一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现

1、第 21卷增刊 微 波 学 报 Vol . 21Supp le ment一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现 3张玉林 1, 洪 伟 1, 吴 柯 1, 2, 汤红军 1, 郝张成 1(1. 东南大学毫米波国家重点实验室 , 南京 210096;2. 加拿大蒙特利尔大学工学院电子及计算机系 摘 要 : 滤波器是微波毫米波电路与 系 统 中一 个 重 要 的 部 件 。利 用 基 片 集 成 波 导 (substrate integrated waveguide SI W 技术设计并用印制电路板实现了一种应用低阻 -高阻短微带线作补偿的基片集成波导滤波器 , 仿真与实验结果吻合良好 , 中

2、心频率为 5. 8GHz, 相对带宽 4. 95%, 插损小于 1. 3d B 。 该滤波器具有具有体积小 、 重量 轻 、 容易加工和集成等优点 。关键词 : 滤波器 , 腔体 , 耦合 , SI W , 低阻 2高 阻短微带线de (SI W Cavity FilterY u 2li n 1, HO NG W e i 1, W U Ke 1, 2, TANG Hong 2jun 1, HAO Zhang 2cheng 1(1. S tate Key L aboratary of M illi m eterW aves, Southeast U niversity, N anjing 210

3、096, China;2. Poly 2Gram es Research Center , Ecole Polytechnique de M ontreal, M ontreal, Canada Abstract: Filters is a kind of i m portant components in m icr owave and m illi m eter wave circuits and system s . I n this paper, a novel substrate integrated waveguide cavity filter are designed, fab

4、ricated, and tested . Being fabricated on p rinted circuit boards (PCB , such kinds of filters take advantages of the high Q 2fact or, high power capacity and s mall size . The fil 2 ters are designed at the center frequency of 5. 8GHz, the fracti onal bandpass width (F BW is 4. 95%, and the m ini m

5、 u m in 2 serti on l oss is less than 1. 3d B. Both nu merical si m ulati ons and experi m ental results are p resented t o show the good perfor m 2 ance of the design .Key words: Filter, Cavity, Coup ling, SI W , Low 2high 2i m pedance short line引 言微波毫米波滤波器的研究具有悠久的历史 , 但 是传统的设计和实现高品质因数滤波器的技术 , 如 利用

6、传统金属波导或利用微带线的滤波器实现技 术 , 不是造价昂贵就是很难达到所要求的技术指标 。 文献 1, 2中给出了几种应用 E BG (Electr omagnetic Band 2Gap 技术 实现的 微波 毫米波 滤波 器 , 但 是 EBG 具 有 体 积 大 的 缺 点 , 而 采 用 基 片 集 成 波 导 (Substrate I ntegrated W aveguide:SI W 可以实现高性 能滤波器且保持体积小的优点 。 基片集成波导是一 类新型波导 38, 可以广泛地应用于微波及毫米波 电路中 。 基片集成波导器件的一个重要性质是具有 与传统矩形波导相近的特性 , 诸如品

7、质因数高 、 易于 设计等 , 同时也具有体积小 、 重量轻 、 容易加工 、 造价 低和易于集成等传统矩形波导所没有的优点 。 在本 文中 , 我们应用滤波器腔体耦合设计理论实现了一 种新型的基片集成波导滤波器 。 仿真和测试结果显 示该滤波器具有优良的特性 。1 理论分析与设计1. 1 耦合理论SI W 腔体的外在品质因数是用耦合理论设计滤 波器的重要参数 , 必须确定合适的外在品质因数才3收稿日期 :2004207220; 定稿日期 :2004211230基金项目 :国家自然科学基金重大项目 (项目编号 60496317 能使滤波器的插入损耗和纹波系数最优化 。 外在品质因数可由下式给出

