一種新型基片集成波導(dǎo)腔體濾波器的設(shè)計與實現(xiàn)

1、第 21卷增刊 微 波 學(xué) 報 Vol . 21Supp le ment一種新型基片集成波導(dǎo)腔體濾波器的設(shè)計與實現(xiàn) 3張玉林 1, 洪 偉 1, 吳 柯 1, 2, 湯紅軍 1, 郝張成 1(1. 東南大學(xué)毫米波國家重點實驗室 , 南京 210096;2. 加拿大蒙特利爾大學(xué)工學(xué)院電子及計算機系 摘 要 : 濾波器是微波毫米波電路與 系 統(tǒng) 中一 個 重 要 的 部 件 。利 用 基 片 集 成 波 導(dǎo) (substrate integrated waveguide SI W 技術(shù)設(shè)計并用印制電路板實現(xiàn)了一種應(yīng)用低阻 -高阻短微帶線作補償?shù)幕刹▽?dǎo)濾波器 , 仿真與實驗結(jié)果吻合良好 , 中

2、心頻率為 5. 8GHz, 相對帶寬 4. 95%, 插損小于 1. 3d B 。 該濾波器具有具有體積小 、 重量 輕 、 容易加工和集成等優(yōu)點 。關(guān)鍵詞 : 濾波器 , 腔體 , 耦合 , SI W , 低阻 2高 阻短微帶線de (SI W Cavity FilterY u 2li n 1, HO NG W e i 1, W U Ke 1, 2, TANG Hong 2jun 1, HAO Zhang 2cheng 1(1. S tate Key L aboratary of M illi m eterW aves, Southeast U niversity, N anjing 210

3、096, China;2. Poly 2Gram es Research Center , Ecole Polytechnique de M ontreal, M ontreal, Canada Abstract: Filters is a kind of i m portant components in m icr owave and m illi m eter wave circuits and system s . I n this paper, a novel substrate integrated waveguide cavity filter are designed, fab

4、ricated, and tested . Being fabricated on p rinted circuit boards (PCB , such kinds of filters take advantages of the high Q 2fact or, high power capacity and s mall size . The fil 2 ters are designed at the center frequency of 5. 8GHz, the fracti onal bandpass width (F BW is 4. 95%, and the m ini m

5、 u m in 2 serti on l oss is less than 1. 3d B. Both nu merical si m ulati ons and experi m ental results are p resented t o show the good perfor m 2 ance of the design .Key words: Filter, Cavity, Coup ling, SI W , Low 2high 2i m pedance short line引 言微波毫米波濾波器的研究具有悠久的歷史 , 但 是傳統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)高品質(zhì)因數(shù)濾波器的技術(shù) , 如 利用

6、傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)或利用微帶線的濾波器實現(xiàn)技 術(shù) , 不是造價昂貴就是很難達到所要求的技術(shù)指標(biāo) 。 文獻 1, 2中給出了幾種應(yīng)用 E BG (Electr omagnetic Band 2Gap 技術(shù) 實現(xiàn)的 微波 毫米波 濾波 器 , 但 是 EBG 具 有 體 積 大 的 缺 點 , 而 采 用 基 片 集 成 波 導(dǎo) (Substrate I ntegrated W aveguide:SI W 可以實現(xiàn)高性 能濾波器且保持體積小的優(yōu)點 。 基片集成波導(dǎo)是一 類新型波導(dǎo) 38, 可以廣泛地應(yīng)用于微波及毫米波 電路中 。 基片集成波導(dǎo)器件的一個重要性質(zhì)是具有 與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相近的特性 , 諸如品

7、質(zhì)因數(shù)高 、 易于 設(shè)計等 , 同時也具有體積小 、 重量輕 、 容易加工 、 造價 低和易于集成等傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)所沒有的優(yōu)點 。 在本 文中 , 我們應(yīng)用濾波器腔體耦合設(shè)計理論實現(xiàn)了一 種新型的基片集成波導(dǎo)濾波器 。 仿真和測試結(jié)果顯 示該濾波器具有優(yōu)良的特性 。1 理論分析與設(shè)計1. 1 耦合理論SI W 腔體的外在品質(zhì)因數(shù)是用耦合理論設(shè)計濾 波器的重要參數(shù) , 必須確定合適的外在品質(zhì)因數(shù)才3收稿日期 :2004207220; 定稿日期 :2004211230基金項目 :國家自然科學(xué)基金重大項目 (項目編號 60496317 能使濾波器的插入損耗和紋波系數(shù)最優(yōu)化 。 外在品質(zhì)因數(shù)可由下式給出

