SIW带通滤波器仿真设计
带通滤波器的设计和仿真
带通滤波器的设计和仿真学院信息学院姓名吴建亮学号 201203090224班级电信1202时间 2014年10月1.设计要求设计带通为300Hz~10KHz的带通滤波器并仿真。
2.原理与方案2.1工作原理:带通滤波器的作用是只允许在某一个通频带范围内的信号通过,而比通频带下限频率低和比上限频率高的信号均加以衰减或抑制,本实验通过一个4阶低通滤波器和一个4阶高通滤波器的级联实现带通滤波器。
2.2总体方案易知低通滤波电路的截止角频率ωH大于高通滤波电路的截止角频率ωn,两者覆盖的通带就提供了一个带通响应。
先设计4阶的低通滤波器,截止频率,选取第一级高通滤波器的,第二级的高通滤波器的。
主要参数:电容则基准电阻,,取标称值2400pF,,取标称值14.7kΩ,,取标称值14.7kΩ,,取标称值7.32kΩ,,取标称值6.04kΩ,,,取标称值0.013μF,,取标称值3.01ķΩ,同理,设计一个4阶高通滤波器,通带增益,截止频率,选取第一级高通滤波器的,第二级的高通滤波器的。
主要参数如下:电容,,取标称值10kΩ,,取标称值27kΩ,,取标称值3.9kΩ,,取标称值62kΩ。
3 电路设计图3-1 高通滤波器图3-2 低通滤波器如上图3-1与图3-2所示为滤波器的电路,函数信号发生器生成信号经过级联在一起的4阶低通、高通滤波器后完成滤波。
4仿真、分析图4-1,图4-2,图4-3为频率分别为300Hz、1kHz与10kHz时的示波器波形显示,其输入的正弦信号的幅值均为2V,滤波器的仿真结果符合预期结果。
图4-1 时滤波器仿真结果图 4-2 f=1000Hz滤波器仿真结果图4-3 f=10kHz滤波器仿真结果图4-4 下限截止频率图4-5 上限截止频率图4-6 通带频率电路的波特图如图4-4,图4-5,图4-6所示。
从表4-1和图4-4所仿真结果看,滤波器通带范围理论值在,且在通带范围内增益较为稳定,在1左右。
《2024年耦合带通滤波器的仿真与设计》范文
《耦合带通滤波器的仿真与设计》篇一一、引言随着通信技术的不断发展,信号处理技术也日益成为研究的热点。
在信号处理中,滤波器是一种重要的器件,用于从混合信号中提取所需信号。
其中,带通滤波器是一种能够通过特定频率范围内的信号并抑制其他频率信号的滤波器。
耦合带通滤波器则是带通滤波器中的一种,其通过电感或电容等元件将不同频率的信号进行耦合和滤波。
本文旨在探讨耦合带通滤波器的仿真与设计,以期为相关领域的研究提供一定的参考。
二、耦合带通滤波器的基本原理耦合带通滤波器主要由电感、电容等元件组成,通过这些元件的耦合作用,实现对特定频率范围内信号的滤波。
其基本原理是利用电感、电容等元件的频率特性,使不同频率的信号在传输过程中产生不同的相移和衰减,从而实现滤波。
三、耦合带通滤波器的设计1. 设计目标与参数设定在耦合带通滤波器的设计中,首先需要明确设计目标,如所需通过的频率范围、滤波器的插损、回波损耗等指标。
然后根据这些指标进行参数设定,如电感、电容的值等。
2. 元件选择与电路拓扑在选择元件时,需要考虑元件的频率特性、精度、稳定性等因素。
常用的电感元件有空气电感、磁芯电感等;常用的电容元件有陶瓷电容、电解电容等。
根据设计需求和元件特性,选择合适的电路拓扑,如T型、π型等。
3. 仿真与分析利用仿真软件对电路进行仿真,观察电路的频率响应、插损、回波损耗等指标是否满足设计要求。
通过对仿真结果的分析,不断调整电路参数,以达到最佳性能。
四、耦合带通滤波器的仿真仿真是一种重要的手段,可以帮助我们更好地理解电路的性能和优化电路设计。
在仿真过程中,我们可以观察电路的频率响应、插损、回波损耗等指标的变化,从而了解电路的性能特点。
对于耦合带通滤波器,我们可以通过改变电感、电容等元件的参数来调整其性能。
在仿真过程中,我们可以使用各种工具来帮助我们更好地分析和优化电路设计。
五、实验与结果分析在完成电路设计后,我们需要进行实验验证。
通过实验测试电路的频率响应、插损、回波损耗等指标,将实验结果与仿真结果进行对比,以验证设计的正确性和可行性。
微波双频带通滤波器的仿真设计
陕西理工学院毕业设计
4.2.1 滤波器设计指标........................................................................ 22 4.2.2 微带线参数指标........................................................................ 22 4.2.3 微带线参数计算....................................................................... 23 4.3 电路原理图的仿真.............................................................................. 23 4.4 基本参数设置...................................................................................... 26 4.5 曲线图仿真..........................................................................................27 4.6 仿真优化............................................................................................ 30 4.7 版图生成............................................................................................ 31
