SIW帶通濾波器仿真設(shè)計(jì)講課教案

1、SI W 帶通濾波器仿真設(shè)計(jì)精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝20引言濾波器在無(wú)線通信、軍事、科技等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而微波毫米波電 路技術(shù)的發(fā)展，更加要求這些濾波器應(yīng)具有低插入損耗、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、 質(zhì)量輕、成本低的特點(diǎn)。傳統(tǒng)用來做濾波器的矩形波導(dǎo)和微帶線已經(jīng)很難達(dá)到 這個(gè)要求。而基片集成波導(dǎo)（SIW）技術(shù)為設(shè)計(jì)這種濾波器提供了一種很好的選 擇。SIW的雙膜諧振器具有一對(duì)簡(jiǎn)并模式，可以通過對(duì)諧振器加入微擾單元來 使這兩個(gè)簡(jiǎn)并模式分離，因此，經(jīng)過擾動(dòng)后的諧振器可以看作一個(gè)雙調(diào)諧電 路。分離的簡(jiǎn)并模式產(chǎn)生耦合后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。所以，雙膜濾 波器在減小尺寸的同時(shí)，也

2、增加了阻帶衰減。而且還可以實(shí)現(xiàn)較窄的百分比帶 寬。可是，雙膜濾波器又有功率損耗高、插入損耗大的缺點(diǎn)。為此，本文提出 了一種新型SIW腔體雙膜濾波器的設(shè)計(jì)方法。該SIW的大功率容量、低插入損耗特性正好可以對(duì)雙膜濾波器的固有缺點(diǎn) 起到補(bǔ)償作用。而且輸入/輸出采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，也減少了耦合縫隙 的損耗。l雙膜諧振原理及頻率調(diào)節(jié)SIW是一類新型的人工集成波導(dǎo)，它是通過在平面電路的介質(zhì)層中嵌入兩 排金屬化孔構(gòu)成的，這兩排金屬化孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄壁，圖1所示是基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。這類平面波導(dǎo)不僅容易與微波集成電路（MIC）以及單片微波集成電路（MMIC）集成，而且，SIW還繼承了傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的品

3、質(zhì)因數(shù)高、輻射 損耗小、便于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝31.1基片集成波導(dǎo)諧振腔一般情況下，兩個(gè)電路的振蕩頻率越接近，這兩個(gè)電路之間的能量轉(zhuǎn)換需 要的耦合就越小。由于諧振腔中的無(wú)數(shù)多個(gè)模式中存在著正交關(guān)系，故要讓這 些模式耦合發(fā)生能量交換，必須對(duì)理想的結(jié)構(gòu)加擾動(dòng)。但是，為了保持場(chǎng)結(jié)構(gòu) 的原有形式，這個(gè)擾動(dòng)要很小。所以，本文選擇了SIW的簡(jiǎn)并主模TE102和TE201，它們的電場(chǎng)分布圖如圖2所示。因?yàn)門M和TEmn(n 10)不能夠在SIW中傳輸。因此，一方面可以保證在小擾動(dòng)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)耦合，同時(shí)也可以保證 場(chǎng)的原有結(jié)構(gòu)。lit) I t-KC(b)TET(

4、 (|IS2閒并樓的電場(chǎng)分布圖：精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝4圖3金屬矩形諧振腔基本結(jié)構(gòu)田假設(shè)圖3所示的矩形腔體的長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、d。因?yàn)門Emn(n10)不能 在SIW中傳輸，所以對(duì)于SIW諧振腔來說，其諧振頻率的計(jì)算公式如下:對(duì)于具有相同諧振頻率的兩個(gè)模式來說，則有如下關(guān)系:何尺()2吋(勻2+嚀，JC中*P和g足另一帥模式的下標(biāo)這樣就可 以摧岀：選定的工作簡(jiǎn)并模式，利用公式（1）、（2）、（3）來確定矩形波導(dǎo)諧振腔的初始尺 寸，然后再結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)，就可以確定SIW腔體的尺寸。圖3所示是其金屬矩 形諧振腔的基本結(jié)構(gòu)。1.2雙膜SIW諧振腔及其頻率調(diào)節(jié)精品資料僅

5、供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝5圓柱形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和微帶線都可以用來做雙膜濾波器。然而，一些典型的雙膜設(shè)計(jì)方法（如加調(diào)節(jié)螺釘、內(nèi)角加工、在微帶貼片上加入十字槽等）并不適用于SIW腔體。有文獻(xiàn)提到采用切角、打孔、饋電擾動(dòng)等擾動(dòng)方式來應(yīng)用 于SIW腔體。故此，本文選取了在SIW腔體對(duì)稱的角上切兩個(gè)相同的方形切 角作為微擾方式。擾動(dòng)腔體的諧振頻率被分成fl和f2兩個(gè)高低不同的頻率，這兩個(gè)頻率的平均值（f1+f2）/2和原有腔體的諧振頻率f0往往不相等。類似 地，輸入/輸出部分的耦合也會(huì)造成諧振頻率的平移。這樣就會(huì)造成兩種情況：一是（f1+f2）/2f0;二是（f1+f2）/2是大于還是

