一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现

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"， !） ， 3 %’ )
" %’ " 。 " ./0 万方数据 （ *） 为) （ +） 中 ,-. 腔体滤波器的等效电 图)
第 )2 卷增刊
张玉林等： 一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现
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（ +） ( 四 ,-. 腔体滤波器结构图 (
（%） * + 为电压 其中 " %’ & " ’% 表示两个谐振器之间的互感，
［ ’］ 源值 。
（ *） ( ,-. 腔体滤波器的等效电路 图 )( ,-. 腔体滤波器 (
%$ 滤波器的实现与仿真、 测试结果
单个的 ,-. 腔体是我们实现 ,-. 腔体滤波器 的基本元素。,-. 腔体的尺寸可以根据设定的滤波 器中心频率由文献 ［1］ 中的经验公式得出， 外在品 质因数值 7 *% 和 ,-. 腔体之间的耦合系数 3 %’ 可以应 用式 （ # ）和 （2） 得到。 4+5 " % 如 图) ， 我们在厚度 8 & " 9 ) 33 ， #: & 2 ， $6 #7 的微波介质基片上实现了中心频率为 )6 189: 的 ,-. 腔体滤波器。每个 ,-. 腔体的尺寸为 #"33 ; #"33， 低 阻 0高 阻 短 微 带 线 的 高 阻 抗 微 带 宽 为 ， … … ( ’3"! ( ’3#! " & 2 1 *! "33， 长 ; & #33； 低阻抗微带宽为 26 133。 仿真和测试结果如图 % 、 / 所示， 两者吻合良好。 仿真结果是应用 <,= >-<?@.ABC ,=DE-@ ! 得到 的。为方便测试， 我们在 ,-. 腔体滤波器的两端焊 接了 #6 !33 同轴0微带转换头， 因此测试结果中的 插 入 损 耗 包 括 ,-. 腔 体 滤 波 器 的 插 入 损 耗 和 #6 !33 接头的插入损耗。 从图 % 可以得出， 我们所设计、 实现的 ,-. 腔 相对带宽 ./0 体滤波器的中心频率 <$ & )6 1)289:， & ! 6 ’) 7 ， 最小插入损耗小于" 6 2 FG ， 带外抑制在 H !$FG 以下。同时， 可以看到图 % 中的测试曲线和 仿真曲线存在频率偏差， 我们推断这个频率偏差是 由介电常数的误差引起的。图 / 是假设基片介电常 数误差为 H #6 ’7 的情况下， 测试曲线与仿真曲线的 对比图。
［ &］ !" #$ 低阻%高阻短微带线
通常， 电尺寸小于八分之一导波长度 ! $ 的微带 线结构可以看作集总参数元件， 电尺寸小于四分之 一 ! $ 的微带线结构可以看作准集总参数元件。
（ /） $ 结构示意图 $
来自百度文库
图 !$ （ /） $ 单 ’() 腔体结构图； （ 0） $ 单 ’() 腔体的散射参数曲线 $
第 21 卷增刊 2005 年 4 月
微
波 学
报
Vol.21 Supplement Apr.2005
!