四阶双模SIW带通滤波器的优化设计
四阶双模SIW带通滤波器的优化设计何柳;钟兴建;范振东;张权【摘要】介绍了一种四阶双模基片集成波导带通滤波器的优化设计.采用高次模设计,谐振器的固有品质因数比主模高,使滤波器在具有较小尺寸的基础上,降低带内插入损耗;控制腔体输入、输出端的相对位置,可使特定频率的两个模式在输出端口形成能量相同、相位相反的状态,形成传输零点;将两个SIW腔体级联,调整各腔中输入、输出端相对位置,可使滤波器在通带上、下边带各形成一个传输零点;在输入端口增加陷波枝节,进一步增强了对通带低端附近信号的抑制.仿真结果显示,仿真结果与测试结果吻合良好,验证了设计方法的有效性.【期刊名称】《通信技术》【年(卷),期】2018(051)006【总页数】4页(P1473-1476)【关键词】双模;基片集成波导;传输零点;陷波枝节【作者】何柳;钟兴建;范振东;张权【作者单位】陆军工程大学通信工程学院,江苏南京 210007;陆军工程大学通信工程学院,江苏南京 210007;陆军工程大学通信工程学院,江苏南京210007;31121部队 80分队,江苏南京210014【正文语种】中文【中图分类】TN7130 引言现代通信系统对高性能滤波器的要求和需求非常高。
作为雷达、电子、通信等系统中广泛使用的元件,滤波器性能的优劣往往决定了系统性能的好坏。
因此,人们对滤波器性能的要求越来越高,不仅需要具备更小的尺寸和更低的插入损耗,还需要更好的选择性能。
基片集成波导滤波器因具有品质因数高、损耗小、尺寸小和易集成等优点,近年来被大量应用在实际工程中。
随着通信系统对滤波器性能要求的不断提高,在滤波器设计中也常常利用高次谐振模式。
本文主要采用高次模设计基片集成波导(SIW)带通滤波器,利用两个谐振腔实现四阶多模滤波。
在高性能小型化的基片集成波导滤波器中,双模及多模谐振器是一个很有研究前景的设计技术。
一腔多模的概念最初由我国的微波专家林为干在1951年提出[1]。
SIW窄带带阻滤波器的设计和仿真研究
( 电子科技大学应用物理所 , 四川 成都 605 ) 104
摘
要 : 片集成波导( us a t re vgie- I 是一种新型的高品质 因数 、 基 S btt I e a dWaeud- S ren g t W) 低损耗集成波导结构 , 易于设
计 和加工 , 以广泛应用于微波毫米波集成电路 中。由于和传统矩形 波导的相似性 , 可 很多设 计概念 可以借用 , 比如 波导功 分器 、 滤波器 、 天线 等 , 利用该结构设计 出一种带 阻滤波 器 , 中心频率 为 4 8 G-, 其 .5 I 相对带 宽为 12 最大 I z .%, 衰减为 4 d 。该滤波器具有体积小 , 8B 容易加工和集 成等优点 。
d sg iga d po esn , O i c I b ie y u e n mi i tr w v ne rtd crut . o t i lr y w t o v nin l e i n n rc s ig S t al e w d l sd i l mee a e itgae i i F r i s a i i c n e t a n l c s s mi t h o rcalua a e ud , a y d s n C n e t c n b rn fre o SW a , u h a o r d v e , ie s a tn a ec I hs e tI l w v g ie m n e i o c ps a e t serd t 1 f t s c s p we ii r f tr , ne n , t .n ti g r g a l d l
光, 作为一种新型的传输线结构 , 它综合了传统矩形 波导和微带线的一系列优点 和传统的矩形波导一样 集成波导具有较高的品质 因数和很小的辐射损耗 ; 而它 又和微 带线 一样 具有 体积 小 、 量轻 、 重 容易 加工 和集成等优点。从其工作原理上看 , 能够用普通波 导实 现 的结 构 也 都 可 以用 S 来 实 现 , 如 功 分 I W 比 器、 滤波器 、 天线 、 耦合器等。
基于SIW技术的毫米波滤波器研究与设计
基于SIW技术的毫米波滤波器研究与设计杨君豪;孙曼;张金玲【摘要】基于基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)结构设计了两款四阶的耦合带通滤波器,使用三维全波电磁场仿真软件HFSS对设计的两款滤波器进行了仿真设计和优化.由仿真结果分析得出,两款滤波器的工作频率均位于毫米波频段.第一款SIW滤波器实现了切比雪夫型响应,中心频率为20 GHz,带宽为2 GHz,通带内的插入损耗低于1.5 dB,回波损耗低于-20 dB,在阻带中对信号的衰减程度可以达到50 dB.第二款SIW滤波器实现了准椭圆函数型的响应,中心频率为29.1 GHz,带宽为300 MHz,通带内的插入损耗低于1 dB,回波损耗低于-20 dB,在通带到阻带的过渡中实现了两个陷波点.仿真结果表明,在毫米波滤波器设计中引入SIW结构,有利于优化滤波器尺寸,得到较好的滤波器性能指标,是毫米波滤波器发展的一个重要方向.