Ku波段基片集成波导带通滤波器的设计

Ku波段基片集成波导带通滤波器的设计

张静1,2,尹治平2,杨军2

(1.合肥工业大学 仪器科学与光电工程学院,安徽 合肥230009;2.合肥工业大学 光电技术研究院,安徽 合肥230009)

摘要设计了一款基于基片集成波导的ku波段卫星通信的带通滤波器。描述了位于SIW内部的金属通孔的等效电路模型,并分析通孔直径、位置等关键参数对滤波器性能的影响。针对基于中心位置的SIW带通滤波器带宽较窄的问题,提出偏置金属通孔SIW带通滤波器的设计方法,从而增大滤波器的带宽。并通过对改进后的基片集成波导带通滤波器的仿真,验证了设计的正确性和方法的有效性。

关键词基片集成波导;带通滤波器;偏置;感性金属膜片

收稿日期:2015-03-05

作者简介:张静(1988—),女,硕士研究生。研究方向:微波无源器件的设计与仿真。E-mail:zkzhangjing@sina.com

doi:10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.09.015

中图分类号TN 713+.5

Design of Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filters for Ku Band

ZHANG Jing1,2,YIN Zhiping2,YANG Jun2

(1.School of Instrument Science and Opto-electronics Engineering,Hefei University of Technology,Hefei 230009,China;

2.Optoelectronic Technology Research Institute,Hefei University,Hefei 230009,China)

AbstractIn this paper,a Ku band bandpass filter used in the mobile communication is presented by using the substrate integrated waveguide (SIW) technology.The equivalent circuit of the perceptual metal patch in the SIW is described.The transition characteristics of filter are simulated and the parameters of structure analyzed.An improvement of the bandpass filter bandwidth is achieved by comparing two design methods.The result of the simulation shows that this approach is feasible and effective.

Keywordssubstrate integrate waveguide;bandpass filter;offset;perceptual metal patch

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)由低损耗介质基片和两排间隔一定距离的金属通孔组成,可实现传统矩形波导的功能[1]。近几年,基片集成波导已经应用在滤波器、双工器、定向耦合器、功率分配器等微波无源和有源器件的设计中。对于无线通信系统,特别是机载,车载等无线设备,人们对通信速度的追求使得移动通信信道的带宽进一步增加。基片集成波导滤波器具有重量轻、体积小、成本低、可工作于高频率、便于与平面电路集成等独特的优点,成为移动通信中的首选。

本文利用基片集成波导技术设计了移动通信中接收频段(中心频率为12.5 GHz)的带通滤波器,采用Rogers5880为介质基板。利用中心位置的感性金属膜片和偏置金属膜片两种设计方法,通过对比分析,总结出改进基片集成波导带通滤波器性能的方法,并且通过对接收频段滤波器仿真结果的比较,验证了设计的正确性和有效性。

1理论分析

基片集成波导带通滤波器的结构如图1所示,由介质基板、两侧金属通孔和波导微带转换器构成。由文献[2]可知,当两侧金属孔之间的间距满足d<0.2λg,d<0.2a且p<4d时,金属通孔缝隙之间的能量泄露基本可以忽略,此时的基片集成波导等效为矩形波导,且基片集成波导与普通矩形波导的关系为

(1)

其中,aequ为等效矩形波导的宽度,d金属通孔的直径,p相邻两侧金属通孔之间的距离。

图1　基片集成波导滤波器结构示意图

本次设计取两侧金属孔的直径为0.4 mm,金属孔的间距为0.9 mm,用微带线激励基片集成波导,从阻抗匹配的角度出发,基片集成波导的等效阻抗可按式(2)估算,从而得出靠近波导的微带线的宽度Wtaper,本设计使用Rogers5880作为介质基板,则50 Ω微带线的宽度为0.75 mm,然后利用线性渐变微带线实现50 Ω微带线和波导之间的变换,再利用HFSS优化使其在通带内获得最大的传输系数,从而得出微带转换器的长度Ltaper

(2)