JOURNAL OF MICROWAVES
一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现
# 张玉林! ，洪" 伟! ，吴" 柯!， ，汤红军! ，郝张成!
（ !$ 东南大学毫米波国家重点实验室，南京 #!%%&’ ； #$ 加拿大蒙特利尔大学工学院电子及计算机系） 摘" 要： " 滤 波 器 是 微 波 毫 米 波 电 路 与 系 统 中 一 个 重 要 的 部 件。利 用 基 片 集 成 波 导 （ ()*(+,-+. /0+.1,-+.2 3-4.1)/2.— — —567） 技术设计并用印制电路板实现了一种应用低阻 8 高阻短微带线作补偿的基片集成波导滤波器， 仿真与实验结果吻合良好， 中心频率为 9$ :;<=， 相对带宽 >$ &9? ， 插损小于 !$ @2A。该滤波器具有具有体积小、 重量 轻、 容易加工和集成等优点。 关键词： " 滤波器，腔体，耦合，567，低阻B高阻短微带线
张玉林等： 一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现
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能使滤波器的插入损耗和纹波系数最优化。外在品
［ !， "］ ： 质因数可由下式给出
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$# $! $ $ ， $ ! "( # ( ( )! %&’ %&’
（!）
! "( 分别是输入和输出端的外在品质因数， 其中 ! "! ， $（ !， (， ( & !） 是低通滤波器原型的元件参数， * * % #， %&’ 是滤波器的相对带宽。 单个 ’() 腔体的结构和散射参数曲线如图 ! 所示。外在品质因数 ! " 可以由单个 ’() 腔体的全
!"#$%& ’&( )"’*$+’,$-& -. ’ /-0"* 123#,4’," 5&,"%4’,"( 6’0"%2$("（ 156）7’0$,8 9$*,"4
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IH 理论分析与设计
IJ IH 耦合理论 567 腔体的外在品质因数是用耦合理论设计滤 波 器的重要参数， 必须确定合适的外在品质因数才
!
万方数据 基金项目： 国家自然科学基金重大项目 （ 项目编号 ’%>&’@!V ）
收稿日期： #%%>B%VB#% ； 定稿日期： #%%>B!!B@%
第 *! 卷增刊
0 #
（+）
其中 , 1 是高频率的谐振点， , 2 是低频率的谐振点。
万方数据
如图 + ， 当不考虑损耗时， 一段高阻抗短微带线 的两端为低高阻抗微带线的结构可以用 " 型等效 电路表示， 电路参数为： & ! 3 # 4 5 234 （ "+） ， $ # 5/4 （ "+ - * ） （ 6 ） * 45 其中， 上述 " % * " 7 ! $ 为传播常数。当 + 8 ! $ - 9 时， 公式可以近似为： & ! 3 # 4（ ， $ # （ "+ - * ） （:） 5 "+） * 45
图 !( ! 个互耦谐振器的回路电流等效电路图 (
如果电路中所有的谐振器是相同的， 即 " & "" & "# & … & " ! 与 # & #" & ## & … & # ! ， 并且在工作 则 频率附 近 和 窄 带 的 条 件 下 可 以 认 为 ! , !$ 2 " ，
［ ’］ （%） 式可以表示为 ：
<3#,4’F,： " C/D+.,( /( - E/02 FG /HIF,+-0+ JFHIF0.0+( /0 H/J,F3-4. -02 H/DD/H.+., 3-4. J/,J)/+( -02 (K(+.H($ 60 +L/( I-I.,，- 0F4.D ()*(+,-+. /0+.1,-+.2 3-4.1)/2. J-4/+K G/D+., -,. 2.(/10.2，G-*,/J-+.2，-02 +.(+.2$ A./01 G-*,/J-+.2 F0 I,/0+.2 J/,J)/+ *F-,2(（ MNA） ， ()JL E/02( FG G/D+.,( +-E. -24-0+-1.( FG +L. L/1L OBG-J+F,， L/1L IF3., J-I-J/+K -02 (H-DD (/=.$ PL. G/DB +.,( -,. 2.(/10.2 -+ +L. J.0+., G,.Q).0JK FG 9$ :;<=，+L. G,-J+/F0-D *-02I-(( 3/2+L（ CA7）/( >$ &9? ，-02 +L. H/0/H)H /0B (.,+/F0 DF(( /( D.(( +L-0 !$ @2A$ AF+L 0)H.,/J-D (/H)D-+/F0( -02 .RI.,/H.0+-D ,.()D+( -,. I,.(.0+.2 +F (LF3 +L. 1FF2 I.,GF,HB -0J. FG +L. 2.(/10$ B"8 G-4(#： " C/D+.,，N-4/+K，NF)ID/01，567，SF3BL/1LB/HI.2-0J. (LF,+ D/0.