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)004【总页数】6页(P518-523)【关键词】毫米波;带通滤波器;基片集成波导(SIW);切比雪夫响应;准椭圆函数响应;交叉耦合【作者】杨君豪;孙曼;张金玲【作者单位】北京邮电大学,北京100876;中国移动福建分公司,福建362200;北京邮电大学,北京100876;北京邮电大学,北京100876【正文语种】中文【中图分类】TN713引言毫米波无线通信技术是微波无线通信技术向更高频段的延伸,近年来得到了广泛关注与重视,其主要原因有:毫米波对应的频谱资源丰富;毫米波自身的传输特性良好;现代芯片制造工艺的快速发展为毫米波通信设备的制造提供了保障;毫米波通信技术已经成为许多新兴技术的发展需要. 滤波器作为通信系统中重要的组成部分,发挥着对信号频率分割和提取的功能,其性能的优劣直接影响了整个系统的通信质量. 研究小体积、高性能的毫米波滤波器对于实现收发组件单片化,以及促进毫米波技术的发展具有重要意义.基片集成波导(substrate integrated waveguide, SIW)结构是2000年提出的一种新型电路结构,它兼有传统金属波导和微带电路等平面传输线的双重优点[1-3], 其辐射损耗低、功率容量大、易与平面电路集成且抗干扰能力强. 近年来,对SIW 技术的关注度不断增加,相关的技术在微波及毫米波电路领域得到了广泛的应用[4-6]. 基于SIW结构设计的滤波器具备波导滤波器损耗低、Q值高和功率容量大的优点,同时还具备了微带线滤波器尺寸小、易集成的优点. 在滤波器朝着小型化、集成化发展的过程中,电磁兼容、电磁干扰等技术问题也日益突出. 将SIW结构运用到滤波器的设计中是毫米波电路发展的一个重要方向.2003年,文献[7]在绝缘介质基片中加入周期排列的金属通孔,通过四个中心偏置的金属化通孔的直径大小与偏离度控制各谐振腔之间的耦合,实现了三阶的滤波器结构. 这是第一款真正意义上的SIW滤波器.2005年,文献[8]将电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构运用到滤波器的设计中,设计出了一款应用周期性EBG结构的SIW滤波器. 该滤波器实现了超宽带特性与结构上的紧凑性,既具备了EBG结构的阻带特性,又保留了SIW结构本身的高通特性. 随后,利用圆形SIW谐振腔进一步实现SIW滤波器的小型化. 圆形SIW谐振腔滤波器的结构特点在于可以通过改变输入首末两端的角度来调节滤波器的品质因数.近年来,频率选择性表面(frequency selective surface, FSS)、互补开口谐振环(complementary split ring resonator, CSRR)和周期排列的十字形缺陷地(defected ground structure, DGS)结构相继被应用到SIW腔体滤波器与SIW矩形谐振滤波器中. 基于FSS设计的SIW滤波器具有单边陡降效应,通过调节腔体尺寸可以实现低频、高频陡降特性的转换,并能通过单元结构合成实现双边的陡降特性;应用耦合开口谐振环技术的SIW滤波器在利用微扰原理实现双模特性的同时,实现了阻带上的传输零点,提高了带外抑制特性;基于周期十字型DGS结构设计的SIW滤波器在提高了高频带外抑制的同时,保持了谐振腔的品质因数. 此外,应用到SIW滤波器的结构还包括共面波导、缺陷地等[9-12].针对毫米波通信系统中对滤波器小型化、高性能的需求,本文对SIW结构在毫米滤波器设计中的应用进行了研究. 对SIW的结构特点、传输特性进行了分析,结合在耦合谐振带通滤波器的设计中常用的耦合矩阵法,设计了两款工作频率位于毫米波频段的带通滤波器. 第一款为直接耦合型SIW滤波器,馈电方式采用微带线——SIW的直接转换结构,滤波器响应形式为传输零点位于无穷远传处的切比雪夫型带通滤波器. 为了进一步实现滤波器小型化、高带外抑制性能的需求,设计了第二款交叉耦合型SIW滤波器,馈电方式采用共面波导——SIW转换结构,进一步缩小了滤波器整体大小,且滤波器响应形式为通带两侧各有一个传输零点的准椭圆函数型带通滤波器,提高了滤波器带外抑制性能. 通过电磁仿真软件分别对两款滤波器进行了仿真,并对仿真结果进行了分析.1 SIW毫米波滤波器的理论分析1.1 SIW的结构特点SIW结构特点在于它将周期排列的金属圆柱或金属通孔嵌入介质基片,以此来达到与矩形金属波导侧壁类似的效果,将电磁波限制在基片上下两个金属面和两排金属通孔间. SIW的结构示意如图1所示. 其中,d表示金属通孔的直径,s表示相邻金属孔间圆心到圆心的距离,h表示基板厚度,l表示两列金属孔之间的距离.图1 SIW结构示意图Fig.1 Configuration schematic of SIW由于金属圆孔之间存在间隔,使得电磁波会在孔间产生泄露,造成了SIW结构特有的漏波特性. 漏波损耗的程度主要由金属通孔的直径d和相邻金属孔的间距s决定. 为了尽量减小漏波损耗,SIW尺寸的一般设计原则有[13]d<0.2λg,s<2d,d<0.2l.(1)由式(1)可以看出,s/d的数值即孔间隙越小,电磁波越难以在孔间发生泄露. 但从实际的角度出发,由于制造工艺有限,过小的孔直径和孔间距无疑会给实际生产带来困难. 因此对于SIW结构来说,选取合适的d值与s值,使得整个结构漏波损耗小且易于加工是相当有必要的. 图2是SIW单个谐振腔模型,两端采用微带线直接过渡型转换结构.图2 SIW单个谐振腔结构Fig.2 Configuration of a single SIW resonator通过对如图2所示的SIW单个谐振腔进行仿真优化,当d取0.5 mm,s取1 mm时,工作在30 GHz的SIW谐振腔实现了与传统矩形波导相似的传输特性. 