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标题: 双膜基片集成波导（SIW）带通滤波器的设计与HFSS仿真 [打印本页]
作者: admin    时间: 2014-10-11 17:27
标题: 双膜基片集成波导（SIW）带通滤波器的设计与HFSS仿真
根据多模激励的单腔体谐振器原理以及基片集成波导(SIW)高Q值、低损耗、大功率容量的特点，提出了一种新的SIW方形腔体双膜滤波器的设计方法。该方法通过在SIW腔体两个对称角上切角作为微扰来使简并模式分离并产生耦合，从而形成了中心频率在 4．95GHz的窄带带通滤波器，并最终采用直接过渡方式实现了SIW到微带的转换。
         
        0 引言
        滤波器在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用。而微波毫米波电路技术的发展，更加要求这些滤波器应具有低插入损耗、结构紧凑、体积小、质量轻、成 本低的特点。传统用来做滤波器的矩形波导和微带线已经很难达到这个要求。而基片集成波导(SIW)技术为设计这种滤波器提供了一种很好的选择。
         
        SIW的双膜谐振器具有一对简并模式，可以通过对谐振器加入微扰单元来使这两个简并模式分离，因此，经过扰动后的谐振器可以看作一个双调谐电路。分离的 简并模式产生耦合后，会产生两个极点和一个零点。所以，双膜滤波器在减小尺寸的同时，也增加了阻带衰减。而且还可以实现较窄的百分比带宽。可是，双膜滤波 器又有功率损耗高、插入损耗大的缺点。为此，本文提出了一种新型SIW腔体双膜滤波器的设计方法。
         
        该SIW的大功率容量、低插入损耗特性正好可以对双膜滤波器的固有缺点起到补偿作用。而且输入／输出采用直接过渡的转换结构，也减少了耦合缝隙的损耗。
         
        l 双膜谐振原理及频率调节
        SIW是一类新型的人工集成波导，它是通过在平面电路的介质层中嵌入两排金属化孔构成的，这两排金属化孔构成了波导的窄壁，图1所示是基片集成波导的结 构示意图。这类平面波导不仅容易与微波集成电路(MIC)以及单片微波集成电路(MMIC)集成，而且，SIW还继承了传统矩形波导的品质因数高、辐射损 耗小、便于设计等优点。
       

        　　
        1．1 基片集成波导谐振腔
        一般情况下，两个电路的振荡频率越接近，这两个电路之间的能量转换需要的耦合就越小。由于谐振腔中的无数多个模式中存在着正交关系，故要让这些模式耦合 发生能量交换，必须对理想的结构加扰动。但是，为了保持场结构的原有形式，这个扰动要很小。所以，本文选择了SIW的简并主模TE102和 TE201，它们的电场分布图如图2所示。因为TM和TEmn(n10)不能够在SIW中传输。因此，一方面可以保证在小扰动时就可以实现耦合，同时也可 以保证场的原有结构。
       

       

        　
         
        假设图3所示的矩形腔体的长、宽、高分别为a、b、d。因为TEmn(n10)不能在SIW中传输，所以对于SIW谐振腔来说，其谐振频率的计算公式如下：
       
         
        对于具有相同谐振频率的两个模式来说，则有如下关系：
       
         
        根据选定的工作简并模式，利用公式(1)、(2)、 (3)来确定矩形波导谐振腔的初始尺寸，然后再结合有关文献，就可以确定SIW腔体的尺寸。图3所示是其金属矩形谐振腔的基本结构。
         
        1．2 双膜SIW谐振腔及其频率调节
        圆柱形波导、矩形波导和微带线都可以用来做双膜滤波器。然而，一些典型的双膜设计方法(如加调节螺钉、内角加工、在微带贴片上加入十字槽等)并不适用于 SIW腔体。有文献提到采用切角、打孔、馈电扰动等扰动方式来应用于SIW腔体。故此，本文选取了在SIW腔体对称的角上切两个相同的方形切角作为微扰方 式。扰动腔体的谐振频率被分成f1和f2两个高低不同的频率，这两个频率的平均值(f1+f2)／2和原有腔体的谐振频率f0往往不相等。类似地，输入／ 输出部分的耦合也会造成谐振频率的平移。这样就会造成两种情况：一是(f1+f2)／2>f0；二是(f1+f2)／2< P>
         
