K波段基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

李尚生，陳佳林，于 晶，杜 磊，陳如山

（1.海軍航空工程學(xué)院 電子信息工程系，山東 煙臺(tái) 264001；2.南京理工大學(xué) 通信工程系，南京210094）

微波濾波器是微波系統(tǒng)中的重要元件之一，是用來分離或組合各種不同頻率信號(hào)的重要元件[1]。用傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)設(shè)計(jì)濾波器具有體積大、價(jià)格昂貴、制作難度高等缺點(diǎn)?；刹▽?dǎo)，作為一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，具有與傳統(tǒng)波導(dǎo)相似的傳輸特性，同時(shí)具有低插損、低輻射、高品質(zhì)因素、易于加工和集成等顯著優(yōu)點(diǎn)[2-3]。本文基于基片集成波導(dǎo)設(shè)計(jì)的K波段帶通濾波器，仿真結(jié)果顯示了其優(yōu)良特性。

1 基片集成波導(dǎo)理論

基片集成波導(dǎo)是由兩排金屬通孔和介質(zhì)基片的上下金屬面構(gòu)成的類似普通矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)[4-5]，如圖1所示，金屬通孔的直徑為d，孔間距為S，兩排金屬通孔的中心距離為w，介質(zhì)基片的厚度為h，介電常數(shù)為rε。

圖1 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

在滿足S/d＜2、d/w＜1/8 下，基片集成波導(dǎo)的能量輻射損耗非常小，將基片集成波導(dǎo)等效為傳統(tǒng)的矩形金屬波導(dǎo)，其等效寬度可用下式近似表示[6]：

大量仿真實(shí)驗(yàn)表明，基片集成波導(dǎo)僅傳播TEn0模式的電磁波[4，7]。

2 帶通濾波器的設(shè)計(jì)

在微波系統(tǒng)中，電抗元件的基本結(jié)構(gòu)都是利用微波傳輸線中結(jié)構(gòu)尺寸的不連續(xù)性組成的。傳統(tǒng)的金屬矩形波導(dǎo)的不連續(xù)性通過電容膜片、電感膜片、諧振窗、銷釘、螺釘?shù)葋韺?shí)現(xiàn)。隨著基片集成波導(dǎo)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)基片集成波導(dǎo)不連續(xù)性問題的研究也在深入。基片集成波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)是基片集成波導(dǎo)的不連續(xù)性研究的一部分。可以通過在基片集成波導(dǎo)中加載金屬通孔、金屬膜片、介質(zhì)通孔來實(shí)現(xiàn)濾波器的設(shè)計(jì)[8-10]。

本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器是通過在SIW 上加載金屬通孔實(shí)現(xiàn)的，基本結(jié)構(gòu)和等效電路如圖2所示。

圖2 金屬通孔結(jié)構(gòu)及其等效電路

2.1 帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程

和傳統(tǒng)的金屬矩形波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法類似，根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，需要把帶通濾波器轉(zhuǎn)化到低通等效模型來設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)方法分為[11]：

1）帶通濾波器模型到低通等效原型的轉(zhuǎn)換

式中：λg0、λg1、λg2、gλ是頻率在0ω、1ω、2ω、ω 上的波導(dǎo)波長，Wλ是濾波器的相對(duì)帶寬，

2）阻抗變換器的計(jì)算

將帶通濾波器的模型轉(zhuǎn)換為低通等效原型以后，可以求出該濾波器的歸一化阻抗變換器的大小。

3）通孔結(jié)構(gòu)尺寸的計(jì)算

得到阻抗變換器的值以后，通過下列計(jì)算式可以求出基片集成波導(dǎo)中的金屬通孔的尺寸。

由于一定尺寸的金屬通孔對(duì)應(yīng)著固定的Xa和Xb的值，因此在求得歸一化阻抗變換器的值后，可很方便地計(jì)算出金屬通孔的尺寸和諧振腔的長度。

各諧振腔的長度為

4）利用仿真軟件對(duì)設(shè)計(jì)結(jié)果作進(jìn)一步的優(yōu)化。

2.2 設(shè)計(jì)實(shí)例

設(shè)計(jì)目標(biāo)：中心頻率為19.4 GHz，相對(duì)帶寬為7.48%，插入損耗小于1 dB。

材料選擇：介質(zhì)基片選用聚四氟乙烯材料（介電常數(shù) εr=2.55，其損耗角正切為0.001，介質(zhì)厚度h=0.5mm）。

根據(jù)基片集成波導(dǎo)和濾波器的設(shè)計(jì)原則，按上述步驟設(shè)計(jì)并優(yōu)化，得到設(shè)計(jì)參數(shù)：w=7.2mm，S=2.0mm，d=1.2mm，l1=6.34mm，l2=7.08mm，o1=2.0mm，o2=1.2mm，如圖3所示。

圖3 基片集成波導(dǎo)帶通濾波器結(jié)構(gòu)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)的濾波器的尺寸，用Ansoft 公司的HFSS11 軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，得到帶通濾波器的S參數(shù)，如圖4所示。

圖4 帶通濾波器的S參數(shù)

從仿真結(jié)果可知，中心頻率為19.4 GHz；在18.9 GHz 到19.6 GHz 頻率范圍內(nèi)，回波損耗均小于?26 dB；在18.9 GHz 到19.7 GHz 頻率范圍內(nèi)，插損均小于1dB。濾波器的計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)目標(biāo)吻合良好。

3 結(jié)束語

將金屬通孔加載到基片集成波導(dǎo)所設(shè)計(jì)的K波段帶通濾波器，具有體積小、重量輕，易于加工和集成等優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果說明了這種設(shè)計(jì)濾波器的方法是可行的，在實(shí)際應(yīng)用中，要想得到更理想的結(jié)果，除了設(shè)計(jì)的精確以外，還要保證加工的精度。

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