李晨光,杨 静,武汉伟,冯彩霞,张文梅

(山西大学物理电子工程学院,山西太原 030006)

近年来基片集成波导作为一种新的导波结构被广泛应用到了微波及毫米波电路中.基片集成波导具有与传统矩形波导相近的特性,诸如品质因数高、易于设计等,同时也具有体积小、重量轻、易于加工和集成、造价低等传统矩形波导没有的优点[1-4].文献[5]提出了一种基片集成波导双感性柱滤波器,但是占地面积较大,且阻带特性也不好.文献[6]提出了一种新颖的SIFW滤波器,它减小了滤波器体积,并且在通带低端产生一个传输零点来改善带外特性,但是相对带宽较小,且通带低端只有一个零点.

1 滤波器设计

1.1 带通滤波器结构

本文所设计滤波器整体结构如图1所示.结构由两块介质板和三层金属层组成,中间金属层为接地层,顶层和底层金属层为信号层.信号层的结构如图2所示,该结构将CSRR刻蚀在金属导带上,利用CSRR产生的阻带特性改善通带高端带外特性,并采用SIFW-共面波导转换器来有效地减小电路尺寸[7-8].接地层结构如图3所示,在接地层上挖有中间槽(见图 4),中间槽的尺寸为l1=8mm,l2= 7mm,w1=2mm,w2=2.3 mm.中间接地层边缘与最右排金属通孔间的间隔d1为2.8 mm(见图3, 4),金属通孔1,2,3,4垂直穿过中间接地层和顶层及底层相连(见图4).金属通孔1,2和金属通孔3,4在上层介质板形成1腔,在下层介质板形成3腔,2腔作为一个上下层公共腔位于最右端,由金属柱3,4和最右边一排金属通孔在两层介质板间形成,这样,整个滤波器共形成3个具有导向性的谐振腔(见图4).

图1 SIFW滤波器结构图Fig.1 Schem atic of the SIFWfilter

图2 信号层结构图Fig.2 Schematic of the signal level

图3 接地层结构图F ig.3 Schem atic of the ground level

图4 滤波器侧视图Fig.4 Side view of the SIFWfilter

1.2 互补型开口环谐振环CSRR

图5是正方形CSRR单元的示意图[9].CSRR的外环边长l=2.8mm,两同心正方形介质谐振环的宽度均为c=0.3mm,大小环间距d=0.3mm.导带宽度w=2.5 mm.选取厚度为0.787mm,介电常数为2.2的Duriod 5880介质板.

图5 正方形CSRR单元示意图Fig.5 Schematic diagram of the square CSRR unit

图6 刻蚀CSRR在微带线导带上的仿真S21参数Fig.6 The sim ulation S 21 of CSRR etched on them icrostrip

图6为单元正方形CSRR刻蚀在50Ω的微带线的S参数仿真结果,该图显示出CSRR刻蚀在导带上可以产生阻带特性,但是阻带较窄.本文中,用CSRR的这种阻带性质来改善通带高端带外特性,将CSRR刻蚀在顶层和底层金属导带上,不仅可以在通带高端由CSRR产生一个零点,而且不会增加额外的面积.本文设计的CSRR,靠近输入输出端的两个CSRR尺寸分别为l3=3.5mm,c3=0.3mm,dd3=0.3 mm,g3=1.5 mm,f3=0.7 mm.剩余两个CSRR尺寸为l4=2.6 mm,c4=0.3 mm,dd4= 0.2 mm,g4=0.5mm,f4=1 mm.

1.3 耦合结构

图7 耦合结构Fig.7 Schematic of the coupling

图7为本文所设计的滤波器耦合结构图,由于1腔和3腔上下相邻,在中间接地层的边缘,折叠的拐角处,形成1-3的传输路径,如图7所示,从1到3的传输路径也可以是1-2-3,这两条路径相位差是180°时,会在带外产生第一个传输零点.中间接地层上中间槽的作用,一是加强了 1腔和3腔间的耦合;二是源端和负载端,在中间槽的边缘,会产生交叉耦合,形成S-L的传输路径,如图7,S到L的传输路径也可以是S-1-2-3-L,这两条路径相位差180°时,也会在带外产生一个传输零点[6].这样由于S-L间的交叉耦合会在通带低端产生第二个传输零点,从而提高了阻带效果.

2 仿真结果分析

在介质集成波导中设计了一个3级的带通滤波器,介质材料选的是 Rogers RT/duroid 5880(tm),介电常数2.2,每层LTCC厚度0.787 3mm,共使用2层LTCC,滤波器总厚度1.574 6mm.滤波器采用三维电磁仿真软件HFSS进行计算仿真.

图8为微带上刻蚀和没有刻蚀CSRR时所设计滤波器的S参数图.由图可以看出,刻蚀CSRR后,通带高端的阻带特性有明显改善,并在通带高端产生了一个传输零点,带宽变窄了一些.由于CSRR刻蚀在输入微带线上,影响阻抗匹配,所以也会影响通带内的回损和插损.但CSRR主要还是影响高端阻带特性,所以刻蚀CSRR以后,通带高端阻带特性变好.

图8 加载CSRR和没有加载CSRR的S参数图Fig.8 Thesimulation S parameter of w ith CSRR and without CSRR

图9 w 2变化时的 S参数图Fig.9 The sim ulation S param eter for different w 2

图9是当w2=3mm,5mm,7mm时,滤波器的S参数曲线图,可以看到当w2增大时,通带低端两零点分开,且随着w2增大,零点深度变浅.图10是当l2=4 mm,6mm,8 mm时,滤波器的S参数曲线图,可以看到,当l2=4 mm时,通带低端两零点重合为一个零点,l2=6mm时,通带低端两零点在 -30 dB以下,当l2=8 mm时,两零点分开了一些,但零点深度变浅.

图11为最后优化结果,通带范围从5.4～8.8 GHz,中心频率为7.1 GHz,通带内回波损耗优于 -15 dB,插损小于0.7 dB.由仿真图11可以看到,在4.7GHz和5.1GHz处各有一个由交叉耦合引入的传输零点,在通带高端10.2GHz处,有一个由CSRR产生的传输零点,使带外抑制得到了加强.另外,通带内有多于三个的极点,说明通带内存在多个模式[10],从而使带宽较宽,相对带宽可以达到47%左右.整个介质集成折叠波导滤波器尺寸为47 mm*30 mm*1.574 6mm.

图10 l2变化时的S参数图Fig.10 The sim ulation S param eter for d ifferent l2

图11 SIFW滤波器仿真结果Fig.11 The simulation S parameter for SIFWfilter

3 结 论

所设计的一种基片集成折叠波导双感性柱滤波器,通过引入交叉耦合,在通带低端产生两个传输零点,使通带低端的带外抑制得到加强.通过在微带刻蚀CSRR,利用CSRR的阻带特性在通带高端产生一个传输零点,改善通带高端带外特性.并通过折叠,减小了滤波器尺寸.本文设计的小型化SIFW滤波器具有体积小,带宽较宽,结构简单,易于加工等特点,具有很大的实用价值.

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