在d与s值确定的情况下,谐振频率fc主要由两列金属孔之间的距离l决定,计算公式如下:(2)图2的SIW谐振腔的电场分布情况如图3所示.由仿真结果可以看出,通过谐振腔的电磁波被有效地限制在两排金属孔之间,几乎没有在孔间产生漏波损耗.图3 SIW谐振腔电场分布Fig.3 Magnitude of electric field distribution in the SIW cavity at resonance frequency1.2 SIW的转换结构SIW主要由介质基板和金属化通孔构成,虽然它也是一种平面结构,但是在实际电路应用中SIW难以和其他平面电路直接相连,因此SIW滤波器设计中应用了常用平面电路(如微带线)到SIW的转换结构,用来解决SIW连接与测试的问题.SIW与平面电路之间的转换结构一般有如下设计要求[8]:能实现较宽的工作带宽、较小的插入损耗和较简易的加工结构.SIW滤波器常用的五种基本平面电路转换结构如图4所示[14-17]. 其中,(a)为直接过渡结构,适用于SIW的等效阻抗与微带线特性阻抗相同的情况;(b)为凸型过渡结构,在实现SIW与微带结构过渡的同时完成了二者阻抗的匹配;(c)是凹型过渡结构,通过一段共面波导的过渡来完成阻抗匹配;(d)是SIW滤波器设计中最为常见的锥形过渡结构,其结构简单,能起到很好的展宽频段的效果,在实现微带线与SIW的阻抗匹配的同时,又减小反射带来的影响;(e)是共面波导过渡结构,相比于其他过渡结构,该结构最为紧凑,能够在体积更小的滤波器中发挥很好的作用. 其主要由一段共面波导短截线和两条短路槽构成,实现的效果与锥型过渡类似. 在后续设计中分别采用了(a)和(e)的过渡结构.(a) 直接过渡 (b) 凸型过渡 (c) 凹型过渡 (a) Direct (b) Convex (c) Concave transition transition transition(d) 锥型过渡 (e) 共面波导过渡 (d) Cone transition (e) CPW transition图4 SIW 滤波器平面电路转换结构Fig.4 Transitions from planar circuits to SIW filter 2 SIW毫米波带通滤波器的设计与仿真2.1 直接耦合型SIW带通滤波器本节设计了一款直接耦合的SIW带通滤波器,采用直接耦合的形式,工作频率覆盖19~21 GHz,通带内插入损耗小于1.5 dB,回波损耗小于-20 dB,带外抑制特性良好. 具体设计过程如下:根据所需设计的滤波器中心频率和带宽,确定滤波器的截止频率,通过公式(1),由截止频率计算得出滤波器中SIW谐振腔的尺寸. 由于设计中实现的滤波器为耦合谐振器带通滤波器,因此采用耦合矩阵法计算出各谐振腔之间的耦合系数和外部品质因数. 利用电磁仿真软件HFSS建立子工程,通过仿真得到耦合系数和外部品质因数与谐振腔的物理尺寸之间的对应关系,计算得到滤波器各部分的尺寸大小. 建立初步的滤波器整体模型,并设置相关的激励和边界条件. 其中,金属圆柱可以用边界条件为perfect E的圆柱面代替. 对模型进行仿真分析,仿真得到的响应波形与理论上会存在误差,该误差可以通过对整体模型的进一步优化来减小或消除.通过仿真对比得到,在谐振频率处于20 GHz时,谐振腔宽度H=10.5 mm. 根据技术指标要求,确立该滤波器使用的阶数为4阶. 采用耦合系数法,利用Matlab编程计算得出该滤波器的归一化耦合矩阵为(3)通过转换可以得到相邻谐振腔之间的耦合系数,转换公式如下:Mi,j=WFB×mi,j,i≠j.(4)计算得到M1,2=0.083 6,M2,3=0.060 59,M3,4=0.082 36. 滤波器的外部Q值是影响滤波性能的一个重要因素,可以通过式(5)得到:(5)式(4)、(5)中:WFB表示滤波器的相对带宽;M0,1表示输入端口与第一个谐振腔之间的M矩阵耦合系数;M4,5表示输出端口与最后一个谐振腔之间的M矩阵耦合系数,由“N+2”型耦合矩阵的计算方法可以得到. 带入数值后得到品质因数Q1=Q2=17.3.综上计算得到了谐振器之间的相关系数,使用电磁仿真软件HFSS建立该SIW之间耦合带通滤波器的初始模型,通过参数扫描对模型尺寸进行调整,以实现较好的传输特性.直接耦合SIW滤波器平面结构如图5所示. 从图中可以看出,四个由金属板面与金属圆柱组成的四个谐振腔呈横向排列. 第一个和第二个谐振腔通过过渡结构接入源和负载,各谐振腔通过横向的耦合窗口进行能量的传递.整个滤波器平面尺寸为26 mm×15 mm,具体尺寸为:L1=4.0 mm,L2=4.5 mm,W0=4.3 mm,W1=3.2 mm,W2=3.0 mm,H=10.5 mm.图5 直接耦合SIW滤波器平面结构图Fig.5 Top view of the direct coupled SIW filter通过电磁仿真软件HFSS得到的S11、S21仿真曲线如图6所示,因为滤波器采用直接耦合,所实现的响应为切比雪夫型响应. 从仿真结果可以看出,在滤波器通带19~21 GHz的范围内,插入损耗始终小于1.5 dB,回波损耗始终小于-20 dB. 带外抑制特性十分良好,在通带外的17 GHz处,对信号的衰减程度达到了50 dB.图6 直接耦合SIW滤波器S参数仿真曲线Fig.6 Simulated S parameters of the direct coupled SIW filter2.2 交叉耦合型SIW带通滤波器2.1节中所设计的SIW直接耦合带通滤波器,实现的是一般的切比雪夫响应,其传输零点位于无穷远处. 为了在通带与阻带的过渡带中实现明显的下陷,即在通带的两边实现一对陷波点,本小节用置于腔体中心的金属孔对代替原SIW滤波器中的金属孔窗口,设计了一款实现交叉耦合的SIW带通滤波器. 