一種基于SIFW的小型化寬帶帶通濾波器*

李晨光,楊 靜,武漢偉,馮彩霞,張文梅

(山西大學物理電子工程學院,山西太原 030006)

近年來基片集成波導作為一種新的導波結構被廣泛應用到了微波及毫米波電路中.基片集成波導具有與傳統矩形波導相近的特性,諸如品質因數高、易于設計等,同時也具有體積小、重量輕、易于加工和集成、造價低等傳統矩形波導沒有的優點[1-4].文獻[5]提出了一種基片集成波導雙感性柱濾波器,但是占地面積較大,且阻帶特性也不好.文獻[6]提出了一種新穎的SIFW濾波器,它減小了濾波器體積,并且在通帶低端產生一個傳輸零點來改善帶外特性,但是相對帶寬較小,且通帶低端只有一個零點.

1 濾波器設計

1.1 帶通濾波器結構

本文所設計濾波器整體結構如圖1所示.結構由兩塊介質板和三層金屬層組成,中間金屬層為接地層,頂層和底層金屬層為信號層.信號層的結構如圖2所示,該結構將CSRR刻蝕在金屬導帶上,利用CSRR產生的阻帶特性改善通帶高端帶外特性,并采用SIFW-共面波導轉換器來有效地減小電路尺寸[7-8].接地層結構如圖3所示,在接地層上挖有中間槽(見圖 4),中間槽的尺寸為l1=8mm,l2= 7mm,w1=2mm,w2=2.3 mm.中間接地層邊緣與最右排金屬通孔間的間隔d1為2.8 mm(見圖3, 4),金屬通孔1,2,3,4垂直穿過中間接地層和頂層及底層相連(見圖4).金屬通孔1,2和金屬通孔3,4在上層介質板形成1腔,在下層介質板形成3腔,2腔作為一個上下層公共腔位于最右端,由金屬柱3,4和最右邊一排金屬通孔在兩層介質板間形成,這樣,整個濾波器共形成3個具有導向性的諧振腔(見圖4).

圖1 SIFW濾波器結構圖Fig.1 Schem atic of the SIFWfilter

圖2 信號層結構圖Fig.2 Schematic of the signal level

圖3 接地層結構圖F ig.3 Schem atic of the ground level

圖4 濾波器側視圖Fig.4 Side view of the SIFWfilter

1.2 互補型開口環諧振環CSRR

圖5是正方形CSRR單元的示意圖[9].CSRR的外環邊長l=2.8mm,兩同心正方形介質諧振環的寬度均為c=0.3mm,大小環間距d=0.3mm.導帶寬度w=2.5 mm.選取厚度為0.787mm,介電常數為2.2的Duriod 5880介質板.

圖5 正方形CSRR單元示意圖Fig.5 Schematic diagram of the square CSRR unit

圖6 刻蝕CSRR在微帶線導帶上的仿真S21參數Fig.6 The sim ulation S 21 of CSRR etched on them icrostrip

圖6為單元正方形CSRR刻蝕在50Ω的微帶線的S參數仿真結果,該圖顯示出CSRR刻蝕在導帶上可以產生阻帶特性,但是阻帶較窄.本文中,用CSRR的這種阻帶性質來改善通帶高端帶外特性,將CSRR刻蝕在頂層和底層金屬導帶上,不僅可以在通帶高端由CSRR產生一個零點,而且不會增加額外的面積.本文設計的CSRR,靠近輸入輸出端的兩個CSRR尺寸分別為l3=3.5mm,c3=0.3mm,dd3=0.3 mm,g3=1.5 mm,f3=0.7 mm.剩余兩個CSRR尺寸為l4=2.6 mm,c4=0.3 mm,dd4= 0.2 mm,g4=0.5mm,f4=1 mm.

1.3 耦合結構

圖7 耦合結構Fig.7 Schematic of the coupling

圖7為本文所設計的濾波器耦合結構圖,由于1腔和3腔上下相鄰,在中間接地層的邊緣,折疊的拐角處,形成1-3的傳輸路徑,如圖7所示,從1到3的傳輸路徑也可以是1-2-3,這兩條路徑相位差是180°時,會在帶外產生第一個傳輸零點.中間接地層上中間槽的作用,一是加強了 1腔和3腔間的耦合;二是源端和負載端,在中間槽的邊緣,會產生交叉耦合,形成S-L的傳輸路徑,如圖7,S到L的傳輸路徑也可以是S-1-2-3-L,這兩條路徑相位差180°時,也會在帶外產生一個傳輸零點[6].這樣由于S-L間的交叉耦合會在通帶低端產生第二個傳輸零點,從而提高了阻帶效果.

2 仿真結果分析

在介質集成波導中設計了一個3級的帶通濾波器,介質材料選的是 Rogers RT/duroid 5880(tm),介電常數2.2,每層LTCC厚度0.787 3mm,共使用2層LTCC,濾波器總厚度1.574 6mm.濾波器采用三維電磁仿真軟件HFSS進行計算仿真.