8、 1, 9:Q e 1=g g FBW, Q en =g n g n +FBW(1其中 Q e 1, Q en 分別是輸入和輸出端的外在品質(zhì)因數(shù) , g i (i =0, 1, n, n +1 是低通濾波器原型的元件參數(shù) , FBW 是濾波器的相對帶寬 。單個 SI W 腔體的結(jié)構(gòu)和散射參數(shù)曲線如圖 1所示 。 外在品質(zhì)因數(shù) Q e 可以由單個 SI W 腔體的全 波分析散射參數(shù)曲線應(yīng)用公式9Q e =2Q l =2f 0/f -3dB (2 計算得出 , 其中 Q l 是有載品質(zhì)因數(shù) , f 0是諧振頻率 , f -3dB 是 S 21曲線的 3d B 帶寬 。 出端的微帶寬度 , 圖 1

9、(a 單 SI W 腔體結(jié)構(gòu)圖 ; (b 單 SI W 腔體的散射參數(shù)曲線如圖 2所示 , 當(dāng)兩個 SI W 腔體相互耦合時 , S 11曲線由一個凹谷變?yōu)閮蓚€凹谷 , 并且當(dāng)兩個 SI W 腔 體之間的相互耦合越強 , 兩個凹谷分離越遠 。兩個 SI W 腔體之間耦合系數(shù) k 可以由其散射參數(shù)曲線得到9:k =f 2U -f 2L f 2U +f 2L(3其中 f U 是高頻率的諧振點 , f L 是低頻率的諧振點 。圖 2 (a 雙 SI W 腔體結(jié)構(gòu)圖 ; (b 雙 SI W 腔體的散射參數(shù)曲線1. 2 低阻 2高 阻短微帶線9通常 , 電尺寸小于八分之一導(dǎo)波長度 g 的微帶線結(jié)構(gòu)可以看

10、作集總參數(shù)元件 , 電尺寸小于四分之 一 g 的微帶線結(jié)構(gòu)可以看作準(zhǔn)集總參數(shù)元件 。圖 3 高阻 2低 阻短微帶線 如圖 3, 當(dāng)不考慮損耗時 , 一段高阻抗短微帶線的兩端為低高阻抗微帶線的結(jié)構(gòu)可以用 型等效 電路表示 , 電路參數(shù)為 :x =Z c sin (l , 2=Z ctan (l/2(4 其中 , =2/g 為傳播常數(shù) 。當(dāng) l <g /8時 , 上述 公式可以近似為 :x =Z c (l , 2=Z c(l/2 (5 931第 21卷增刊 張玉林等 :一種新型基片集成波導(dǎo)腔體濾波器的設(shè)計與實現(xiàn) 1. 3 腔體耦合濾波器的電路模型N 個腔體構(gòu)成的腔體濾波器的等效電路如圖 4所

11、示 , 其中 L , C 和 R 分別表示電感 、 電容和電阻 , i表示電流回路 。應(yīng)用基爾霍夫電壓定律 , 我們可以 得到等效電路的回路方程 :R 1+j L 1+j i 1- j L 12i 2- -j L 1N i N=e s -j L 21i 1+j L 2+j i 2- -j L 2N i N=0 -j L N 1i 1-j L N 2i 2- +R N + j L N +j C i N =0(其中 L ij =L ji s 源值9。圖 4 N 個互耦諧振器的回路電流等效電路圖 如果電路中所有的諧振器是相同的 , 即 L =L 1=L 2= =L N 與 C =C 1=C 2= =

