基于EMSIW-QMSIW小型化带通滤波器设计

基于EMSIW-QMSIW小型化带通滤波器设计
黄玉兰;张国鹏
【摘要】为有效减小S波段基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)滤波器的尺寸和插入损耗, 提出了一种基于四分之一模基片集成波导(Quarter-Mode Substrate Integrated Waveguide, QMSIW)和八分之一模基片集成波导(Eighth-Mode Substrate Integrated Waveguide, EMSIW)交叉排列耦合的小型化带通滤波器; 并针对提高滤波器选择性和带外抑制水平, 通过设计源与负载耦合, 实现传输零点的引入.设计了一款小型化带通滤波器, 中心频率为3.7 GHz, 相对带宽为18.9% , 仿真测得最小插入损耗为0.55 dB, 带外抑制大于40 dB, 且标准化尺寸仅为0.24λ0×0.11λ0 .通过制作实物验证, 测试与仿真相吻合.
【期刊名称】《电子元件与材料》
【年(卷),期】2019(038)002
【总页数】5页(P88-92)
【关键词】四分之一模基片集成波导;八分之一模基片集成波导;小型化;传输零点;源-负载耦合
【作者】黄玉兰;张国鹏
【作者单位】西安邮电大学电子工程学院,陕西西安710121;西安邮电大学电子工程学院,陕西西安710121
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
随着人们对无线通信系统的要求不断提高,现代微波滤波器需要满足小型化、易加工、易集成、低插损等要求。

近年来国内外学者对滤波器的小型化展开了一系列研究,较成熟的滤波器形式有腔体滤波器[1]、微带滤波器[2-3];但微带滤波器具有辐射大、Q值低等问题;腔体滤波器体积较大,且难以与平面结构电路集成。

基片集成波导的提出很大程度上弥补了上述缺点[4],但该形式的滤波器在频率相对较低的情况下,尺寸仍然较大。

有学者提出利用四分之一基片集成波导[5-6]腔体或八分之一基片集成波导[7]腔体设计单层或多层滤波器,以改善尺寸问题,但由于谐振腔体除有金属通孔的一侧之外,其他边均为开放式结构,电磁泄漏较为严重,插损较差。

因此针对改善其尺寸和插损问题,本文提出了一种基于四分之一模基片集成波导[5-6]和八分之一模基片集成波导[7]交叉排列耦合的三阶带通滤波器;利用腔体的边缘效应,通过采用缝隙耦合的方式,在腔体的开放部分实现电磁能量的传递;通过结构互补的方式最高限度地利用现有磁壁,以减少能量泄露,改善插入损耗,提高空间使用率;并且通过源-负载耦合的方式在通带两侧分别引入传输零点,增强选择性和带外抑制水平。

该滤波器以QMSIW和EMSIW为谐振腔体,相较于传统的SIW腔体,QMSIW腔体可将尺寸减小75%,EMSIW腔体可减小87.5%。

因此整体上,该滤波器相较于传统的基片波导滤波器体积可减少80%以上。

1 理论分析
本文以QMSIW和EMSIW结构作为谐振腔,QMSIW和EMSIW谐振腔均是通过沿SIW腔体的等效磁壁切割而来,并且与SIW的电磁分布和谐振频率十分相似。

与基片集成波导相同,QMSIW与EMSIW腔体是通过在介质基板加入周期性排列的金属通孔形成的,因TM模式会受到不连续的通孔切割而消逝,所以在QMSIW和EMSIW腔体中只存在TEn0模。

本文中QMSIW和EMSIW腔体谐振频率的主模为TE101模,其电场分布如图1所示。

图1 电场分布图Fig.1 Electric field distribution
通过设计腔体的边长,可调整腔体的谐振频率,QMSIW和EMSIW的TE101模式的谐振频率可分别由公式(1)和(2)得出。

式中:n=p=1,2,3, …; ε=ε0εr和μ=μ0μr分别是介电常数和磁导率;Leff和Weff分别为QMSIW和EMSIW的等效长度和等效宽度,当满足d/p＞0.5,d/λ＜0.1时(其中d为金属通孔的直径,p为金属通孔的间距),基片波导的磁壁无泄漏发生[8]。

2 QMSIW与EMSIW耦合特性分析
QMSIW腔体与EMSIW腔体以缝隙耦合的方式,实现两腔体之间电磁能量的传输,
耦合系数可通过两腔体间缝隙的宽度SS调节。

由于QMSIW与EMSIW腔体的电场集中分布在腔体顶角处,若使两强电场区靠近,将产生很强的电耦合,使耦合系数随缝隙宽度SS产生剧烈浮动,为耦合系数的调节带来困难。

因此为了更好地控制耦合系数的大小,本文通过使两腔体电场最强处交错排列,使耦合系数的变化量更加可控。

腔体排布如图2(a)所示。

为验证耦合特性,通过三维电磁仿真软件HFSS 15对图中结构进行仿真,仿真结果如图2(b)所示,从仿真结果可知,腔体间电磁传输稳定,单腔体回波损耗达到30 dB,且
腔体间的耦合强度随SS的增大平缓减小,由以上参数可知,该结构可用于小型化滤
波器的设计。