［ @ U :］ 类新型波导 ， 可以广泛地应用于微波及毫米波
电路中。基片集成波导器件的一个重要性质是具有 与传统矩形波导相近的特性， 诸如品质因数高、 易于 设计等， 同时也具有体积小、 重量轻、 容易加工、 造价 低和易于集成等传统矩形波导所没有的优点。在本 文中， 我们应用滤波器腔体耦合设计理论实现了一 种新型的基片集成波导滤波器。仿真和测试结果显 示该滤波器具有优良的特性。
! 个腔体构成的腔体滤波器的等效电路如图 ! 所示， 其中 "， # 和 $ 分别表示电感、 电容和电阻， % 表示电流回路。应用基尔霍夫电压定律， 我们可以 得到等效电路的回路方程： $" & ’!"" & " %" ( ’!""# %# ( … ( ’!""! % ! ) * + ’!#" ( ’!"#" %" & ’!"# & " %# ( … ( ’!"#! % ! ) $ ’!## " % ) $ ( ’!" % ( ’!" % ( … & $ ! & ’!" ! & !" " !# # ! ’!# !
如图 * 所示， 当两个 ’() 腔体相互耦合时，/!! 曲线由一个凹谷变为两个凹谷， 并且当两个 ’() 腔 体之间的相互耦合越强， 两个凹谷分离越远。两个 ’() 腔体之间耦合系数 0 可以由其散射参数曲线得
［ "］ 到 ： * ,* 1. , 2 * ,* 1) , 2
（ 0） $ 等效电路图 图 +$ 高阻1低阻短微带线 $
［ "］ 波分析散射参数曲线应用公式
! " # * ! + # * ,# - !, .+,-
（*）
计算得出， 其中 ! + 是有载品质因数， ,# 是谐振频率， !, . +,- 是 /*! 曲线的 +,- 带宽。我们可以调节输入输 出端的微带宽度， 从而得到所需要的数值。
$
图 *$ （ /） $ 双 ’() 腔体结构图； （ 0） $ 双 ’() 腔体的散射参数曲线
引H 言
微波毫米波滤波器的研究具有悠久的历史， 但 是传统的设计和实现高品质因数滤波器的技术， 如 利用传统金属波导或利用微带线的滤波器实现技 术， 不是造价昂贵就是很难达到所要求的技术指标。 文献 ［! ， #］ 中给出了几种应用 TA; （ TD.J+,FH-10.+/J A-02B;-I ） 技 术 实 现 的 微 波 毫 米 波 滤 波 器， 但是 TA; 具 有 体 积 大 的 缺 点， 而采用基片集成波导 （ 5)*(+,-+. 60+.1,-+.2 7-4.1)/2. ： 567） 可以实现高性 能滤波器且保持体积小的优点。基片集成波导是一
%" * + %# $ [ -" ]・ ) %! $ " &2 1 *" ( ’3#" [ -" ] ) !$ " ・./0・ ( ’3 !"
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…
其 中 !$ & " , ! "# ，滤 波 器 相 对 带 宽 ./0 ) !$ " !# ( !" ’ !$ ! ， 1 *% ) ./0・ （ % ) ， 2 ) ( ./0 !$ $% !$ !
（ ! ! "#$#% &%’ ($)*+$#$+’ *, -.//.0%#%+ 1$2%3，"*4#5%$3# 67.2%+3.#’，8$79.7: #!%%&’ ，;5.7$； # ! <*/’=>+$0%3 ?%3%$+@5 ;%7#%+，A@*/% <*/’#%@57.B4% C% -*7#+%$/，-*7#+%$/，;$7$C$）
"!$ !" #$ 腔体耦合滤波器的电路模型
微( 波( 学( 报
#$$) 年 ! 月
路。图中， !" 对应 445 之间的四个 ,-. 腔体部分， 其参数为 （/） 式中的 ［ -" ］ ； !# 对应参考面 665 之间 低阻0高阻短微带线的等效电路， "" 和 "# 分别对应 654 和 60末端的微带传输线的电长度。 我们可以很容易的得到图 ) （ *） 所示整个滤波 器等效电路的网络参数， 从而可以应用简单成熟的 理论设计和优化滤波器。