工作频率覆盖28.9~29.2 GHz,通带内插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB,带外抑制特性良好.为了使设计的滤波器结构更为紧凑,该滤波器在连接端采用共面波导过渡结构,在输入、输出两端加入了共面波导短截线和1/4波长短路槽.共面波导过渡结构与其他过渡结构相比更适用于小体积的SIW滤波器,相应的代价是该转换结构会使滤波器的通带带宽受到限制. 采用耦合系数法,利用Matlab编程计算得到该滤波器的耦合矩阵如式(6)所示,引入交叉耦合后,矩阵中M1,4与M4,1的数值不再为零.(6)通过电磁仿真软件HFSS建立该滤波器的初始模型,模型的平面结构如图7所示. 可以看到,滤波器由三对纵向金属孔构成了四个谐振腔. 通过调整孔间距W1、W2,可以改变对应的耦合量. 对比2.1节设计的直接耦合型SIW滤波器,本款滤波器的尺寸更小、结构更为紧凑. 整体的尺寸为4 mm×14 mm,其中W1=0.65mm,W0=2.10 mm,W2=1.10 mm,L1=2.50 mm,L2=2.35 mm,H=2.80 mm.图7 交叉耦合SIW滤波器平面示意图Fig.7 Top view of the cross coupled SIW filter通过电磁仿真软件HFSS得到的滤波器S11、S21仿真曲线如图8所示.图8 交叉耦合SIW滤波器S参数仿真曲线Fig.8 Simulated S parameters of the cross coupled SIW filter从仿真曲线可以看出,通带内插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB,在通带两边各产生一个陷波点,带外抑制特性良好.对上述设计的两款SIW带通滤波器进行对比分析,由滤波器的平面结构示意图可知(如图5、图7所示,其中图5中馈电结构采用微带线——SIW直接转换结构,图7中馈电结构采用共面波导——SIW转换结构),共面波导转换结构使滤波器整体更加紧凑,进一步缩小了滤波器的整体大小,实现了滤波器小型化的应用需求.由仿真结果S参数曲线可知(如图6、图8所示),设计的第二款准椭圆函数型SIW带通滤波器,通过引入交叉耦合,在通带两侧各引入了一个传输零点,在相同阶数下,相比较于传输零点在无穷远处的切比雪夫型SIW带通滤波器,提高了带通滤波器的选择性,抑制更加陡峭.3 结论本文针对毫米波滤波器的设计,引入SIW结构,研究了SIW的结构特点及传输特性,结合耦合谐振带通滤波器设计中的耦合矩阵法,设计了两款工作频率位于毫米波频段的带通滤波器,并通过电磁仿真软件HFSS分别进行了仿真.结果表明,两款滤波器均实现了设计指标,满足毫米波通信系统需求. 分析得出,将SIW结构应用到毫米波滤波器的设计中,有利于优化滤波器尺寸,得到较好的滤波器性能指标,是毫米波滤波器发展的一个重要方向.参考文献【相关文献】[1] CASSIVI Y, PERREGRINI L, ARCIONI P, et al. 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基于HMSIW的宽带带通滤波器设计分析
第6期2021年3月No.6March,20210 引言伴随着微波通信技术的迅速发展,对微型滤波器的需求越来越大。
传统的滤波结构,如金属棉导线或微裂线,成本高,体积大,不能满足微型滤波器的要求,因此开发了基片集成波导(SIW )传输结构,其性能好、功耗低、损耗小、成本低、易于加工和集成等[1]。
基片集成波导(SIW )传输结构空腔由介质基片组成,基片上、下两层金属表面线性排列,形成了基片上、下两层金属化的孔洞。
为降低SIW 衬底的漏失率,导轴通过切削成半个导轴来降低漏失率。
本文提出了一种融合缺陷微裂结构(DMS )和散射结构的新型紧凑宽带通信滤波器,介绍了高模整流波导腔的工作原理,并分别介绍了单腔和多腔波导腔,分析了不同DMS 单元的引入对滤波器插入损耗、带宽和阻滞性能的影响。
1 理论分析构建高模集成波导腔,首先要确定同一频率范围内硅波导的宽度。
在此基础上,采用水平中心切削法,将SIW 的宽度控制在相应SIW 结构的一半左右。
一输入多输出结构,只传播TE 模式,不传播TM 模式。
在构建该腔体的基本结构时,必须考虑到金属通孔直径D 、两孔间距、W 孔宽度和等值宽度等重要参数。
随着钻距的减小,相邻孔之间的能量泄漏量减小。
SIFF 的当量宽度可按下列比例确定:0.95pd -W =W 2eff(1)SIW 腔体的截止频率可定义为:effr C w 2C =F x H (2)其中,C 是真空和组合区域中的光速;εr 是介质基底的相对容许性。
按公式(1)和公式(2)计算了硅钢腔的结构尺寸和关闭频率,形成高集成度硅钢腔基本结构,提高了其性能。
2 研究背景及意义随着无线通信技术的发展,中长波通信的应用越来越广泛,已成为实现远程、大规模通信的重要手段。
伴随着人类社会无线电通信和信息技术的迅速发展,人们对信息传输的速度和质量要求越来越高,同时也期待着F3型能有更舒适、快速、多样的信息传输方式。
与此同时,由于频谱资源固有的不可再生性,使得频谱资源与无线通信网络不断扩张的矛盾日益突出。
基于SIW技术的高选择性带通滤波器的设计与实现
摘要摘要滤波器作为通信系统前端电路不可或缺的组件,对于整个通信系统而言,其性能的好坏将直接影响到信号的接收,发射以及传播。
而随着整个通信系统的不断发展以及完善,对于各个组件的要求也在不断的提高,滤波器也朝着小型化高性能的方向发展。