6、小于取決于耦合結(jié)構(gòu)。對(duì)于第一種情況，可以通過加大諧振腔尺寸來調(diào)節(jié)頻率移動(dòng)；而對(duì)于第二種情況，則可以通過減小諧振器尺寸或者在 諧振腔上開個(gè)縫來減少諧振腔等效尺寸等方法來調(diào)節(jié)。當(dāng)然也可以不調(diào)節(jié)，分 別針對(duì)這兩種情況加以利用。在實(shí)際的工程應(yīng)用中。要求s入/20，當(dāng)SIW工作在高頻段時(shí)，為了滿足上述條件，往往要求金屬柱半徑以及它們之間的間距 很小，以至于加工非常困難。而此時(shí)就可以利用第一種情況，以較大的尺寸在 較高頻率處實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能，降低加工難度；而對(duì)于第二種情況，可以以 更小的尺寸在較低的諧振頻率處實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。本文就是有效地利用了第二種情況，從而設(shè)計(jì)出性能好、尺

7、寸小的濾波2雙膜濾波器的實(shí)現(xiàn)與仿真圖4所示是雙膜SIW腔體帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。在諧振腔的對(duì)角線上 挖去兩個(gè)相同的立方體，輸入/輸出采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。濾波器選用Rogers R03010作為介精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除謝謝6質(zhì)基板，其相對(duì)介電常數(shù)r=10 2，損耗角正切tan d為0.0035;諧振腔長(zhǎng)度a為21.5 mm，寬b為21.5 mm，高h(yuǎn)為0.5mm;切去的立方體邊長(zhǎng)cw為2.2 mm;中心饋線的寬度tw為0.72 mm。輸入/輸出采用無(wú)縫耦合的直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這樣可減少輸入/輸出結(jié)構(gòu) 的耦合損耗。3仿真結(jié)果分析精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪

8、除謝謝7仿真可采用電磁仿真商業(yè)軟件HFSS來完成。通過仿真介質(zhì)諧振腔濾波器（濾波器源型）可以發(fā)現(xiàn)，不同的耦合輸入/輸出窗口寬度影響著濾波器中心頻 率的位置，同時(shí)也影響耦合強(qiáng)度和帶內(nèi)插入損耗。從圖5中看出，隨著耦合窗寬度的增大，濾波器的中心頻率會(huì)上移，耦合減弱，帶內(nèi)插入損耗變大，也就 是濾波器的匹配性能變差。.羈合宙寬At總亠工3mm- 輯舍窗寬嚏口耳一2惘皿 ”* I合5?竟白mm/GHe用5不同窗口寬度対5參數(shù)的協(xié)嗎哉纜針對(duì)切去的立方體尺寸對(duì)濾波器性能的影響。從方便的角度考慮，應(yīng)先保證一 個(gè)角上的正方體尺寸不變，而改變另一個(gè)切去的立方體尺寸，然后觀察微擾變 化對(duì)S參數(shù)的影響。從圖6所示的曲線

9、可以看出，微擾尺寸幾乎不改變S參數(shù) 曲線的形狀，對(duì)中心頻點(diǎn)的影響不大，微擾越大，帶寬越寬，相應(yīng)的高阻帶傳 輸零點(diǎn)會(huì)往高頻點(diǎn)移動(dòng)。精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝8|6齊同徵擾尺寸曲S參敲的彩呦曲憑從以上結(jié)果可以看出，通過改變微擾大小可調(diào)節(jié)濾波器的帶寬，而改變耦 合輸入/輸出窗口的寬度則可調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率和匹配性能。綜合以上仿真研究并結(jié)合公式（1）、（2），可先計(jì)算出SIW的相關(guān)尺寸。然 后通過HFSS仿真對(duì)濾波器性能進(jìn)行優(yōu)化， 最終所得出的設(shè)計(jì)電路具體尺寸為h=O.5 mm，r=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。0 05 50 05-5- o oI I 1 122 23 3aprclEaprclE三一空精品資料僅供學(xué)習(xí)與交流，如有侵權(quán)請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站刪除 謝謝9iiJftSIW腔體濾波器S參數(shù)角飼屯圖7所示是本設(shè)計(jì)的雙膜SIW腔體濾波器S參數(shù)的響應(yīng)曲線。從圖7中可以看出，采用本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的濾波器的中心頻率fo=4.95 GHz,3 dB相對(duì)帶寬FBW=4.36%，通帶內(nèi)插入損耗為0.9 dB，反射損耗S11小于-22 dB，阻帶 右側(cè)5.45GHz處會(huì)形成一個(gè)傳輸零點(diǎn)，損耗