利用HFSS分析Ka波段慢波微带带通滤波器

时晶晶

(合肥师范学院物理与电子工程系,安徽合肥 230061)

利用HFSS分析Ka波段慢波微带带通滤波器

时晶晶

(合肥师范学院物理与电子工程系,安徽合肥 230061)

介绍了一种新型的Ka波段微带带通滤波器。对这种滤波器进行了分析,推导了滤波器产生慢波效应的机理。该滤波器通过加载电容而出现慢波效应,使得在不改变电路性能的情况下,减小了电路尺寸。同时由于电路中加载电容形成的慢波效应而出现了带阻效应,因此对谐波有很好的抑制作用。利用软件 HFSS仿真分析并设计了这种新型的加载电容型Ka波段微带带通滤波器。

HFSS;带通滤波器;慢波效应;Ka波段;加载电容

1 引 言

随着毫米波技术在无线通讯和雷达系统中应用的不断增多,对电路尺寸小、制作简单的毫米波带通滤波器的需求也日益增加。由于微带在平面制图和制版上的方便,且易于和别的电路集成,因此尽管微带的损耗大,Q值低,结构不易调整,其某些指标(如通带损耗和阻带衰减)较低于其他形式的滤波器,但微带带通滤波器仍在毫米波频段得到了广泛的应用。常见的微带带通滤波器结构有平行耦合、端耦合、发夹式、梳状型和交指型等,这些结构都是通过耦合线实现的。在以上各种结构的滤波器电路中,平行耦合结构由于其纵向长度大约只有端耦合长度的一半,且耦合缝更宽,在综合设计得到所要求的原型滤波器参量时,有比较大的结构灵活度,适应的频带范围也较宽,这些特点使得这种结构的滤波器有着较强的工程应用潜力。但传统的平行耦合和端耦合结构尺寸太大,发夹式、梳状型和交指型等结构对工艺要求高,因此迫切需要一种新结构[1]。本文提出了一种新型的微带带通滤波器结构,该滤波器通过加载电容而出现慢波效应,从而在不改变电路性能的情况下,减小了电路的尺寸。

2 设计原理

首先我们分析如图1所示的电容负载无耗传输线谐振器电路,CL是负载电容,Zβ、βα和d是无负载线的特性阻抗、传播常数和物理长度。电长度θα=βαd,图1所示的电路图可以表示为[2]

图1 加载电容谐振器

A、B、C、D是传输矩阵的网络参量,同时满足A DB C=1的条件。

当I1=I2=0时,对于非零的V1和V2,

将(7)和(8)式代入(4)式,再根据(5)式得到的C=0得

上面两式变形得

从(11),(12)式可以看到当CL=0时θα0=π和θα1=2π,这是无载半波长谐振器。当CL≠0时,谐振频率随着负载电容的增加而减小,于是产生了慢波效应。如果电容CL呈周期性的增大,不但可以减小电路尺寸,而且还具有带阻特性,对一些频率的抑制有很好的作用。

根据上述分析,我们设计了一种新型的Ka波段加载电容型微带带通滤波器。图2是该滤波器的结构和尺寸,图3是其谐振单元[3-5]。

图2 慢波效应带通滤波器结构和尺寸(单位:mm)

图3 滤波器的谐振单元

3 H FSS仿真设计

在HFSS中建立一个微带滤波器的三维模型:

第一步:建立HFSS模型

模型包括了如图2结构的铜箔和厚度为0.254mm,相对介电常数为2.2的Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板,铜箔厚度:0.018mm。如图4所示。

图4 HFSS建模及波导端口的定义

图5 扫描设置

第二步:定义端口、边界条件

HFSS模型端口位置如图4所示,端口定义为50欧姆的波导端口;微带板的上层空间定义为空气盒。

第三步:分析扫描设置

在Analysis中设置Steup1,将Solution的频率设为33GHz,稍大于微带中心频率;将扫频Sweep的范围定为25-40GHz,步长0.1GHz,扫频类型设为Discrete,设置截面如图5所示。

仿真运行后得到图6所示的结果,由图可见,此滤波器的中心频率为 32GHz,3dB相对带宽22.67%,插入损耗0.45dB,带内起伏0.22dB。

图6 HFSS仿真结果

利用Agilent 8757D Scalar Network Analyzer测试滤波器结果如图7所示,结果包括了两个耦合探针微带到波导的过渡。

图7 实物测试图

4 总结

在加载电容型毫米波微带带通滤波器的研究中,主要是应用 HFSS进行软件仿真分析,在计算速度上大大得到提高。通过软件仿真得到的技术参数和性能指标与实际测试结果吻合良好,说明了这种软件的优越性和精确性,为系统研究和开创性探讨提供了方向和指导[6]。

[1] 喻梦霞,徐军,陈建新.新型毫米波微带带通滤波器[J].微波学报,2006,22(3):45-47.

[2] Jia-Sheng Hong,Michael J.Lancaster.End-coupled microstrip slow-wave resonator filter[J].Electronics Letters,1996, 32(16):1494-1496.

[3] Lung-Hwa Hsieh,Kai Chang.Slow-Wave Band-pass Filters Using Ring or Stepped-Impedance Hairpin Resonators[J]. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2002,50(7):1795-1880.

[4] Sheng-Yuan Lee,Chih-Ming Tsai.New Cross-Coupled Filter Design Using Improved Hairpin Resonators[J].IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,2000,48(12): 2482-2490.

[5] Jia-Sheng Hong,Michael J.Lancaster.Theory and Experiment of Novel Microstrip Slow-Wave Open-Loop Resonator Filters[J].IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,1997,45(12):2358-2365.

[6] Ralph levy,Richard V Snyder,George.Design of Microwave Filters[J].IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,2002,50(3):783-792.

Analysis on Slow-w ave K a-band Microstrip Bandpass Filter with HFSS

SHI Jing-jing
(Department of Physics and Electronics Engineering,Hefei Normal University,Hefei230061,China)

A new Ka-band microstrip band-pass filter is introduced in this paper.The reasons of how the slow-wave effect is produced are also analyzed and deduced.The filter produces slow-wave effect through loading capacitance.The size of this filter is greatly reduced without changing the performance of the circuit.At the same time,the band-stop effect occurs in the filter owing to the slow-wave effect.Therefore it has good suppression for harmonic wave in the filter.This kind of new microstrip band-pass filter with loading capacitances is analyzed and designed by HFSS software.

HFSS;band-pass filter;slow-wave effect;Ka-Band;loading capacitance

TN713+.5

A

1674-2273(2010)06-0031-03

2010-08-20

国家自然科学基金资助项目(60371041;60671051)

时晶晶(1984-),女,合肥师范学院教师,硕士,主要研究方向为无线通信与电磁兼容。