.405制作工藝誤差、基板材料介電常數(shù)偏差2.4GHz插入損耗(dB)≤10.80.95制作工藝損耗、測(cè)量誤差5.8GHz中心頻率(GHz)5.85.7955.81制作工藝誤差、寄生參數(shù)影響5.8GHz插入損耗(dB)≤1.51.21.35制作工藝損耗、測(cè)量誤差平衡式微波濾波電路中心頻率(GHz)3.53.53.508制作工藝誤差、寄生參數(shù)影響插入損耗(dB)≤1.51.21.35制作工藝損耗、測(cè)量誤差共模抑制比(dB)>505552電路對(duì)稱性不足、測(cè)量誤差在2.4GHz頻段的插入損耗方面，理論設(shè)計(jì)要求小于等于1dB，仿真結(jié)果為0.8dB，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為0.95dB。實(shí)驗(yàn)值略高于仿真值，這主要是由于制作工藝中引入的額外損耗，如微帶線與基板之間的接觸電阻、焊接點(diǎn)的損耗等，同時(shí)測(cè)量誤差也會(huì)對(duì)結(jié)果產(chǎn)生一定影響。對(duì)于平衡式微波濾波電路，中心頻率的理論設(shè)計(jì)值為3.5GHz，仿真結(jié)果為3.5GHz，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為3.508GHz。實(shí)驗(yàn)值與理論值的偏差可能是由于制作過(guò)程中電路結(jié)構(gòu)的微小不對(duì)稱，以及寄生參數(shù)的影響，如寄生電容和寄生電感，它們會(huì)改變電路的諧振特性，導(dǎo)致中心頻率出現(xiàn)偏移。在共模抑制比方面，理論設(shè)計(jì)要求大于50dB，仿真結(jié)果為55dB，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果為52dB。實(shí)驗(yàn)值低于仿真值，可能是由于電路在實(shí)際制作過(guò)程中，無(wú)法完全保證差分信號(hào)路徑的理想對(duì)稱性，