一種毫米波siw濾波器及其設(shè)計方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波、毫米波技術(shù)，尤其涉及一種毫米波SIW濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的幾十年內(nèi)，微波技術(shù)和毫米波技術(shù)有了很大進步，對于一種在通信系統(tǒng) 中應(yīng)用極為廣泛的微波、毫米波無源器件一一濾波器，也有了很大的發(fā)展。傳統(tǒng)的濾波器大 致可分為切比雪夫型和橢圓函數(shù)型兩類。兩類濾波器都有自己的缺點，切比雪夫型濾波器 結(jié)構(gòu)簡單但是選頻特性不佳，橢圓函數(shù)型濾波器性能優(yōu)異，但是結(jié)構(gòu)難以在工程上實現(xiàn)。而 80年代至今，一種綜合了兩種濾波器的優(yōu)點的準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器，或稱廣義切比雪夫濾波 器，被提出并得到了越來越多的應(yīng)用。
[0003] 目前，濾波器的發(fā)展趨勢是向小型化、輕型化、高性能、高可靠性上發(fā)展。傳統(tǒng)的導(dǎo) 波結(jié)構(gòu)已不能完全適應(yīng)全部的發(fā)展需求，使用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的器件功率容量大，損耗小，但是體 積大，重量大。而是用微帶線、帶狀線的器件體積小，但是功率容量小，損耗大。尤其在毫米 波頻段，微帶的輻射損耗有較大的影響?；刹▽?dǎo)（SIW)結(jié)構(gòu)兼具波導(dǎo)和微帶的優(yōu)點， 既有較大的功率容量，又具有和微帶類似的小體積。目前已有使用SIW設(shè)計的濾波器應(yīng)用 在厘米波段，但是由于設(shè)計方法、設(shè)計細節(jié)不完善，并未完全發(fā)揮出SIW濾波器的優(yōu)勢。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對上述存在問題或不足，本發(fā)明提供了一種毫米波SIW濾波器，由兩層完全重 合的雙面覆銅SIW諧振腔和耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成；其結(jié)構(gòu)特征在于：共有10個諧振腔，按上下兩 層對稱分布，每層5個；耦合結(jié)構(gòu)包括同層諧振腔之間的磁耦合窗口、不同層諧振腔之間的 磁耦合窗口和不同層諧振腔之間的電耦合窗口；其中，同層諧振腔之間的磁耦合窗口為在 兩個相鄰諧振腔的公共寬邊上，以寬邊中點為中心開的窗口；不同層諧振腔之間的磁耦合 窗口為在重合的兩個諧振腔之間的表面金屬上，距兩側(cè)通孔邊緣0. 1mm至0. 2mm，且關(guān)于窄 邊中垂面對稱的兩個矩形孔；不同層諧振腔之間的電耦合窗口為在重合的兩個諧振腔之間 的表面金屬上開的一個矩形孔，矩形孔中心與諧振腔中心重合，孔的長寬比與諧振腔寬邊 與窄邊之比相同。
[0005] 其設(shè)計方案如下：
[0006] 步驟一、計算橢圓函數(shù)濾波器數(shù)學(xué)模型，并修改使之成為準(zhǔn)橢圓函數(shù)；
[0007] 步驟二、根據(jù)準(zhǔn)橢圓函數(shù)的零點和極點提取歸一化耦合系數(shù)，并計算實際耦合系 數(shù)；
[0008] 步驟三、設(shè)計SIW傳輸線及諧振腔；
[0009] 步驟四、用SIW設(shè)計各種親合結(jié)構(gòu)；
[0010] 步驟五、搭建并調(diào)整濾波器整體模型。
[0011] 本發(fā)明的有益結(jié)果是，通過使用SIW結(jié)構(gòu)，以很小的體積做到了通帶的低損耗。同 時，通過引入兩層SIW諧振腔之間的交叉耦合實現(xiàn)準(zhǔn)橢圓函數(shù)模型，做到了帶外的高抑制， 最終實現(xiàn)了一種小體積、通帶低損耗、帶外抑制高、矩形比小的高性能毫米波濾波器。
【附圖說明】
[0012] 圖1，8階橢圓函數(shù)濾波器歸一化頻響曲線
