Ku波段基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計

張靜1,2,尹治平2,楊軍2

(1.合肥工業(yè)大學 儀器科學與光電工程學院,安徽 合肥230009;2.合肥工業(yè)大學 光電技術(shù)研究院,安徽 合肥230009)

摘要設(shè)計了一款基于基片集成波導(dǎo)的ku波段衛(wèi)星通信的帶通濾波器。描述了位于SIW內(nèi)部的金屬通孔的等效電路模型,并分析通孔直徑、位置等關(guān)鍵參數(shù)對濾波器性能的影響。針對基于中心位置的SIW帶通濾波器帶寬較窄的問題,提出偏置金屬通孔SIW帶通濾波器的設(shè)計方法,從而增大濾波器的帶寬。并通過對改進后的基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的仿真,驗證了設(shè)計的正確性和方法的有效性。

關(guān)鍵詞基片集成波導(dǎo);帶通濾波器;偏置;感性金屬膜片

收稿日期:2015-03-05

作者簡介:張靜(1988—),女,碩士研究生。研究方向:微波無源器件的設(shè)計與仿真。E-mail:zkzhangjing@sina.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.015

中圖分類號TN 713+.5

Design of Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filters for Ku Band

ZHANG Jing1,2,YIN Zhiping2,YANG Jun2

(1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;

2.Optoelectronic Technology Research Institute,Hefei University,Hefei 230009,China)

AbstractIn this paper,a Ku band bandpass filter used in the mobile communication is presented by using the substrate integrated waveguide (SIW) technology.The equivalent circuit of the perceptual metal patch in the SIW is described.The transition characteristics of filter are simulated and the parameters of structure analyzed.An improvement of the bandpass filter bandwidth is achieved by comparing two design methods.The result of the simulation shows that this approach is feasible and effective.

Keywordssubstrate integrate waveguide;bandpass filter;offset;perceptual metal patch

基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW)由低損耗介質(zhì)基片和兩排間隔一定距離的金屬通孔組成,可實現(xiàn)傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的功能[1]。近幾年,基片集成波導(dǎo)已經(jīng)應(yīng)用在濾波器、雙工器、定向耦合器、功率分配器等微波無源和有源器件的設(shè)計中。對于無線通信系統(tǒng),特別是機載,車載等無線設(shè)備,人們對通信速度的追求使得移動通信信道的帶寬進一步增加?；刹▽?dǎo)濾波器具有重量輕、體積小、成本低、可工作于高頻率、便于與平面電路集成等獨特的優(yōu)點,成為移動通信中的首選。

本文利用基片集成波導(dǎo)技術(shù)設(shè)計了移動通信中接收頻段(中心頻率為12.5 GHz)的帶通濾波器,采用Rogers5880為介質(zhì)基板。利用中心位置的感性金屬膜片和偏置金屬膜片兩種設(shè)計方法,通過對比分析,總結(jié)出改進基片集成波導(dǎo)帶通濾波器性能的方法,并且通過對接收頻段濾波器仿真結(jié)果的比較,驗證了設(shè)計的正確性和有效性。

1理論分析

基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,由介質(zhì)基板、兩側(cè)金屬通孔和波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器構(gòu)成。由文獻[2]可知,當兩側(cè)金屬孔之間的間距滿足d<0.2λg,d<0.2a且p<4d時,金屬通孔縫隙之間的能量泄露基本可以忽略,此時的基片集成波導(dǎo)等效為矩形波導(dǎo),且基片集成波導(dǎo)與普通矩形波導(dǎo)的關(guān)系為

(1)

其中,aequ為等效矩形波導(dǎo)的寬度,d金屬通孔的直徑,p相鄰兩側(cè)金屬通孔之間的距離。

圖1　基片集成波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

本次設(shè)計取兩側(cè)金屬孔的直徑為0.4 mm,金屬孔的間距為0.9 mm,用微帶線激勵基片集成波導(dǎo),從阻抗匹配的角度出發(fā),基片集成波導(dǎo)的等效阻抗可按式(2)估算,從而得出靠近波導(dǎo)的微帶線的寬度Wtaper,本設(shè)計使用Rogers5880作為介質(zhì)基板,則50 Ω微帶線的寬度為0.75 mm,然后利用線性漸變微帶線實現(xiàn)50 Ω微帶線和波導(dǎo)之間的變換,再利用HFSS優(yōu)化使其在通帶內(nèi)獲得最大的傳輸系數(shù),從而得出微帶轉(zhuǎn)換器的長度Ltaper

