一種緊縮結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)雙通帶濾波器
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/201612/326861.htm在現(xiàn)代微波無線通信系統(tǒng)中,濾波器和雙工器等無源器件有著十分重要的作用。如果采用傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)、微帶線或者共面波導(dǎo)來設(shè)計(jì),不是造價(jià)昂貴就是很難達(dá)到所要求的技術(shù)指標(biāo)。另一方面,隨著微波毫米波集成電路的迅速發(fā)展, 這些傳統(tǒng)的微波電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代無線通信對(duì)微波元器件小型化、集成化的要求。基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide)通過周期性金屬通孔實(shí)現(xiàn)了的類波導(dǎo)結(jié)構(gòu),繼承了傳統(tǒng)波導(dǎo)器件高品質(zhì)因數(shù)和大功率容量等優(yōu)良特性,被廣泛應(yīng)用于設(shè)計(jì)各種微波和毫米波器件,同時(shí)基片集成波導(dǎo)還具有易于加工、造價(jià)低和容易集成的優(yōu)點(diǎn)。
為了產(chǎn)生傳輸零點(diǎn),目前很多濾波器的設(shè)計(jì)采用交叉耦合的形式,極點(diǎn)提取技術(shù)與其相比,優(yōu)勢(shì)主要體現(xiàn)在衰減極點(diǎn)頻率的可控性,簡化了濾波器的結(jié)構(gòu),降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的敏感性,而且降低了濾波器調(diào)諧和加工的難度。本文利用極點(diǎn)提取技術(shù)和耦合矩陣方法,提出了一種新型結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)雙通帶濾波器。該濾波器采用單一諧振腔提取衰減極點(diǎn),利用一個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙通帶響應(yīng),仿真結(jié)果顯示兩個(gè)通帶形成很高的隔離度,通帶內(nèi)回波損耗很小。該濾波器諧振腔采用三角形SIW諧振腔,整個(gè)濾波器構(gòu)成一個(gè)六邊形,結(jié)構(gòu)緊湊,有效的減小了濾波器的尺寸。
2 等效電路分析
以六腔濾波器為例,等效電路如圖1所示,第二腔和第六腔作為吸收回路提取衰減極點(diǎn),衰減極點(diǎn)的位置就是第二、六腔諧振的位置,因此衰減極點(diǎn)的位置可任意確定,這使極點(diǎn)提取技術(shù)的應(yīng)用有了很大的靈活性,利用一個(gè)濾波器結(jié)構(gòu),就可以實(shí)現(xiàn)兩種不同響應(yīng)類型的濾波器:其一,衰減極點(diǎn)在通帶外,可以設(shè)計(jì)帶外有傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器,以增強(qiáng)帶外抑制;其二,衰減極點(diǎn)在通帶內(nèi)部,可以設(shè)計(jì)雙通帶濾波器。本文提出的濾波器第一、三、四、五腔構(gòu)成一個(gè)帶通濾波器結(jié)構(gòu),而第二、六腔提取的衰減極點(diǎn)在通帶內(nèi)部,由此形成一個(gè)雙通帶結(jié)構(gòu)。
圖1 雙通帶濾波器等效電路
為了驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可行性,設(shè)計(jì)了一個(gè)雙通帶濾波器。設(shè)計(jì)指標(biāo)為:兩個(gè)通帶為9.6-9.85GHz和10.15-10.4GHz,通帶插損小于0.5dB,回波損耗小于-15dB,兩通帶隔離小于-20dB。原理電路如圖1所示。由文獻(xiàn)[7]給出的方法計(jì)算出各腔之間的耦合系數(shù)和外部Q值,數(shù)據(jù)如下。在microwave office中進(jìn)行電路級(jí)仿真,結(jié)果如圖2所示,得到了預(yù)想中的波形,驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法的可行性。
3 濾波器設(shè)計(jì)
3.1 三角形SIW腔體的研究
與長方形SIW腔體比較,等邊三角形SIW腔體具有其自身的特點(diǎn)與性質(zhì)。本文提出的濾波器與中介紹的濾波器同樣由六個(gè)諧振腔構(gòu)成,與中采用長方形SIW腔體不同的是,本文所介紹的濾波器采用等邊三角形SIW腔體,由于這一變化,占空比明顯減小,有效的利用了空間,實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化。
圖2 電路級(jí)仿真結(jié)果
等邊三角形SIW腔體磁場(chǎng)分布如圖3所示,磁場(chǎng)是環(huán)繞三角形中心的封閉曲線。文獻(xiàn)[9]給出了計(jì)算正方形和圓形SIW腔體主模諧振頻率的公式,而等邊三角形SIW腔體主模頻率表可由式(1)得到:
(1)
公式(1)中,F(xiàn)為三角形諧振腔主模諧振頻率,c為真空中的光速,為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù),L為等邊三角形邊長。
圖3 等邊三角形SIW腔體磁場(chǎng)分布
為驗(yàn)證計(jì)算公式,我們選取一組不同邊長的等邊三角形SIW腔體進(jìn)行試驗(yàn)。表1為應(yīng)用公式(1)求得的頻率與應(yīng)用CST MICROWAVE STUDIO仿真得到的頻率的比較。結(jié)果顯示,公式計(jì)算得到的頻率與仿真得到的頻率吻合較好,驗(yàn)證了等邊三角形SIW腔體主模頻率計(jì)算公式的正確性。
表1
3.2 濾波器仿真與測(cè)試結(jié)果
圖4 濾波器結(jié)構(gòu)圖
表2 濾波器物理結(jié)構(gòu)尺寸(單位:mm)
為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的有效性,設(shè)計(jì)了一個(gè)x波段基片集成波導(dǎo)雙通帶濾波器。采用相對(duì)介電常數(shù)為2.65和厚度1mm的介質(zhì)板,金屬通孔直徑0.5mm,孔間距1mm,圖4為濾波器結(jié)構(gòu)圖。其中a為50歐姆導(dǎo)帶寬度,b、c、d決定了濾波器的外部Q值, L1、L2、L3分別為第一、二、三腔的邊長,決定各腔體的諧振頻率,S12、S13、S34分別為相鄰2腔耦合孔的大小,決定相鄰兩腔耦合的強(qiáng)弱。最后經(jīng)過CST MICROWAVE STUDIO仿真優(yōu)化后,可得到濾波器的物理尺寸,如表2所示,濾波器結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱。仿真結(jié)果如圖5所示。
圖5 CST仿真結(jié)果
4 結(jié)論
本文提出了一種新型的基片集成波導(dǎo)雙通帶濾波器,并給出了具體的設(shè)計(jì)步驟。著重研究了等邊三角形SIW腔體的特性,給出了等邊三角形SIW腔體主模頻率計(jì)算公式,經(jīng)過仿真驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果較為準(zhǔn)確。仿真了一個(gè)基于三角形SIW腔體的雙通帶濾波器,該濾波器兩個(gè)通帶之間有很高的隔離度,帶內(nèi)插損較小,仿真結(jié)果良好。這種濾波器結(jié)構(gòu)緊湊,有效的利用了空間,實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化。
評(píng)論