[0013] 圖2,8階準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器歸一化頻響曲線
[0014] 圖3, SIW半波長諧振腔及場圖
[0015] 圖4,同層諧振腔之間的磁耦合窗口
[0016] 圖5,上下層諧振腔之間的磁耦合窗口
[0017] 圖6,上下層諧振腔之間的電耦合窗口
[0018] 圖7,濾波器模型立體透視圖
[0019] 圖8,濾波器的S參數(shù)
【具體實施方式】
[0020] 現(xiàn)以一個具體實施例說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。項目指標(biāo)如下：工作于Ka波段，中 心頻率37GHz，通帶損耗ldb，帶寬1GHz，帶外0. 5GHz處抑制30db。根據(jù)項目指標(biāo)，選擇使 用8階濾波器實現(xiàn)。
[0021] 步驟一，將8階雅克比橢圓函數(shù)
乍為傳 輸函f
^的特征函數(shù)F8(jw),以通帶波紋0. ldb和阻帶波紋 50db，計算得零極點。四個歸一化極點為0. 2804、0. 7089、0. 9189、0. 9923,四個歸一化零點 為3. 9437、1. 5599、1. 2035、1. 1145。在特征函數(shù)的分母中去掉和最遠零點3. 9437相關(guān)的 項，帶入傳輸函數(shù)表達式，將之修改為準(zhǔn)橢圓函數(shù)。
[0022] 步驟二，通過剩下的3個零點和4個極點，以及帶內(nèi)波紋0. ldb，提取出歸一化耦合 矩陣，并反歸一化得到實際耦合矩陣。得到實際耦合系數(shù)如下：源腔-1腔和8腔-負載腔 的耦合系數(shù)為〇. 19819,1-2腔和7-8腔的耦合系數(shù)為0. 03251，2-3腔和6-7腔的耦合系數(shù) 為0. 02355, 3-4腔和5-6腔的耦合系數(shù)為0. 01579,1-8腔的耦合系數(shù)為-0. 00124, 2-7腔 的耦合系數(shù)為〇. 006935, 3-6腔的耦合系數(shù)為-0. 022355。將正的耦合作為磁耦合，負的耦 合作為電親合。
[0023] 步驟三，選用介電常數(shù)2. 1，高度0. 505mm，損耗角0. 00045的基板設(shè)計SIW傳輸線 和諧振腔。選擇通孔直徑〇. 4mm，孔間距0. 75mm，SIW寬度4. 75mm時傳輸線具有很好的傳 輸性能。此時波導(dǎo)波長為6. 1mm，故選擇3. 05mm長的短路傳輸線作為半波長諧振腔。
[0024] 步驟四，在同一層的兩個諧振腔的公共邊上，開一個關(guān)于公共邊中點對稱的窗口， 通過調(diào)節(jié)窗口的大小，實現(xiàn)同層之間腔體的磁耦合。通過在上下層諧振腔之間的銅箔上開 一個位于腔體中心的矩形窗口，實現(xiàn)上下層之間的電耦合，矩形窗口長寬比考慮到諧振腔 寬邊與窄邊之比通常不為整數(shù)，故實際應(yīng)取一個與之接近的易工程實現(xiàn)的數(shù)值即5比3,能 更好的實現(xiàn)電場的耦合，通過調(diào)節(jié)窗口大小，實現(xiàn)不同的耦合系數(shù)。在上下層諧振腔之間的 銅箔兩邊，離通孔0. 1mm處，向內(nèi)側(cè)開一個0. 4mm的關(guān)于窄邊中垂面對稱的窗口，實現(xiàn)上下 層諧振腔之間的磁耦合，通過調(diào)節(jié)窗口縱向長度調(diào)節(jié)耦合系數(shù)。
[0025] 步驟五，搭建整體模型。由于耦合結(jié)構(gòu)的引入，各腔體的諧振頻率發(fā)生變化，故需 要調(diào)節(jié)各腔體的長度。同時微調(diào)耦合，使濾波器性能最優(yōu)化。最終參數(shù)如下：源腔和負載 腔長度為3. 28mm，1腔和8腔的長度為2. 82mm，2腔和7腔的長度為3. 26mm，3腔和6腔的 長度為3. 4臟，4腔和5腔的長度為3. 46mm。源腔-1腔的耦合孔寬度為2. 89mm，1腔-2腔 的耦合孔寬度為1. 795mm，2腔和-腔的耦合孔寬度為1. 455mm，3腔-4腔的耦合孔寬度為 1. 46mm，4-5腔f禹合孔的縱向長度為1. 255mm，3-6腔的f禹合孔大小為1. 105mm*0. 663mm，2-7 腔親合孔的縱向長度為〇. 54mm，1-8腔的親合孔大小為0. 45mm*0. 27mm。