8、 1, 9:Q e 1=g g FBW, Q en =g n g n +FBW(1其中 Q e 1, Q en 分别是输入和输出端的外在品质因数 , g i (i =0, 1, n, n +1 是低通滤波器原型的元件参数 , FBW 是滤波器的相对带宽 。单个 SI W 腔体的结构和散射参数曲线如图 1所示 。 外在品质因数 Q e 可以由单个 SI W 腔体的全 波分析散射参数曲线应用公式9Q e =2Q l =2f 0/f -3dB (2 计算得出 , 其中 Q l 是有载品质因数 , f 0是谐振频率 , f -3dB 是 S 21曲线的 3d B 带宽 。 出端的微带宽度 , 图 1

9、(a 单 SI W 腔体结构图 ; (b 单 SI W 腔体的散射参数曲线如图 2所示 , 当两个 SI W 腔体相互耦合时 , S 11曲线由一个凹谷变为两个凹谷 , 并且当两个 SI W 腔 体之间的相互耦合越强 , 两个凹谷分离越远 。两个 SI W 腔体之间耦合系数 k 可以由其散射参数曲线得到9:k =f 2U -f 2L f 2U +f 2L(3其中 f U 是高频率的谐振点 , f L 是低频率的谐振点 。图 2 (a 双 SI W 腔体结构图 ; (b 双 SI W 腔体的散射参数曲线1. 2 低阻 2高 阻短微带线9通常 , 电尺寸小于八分之一导波长度 g 的微带线结构可以看

10、作集总参数元件 , 电尺寸小于四分之 一 g 的微带线结构可以看作准集总参数元件 。图 3 高阻 2低 阻短微带线 如图 3, 当不考虑损耗时 , 一段高阻抗短微带线的两端为低高阻抗微带线的结构可以用 型等效 电路表示 , 电路参数为 :x =Z c sin (l , 2=Z ctan (l/2(4 其中 , =2/g 为传播常数 。当 l <g /8时 , 上述 公式可以近似为 :x =Z c (l , 2=Z c(l/2 (5 931第 21卷增刊 张玉林等 :一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现 1. 3 腔体耦合滤波器的电路模型N 个腔体构成的腔体滤波器的等效电路如图 4所

11、示 , 其中 L , C 和 R 分别表示电感 、 电容和电阻 , i表示电流回路 。应用基尔霍夫电压定律 , 我们可以 得到等效电路的回路方程 :R 1+j L 1+j i 1- j L 12i 2- -j L 1N i N=e s -j L 21i 1+j L 2+j i 2- -j L 2N i N=0 -j L N 1i 1-j L N 2i 2- +R N + j L N +j C i N =0(其中 L ij =L ji s 源值9。图 4 N 个互耦谐振器的回路电流等效电路图 如果电路中所有的谐振器是相同的 , 即 L =L 1=L 2= =L N 与 C =C 1=C 2= =

12、C N , 并且在工作频率附近和窄带的条件下可以认为 /0 1, 则 (6 式可以表示为 9:Z i 1i 2i N =e s,Z =0L FBW q e 1+p -jk 12 -jk 1N -jk 21p -jk 2N -jk N 1-jk N 2q e N +其中 0=1/, 滤 波 器 相 对 带 宽 FBW =2-10, p =FBW 0-0, q ei =FBW 0L R i (i =1, N , k ij =L L FBW。图 5(b 为 5(a 中 SI W 腔体滤波器的等效电路 。 图中 , N 1对应 AA 之间的四个 SI W 腔体部分 ,其参数为 (7 式中的 Z 1;N

13、 2对应参考面 TT 之间 低阻 2高 阻短微带线的等效电路 , 1和 2分别对应 T A 和 T 2末 端的微带传输线的电长度 。我们可以很容易的得到图 5(b 所示整个滤波 器等效电路的网络参数 , 从而可以应用简单成熟的 理论设计和优化滤波器 。(a 四 SI W (b SI W 腔体滤波器的等效电路图 5 SI W 腔体滤波器2 滤波器的实现与仿真 、 测试结果单个的 SI W 腔体是我们实现 SI W 腔体滤波器的基本元素 。 SI W 腔体的尺寸可以根据设定的滤波 器中心频率由文献 8中的经验公式得出 , 外在品 质因数值 Q ei 和 SI W 腔体之间的耦合系数 k ij 可以

