基于高次模的六邊形基片集成波導(dǎo)腔體濾波器

鄒玉鵬，劉　冰，周宜盼，伍　磊，邢　可

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016)

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基于高次模的六邊形基片集成波導(dǎo)腔體濾波器

鄒玉鵬，劉冰，周宜盼，伍磊，邢可

(南京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210016)

基片集成波導(dǎo)濾波器已被證明具有高Q值、高功率、生產(chǎn)成本低、易于集成等優(yōu)點(diǎn)。但隨著頻率的升高，尤其是到達(dá)毫米波階段，其結(jié)構(gòu)尺寸大幅減少的同時(shí)給加工制作帶來(lái)了較大的難度。文中探討了基于基片集成波導(dǎo)諧振腔的高次模濾波器設(shè)計(jì)方法，與主模腔體濾波器相比，當(dāng)結(jié)構(gòu)大小相同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更高的頻率。

基片集成波導(dǎo)；濾波器；腔體；六邊形；高次模

作為無(wú)線通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，濾波器對(duì)系統(tǒng)整體性能有著直接影響。基片集成波導(dǎo)濾波器是一種在介質(zhì)基板上實(shí)現(xiàn)的濾波器，其與傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)濾波器在性能上又較類似，因此品質(zhì)因數(shù)較高。另一方面，與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)濾波器相比，其同時(shí)具有體積小、重量輕、成本低、易于加工、易于與其他平面微波結(jié)構(gòu)集成等優(yōu)點(diǎn)。但隨著頻率的升高，尤其是到達(dá)毫米波階段，其結(jié)構(gòu)尺寸大幅減少的同時(shí)給加工制作帶來(lái)了較大難度，基于高次模的基片集成波導(dǎo)濾波器與主模腔體濾波器相比，當(dāng)結(jié)構(gòu)大小相同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)更高的頻率[1]。

本文提出了一種高次模的六邊形基片集成波導(dǎo)諧振腔濾波器，六邊形基片集成波導(dǎo)諧振腔結(jié)構(gòu)靈活，可構(gòu)成更多復(fù)雜的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并與圓形腔體類似具有較高的品質(zhì)因數(shù)，中心頻率為45.3GHz。

1　濾波器設(shè)計(jì)

基片集成波導(dǎo)是20世紀(jì)末由H.Uchimura和K.Wu提出的一種新型微波電路技術(shù)。

圖1　基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示為基片集成波導(dǎo)的典型結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基板的上下表面均覆蓋著一層金屬層，傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的波導(dǎo)壁則利用分布在介質(zhì)中周期性排列的金屬化通孔來(lái)替換[2]，其中Wsiw表示兩排金屬化通孔的圓心間距，其直接影響導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的截止頻率；p表示相鄰金屬化通孔的圓心間距；d表示單個(gè)通孔的直徑。周期性排列的金屬通孔直徑和相鄰金屬孔之間的空間距決定著基片集成波導(dǎo)的輻射損耗和反射損耗的數(shù)量，通過(guò)調(diào)理相鄰孔間距，使得由孔間泄露的能量減小，從而可有效減小輻射損耗，避免SIW結(jié)構(gòu)中的電磁能量從金屬通孔之間的縫隙泄露到外界。在實(shí)際電路中，基片集成波導(dǎo)需要與外部電路連接，為保證連接處電流暢通，減少內(nèi)部反射，金屬化通孔的間距至關(guān)重要，因此文中需要選擇合適的間距。

圖2　兩腔體高次模濾波器

在實(shí)際工程中，通常使p=2d，為了保證電磁波得到正常傳播，Wsiw、p、d的值均需要經(jīng)過(guò)計(jì)算確定。

對(duì)于矩形腔體，設(shè)其等效長(zhǎng)寬Leff，由于存在金屬化通孔，需對(duì)其參數(shù)修正[3]

則其主模諧振頻率為

當(dāng)基板介質(zhì)常數(shù)為2.2時(shí)，矩形腔寬帶為3.95mm，金屬化通孔半徑為0.15mm，孔間距0.6mm，工作在不同模式的諧振頻率為fTE101=21.3GHz，fTE102=fTE201=33.6GHz，fTE202=45.3GHz，顯然在相同的結(jié)構(gòu)尺寸下，高次模TE202能工作在更高的頻率。

圖3　兩腔體高次模濾波器S參數(shù)

圖2為該濾波器的結(jié)構(gòu)圖，整體結(jié)構(gòu)為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，通過(guò)調(diào)整耦合窗口wd的大小來(lái)調(diào)整帶耦合的強(qiáng)弱，濾波器的中心頻率隨著六邊形腔體的邊長(zhǎng)l的改變而改變。