[0026] 最終得到的濾波器性能如下：通帶ldb帶寬由36. 55GHz至37. 55GHz，0. 5db帶寬 由36. 66GHz至37. 45GHz，通帶最大回撥損耗22. 5db，即駐波比小于1. 16。帶外0. 5Ghz處 隔離度大于36db。濾波器矩形比1.58,性能優(yōu)異。同時，體積僅有16. 22mm*7mm*1.03mm。
【主權(quán)項】
1. 一種毫米波SIW濾波器，由兩層完全重合的雙面覆銅SIW諧振腔和耦合結(jié)構(gòu)構(gòu)成， 其特征在于：所述諧振腔共有10個，按上下兩層對稱分布，每層5個；耦合結(jié)構(gòu)包括同層 諧振腔之間的磁耦合窗口、不同層諧振腔之間的磁耦合窗口和不同層諧振腔之間的電耦合 窗口；其中，同層諧振腔之間的磁耦合窗口為在兩個相鄰諧振腔的公共寬邊上，以寬邊中點 為中心開的窗口；不同層諧振腔之間的磁耦合窗口為在重合的兩個諧振腔之間的表面金屬 上，距兩側(cè)通孔邊緣0.1 mm至0. 2mm，且關(guān)于窄邊中垂面對稱的兩個矩形孔；不同層諧振腔 之間的電耦合窗口為在重合的兩個諧振腔之間的表面金屬上開的一個矩形孔，矩形孔中心 與諧振腔中心重合，孔的長寬比與諧振腔寬邊與窄邊之比相同。2. 如權(quán)利要求1所述毫米波SIW濾波器，其特征在于： SIW基板的介電常數(shù)2. 1，高度0. 505mm，損耗角0. 00045,通孔直徑0. 4mm，孔間距 0. 75mm，寬度 4. 75mm ； 源腔和負載腔長度為3. 28mm，1腔和8腔的長度為2. 82mm，2腔和7腔的長度為3. 26mm， 3腔和6腔的長度為3. 4mm，4腔和5腔的長度為3. 46mm ; 源腔-1腔的耦合孔寬度為2. 89mm，1腔-2腔的耦合孔寬度為I. 795mm，2腔和-腔 的耦合孔寬度為I. 455mm，3腔-4腔的耦合孔寬度為I. 46mm，4-5腔耦合孔的縱向長度為 1. 255mm，3-6腔的耦合孔大小為I. 105mm*0. 663mm，2-7腔耦合孔的縱向長度為0? 54臟，1-8 腔的親合孔大小為〇. 45mm*0. 27mm ; 4-5腔耦合孔和2-7腔耦合孔距兩側(cè)通孔邊緣0. 1mm，且關(guān)于諧振腔窄邊中垂面對稱。3. 如權(quán)利要求1所述毫米波SIW濾波器其設(shè)計方法如下： 步驟一、計算橢圓函數(shù)濾波器數(shù)學(xué)模型，并修改使之成為準(zhǔn)橢圓函數(shù)； 步驟二、根據(jù)準(zhǔn)橢圓函數(shù)的零點和極點提取歸一化耦合系數(shù)，并計算實際耦合系數(shù)； 步驟三、設(shè)計SIW傳輸線及諧振腔； 步驟四、用SIW設(shè)計各種耦合結(jié)構(gòu)； 步驟五、搭建并調(diào)整濾波器整體模型。
【專利摘要】本發(fā)明涉及微波、毫米波技術(shù)，尤其涉及一種S波段SIW雙環(huán)鐵氧體移相器。它包括一段SIW傳輸線和對稱設(shè)置于SIW傳輸線內(nèi)的兩個相同的鐵氧體方環(huán)，還包括一個設(shè)于兩個鐵氧體方環(huán)中間的介質(zhì)片，兩個鐵氧體方環(huán)與介質(zhì)片緊貼；鐵氧體方環(huán)高度與SIW和介質(zhì)片等高，壁厚1mm-2mm，寬度小于SIW寬度的一半,長度等于SIW長度，介質(zhì)片厚度小于2mm，長度等于SIW長度。本發(fā)明具有如下優(yōu)點：抑制了TM模的出現(xiàn)，推遲了高次模式的截止頻率；較傳統(tǒng)波導(dǎo)移相器體積更??；介質(zhì)填充的SIW具有比波導(dǎo)更大的擊穿電壓。
【IPC分類】H01P1/207, G06F17/50
【公開號】CN104953214
【申請?zhí)枴緾N201510244580
【發(fā)明人】鄧龍江, 黃崇維, 張林博, 孫遜, 汪曉光, 陳良
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年5月14日