双膜基片集成波导_SIW_带通滤波器的设计与仿真

图5 不同窗口宽度对S参数的影响曲线
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。
摘 要： 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4.95 GHz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。 关键词： 基片集成波导； 带通滤波器； 双膜谐振器； 传输零点
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=0.5 mm， εr=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， cww=8.4 mm， ba=2 mm。
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设计参考
Vol.12 No.5 May. 2010
(a) TE102
(b) TE201
图2 简并模的电场分布图
假设图3所示的矩形腔体的长、 宽、 高分别 为a、 b、 d。 因 为TEmn (n1 0) 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
以推出：
姨 a
b
=
m2-p2 q2-l2
(3)
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 [1]， 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
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Electronic Component & Device Applications
Vol.12 No.5 May. 2010
doi:10.3969/j.issn.1563-4795.2010.05.017
双膜基片集成波导 (SIW) 带通 滤波器的设计与仿真
王美侠 (南京邮电大学电子科学与工程学院， 江苏 南京 210003)
口， 该类称为组件类， Init函数在ExtensionSysten 中被调用时， 可以在其中完成组件的初始化工 作， 其具体代码如下：
class IPlugin : public IMyUnknown {
public: virtual void Init () = 0;
}; 每 个 组 件DLL/SO都 需 要 导 出 一 个 创 建 接 口 的 函 数， 形式如下： void CreateInstance (char *pchIName, void *pICom, void **pRetCom) { //char *pchIName 组件类名, void *pICom 接口名, void **pRetCom接口指针
1 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
收 稿 日 期 ：2009-12-21
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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。
[3] RALPH LEVY, SEYMOURB. COHN.A History of Microwave Filter Research, Design, and Development [J]. IEEE Trans on Micro Theory and Tech,1984,32 (9), 1055-1065
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(下 转 第 54页 )
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Release函数可用来释放组件接口对象。 每 个 DLL/SO 中 都 需 要 有 一 个 类 实 现 IPlugin 接
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。
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＜f0。 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＜ λ/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。
参考文献
[1] Feng Xu, Ke Wu. Guided -Wave and Leakage Charac-
teristics of Substrate Integrated Waveguide. IEEE Trans
on Microwave Theory and Techniques, 2005, 53(20)：66-
图1 基片集成波导结构图
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 (n1 0) 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。
图6 不同微扰尺寸对S参数的影响曲线
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图7 双膜SIW腔体滤波器S参数的响应
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。
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
if (pICom == NULL) {
组件类1 *q = new 组件类1 ; q->Dynamic (pchIName, pRetCom) ; } else { ( ( IPlugin *) pICom) ->Dynamic ( pchIName,
(上 接 第 50页 )
[2] 李 皓 ，华 光 ，陈 继 新,等.基 片 集 成 波 导 和 微 带 转 换 器 的 理 论 与 实 验 研 究[J].电 子 学 报 ，2003，31(12)：20022004
式如下：
姨 frm0l= c0 2 姨 er
( m ) 2+ ( 1 ) 2
a
d
(1)
图3 金属矩形谐振腔基本结构图
对于具有相同谐振频率的两个模式来说， 则
有如下关系：
姨 姨 ( m ) 2+ ( 1 ) 2 = ( p ) 2+ ( q ) 2
a
d
a
d
(2)
其中， p和q是另一种模式的下标。 这样就可
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εr=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 0.5 mm； 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。
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。
图4 双膜SIW带通滤波器示意图
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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。
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f0=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。