圖8為微帶上刻蝕和沒有刻蝕CSRR時所設計濾波器的S參數圖.由圖可以看出,刻蝕CSRR后,通帶高端的阻帶特性有明顯改善,并在通帶高端產生了一個傳輸零點,帶寬變窄了一些.由于CSRR刻蝕在輸入微帶線上,影響阻抗匹配,所以也會影響通帶內的回損和插損.但CSRR主要還是影響高端阻帶特性,所以刻蝕CSRR以后,通帶高端阻帶特性變好.

圖8 加載CSRR和沒有加載CSRR的S參數圖Fig.8 Thesimulation S parameter of w ith CSRR and without CSRR

圖9 w 2變化時的 S參數圖Fig.9 The sim ulation S param eter for different w 2

圖9是當w2=3mm,5mm,7mm時,濾波器的S參數曲線圖,可以看到當w2增大時,通帶低端兩零點分開,且隨著w2增大,零點深度變淺.圖10是當l2=4 mm,6mm,8 mm時,濾波器的S參數曲線圖,可以看到,當l2=4 mm時,通帶低端兩零點重合為一個零點,l2=6mm時,通帶低端兩零點在 -30 dB以下,當l2=8 mm時,兩零點分開了一些,但零點深度變淺.

圖11為最后優化結果,通帶范圍從5.4～8.8 GHz,中心頻率為7.1 GHz,通帶內回波損耗優于 -15 dB,插損小于0.7 dB.由仿真圖11可以看到,在4.7GHz和5.1GHz處各有一個由交叉耦合引入的傳輸零點,在通帶高端10.2GHz處,有一個由CSRR產生的傳輸零點,使帶外抑制得到了加強.另外,通帶內有多于三個的極點,說明通帶內存在多個模式[10],從而使帶寬較寬,相對帶寬可以達到47%左右.整個介質集成折疊波導濾波器尺寸為47 mm*30 mm*1.574 6mm.

圖10 l2變化時的S參數圖Fig.10 The sim ulation S param eter for d ifferent l2

圖11 SIFW濾波器仿真結果Fig.11 The simulation S parameter for SIFWfilter

3 結 論

所設計的一種基片集成折疊波導雙感性柱濾波器,通過引入交叉耦合,在通帶低端產生兩個傳輸零點,使通帶低端的帶外抑制得到加強.通過在微帶刻蝕CSRR,利用CSRR的阻帶特性在通帶高端產生一個傳輸零點,改善通帶高端帶外特性.并通過折疊,減小了濾波器尺寸.本文設計的小型化SIFW濾波器具有體積小,帶寬較寬,結構簡單,易于加工等特點,具有很大的實用價值.

[1] Cassivi.Dispersion characteristics of substrate integrated rectangular waveguide[J].IEEE Microw aveand Wireless Component Letters,2002,12(9):333-335.

[2] 張玉林.基片集成波導傳播特性及濾波器的理論與實驗研究[D].南京:東南大學,2005.

[3] Wu Feng,Wu Ke.Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated w aveguide[J].IEEE Trans on Microw ave Theory and techniques,2005,53(10):66-72.

[4] Xu Feng,Zhang Yu lin,Hong Wei,eta1.Finite-difference frequency-domain algorithm formodeling guidedw ave p roperties of substrate integrated waveguide[J].IEEE Trans on Microw ave Theory Techniques,2003,5l(11):2221-2226.

[5] 申凱,王光明,谷國棟.基片集成波導雙感性柱濾波器的研究[J].微波學報,2009,25(3):43-46.

Shen Kai,Wang Guangm ing,Gu Guodong.Investigation on double inductive post filter based on substrate integrated waveguide(SIW)[J].Journal Of Microwaves,2009,25(3):43-46.(in Chinese)

[6] 延波,邱頻捷,徐瑞敏.新穎的毫米波介質集成折疊波導濾波器[C]//全國軍事微波技術學術會議論文集.貴陽市:中國電子學會微波分會,2008:226-231.

[7] Sung Tae Choi,K iSeok Yang,Kiyohito Tokuda,etal,A V-band planarnarrow bandpass filter using anew type integrated waveguide transition[J].IEEE Microwave and Wireless Component Letters,2004,14(12):545-547.

[8] Chen Xiao-Ping,Wu Ke,Daniel Drolet.Substrate integrated waveguide filter with imp roved stopband performance for satellite ground term inal[J].IEEE Trans on Microwave Theory Techniques,2009,57(3):674-683.

[9] 張勝.微型平面微波濾波器的結構與性能研究[D].上海:上海大學,2006.

[10] Zhu Lei,Sun Sheng,Wolfgang Menzel.U ltra-Wideband(UWB)bandpass filters using multiple-mode resonator[J]. IEEE Microwave and Wireless Component Letters,2005,15(11):796-798.