在大量学者几十年的研究过程中,基片集成波导技术(Substrate Integrated Waveguide, SIW)因其独特的结构和电磁特性吸引了滤波器设计者们的目光。
SIW其结构既如微带线结构一样,质量轻、体积小、易加工且与平面电路集成方便,又像传统波导一样,辐射损耗小、功率容量大。
这些特性使得其可以成为顺应小型化高性能滤波器发展的设计平台。
而说到滤波器的高性能,不得不提到滤波器的高选择性,高选择性滤波器可以更加有效的滤除不必要的干扰信号,可以大大提高有用信号的传输效率,然而提高滤波器的选择性最常见的方法就是引入传输零点(Transition Zeros, TZs),而传输零点的获取可以通过交叉耦合,源和负载耦合等方法来实现。
本文的主要工作就是研究将SIW技术和交叉耦合以及源和负载耦合等方法相结合设计出具有传输零点的高选择性带通滤波器。
首先,本文简单介绍了滤波器的发展现状以及基本理论知识,包括分类以及基本参数等。
其次,文章又讲解了本文所设计的滤波器的载体SIW,详细介绍分析了其基本结构和特性,并又介绍了两种常见的SIW与微带线的过渡结构,接着又举例说明了三种常用的SIW腔之间的耦合结构,这些都为下文将SIW与交叉耦合理论相结合设计出高选择性滤波器提供了理论基础。
再次,本文介绍了交叉耦合理论,重点介绍了该理论中常见的三谐振器耦合(Coupled Triplet, CT)和四谐振器耦合(Coupled Quadruplet, CQ)结构的相位模型,也以此讨论TZ的位置变化,并通过仿真实例来印证了CT结构相位模型,接着又结合仿真实例讨论了二次模谐振腔对CT结构传输零点位置的影响,最后运用上述方法与SIW相结合利用金属通孔扰动一次模使其频率上升的方法设计出了一款通带两边各具一个传输零点的高选择性带通滤波器。
应用于SAW RFID中带通滤波器的设计与仿真
应用于SAW RFID中带通滤波器的设计与仿真
金秀梅;李民权;刘坤
【期刊名称】《电子测量技术》
【年(卷),期】2009()10
【摘要】本文借助于平行耦合单元,使用ADS(Advanced Design System)仿真软件,设计出一种高性能的带通滤波器,介绍了其设计仿真的全过程,给出了电路仿真结果,并对仿真结果进行了分析。
设计出的带通滤波器可用于2.45GHz声表面波射频识别读卡器,其优点在于制作过程简单,性能指标高,能满足预期期望值。
【总页数】3页(P33-35)
【关键词】声表面波;射频识别;带通滤波器;ADS
【作者】金秀梅;李民权;刘坤
【作者单位】安徽大学
【正文语种】中文
【中图分类】TN713.5
【相关文献】
1.军事物联网中RFID身份认证协议的设计和仿真 [J], 郭立卿;巫正中;包泽荣;
2.军事物联网中 RFID 身份认证协议的设计和仿真 [J], 郭立卿;巫正中;包泽荣
3.应用于RFID技术中交指型微带带通滤波器的设计 [J], 张金;廖同庆;陈新民
4.QDPSK信号数字化解调器中带通滤波器的设计与仿真 [J], 吴志敏;肖大光
5.应用于SAW RFID中LNA的设计与仿真 [J], 邹金春;李民权;于欢
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SIW带通滤波器仿真设计讲课教案
S I W带通滤波器仿真设计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。
《2024年耦合带通滤波器的仿真与设计》范文
《耦合带通滤波器的仿真与设计》篇一一、引言随着通信技术的不断发展,信号的频率范围日益增加,同时对于信号的质量要求也变得越来越高。
滤波器是信号处理过程中的关键器件之一,具有在指定频带内过滤杂散信号、降低噪声干扰的作用。
而带通滤波器,特别在通信系统中的应用尤其广泛,因其能仅在某一特定的频段范围内通过信号,起到阻隔或滤除高频与低频信号的作用。
本文将详细介绍耦合带通滤波器的仿真与设计过程。
二、耦合带通滤波器的基本原理耦合带通滤波器是一种特殊的带通滤波器,其工作原理主要基于电路中的耦合效应和滤波器的频率选择特性。
该滤波器通过特定的电路结构,如谐振电路、耦合电容等,实现对于特定频率范围内的信号的传输和对于其他频率的信号的抑制。
三、设计步骤1. 确定设计指标:首先需要明确滤波器的设计指标,如中心频率、带宽、插入损耗、回波损耗等。
这些指标将直接决定滤波器的性能。
2. 选择拓扑结构:根据设计指标,选择适合的滤波器拓扑结构。
对于耦合带通滤波器,常见的拓扑结构包括梳状线型、枝节线型等。
3. 确定元件参数:根据所选的拓扑结构和设计指标,确定滤波器中各个元件的参数,如电容、电感等。
4. 仿真验证:利用仿真软件对设计的滤波器进行仿真验证。
通过调整元件参数,优化滤波器的性能。
5. 制作与测试:根据仿真结果,制作实际的滤波器并进行测试。
通过测试结果与仿真结果的对比,验证设计的正确性。
四、仿真设计本文以枝节线型耦合带通滤波器为例,详细介绍仿真设计过程。
1. 拓扑结构选择:选择枝节线型拓扑结构作为本次设计的滤波器结构。
2. 确定元件参数:根据设计指标和拓扑结构,确定滤波器中各个元件的参数。
如采用不同长度的传输线来实现枝节线的功能,调整各段传输线的长度以获得期望的频响特性。
同时确定谐振器的尺寸、数量及电容、电感的值等关键参数。
3. 仿真验证:将设计好的元件参数输入到仿真软件中,进行仿真验证。
通过调整元件参数和优化电路结构,使滤波器的性能达到设计指标要求。
SIW交指带通滤波器的设计与仿真