14、应 用式 (2 和 (3 得到 。如 图 5, 我们在厚度 h =1. 5mm , r =3, tan 0. 2%的微波介质基片上实现了中心频率为 5. 8GHz的 SI W 腔体滤波器 。 每个 SI W 腔体的尺寸为 21mm×21mm , 低阻 2高 阻短 微带 线的高 阻抗 微带宽 为 1mm , 长 l =2mm; 低阻抗微带宽为 3. 8mm 。仿真和测试结果如图 6、 7所示 , 两者吻合良好 。 仿真结果是应用 CST M I CROWAVE ST UD I O µ 得到 的 。 为方便测试 , 我们在 SI W 腔体滤波器的两端焊接了 2. 4mm 同轴

15、2微 带转换头 , 因此测试结果中的 插 入 损 耗 包 括 SI W 腔 体 滤 波 器 的 插 入 损 耗 和 2. 4mm 接头的插入损耗 。从图 6可以得出 , 我们所设计 、 实现的 SI W 腔 体滤波器的中心频率 f 0=5. 853GHz, 相对带宽 FBW =4. 95%, 最小插入损耗小于 1. 3dB , 带外抑制在 -40dB 以下 。 同时 , 可以看到图 6中的测试曲线和仿真曲线存在频率偏差 , 我们推断这个频率偏差是 由介电常数的误差引起的 。 图 7是假设基片介电常 数误差为 -2. 9%的情况下 , 测试曲线与仿真曲线的 对比图 。041微 波 学 报 200

16、5年 4月 图 6 低阻 2高 阻短微带线补偿四 SI W 腔体滤波器散射参数仿真与测试结果对比图 图 7 测试曲线与考虑介电常数的误差(-2. 9% 后仿真曲线的对比图 3 结论基片集成波导器件具有品质因数高 、 易于设计 、体积小 、 重量轻 、 容易加工 、 造价低和方便集成等优 点 。 在本文中 , 我们应用窄带滤波器耦合设计理论 实现了一种中心频率为 5. 8GHz, 最小插入损耗小于 1. 3d B 的新型基片集成波导滤波器 。仿真和测试结 果表明该滤波器具有优良的特性 。参 考 文 献 1 Papapoly mer ou J, Cheng J C, et al . A m icr

17、 omachinedhigh 2Q x 2band res onat or . I EEE M icr owave Guided W ave Letters, 1997, 7(6 :168170 2 H ill M J, Zi olkowski R W , et al . Si m ulated and meas 2ured results fr om a Dur oid 2based p lanar MBG cavity re 2s onat or filter .I EEE M icr owave Guided W ave Letters,2000, 10(12 :528530 3 Zha

18、ng Y L, Hong W , et al . Analysis of guided 2wavep r oble m s in substrate integrated waveguide based on LTCC . I EEE MTT 2S I nternati onalM icr owave Sy mposiu m D igest . Philadel phia:I EEE, 2003 4 L i H, Hong W , et al . Substrate integrated waveguidebased on LT CC .I EEE MTT 2S I nternati onal

19、 M icr owaveSy mposiu m D igest . Philadel phia:I EEE, 2003 5 Uchi m ura H, Takenoshita T . Devel opment of a la m inatedwaveguide .I EEE Trans on M icr owave Theory and Tech 2nique, 1998, 46(12 :24382443 6 Deslandes D, W u K . Single 2substrate integrati on tech 2nique of p lanar and waveguide filters . I EEEon and Technique, 2003, 512 593 C A, Henders on R M , et al . A reduced 2sizesilicon m icr omachined high 2res ona