一種毫米波siw濾波器及其設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及微波、毫米波技術，尤其涉及一種毫米波SIW濾波器。
【背景技術】
[0002] 在過去的幾十年內，微波技術和毫米波技術有了很大進步，對于一種在通信系統 中應用極為廣泛的微波、毫米波無源器件一一濾波器，也有了很大的發展。傳統的濾波器大 致可分為切比雪夫型和橢圓函數型兩類。兩類濾波器都有自己的缺點，切比雪夫型濾波器 結構簡單但是選頻特性不佳，橢圓函數型濾波器性能優異，但是結構難以在工程上實現。而 80年代至今，一種綜合了兩種濾波器的優點的準橢圓函數濾波器，或稱廣義切比雪夫濾波 器，被提出并得到了越來越多的應用。
[0003] 目前，濾波器的發展趨勢是向小型化、輕型化、高性能、高可靠性上發展。傳統的導 波結構已不能完全適應全部的發展需求，使用波導結構的器件功率容量大，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。基片集成波導（SIW)結構兼具波導和微帶的優點， 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設計的濾波器應用 在厘米波段，但是由于設計方法、設計細節不完善，并未完全發揮出SIW濾波器的優勢。
【發明內容】
[0004] 針對上述存在問題或不足，本發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諧振腔和耦合結構構成；其結構特征在于：共有10個諧振腔，按上下兩 層對稱分布，每層5個；耦合結構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，距兩側通孔邊緣0. 1mm至0. 2mm，且關于窄 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] 其設計方案如下：
[0006] 步驟一、計算橢圓函數濾波器數學模型，并修改使之成為準橢圓函數；
[0007] 步驟二、根據準橢圓函數的零點和極點提取歸一化耦合系數，并計算實際耦合系 數；
[0008] 步驟三、設計SIW傳輸線及諧振腔；
[0009] 步驟四、用SIW設計各種親合結構；
[0010] 步驟五、搭建并調整濾波器整體模型。
[0011] 本發明的有益結果是，通過使用SIW結構，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準橢圓函數模型，做到了帶外的高抑制， 最終實現了一種小體積、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階橢圓函數濾波器歸一化頻響曲線
[0013] 圖2,8階準橢圓函數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
【具體實施方式】
[0020] 現以一個具體實施例說明本發明的具體內容。項目指標如下：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。根據項目指標，選擇使 用8階濾波器實現。
[0021] 步驟一，將8階雅克比橢圓函數
乍為傳 輸函f
^的特征函數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。在特征函數的分母中去掉和最遠零點3. 9437相關的 項，帶入傳輸函數表達式，將之修改為準橢圓函數。
[0022] 步驟二，通過剩下的3個零點和4個極點，以及帶內波紋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。得到實際耦合系數如下：源腔-1腔和8腔-負載腔 的耦合系數為〇. 19819,1-2腔和7-8腔的耦合系數為0. 03251，2-3腔和6-7腔的耦合系數 為0. 02355, 3-4腔和5-6腔的耦合系數為0. 01579,1-8腔的耦合系數為-0. 00124, 2-7腔 的耦合系數為〇. 006935, 3-6腔的耦合系數為-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2. 1，高度0. 505mm，損耗角0. 00045的基板設計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，開一個關于公共邊中點對稱的窗口， 通過調節窗口的大小，實現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，故實際應取一個與之接近的易工程實現的數值即5比3,能 更好的實現電場的耦合，通過調節窗口大小，實現不同的耦合系數。在上下層諧振腔之間的 銅箔兩邊，離通孔0. 1mm處，向內側開一個0. 4mm的關于窄邊中垂面對稱的窗口，實現上下 層諧振腔之間的磁耦合，通過調節窗口縱向長度調節耦合系數。
[0025] 步驟五，搭建整體模型。由于耦合結構的引入，各腔體的諧振頻率發生變化，故需 要調節各腔體的長度。同時微調耦合，使濾波器性能最優化。最終參數如下：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,性能優異。同時，體積僅有16. 22mm*7mm*1.03mm。
【主權項】
1. 一種毫米波SIW濾波器，由兩層完全重合的雙面覆銅SIW諧振腔和耦合結構構成， 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；耦合結構包括同層 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，距兩側通孔邊緣0.1 mm至0. 2mm，且關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腔耦合孔距兩側通孔邊緣0. 1mm，且關于諧振腔窄邊中垂面對稱。3. 如權利要求1所述毫米波SIW濾波器其設計方法如下： 步驟一、計算橢圓函數濾波器數學模型，并修改使之成為準橢圓函數； 步驟二、根據準橢圓函數的零點和極點提取歸一化耦合系數，并計算實際耦合系數； 步驟三、設計SIW傳輸線及諧振腔； 步驟四、用SIW設計各種耦合結構； 步驟五、搭建并調整濾波器整體模型。
【專利摘要】本發明涉及微波、毫米波技術，尤其涉及一種S波段SIW雙環鐵氧體移相器。它包括一段SIW傳輸線和對稱設置于SIW傳輸線內的兩個相同的鐵氧體方環，還包括一個設于兩個鐵氧體方環中間的介質片，兩個鐵氧體方環與介質片緊貼；鐵氧體方環高度與SIW和介質片等高，壁厚1mm-2mm，寬度小于SIW寬度的一半,長度等于SIW長度，介質片厚度小于2mm，長度等于SIW長度。本發明具有如下優點：抑制了TM模的出現，推遲了高次模式的截止頻率；較傳統波導移相器體積更小；介質填充的SIW具有比波導更大的擊穿電壓。
【IPC分類】H01P1/207, G06F17/50
【公開號】CN104953214
【申請號】CN201510244580
【發明人】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
【公開日】2015年9月30日
【申請日】2015年5月14日