SIW交指带通滤波器的设计与仿真翟琼华;欧毅;薛晨阳;李志刚;欧文【期刊名称】《传感技术学报》【年(卷),期】2015(028)009【摘要】A double-layer SIW band-pass filter has been introduced,in which the interdigital strip-lines structure was utilized to achieve resonant and the CPW coplanar waveguide was used as the input and output lines. The chip size of the millimeter-wave filter designed is as small as 7 mm×3.5 mm×0.8 mm. Then the filter was simulated and optimized by using a 3D electro-magnetic field analysis software. The simulation results show that the central fre-quency,bandwidth,and insertion loss of the designed filter respectively are 10.6 GHz,2.5 GHz and 2 dB,which ful-ly meet the design aims. Finally,the fabrication process of the MEMS-based filter was presented.%介绍了一种双层SIW带通滤波器,两层之间采用交指结构实现谐振,输入输出采用共面波导形式.所设计的毫米波滤波器芯片尺寸仅有7 mm×3.5mm×0.8 mm,使用三维高频电磁仿真软件对该结构进行仿真和优化,结果表明滤波性能符合设计要求:中心频率10.6 GHz、带宽2.5 GHz、带内插损2 dB.最后阐明了基于MEMS技术的该滤波器的工艺制作流程.【总页数】5页(P1379-1383)【作者】翟琼华;欧毅;薛晨阳;李志刚;欧文【作者单位】中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心,北京100029;中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心,北京100029;中北大学仪器科学与动态测试教育部重点实验室,太原030051;中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心,北京100029;中国科学院微电子研究所集成电路先导工艺研发中心,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TN603.5【相关文献】1.抽头式微带交指型带通滤波器的设计 [J], 王俐聪;杨晓明;孙炘;朱捷2.双膜基片集成波导(SIW)带通滤波器的设计与仿真 [J], 王美侠3.陶瓷基交指微带带通滤波器的设计 [J], 陈松;钟朝位;刘稷;陶煜4.抽头式交指型带通滤波器的设计 [J], 穆吉儒;朱拥建;张荣君5.改良的交指型带通滤波器 [J], 杨颖;唐斌;任菊因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
SIW带通滤波器仿真设计
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。
siw结构的谐振滤波器设计
siw结构的谐振滤波器设计
在无线通信系统中,滤波器是用来选择特定频率范围的设备。
SIW(Substrate Integrated Waveguide)结构的谐振滤波器由于其小型化、高Q值、低成本等优点,被广泛应用于无线通信领域。
SIW结构的谐振滤波器设计通常包括以下几个步骤:
确定技术指标:首先需要确定滤波器的技术指标,包括工作频率、通带带宽、插入损耗、阻带深度等。
这些指标将直接影响滤波器的设计。
选择合适的基片和介质:根据实际应用需求,选择合适的基片和介质。
基片通常是低损耗、高导热性的材料,如陶瓷、蓝宝石等。
介质决定了波在SIW中的传播速度和电场分布。
设计输入输出耦合结构:输入输出耦合结构是滤波器设计中的重要部分,它决定了滤波器的性能。
常见的耦合结构有探针耦合、孔耦合等。
优化谐振腔和耦合系数:谐振腔是滤波器的主要部分,它决定了滤波器的频率响应。
通过调整谐振腔的长度、宽度和高度,以及输入输出耦合系数,可以优化滤波器的性能。
进行电磁仿真和优化:使用电磁仿真软件(如HFSS、CST等)对设计的滤波器进行仿真,并根据仿真结果进行优化。
这一步是设计过程中最耗时的部分,但也是保证滤波器性能的关键步骤。
加工和测试:根据最终的设计方案,将滤波器加工出来并进行测试。
测试结果将验证设计的正确性和性能。
需要注意的是,SIW结构的谐振滤波器设计是一个复杂的过程,需要对电磁场理论、微波技术、计算机辅助设计等有深入的理解。
同时,设计过程中还需要考虑制造工艺、成本等因素。
基于HMSIW的带通滤波器设计与仿真
基于HMSIW的带通滤波器设计与仿真
董平;李想
【期刊名称】《空间电子技术》
【年(卷),期】2017(14)2
【摘要】提出了一种基于半模基片集成波导(HMSIW)的带通滤波器,通过在HMSIW的金属基片表面刻蚀周期性结构,来实现带通滤波器的传输通带和反射阻带的频率响应特性.在此带通滤波器的基础上,引入一种单层电磁带隙(EBG)结构,从而在滤波器高频段阻带引入传输零点,提高阻带特性.通过对EBG结构的传输特性分析,使用仿真软件CST MICROWAVE STUDIO进行仿真优化达到理论验证.