在矩形波导中加载感性金属通孔或销钉可等效为如图2所示的T型网络,由式(3)和式(4)可知,当金属通孔的直径和位置改变时,会影响等效电路中电感和电容的值,结合文献[3～6]中提到的滤波器的耦合方法,由给定的滤波器设计指标和K变换器参数、感性金属通孔直径和距离的关系式,可估算出感性金属膜片的尺寸和谐振腔的长度。

图2　加载感性金属膜片的等效电路

(3)

(4)

(5)

(6)

2设计实例

移动通信中接收频段的滤波器,其中心频率为12.5 GHz,通带范围12.25～12.75 GHz(相对带宽为3.5%),在14～14.5 GHz范围内的抑制≥20 dB。

根据滤波器的设计步骤和方法得到感性金属膜片的直径分别为ID1=0.8 mm,ID2=2.3 mm,金属膜片之间的距离是L1=10 mm,L2=11.2 mm,微带波导转换器的相关尺寸为Wtaper=4 mm,Lstrip=5 mm,Wsiw=12.6 mm,Wstrip=0.75 mm,subx=15 mm,Ltaper=13 mm。运用电磁仿真软件HFSS仿真优化得到滤波器的S参数如图3所示。

图3　基片集成波导中心位置金属通孔的S参数

从仿真结果分析可知,该滤波器的带内插损较小,在阻带14 GHz和14.5 GHz的S21分别为-35 dB和-40 dB,满足设计要求,但带宽仍不够。文献[2]中提出的矩形波导中偏置金属通孔的分析,在矩形波导中添加偏置金属通孔可以使非相邻谐振腔中引入耦合,从而提高带宽,改善滤波器性能。因此,本文设计了偏置通孔的基片集成波导,由文献[4,7～9],可得出偏置金属通孔的尺寸和位置,谐振腔之间的距离约为半个波导波长。设S1和S2分别表示感性金属膜片偏离基片集成波导水平中心线的距离。由式(3)和式(4)可知,当金属通孔偏离基片集成波导中心线的距离不同时,会改变等效电路中的电容和电感参数,从而影响滤波器的性能。为了研究S1和S2的大小对滤波器S参数的影响,采用控制变量法,用HFSS对S1和S2分别进行参数扫描分析,仿真结果如图4所示。

图4　偏置距离S 1和S 2对滤波器S参数的影响

仿真验证和理论分析说明,改变偏置距离能够改变几篇集成波导的场分布,影响滤波器的性能。分析仿真结果可知,当S1=1.3mm,S2=0.9mm时,滤波器的通带带宽为12.23～12.89GHz,通带内的S11达到-35dB,通带内插损<0.7dB,带外抑制也能满足设计指标。

3结束语

为提高基片集成波导带通滤波器的带宽提出了一种设计方法,通过在基片集成波导带通滤波器内部加载偏置的感性金属膜片提高带宽,改善滤波器性能。通过仿真分析证实偏置感性金属膜片基片集成波导滤

波器能有效改善基片集成波导带通滤波器的性能,增加滤波器的带宽,降低通带内的S11,减少通带内的插损。

参考文献

[1]XuFeng,WuKe.Guided-waveandleakagecharacteristicsofsubstrateintegratedwaveguide[J].IEEEMicrowaveandTechniques,2005,51(1):66-73.

[2]CassiviY,PerregriniL,ArcioniP,etal.Dispersioncharacteristicsofsubstrateintegratedrectangularaveguide[J].IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2002,12(9):333-335.

[3]MacuvitzN.Waveguidehandbook[M].Newyork:WoodbridgeCompany,1986.

[4]RichardJCameron,ChandraMKudsia.Microwavefiltersforcommunicationsystemsfundamentalsdesignandapplications[M].Beijing:PublishingHouseofElectronicsIndustry,2003.

[5]DavidMPozar.微波工程[M].3版.北京:电子工业出版社,2008.

[6]甘本袚,吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].北京:科学出版社,1973.

[7]吴先良,丁让箭,吴琼.基片集成波导带通滤波器的设计[J].合肥工业大学学报:自然科学版,2007,30(3):394-396.

[8]倪国旗,倪伟.一种新型带通滤波器的设计[J].电波科学学报,2014,29(3):543-547.

[9]刘婷.基片集成波导滤波器的研究[D].西安:西安电子科技大学,2010.