一種毫米波siw濾波器及其設(shè)計(jì)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(jìn)步，對(duì)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(diǎn)，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(shí)現(xiàn)。而 80年代至今，一種綜合了兩種濾波器的優(yōu)點(diǎn)的準(zhǔn)橢圓函數(shù)濾波器，或稱廣義切比雪夫?yàn)V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(shì)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(diǎn)， 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(jì)的濾波器應(yīng)用 在厘米波段，但是由于設(shè)計(jì)方法、設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)不完善，并未完全發(fā)揮出SIW濾波器的優(yōu)勢(shì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對(duì)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(gè)諧振腔，按上下兩 層對(duì)稱分布，每層5個(gè)；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(gè)相鄰諧振腔的公共寬邊上，以寬邊中點(diǎn)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(gè)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(duì)稱的兩個(gè)矩形孔；不同層諧振腔之間的電耦合窗口為在重合的兩個(gè)諧振腔之間 的表面金屬上開的一個(gè)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(jì)方案如下：
[0006] 步驟一、計(jì)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(diǎn)和極點(diǎn)提取歸一化耦合系數(shù)，并計(jì)算實(shí)際耦合系 數(shù)；
[0008] 步驟三、設(shè)計(jì)SIW傳輸線及諧振腔；
[0009] 步驟四、用SIW設(shè)計(jì)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(shí)，通過引入兩層SIW諧振腔之間的交叉耦合實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)橢圓函數(shù)模型，做到了帶外的高抑制， 最終實(shí)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(shí)施方式】
[0020] 現(xiàn)以一個(gè)具體實(shí)施例說明本發(fā)明的具體內(nèi)容。項(xiàng)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(xiàng)目指標(biāo)，選擇使 用8階濾波器實(shí)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(jì)算得零極點(diǎn)。四個(gè)歸一化極點(diǎn)為0. 2804、0. 7089、0. 9189、0. 9923,四個(gè)歸一化零點(diǎn) 為3. 9437、1. 5599、1. 2035、1. 1145。在特征函數(shù)的分母中去掉和最遠(yuǎn)零點(diǎn)3. 9437相關(guān)的 項(xiàng)，帶入傳輸函數(shù)表達(dá)式，將之修改為準(zhǔn)橢圓函數(shù)。
[0022] 步驟二，通過剩下的3個(gè)零點(diǎn)和4個(gè)極點(diǎn)，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(shí)際耦合矩陣。得到實(shí)際耦合系數(shù)如下：源腔-1腔和8腔-負(fù)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(fù)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(jì)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(shí)傳輸線具有很好的傳 輸性能。此時(shí)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(gè)諧振腔的公共邊上，開一個(gè)關(guān)于公共邊中點(diǎn)對(duì)稱的窗口， 通過調(diào)節(jié)窗口的大小，實(shí)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(gè)位于腔體中心的矩形窗口，實(shí)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(shí)際應(yīng)取一個(gè)與之接近的易工程實(shí)現(xiàn)的數(shù)值即5比3,能 更好的實(shí)現(xiàn)電場的耦合，通過調(diào)節(jié)窗口大小，實(shí)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(gè)0. 4mm的關(guān)于窄邊中垂面對(duì)稱的窗口，實(shí)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(shí)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(fù)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?fù)軗p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(shí)，體積僅有16. 22mm*7mm*1.03mm。
【主權(quán)項(xiàng)】
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(gè)，按上下兩層對(duì)稱分布，每層5個(gè)；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(gè)相鄰諧振腔的公共寬邊上，以寬邊中點(diǎn) 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(gè)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(duì)稱的兩個(gè)矩形孔；不同層諧振腔 之間的電耦合窗口為在重合的兩個(gè)諧振腔之間的表面金屬上開的一個(gè)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(fù)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(duì)稱。3. 如權(quán)利要求1所述毫米波SIW濾波器其設(shè)計(jì)方法如下： 步驟一、計(jì)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(diǎn)和極點(diǎn)提取歸一化耦合系數(shù)，并計(jì)算實(shí)際耦合系數(shù)； 步驟三、設(shè)計(jì)SIW傳輸線及諧振腔； 步驟四、用SIW設(shè)計(jì)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(duì)稱設(shè)置于SIW傳輸線內(nèi)的兩個(gè)相同的鐵氧體方環(huán)，還包括一個(gè)設(shè)于兩個(gè)鐵氧體方環(huán)中間的介質(zhì)片，兩個(gè)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(diǎn)：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(hào)】CN104953214
【申請(qǐng)?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(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年9月30日
【申請(qǐng)日】2015年5月14日