图2 耦合方式与耦合强度变化图Fig.2 Variation diagram of coupling mode and coupling coefficient
3 小型化滤波器的设计
本文通过EMSIW腔体与QMSIW腔体以EMSIW-QMSIW-EMSIW交叉排布耦合的方式设计了一款中心频率为3.7 GHz的三阶带通滤波器,滤波器结构如图3所示。

图3 滤波器结构图Fig.3 Filter structure diagram
该滤波器由两个EMSIW和一个QMSIW谐振腔通过缝隙耦合的方式交叉构成。

同时,为改善滤波器的选择性和提高带外抑制水平,本文通过在馈电部分添加短指节传输线的方式,实现源与负载耦合,在3.24 GHz和6.01 GHz处各引入一个传输零点,以增强滤波器的选择性和带外抑制。

滤波器的外部品质因数由微带线与EMSIW腔体的位置参数S控制,外部品质因数随S的增大而增大,变化曲线如图4所示;耦合系数由腔体间缝隙宽度SS1和SS2控制,当腔体间距离减小时,腔体间耦合系数减小,变化曲线如图5所示。

图4 外部品质因数曲线图Fig.4 External quality factor graph
源-负载的耦合强度受短指节微带线的间距SS3控制。

当SS3减小时,源与负载耦合系数增大,传输零点逐渐靠近通带,通带选择性逐渐增强,但带外抑制水平逐渐降低且带宽会受到影响。

仿真曲线如图6所示。

图5 耦合系数曲线图Fig.5 Coupling coefficient curve
图6 SS3参数曲线图Fig.6 SS3 parameter curves
本文所采用的介质基板为Rogers RO3010,其相对介电常数为10.2,损耗角正切为0.0035,厚度为0.508 mm。

结构参数如表1所示,单位为mm,结构尺寸为19.3 mm×9.25 mm,标准化面积为0.24λ0×0.11λ0,其中λ0为通带中心频率波长。

表1 参数设置Tab.1 Parameter settings mm参数 SS1 SS2 SS3 wp Lcp a2数值 0.41 0.39 0.7 0.3 13.3 7.5
通过电磁仿真软件HFSS 15对滤波器进行仿真,仿真结果如图7所示。

由图7可知,设计得到的QMSIW-EMSIW滤波器的中心频率为3.7 GHz,通带
3.38～
4.08 GHz,相对带宽为18.9%,带内最小插入损耗为0.55 dB,回波损耗均大于13 dB;通过源-负载耦合的引入,通带两侧各引入一个传输零点,传输零点分别位于3.24 GHz和6.01 GHz处,带外抑制大于40 dB,高阻带衰减达到64 dB。

为验证仿真结果,对滤波器进行实物加工并测量,实物图如图8所示。

图7 滤波器仿真曲线图Fig.7 Filter simulation curves
图8 滤波器正面图(a)及背面图(b)Fig.8 Filter front(a)and back(b)pictures
本文测量所使用的矢量网络分析仪为Agilent E5071C。

由于加工精度、测量线损耗以及焊接工艺所导致的误差,使插入损耗略大于仿真结果。

由图9可知,实测结果与仿真结果吻合。

图9 滤波器测试图Fig.9 Filter test diagram
为突出滤波器小型化、低损耗的特点,将QMSIW-EMSIW滤波器分别与全模SIW 滤波器(文献 [4])、四分之一模SIW滤波器(文献 [5])、双层EMSIW腔体滤波器(文献 [7])、多模QMSIW滤波器(文献 [9])以及半模加载开口互补环SIW滤波器(文献 [11])进行对比,比较其腔体总面积与插入损耗等参数,对比参数如表2所示。

通过与文献 [4]、 [5]、 [9]、 [11]比较可知,在滤波器阶数相近层数相同的情况下,本文滤波器在插入损耗与尺寸方面均有显著提高;通过与文献 [7]比较,在谐振腔结构与尺寸相似的情况下,文献 [7]中滤波器的无载品质因数仅为588,本文通过设计耦合方式和优化腔体排布的方法,使电磁辐射减少,品质因数提升至988,并且简化了加工工艺。

表2 QMSIW-EMSIW滤波器与SIW滤波器比较Tab.2 Comparison of QMSIW-EMSIW filter with SIW filter文献中心频率(GHz) FBW(%) 阶数插入损耗(dB) 标准化面积(λ0×λ0)[4] 4.97 5.8 3 2.2 0.76×0.76[5] 8.7 16 2 1.5 0.24×0.45[7] 2.9 13.4 4 1.63 0.15×0.15(双层)[9] 5.5 22 3 1.67 0.4×0.4[11] 7.6 53 3 1.5 0.19×0.94本文3.7 18.9 3 0.55 0.11×0.24
4 总结
本文通过利用QMSIW谐振腔和EMSIW谐振腔体积小且排布灵活的特点,并通过缝隙耦合和引入源-负载耦合的方式,设计了一款基于QMSIWEMSIW的小型化带通滤波器,减小滤波器的尺寸,改善插入损耗。

滤波器尺寸较传统基片集成波导滤波
器少80%,仅为19.3 mm×9.25 mm(0.24λ0×0.11λ0),实现了小型化低插损的设计目标,可用于通讯设备中,该结构也为EMSIW型滤波器和QMSIW型滤波器的研究做出贡献。

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