【2017年整理】一种新颖的双通带半模基片集成波导滤波器 (自动保存的) - 副本 - 副本.docx

一种新颖的半模基片集成波导双通带滤波器 刘 飞 （电子科技大学电子工程学院 四川成都 611731） 【摘要】 根据并联单通带滤波器通路以及交换耦合系数构成对称网络的原理，采用矩形半模基片集成波导谐振腔作为基本谐振单元，通过谐振器之间直接耦合与交指耦合设计了一种半模基片集成波导双通带滤波器。利用ADS建立等效电路对双通带的构成进行分析，同时使用Ansoft Hfss 建立滤波器模型进行全波仿真，并进行实测。测试结果表明，两个通带内回波损耗均大于25dB，插入损耗小于0.7dB,通带之间的阻带衰减特性良好，滤波器两个通带频率可调，尺寸只有传统基片集成波导滤波器的六分之一，较好的实现了滤波器的小型化，满足工程需要的技术指标。 关 键 词 频率变换；半模基片集成波导；双通带；小型化 1 引言 微波多通带滤波器是现代无线通信系统中至关重要的组成部分，随着微波集成电路的迅速发展和频谱资源的日益紧张，整个系统向着小型化、高性能、易集成方向发展，这对无线通信系统中滤波器的性能、尺寸和成本提出了更高的要求。早期双通带滤波器采用滤波器级联，或将滤波器并联，但这都增加了滤波器的体积，同时插损较大，为此国内外学者展开了一系列对双通带滤波器综合方法的研究，如寄生通带法，传输零点法，基于极值点提取技术和耦合矩阵法[1]等。然而这些基于数值优化的方法因收敛性得不到保证，设计复杂且周期长，不易实现。 使用传统的金属波导可以做低损耗双通带滤波器，但是其太过庞大与昂贵。相对于金属波导带通滤波器，SIW滤波器易于与其他平面电路集成，以及其低成本、高性能特性使其越来越受到青睐。过去几年中，HMSIW半模基片集成波导在滤波器应用中也被多次的提出。将基片集成波导沿对称面切开即为半模基片集成波导，因此，HMSIW的尺寸要比SIW减少一半。虽然HMSIW尺寸更小，但是它的损耗特性与SIW几乎一致，开路面的辐射损耗忽略不计。与SIW的谐振频率取决于腔体的长度和宽度不同，HMSIW的谐振频率值取决于谐振腔的宽度，因此HMSIW可以用来实现小型化滤波器，而在性能上可比拟SIW。HMSIW由于其缺少偶阶谐振频率而具有很好的阻带性能，这是SIW结构很难做到的。 本文结合HMSIW的优势，基于并联单通带滤波器通路以及交换耦合系数构成对称网络的电路结构，设计出一种HMSIW双通带滤波器，在电磁仿真软件ADS中建立等效电路提取耦合系数后，在HFSS中使用HMSIW作为基本谐振单元建立全波仿真模型并加工测试，结果显示两种仿真结果与实测基本吻合，滤波器两通带间有较好的隔离度，带内插损较小。由于采用单层HMSIW，滤波器体积只有SIW滤波器的六分之一，有效的缩小了滤波器尺寸，满足了小型化、低插损和易集成等设计要求，证明了该方法的可行性。 2等效电路 在ADS中建立的等效电路图如图1所示，电路为对称结构。Route1与Route2是两条单通带滤波器的通路，其中TL2与TL5的电参数相同，TL3与TL4的电参数相同。当电路中只有Route1或Route2作为通路时，其ADS仿真结果如图2所示，插入损耗为带通特性且两个通路的插入损耗特性一致。为了构成双通带滤波器，本文采用并联Route1与Route2的方式在单通带中构建一个位置在1060MHz的传输零点，图2中给出了并联两个通路后的ADS仿真插入与回波损耗曲线。 图一 双通带滤波器的等效电路图 基于传输矩阵的原理，得到并联Route1与Route2的插入损耗的零点由确定，其中电长度，为等效电路图中理想微带线的谐振频率。当时，有。仿真时设计，因此会在位置1060MHz处产生一个传输零点。 图2一个通路与并联通路的仿真结果曲线 等效电路图中，是谐振腔1和2与谐振腔3和4之间的耦合系数，由于采用公式计算较为复杂，在此使用电路优化的方法提取耦合系数的值。是源与腔体1之间的耦合系数，其计算公式： （1） 本文设计的双通带滤波器两个通带范围分别为900~980MHz和1140~1220MHz，计算得，通过电路优化得，。 3 HMSIW双通带滤波器 3.1耦合结构 HMSIW的尺寸要比SIW减少一半，同时其谐振频率只取决于谐振腔的宽度[3]，因此使用HMSIW来实现双通带滤波器的尺寸只有使用SIW的1/6。双通带滤波器采用HMSIW作为基本的谐振单元，谐振腔间的耦合方式通过腔体之间的直接耦合和交指耦合[4]实现，采用HFSS建立的全波仿真模型如图3所示。采用弱耦合的方式可以准确观察到HMSIW直接耦合谐振腔间的谐振峰如图4所示。采用同样的方法可以准确观察到HMSIW交指耦合谐振腔间的谐振峰。 图3 HFSS建立的全波仿真模型