W波段鰭線帶通濾波器設(shè)計(jì)

郭麗芳

(成都工業(yè)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，成都 611730)

W波段鰭線帶通濾波器設(shè)計(jì)

郭麗芳

(成都工業(yè)學(xué)院 網(wǎng)絡(luò)與通信工程學(xué)院，成都 611730)

為了克服傳統(tǒng)鰭線結(jié)構(gòu)在高頻段工藝無(wú)法實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，采用改良版的鰭線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種新型的鰭線結(jié)構(gòu)W波段帶通濾波器。利用HFSS進(jìn)行電磁仿真設(shè)計(jì)，仿真結(jié)果顯示在90～100 GHz頻帶內(nèi)，插入損耗<0.5 dB，輸入輸出端口反射系數(shù)<-20 dB。實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真存在一定的偏差，偏差在允許誤差范圍內(nèi)，可以滿足工程應(yīng)用。

帶通濾波器；W波段；鰭線結(jié)構(gòu)

隨著較高頻段頻譜研究的日益增多，鰭線技術(shù)也受到學(xué)者的廣泛關(guān)注。在天線、開(kāi)關(guān)、放大器、隔離器、環(huán)形器、定向耦合器等結(jié)構(gòu)中都可以用鰭線結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)[1]。鰭線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)色散小、成本低、重復(fù)性好、損耗比微帶線低[2]。傳統(tǒng)的鰭線結(jié)構(gòu)可以很好地用在低頻段的濾波器中，但是當(dāng)頻段上升到W波段時(shí)，由于工藝限制，傳統(tǒng)鰭線結(jié)構(gòu)無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求。本文將傳統(tǒng)的鰭線結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，增加了金屬之間的強(qiáng)耦合，可以利用傳統(tǒng)工藝加工制造W波段的濾波器。經(jīng)過(guò)三維電磁仿真HFSS軟件的仿真、優(yōu)化，得到了良好的結(jié)果。

1 鰭線結(jié)構(gòu)工作原理

1.1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介

將矩形結(jié)構(gòu)嵌在標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)中的E面，即可構(gòu)成鰭線帶通濾波器，結(jié)構(gòu)示意如圖1所示。嵌入的矩形結(jié)構(gòu)為雙面對(duì)稱附銅的基片，附銅的寬度以及相鄰銅條中之間的距離可以調(diào)整，不同的銅條寬度或者不同的間距，將對(duì)應(yīng)不同的通帶寬度。為了耦合線之間更好地產(chǎn)生耦合，矩形基片的長(zhǎng)度原則上應(yīng)該為半波長(zhǎng)，嵌入基片結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)際仿真和加工過(guò)程中，為了減小插入損耗，銅條的長(zhǎng)度一般設(shè)計(jì)為波導(dǎo)端口窄邊的長(zhǎng)度[3]。

圖1 鰭線帶通濾波器結(jié)構(gòu)

圖2 嵌入基片形狀

L.Q.Bui在1984年已提出了將鰭線結(jié)構(gòu)用于Ka波段的E面帶通濾波器中，給出了相對(duì)帶寬為30%的寬帶濾波器的準(zhǔn)確參數(shù)情況[4]。但是對(duì)于中心頻率更高的W波段帶通濾波器，由于所有的耦合均為強(qiáng)耦合，中心頻率的升高會(huì)導(dǎo)致輸入輸出端的距離很近，傳統(tǒng)鰭線結(jié)構(gòu)在物理尺寸上變得很小，基片的銅條將變得很細(xì)，加工工藝難以實(shí)現(xiàn)。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出了一種改良的鰭線濾波器結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)強(qiáng)耦合，同時(shí)也不會(huì)增加工藝難度。在簡(jiǎn)單分析該結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款中心頻率為94 GHz，通帶寬度為93.3-94.6 GHz的W波段鰭線濾波器。該結(jié)構(gòu)先在三維電磁仿真軟件(High Frequency Structure Simulator，HFSS)中進(jìn)行仿真，然后進(jìn)行加工測(cè)試。測(cè)試結(jié)果能夠滿足工程使用需求。

1.2 等效電路模型

改良的鰭線結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)E面鰭線耦合結(jié)構(gòu)的銅條中間刻蝕一段間隙，結(jié)構(gòu)如圖3所示。該結(jié)構(gòu)可等效為一個(gè)T型網(wǎng)絡(luò)，等效結(jié)構(gòu)如圖4所示[4]。

圖3 改良鰭線結(jié)構(gòu)

圖4 新型結(jié)構(gòu)等效電路

圖5 阻抗變換器

T型網(wǎng)絡(luò)阻抗變換器的參數(shù)可以由式(1)求出。

(1)

K=|tan(Φ/2+tan-1Xs)|

Φ=-tan-1(2Xp+Xs)-tan-1Xs

式中，S11和S12表示改良版鰭線結(jié)構(gòu)在T參考平面的散射系數(shù)，可先在HFSS軟件中對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，然后再進(jìn)行加工。

2 濾波器設(shè)計(jì)

在濾波器設(shè)計(jì)的過(guò)程中，為了方便加工需要遵循3個(gè)條件：1)諧振器高度一致，即基片的寬度和波導(dǎo)窄壁高度一致；2)基片須采用純的聚四氟乙烯RT/duroid5880，εr=2.22，tanδ=4×10-4，基片厚度c和波導(dǎo)寬壁a的比值c/a<0.1；3)要采用雙面接地鰭線結(jié)構(gòu)，如圖6所示，波導(dǎo)H面中間開(kāi)槽，槽寬略小于基片厚度，以便將鰭線壓緊，保持良好的接地效果[5-7]。