(2)

在矩形波導(dǎo)中加載感性金屬通孔或銷釘可等效為如圖2所示的T型網(wǎng)絡(luò),由式(3)和式(4)可知,當金屬通孔的直徑和位置改變時,會影響等效電路中電感和電容的值,結(jié)合文獻[3～6]中提到的濾波器的耦合方法,由給定的濾波器設(shè)計指標和K變換器參數(shù)、感性金屬通孔直徑和距離的關(guān)系式,可估算出感性金屬膜片的尺寸和諧振腔的長度。

圖2　加載感性金屬膜片的等效電路

(3)

(4)

(5)

(6)

2設(shè)計實例

移動通信中接收頻段的濾波器,其中心頻率為12.5 GHz,通帶范圍12.25～12.75 GHz(相對帶寬為3.5%),在14～14.5 GHz范圍內(nèi)的抑制≥20 dB。

根據(jù)濾波器的設(shè)計步驟和方法得到感性金屬膜片的直徑分別為ID1=0.8 mm,ID2=2.3 mm,金屬膜片之間的距離是L1=10 mm,L2=11.2 mm,微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的相關(guān)尺寸為Wtaper=4 mm,Lstrip=5 mm,Wsiw=12.6 mm,Wstrip=0.75 mm,subx=15 mm,Ltaper=13 mm。運用電磁仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化得到濾波器的S參數(shù)如圖3所示。

圖3　基片集成波導(dǎo)中心位置金屬通孔的S參數(shù)

從仿真結(jié)果分析可知,該濾波器的帶內(nèi)插損較小,在阻帶14 GHz和14.5 GHz的S21分別為-35 dB和-40 dB,滿足設(shè)計要求,但帶寬仍不夠。文獻[2]中提出的矩形波導(dǎo)中偏置金屬通孔的分析,在矩形波導(dǎo)中添加偏置金屬通孔可以使非相鄰諧振腔中引入耦合,從而提高帶寬,改善濾波器性能。因此,本文設(shè)計了偏置通孔的基片集成波導(dǎo),由文獻[4,7～9],可得出偏置金屬通孔的尺寸和位置,諧振腔之間的距離約為半個波導(dǎo)波長。設(shè)S1和S2分別表示感性金屬膜片偏離基片集成波導(dǎo)水平中心線的距離。由式(3)和式(4)可知,當金屬通孔偏離基片集成波導(dǎo)中心線的距離不同時,會改變等效電路中的電容和電感參數(shù),從而影響濾波器的性能。為了研究S1和S2的大小對濾波器S參數(shù)的影響,采用控制變量法,用HFSS對S1和S2分別進行參數(shù)掃描分析,仿真結(jié)果如圖4所示。

圖4　偏置距離S 1和S 2對濾波器S參數(shù)的影響

仿真驗證和理論分析說明,改變偏置距離能夠改變幾篇集成波導(dǎo)的場分布,影響濾波器的性能。分析仿真結(jié)果可知,當S1=1.3mm,S2=0.9mm時,濾波器的通帶帶寬為12.23～12.89GHz,通帶內(nèi)的S11達到-35dB,通帶內(nèi)插損<0.7dB,帶外抑制也能滿足設(shè)計指標。

3結(jié)束語

為提高基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的帶寬提出了一種設(shè)計方法,通過在基片集成波導(dǎo)帶通濾波器內(nèi)部加載偏置的感性金屬膜片提高帶寬,改善濾波器性能。通過仿真分析證實偏置感性金屬膜片基片集成波導(dǎo)濾

波器能有效改善基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的性能,增加濾波器的帶寬,降低通帶內(nèi)的S11,減少通帶內(nèi)的插損。

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