【总页数】6页(P70-75)
【作者】董平;李想
【作者单位】中国空间技术研究院西安分院,西安710000;中国空间技术研究院西安分院,西安710000
【正文语种】中文
【中图分类】V443+.4
【相关文献】
1.基于高通滤波器的 FIR 带通滤波器的设计与仿真 [J], 张学敏;吕晓丽;钟菲
2.基于新型CRLH-TL的双通带带通滤波器设计与仿真 [J], 王海猛
3.基于matlab的高阶带通滤波器的设计与仿真 [J], 秦聪
4.基于ORCAD/Pspice10.5的RC带通滤波器的设计与仿真 [J], 王晓臣刘海
亮
5.基于HMSIW的宽带带通滤波器设计分析 [J], 李晓丽
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基于SIW和槽线DGS的Wi-Fi带通滤波器的设计
收稿日期:2017年6月9日,修回日期:2017年7月30日作者简介:张衡伏,男,硕士,研究方向:电子设备电磁兼容及信号处理。
杨永侠,女,教授,研究方向:电子设备电磁兼容及信号处理。
∗1引言自伽利尔摩·马可尼于1901年首次使用无线电波越过大西洋以来,无线通信技术就在飞速发展。
Wi-Fi 作为一种短距离无线技术和网络传输标准,通常使用2.4GHz 特高频(UHF )或5GHz 超高频(SHF )的射频频段[1]。
作为第四代移动通信系统(4G )和有线网络的补充,Wi-Fi 在无线局域网中发挥着举足轻重的作用。
现代通信系统正朝着微型化和高性能方向发展,而滤波器是现代通信系统中至关重要的器件[2]。
因此,设计高性能的小型化带通滤波器十分必要。
基片集成波导(SIW )兼具波导结构和微带线的共同优点[3],为设计这类滤波器提供了一种不错的选择;而缺陷地结构(DGS )具有慢波特性[4],能在电长度相同的情况下,减小电路的物理尺寸,易于小型化设计。
利用偏置金属通孔的电感特性和耦合原理,文献[5]在SIW 上下表面的中心位置加载偏置金属通孔,设计了一款中心频率5.25GHz 的无线局域网(WLAN )带通滤波器。
该滤波器通带平坦,插入损耗偏大,带内回波损耗优于-20dB ;带外抑制性能良好,在5.25±0.35GHz 处的衰减小于-30dB ;但是该滤波器的尺寸过大,达到24mm×130mm ,不符合通信系统小型化设计的要求。
为了满足小型化设计和高性能的需求,本文提出一种新型的槽线DGS ,在SIW 的金属地平面上加载该结构,利用槽线DGS 在SIW 谐振腔中产生微扰,结合槽线DGS 的带阻特性和SIW 的高通特性,设计了一款高性能的小型化Wi-Fi 带通滤波器。
基于SIW 和槽线DGS 的Wi-Fi 带通滤波器的设计∗张衡伏杨永侠(西安工业大学电子信息工程学院西安710021)摘要提出一种新型的高性能小型化Wi-Fi 带通滤波器,在SIW 的金属地平面上加载槽线DGS ,利用SIW 的高通特性和槽线DGS 的带阻特性及其产生的微扰构成带通滤波器。
《2024年耦合带通滤波器的仿真与设计》范文
《耦合带通滤波器的仿真与设计》篇一一、引言在现代电子通信系统中,滤波器作为信号处理的关键元件,其性能的优劣直接关系到系统的性能和可靠性。
其中,带通滤波器能够在一定的频率范围内实现信号的传递,同时在其他频率上阻止信号的通过。
在诸多类型的带通滤波器中,耦合带通滤波器因其在耦合路径上的特殊设计,具有优异的频率选择性和带外抑制能力。
本文将详细介绍耦合带通滤波器的仿真与设计过程。
二、耦合带通滤波器的基本原理耦合带通滤波器主要由电感、电容等元件构成,通过合理的电路布局和元件参数设计,实现特定频率范围内的信号传递。
其基本原理是利用电感、电容等元件的频率特性,对不同频率的信号进行阻隔或传递。
在耦合带通滤波器中,通过合理的耦合设计,使得信号在特定频率范围内得以传递,而在其他频率上被抑制。
三、耦合带通滤波器的设计1. 设计指标确定在设计耦合带通滤波器时,首先需要根据实际需求确定设计指标,如中心频率、带宽、插入损耗、回波损耗等。
这些指标将直接影响到滤波器的性能和成本。
2. 元件参数计算根据设计指标,计算所需的电感、电容等元件参数。
这一过程需要运用电磁场理论、电路理论等相关知识,结合仿真软件进行优化。
3. 电路布局设计在确定了元件参数后,需要进行电路布局设计。
这一过程需要考虑元件之间的耦合、布局的合理性、电路的稳定性等因素。
在布局设计中,需要运用电磁仿真软件进行仿真验证,以确保设计的可行性和性能。
四、耦合带通滤波器的仿真仿真是耦合带通滤波器设计的重要环节。
通过仿真,可以验证设计的可行性和性能,为后续的实物制作提供依据。
在仿真过程中,需要运用电磁仿真软件,建立滤波器的电路模型,输入设计指标和元件参数,进行仿真分析。
通过仿真结果,可以观察到滤波器的频率响应、插入损耗、回波损耗等性能指标,为后续的优化提供依据。
五、实物制作与测试在完成仿真后,需要根据仿真结果进行实物制作。
在制作过程中,需要严格按照设计图纸进行制作,确保元件的精度和布局的合理性。
SIW带通滤波器仿真设计
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。
一种应用于汽车雷达的SIW带通滤波器
一种应用于汽车雷达的SIW带通滤波器
魏倩莹;马中华
【期刊名称】《集美大学学报(自然科学版)》
【年(卷),期】2016(021)004
【摘要】使用HFSS仿真软件设计了基于基片集成玻导(substrate integrated waveguide,SIW)的带通滤波器.在SIW腔体中加入金属圆柱扰动,形成带通滤波器,并通过调节扰动金属柱的半径来调整带通滤波器的频带宽度和中心频率,最后在Rogers 5880介质基板制作实物.测试结果表明:中心频率为24 GHz,通带内插入损耗2.4 dB、回波小于-15 dB的带宽为300 MHz.仿真结果和实验测试结果基本相符.此带通滤波器能够应用在汽车雷达系统中.
【总页数】5页(P305-309)
【作者】魏倩莹;马中华
【作者单位】集美大学信息工程学院,福建厦门361021;集美大学信息工程学院,福建厦门361021
【正文语种】中文
【中图分类】TN713.5
【相关文献】
1.基于CSRR-SIW结构的复合左右手带通滤波器小型化设计 [J], 尹波;蔡旭;张帅
2.一种基于SIW和缺陷地面结构的新型带通滤波器 [J], 侯莹
3.一种加载F型电磁带隙的多层SIW带通滤波器 [J], 杨君;许林青;张仕顺;徐娟;赵
建平
4.一种基于IPD工艺应用于5G网络的带通滤波器设计 [J], 张磊;邢孟江;李小珍;杨晓东
5.基于SIW圆极化汽车雷达天线的设计 [J], 马中华;邢海涛;陈彭
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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:
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<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。
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0.5mm;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,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,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。