12、C N , 并且在工作頻率附近和窄帶的條件下可以認為 /0 1, 則 (6 式可以表示為 9:Z i 1i 2i N =e s,Z =0L FBW q e 1+p -jk 12 -jk 1N -jk 21p -jk 2N -jk N 1-jk N 2q e N +其中 0=1/, 濾 波 器 相 對 帶 寬 FBW =2-10, p =FBW 0-0, q ei =FBW 0L R i (i =1, N , k ij =L L FBW。圖 5(b 為 5(a 中 SI W 腔體濾波器的等效電路 。 圖中 , N 1對應(yīng) AA 之間的四個 SI W 腔體部分 ,其參數(shù)為 (7 式中的 Z 1;N

13、 2對應(yīng)參考面 TT 之間 低阻 2高 阻短微帶線的等效電路 , 1和 2分別對應(yīng) T A 和 T 2末 端的微帶傳輸線的電長度 。我們可以很容易的得到圖 5(b 所示整個濾波 器等效電路的網(wǎng)絡(luò)參數(shù) , 從而可以應(yīng)用簡單成熟的 理論設(shè)計和優(yōu)化濾波器 。(a 四 SI W (b SI W 腔體濾波器的等效電路圖 5 SI W 腔體濾波器2 濾波器的實現(xiàn)與仿真 、 測試結(jié)果單個的 SI W 腔體是我們實現(xiàn) SI W 腔體濾波器的基本元素 。 SI W 腔體的尺寸可以根據(jù)設(shè)定的濾波 器中心頻率由文獻 8中的經(jīng)驗公式得出 , 外在品 質(zhì)因數(shù)值 Q ei 和 SI W 腔體之間的耦合系數(shù) k ij 可以

14、應(yīng) 用式 (2 和 (3 得到 。如 圖 5, 我們在厚度 h =1. 5mm , r =3, tan 0. 2%的微波介質(zhì)基片上實現(xiàn)了中心頻率為 5. 8GHz的 SI W 腔體濾波器 。 每個 SI W 腔體的尺寸為 21mm×21mm , 低阻 2高 阻短 微帶 線的高 阻抗 微帶寬 為 1mm , 長 l =2mm; 低阻抗微帶寬為 3. 8mm 。仿真和測試結(jié)果如圖 6、 7所示 , 兩者吻合良好 。 仿真結(jié)果是應(yīng)用 CST M I CROWAVE ST UD I O µ 得到 的 。 為方便測試 , 我們在 SI W 腔體濾波器的兩端焊接了 2. 4mm 同軸

15、2微 帶轉(zhuǎn)換頭 , 因此測試結(jié)果中的 插 入 損 耗 包 括 SI W 腔 體 濾 波 器 的 插 入 損 耗 和 2. 4mm 接頭的插入損耗 。從圖 6可以得出 , 我們所設(shè)計 、 實現(xiàn)的 SI W 腔 體濾波器的中心頻率 f 0=5. 853GHz, 相對帶寬 FBW =4. 95%, 最小插入損耗小于 1. 3dB , 帶外抑制在 -40dB 以下 。 同時 , 可以看到圖 6中的測試曲線和仿真曲線存在頻率偏差 , 我們推斷這個頻率偏差是 由介電常數(shù)的誤差引起的 。 圖 7是假設(shè)基片介電常 數(shù)誤差為 -2. 9%的情況下 , 測試曲線與仿真曲線的 對比圖 。041微 波 學(xué) 報 200

16、5年 4月 圖 6 低阻 2高 阻短微帶線補償四 SI W 腔體濾波器散射參數(shù)仿真與測試結(jié)果對比圖 圖 7 測試曲線與考慮介電常數(shù)的誤差(-2. 9% 后仿真曲線的對比圖 3 結(jié)論基片集成波導(dǎo)器件具有品質(zhì)因數(shù)高 、 易于設(shè)計 、體積小 、 重量輕 、 容易加工 、 造價低和方便集成等優(yōu) 點 。 在本文中 , 我們應(yīng)用窄帶濾波器耦合設(shè)計理論 實現(xiàn)了一種中心頻率為 5. 8GHz, 最小插入損耗小于 1. 3d B 的新型基片集成波導(dǎo)濾波器 。仿真和測試結(jié) 果表明該濾波器具有優(yōu)良的特性 。參 考 文 獻 1 Papapoly mer ou J, Cheng J C, et al . A m icr

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