2　結(jié)果分析

圖3顯示該濾波器約在50.5GHz出現(xiàn)了一個(gè)虛假的通帶，通過(guò)分析其電場(chǎng)分布圖，可發(fā)現(xiàn)這是因在腔體的中心有較強(qiáng)的諧振，而諧振腔工作在TE202模其中心處基本沒(méi)有能量。因此，在濾波器每個(gè)諧振腔的中心處各加入一個(gè)金屬化通孔，來(lái)破壞中心處的諧振。添加金屬柱后的結(jié)構(gòu)圖，如圖5所示。

圖4　電場(chǎng)分布圖

圖5　六邊形兩腔體高次模濾波器結(jié)構(gòu)圖

在仿真軟件CST中經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到最終的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：sub_h=0.254mm,ms_w=0.78mm, r=0.15mm, p=0.6mm, wd=1.7mm, l=3.95mm.該濾波器采用介電常數(shù)為2.2的Rogers5880 介質(zhì)基板，圖6為加載金屬化通孔前后的S參數(shù)對(duì)比圖。通過(guò)對(duì)比分析，加載金屬化通孔后通道內(nèi)幾乎無(wú)影響，該濾波器的通帶范圍為44.8～45.8GHz，而在50.5GHz處則可得到較好的抑制掉寄生通帶，該濾波器的中心頻率45.8GHz，通帶內(nèi)回波損耗低于-25dB，插入損耗約為0.9dB。相比于矩形腔體，可利用六邊形腔體組合成更豐富的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

圖6　六邊形兩腔體高次模濾波器S參數(shù)圖

上文設(shè)計(jì)的兩腔體高次模濾波器降低了生產(chǎn)加工難度，但濾波器的選擇性并不理想。因此根據(jù)耦合原理[4-6]，增加一個(gè)腔體形成兩條能量傳輸路徑產(chǎn)生交叉耦合，如圖7所示，從而引入傳輸零點(diǎn)。其各參數(shù)與兩腔體的一致，通過(guò)調(diào)節(jié)各個(gè)耦合窗的大小wd12、wd13、wd23來(lái)調(diào)節(jié)耦合量的大小。經(jīng)過(guò)仿真優(yōu)化后各個(gè)耦合窗的大小為：wd12=1.82mm、wd13=1.75mm、wd23=1.75mm。如圖8所示，通過(guò)交叉耦合在濾波器的上阻帶46.2GHz處產(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，該濾波器的3dB帶寬為1GHz(44.8～45.8GHz)，中心頻率為45.3GHz，相對(duì)帶寬2.2%，其帶內(nèi)插損約為0.59dB，回波損耗低于-25dB。

圖7　六邊形三腔體高次模交叉耦合結(jié)構(gòu)圖

圖8　六邊形三腔體高次模濾波器散射參數(shù)圖

3　結(jié)束語(yǔ)

本文主要研究基于基片集成波導(dǎo)的高次模腔體濾波器，針對(duì)隨著頻率升高，基片集成波濾波器的體積減少，尤其是當(dāng)達(dá)到毫米波頻段將給濾波器的加工增加難度，利用基片集成波導(dǎo)諧振腔諧振在TE202模時(shí)的特性，設(shè)計(jì)了高次模濾波器，與基片集成波導(dǎo)主模諧振腔相比，利用高次模在相同的器件尺寸下可工作在更高的頻率，從而有效降低加工難度，利用基片集成波導(dǎo)傳輸線的高通特性抑制無(wú)需低頻諧波，同時(shí)在TE202模腔體中心加金屬柱抑制上阻帶的諧波，仿真結(jié)果驗(yàn)證了設(shè)計(jì)。在兩腔體的濾波器基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出高次模的交叉耦合濾波器，在濾波器的上阻帶引入一個(gè)傳輸零點(diǎn)，改善了該濾波器的頻率選擇性，仿真結(jié)果驗(yàn)證了其可靠性。

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Substrate Integrated Waveguide Hexagon Cavity Filters Based on High Order Mode

ZOUYupeng,LIUBing,ZHOUYipan,WULei,XINGKe

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

AlthoughthesubstrateintegratedwaveguidefilterenjoyshighQvalue,highpower,lowproductioncostandeasyintegration,thegreatlyreducedstructuresizeduetotheincreaseoffrequency,especiallyinthemillimeterwavephase,causesgreatdifficultinitsfabrication.Thehighordermodefilterdesignmethodbasedonsubstrateintegratedwaveguideresonatorisdiscussed,whichoffershigherfrequencyoperationthanthedominatemodecavityfiltersofthesamesize.

substrateintegratedwaveguide;filter;cavity;hexagon;highordermode

2015- 12- 21

鄒玉鵬(1989-)，男，碩士研究生。研究方向：微波濾波器設(shè)計(jì)。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.040

TN713+.1

A

1007-7820(2016)09-145-03