圖6 鰭線腔體結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述改良結(jié)構(gòu)及公式計(jì)算，設(shè)計(jì)了一個(gè)5階的W波段鰭線帶通濾波器。設(shè)計(jì)中選擇的波導(dǎo)為WR-10標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，尺寸為2.54 mm×1.27 mm，介質(zhì)基片采用RT/duroid5880基片，厚度為0.127 mm。設(shè)計(jì)的93.3～94.6 GHz帶通濾波器基片具體形狀及尺寸(單位為mm)如圖7所示，圖8為該帶通濾波器在三維電磁仿真軟件HFSS環(huán)境下的仿真結(jié)果。

圖7 90～100 GHz鰭線帶通濾波器的基片結(jié)構(gòu)及尺寸

圖8 鰭線帶通濾波器的S參數(shù)特性仿真圖

根據(jù)最佳仿真結(jié)果的尺寸對(duì)該93.3～94.6 GHz帶通濾波器進(jìn)行加工，圖9為93.3～94.6 GHz鰭線帶通濾波器的實(shí)物圖，圖10為用Agilent 8757D Scalar Network Analyzer對(duì)濾波器進(jìn)行測(cè)試的實(shí)際測(cè)試平臺(tái)環(huán)境，圖11為實(shí)際測(cè)試93.3～94.6 GHz濾波器測(cè)試結(jié)果。

圖9 93.3～94.6 GHz鰭線帶通濾波器的實(shí)物圖

圖10 93.3～94.6 GHz鰭線帶通濾波器的實(shí)測(cè)環(huán)境

圖11 93.3～94.6 GHz鰭線帶通濾波器的S參數(shù)特性實(shí)測(cè)

從實(shí)測(cè)結(jié)果可知：該W波段鰭線結(jié)構(gòu)帶通濾波器通帶范圍為93.5～94.8 GHz；通帶內(nèi)插入損耗小于5 dB；反射系數(shù)小于-17 dB；對(duì)92.3 GHz的抑制優(yōu)于-21 dB，對(duì)95.8 GHz的抑制優(yōu)于-20 dB；滿足工程應(yīng)用要求。比較仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果可得，實(shí)測(cè)濾波器通帶中心頻率比仿真結(jié)果往高端偏移0.2 GHz，帶內(nèi)插入損耗與仿真相比惡化較多，此損耗可以通過(guò)后續(xù)電路增加放大器來(lái)彌補(bǔ)功率，反射系數(shù)較仿真結(jié)果也有少許惡化，但是足以滿足工程需求。針對(duì)測(cè)試結(jié)果較仿真結(jié)果的誤差，再次經(jīng)仿真分析發(fā)現(xiàn)，波導(dǎo)寬邊尺寸誤差對(duì)中心頻率有一定的影響，寬邊尺寸變大則通帶中心頻率向低端偏移，反之亦然。同時(shí)，加工誤差也是導(dǎo)致S參數(shù)惡化的主要原因。

3 結(jié)語(yǔ)

本文在對(duì)傳統(tǒng)鰭線結(jié)構(gòu)的進(jìn)行綜合分析和研究的基礎(chǔ)上，通過(guò)采用一種改良的鰭線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了通帶寬度為93.3～94.6 GHz的W波段帶通濾波器，結(jié)合三維電磁仿真軟件進(jìn)行了電路仿真，對(duì)最優(yōu)仿真結(jié)果進(jìn)行加工測(cè)試，經(jīng)過(guò)分析實(shí)際測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果證實(shí)了新的結(jié)果的可行性。最終測(cè)試結(jié)果雖然較仿真有些許誤差，但足以滿足工程需求。

[1]波扎.微波工程[M].3版.張肇儀，周樂(lè)柱，吳德明，等，譯.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

[2]戎敖生. 毫米波鰭線帶通濾波器的精確設(shè)計(jì)[J]. 電子測(cè)量技術(shù)， 1988(2)：32-37.

[3] TAJIMA Y，SAWAYAMA Y.Design and analysis of a waveguide-sandwich microwave filter (short papers)[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques， 1974， 22(9)：839-841.

[4] BUI L Q，BALL D， ITOH T. Broad-band millimeter-wave E-plane bandpass filters[J]. IEEE Transactions on Microwave Theorys&stechniques， 1984.

[5] 倪國(guó)旗，倪圍.一種新型基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2014，29(3)：42-45.

[6] 劉煒.基于基片集成波導(dǎo)的寬帶帶通濾波器和Fabry-Perot諧振天線研究[D].北京：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2014.

[7] 韓文海.Ka波段鰭線帶通濾波器[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)學(xué)報(bào)，1992(3)：22-26.

DesignofW-BandFin-lineBand-passFilter

GUO Lifang

(School of Network & Communication Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

In order to overcome the problem on high-frequency process of traditional structure of fin-line can’t been achieved, a new type of W-band fin-line band-pass filters whose pass bands is 93.3-94.6 GHz has been designed. The filters were simulated and optimized by using HFSS electromagnetic simulator. Simulation results show that, in the band 90-100 GHz, the insertion loss is less than 0.5 dB and the reflection coefficients of input and output port are less than-20 dB. There is a certain deviation between the actual test results and simulation results, but this deviation is within the allowable range and can meet the demand of engineering needs.

band-pass filter；W-band；fin line structure

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.03.003

2017-07-28

郭麗芳(1989—)，女，助教，碩士，研究方向：微波毫米波電路與系統(tǒng)，電子郵箱：lfguo0416@foxmail.com。

TN713.5

：A

：2095-5383(2017)03-0011-03