        是大于还是小于取决于耦合结构。对于第一种情况，可以通过加大谐振腔尺寸来调节频率移动；而对于第二种情况，则可以通过减小谐振器尺寸或者在谐振腔上开 个缝来减少谐振腔等效尺寸等方法来调节。当然也可以不调节，分别针对这两种情况加以利用。在实际的工程应用中。要求 s<&lambda;／20，当SIW工作在高频段时，为了满足上述条件，往往要求金属柱半径以及它们之间的间距很小，以至于加工非常困难。而此时就可以利用第一 种情况，以较大的尺寸在较高频率处实现良好的滤波性能，降低加工难度；而对于第二种情况，可以以更小的尺寸在较低的谐振频率处实现良好的滤波性能，从而实 现滤波器的小型化。本文就是有效地利用了第二种情况，从而设计出性能好、尺寸小的滤波器。
         
        2 双膜滤波器的实现与仿真
        图4所示是双膜SIW腔体带通滤波器的结构示意 图。在谐振腔的对角线上挖去两个相同的立方体，输入／输出采用直接过渡的转换结构。滤波器选用 Rogers RO3010作为介质基板，其相对介电常数&epsilon;r=10．2，损耗角正切tan d为0．0035；谐振腔长度a为21．5 mm，宽b为21．5 mm，高h为0．5mm；切去的立方体边长cw为2．2 mm；中心馈线的宽度tw为0．72 mm。输入／输出采用无缝耦合的直接转换结构，这样可减少输入／输出结构的耦合损耗。
       

        　　
        3 仿真结果分析
        仿真可采用电磁仿真商业软件HFSS来完成。通过仿真介质谐振腔滤波器(滤波器源型)可以发现，不同的耦合输入／输出窗口宽度影响着滤波器中心频率的位 置，同时也影响耦合强度和带内插入损耗。从图5中看出，随着耦合窗宽度的增大，滤波器的中心频率会上移，耦合减弱，带内插入损耗变大，也就是滤波器的匹配 性能变差。
       

        　 　
        针对切去的立方体尺寸对滤波器性能的影响。从方便的角度考虑，应先保证一个角上的正方体尺寸不变，而改变另一个切去的立方体尺寸，然后观察微扰变化对S 参数的影响。从图6所示的曲线可以看出，微扰尺寸几乎不改变S参数曲线的形状，对中心频点的影响不大，微扰越大，带宽越宽，相应的高阻带传输零点会往高频 点移动。
       

         
        从以上结果可以看出，通过改变微扰大小可调节滤波器的带宽，而改变耦合输入／输出窗口的宽度则可调节滤波器的中心频率和匹配性能。
         
        综合以上仿真研究并结合公式(1)、(2)，可先计算出SIW的相关尺寸。然后通过HFSS仿真对滤波器性能进行优化，最终所得出的设计电路具体尺寸为 h=O．5 mm，&epsilon;r=10．2，tan d="0"．0035，a=b=21．5 mm，d=0．8 mm，s=1．2 mm，cw=2．2 mm，tw=0．72 mm，cw=8．4 mm，ba=2 mm。
       

         
        图7所示是本设计的双膜SIW腔体滤波器S参数的响应曲线。从图7中可以看出，采用本设计实现的滤波器的中心频率fo=4．95 GHz，3 dB相对带宽FBW=4．36％，通带内插入损耗为0.9 dB，反射损耗S11小于-22 dB，阻带右侧5．45 GHz处会形成一个传输零点，损耗接近-40 dB。
         
        4 结束语
        本文应用SIW技术设计了一种具有良好性能的双膜窄带带通滤波器。该滤波器设计原理简单、尺寸小、重量轻、带内插损小、阻带衰减性能好；而且采用直接过渡的转换结构，从而减少了耦合输入／输出损耗。故在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用前景。



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