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(xué)物理電子工程學(xué)院,山西太原 030006)

近年來(lái)基片集成波導(dǎo)作為一種新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用到了微波及毫米波電路中.基片集成波導(dǎo)具有與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相近的特性,諸如品質(zhì)因數(shù)高、易于設(shè)計(jì)等,同時(shí)也具有體積小、重量輕、易于加工和集成、造價(jià)低等傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)沒有的優(yōu)點(diǎn)[1-4].文獻(xiàn)[5]提出了一種基片集成波導(dǎo)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(xiàn)[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(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)來(lái)改善帶外特性,但是相對(duì)帶寬較小,且通帶低端只有一個(gè)零點(diǎn).

1 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 帶通濾波器結(jié)構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)濾波器整體結(jié)構(gòu)如圖1所示.結(jié)構(gòu)由兩塊介質(zhì)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(hào)層.信號(hào)層的結(jié)構(gòu)如圖2所示,該結(jié)構(gòu)將CSRR刻蝕在金屬導(dǎo)帶上,利用CSRR產(chǎn)生的阻帶特性改善通帶高端帶外特性,并采用SIFW-共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器來(lái)有效地減小電路尺寸[7-8].接地層結(jié)構(gòu)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(guò)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(zhì)板形成1腔,在下層介質(zhì)板形成3腔,2腔作為一個(gè)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(zhì)板間形成,這樣,整個(gè)濾波器共形成3個(gè)具有導(dǎo)向性的諧振腔(見圖4).

圖1 SIFW濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schem atic of the SIFWfilter

圖2 信號(hào)層結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Schematic of the signal level

圖3 接地層結(jié)構(gòu)圖F ig.3 Schem atic of the ground level

圖4 濾波器側(cè)視圖Fig.4 Side view of the SIFWfilter

1.2 互補(bǔ)型開口環(huán)諧振環(huán)CSRR

圖5是正方形CSRR單元的示意圖[9].CSRR的外環(huán)邊長(zhǎng)l=2.8mm,兩同心正方形介質(zhì)諧振環(huán)的寬度均為c=0.3mm,大小環(huán)間距d=0.3mm.導(dǎo)帶寬度w=2.5 mm.選取厚度為0.787mm,介電常數(shù)為2.2的Duriod 5880介質(zhì)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(dǎo)帶上的仿真S21參數(shù)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(shù)仿真結(jié)果,該圖顯示出CSRR刻蝕在導(dǎo)帶上可以產(chǎn)生阻帶特性,但是阻帶較窄.本文中,用CSRR的這種阻帶性質(zhì)來(lái)改善通帶高端帶外特性,將CSRR刻蝕在頂層和底層金屬導(dǎo)帶上,不僅可以在通帶高端由CSRR產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn),而且不會(huì)增加額外的面積.本文設(shè)計(jì)的CSRR,靠近輸入輸出端的兩個(gè)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(gè)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(jié)構(gòu)

圖7 耦合結(jié)構(gòu)Fig.7 Schematic of the coupling

圖7為本文所設(shè)計(jì)的濾波器耦合結(jié)構(gòu)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(shí),會(huì)在帶外產(chǎn)生第一個(gè)傳輸零點(diǎn).中間接地層上中間槽的作用,一是加強(qiáng)了 1腔和3腔間的耦合;二是源端和負(fù)載端,在中間槽的邊緣,會(huì)產(chǎn)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(shí),也會(huì)在帶外產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)[6].這樣由于S-L間的交叉耦合會(huì)在通帶低端產(chǎn)生第二個(gè)傳輸零點(diǎn),從而提高了阻帶效果.

2 仿真結(jié)果分析

在介質(zhì)集成波導(dǎo)中設(shè)計(jì)了一個(gè)3級(jí)的帶通濾波器,介質(zhì)材料選的是 Rogers RT/duroid 5880(tm),介電常數(shù)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(jìn)行計(jì)算仿真.

圖8為微帶上刻蝕和沒有刻蝕CSRR時(shí)所設(shè)計(jì)濾波器的S參數(shù)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(chǎn)生了一個(gè)傳輸零點(diǎn),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(huì)影響通帶內(nèi)的回?fù)p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(shù)圖Fig.8 Thesimulation S parameter of w ith CSRR and without CSRR

圖9 w 2變化時(shí)的 S參數(shù)圖Fig.9 The sim ulation S param eter for different w 2

圖9是當(dāng)w2=3mm,5mm,7mm時(shí),濾波器的S參數(shù)曲線圖,可以看到當(dāng)w2增大時(shí),通帶低端兩零點(diǎn)分開,且隨著w2增大,零點(diǎn)深度變淺.圖10是當(dāng)l2=4 mm,6mm,8 mm時(shí),濾波器的S參數(shù)曲線圖,可以看到,當(dāng)l2=4 mm時(shí),通帶低端兩零點(diǎn)重合為一個(gè)零點(diǎn),l2=6mm時(shí),通帶低端兩零點(diǎn)在 -30 dB以下,當(dāng)l2=8 mm時(shí),兩零點(diǎn)分開了一些,但零點(diǎn)深度變淺.

圖11為最后優(yōu)化結(jié)果,通帶范圍從5.4～8.8 GHz,中心頻率為7.1 GHz,通帶內(nèi)回波損耗優(yōu)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(gè)由交叉耦合引入的傳輸零點(diǎn),在通帶高端10.2GHz處,有一個(gè)由CSRR產(chǎn)生的傳輸零點(diǎn),使帶外抑制得到了加強(qiáng).另外,通帶內(nèi)有多于三個(gè)的極點(diǎn),說(shuō)明通帶內(nèi)存在多個(gè)模式[10],從而使帶寬較寬,相對(duì)帶寬可以達(dá)到47%左右.整個(gè)介質(zhì)集成折疊波導(dǎo)濾波器尺寸為47 mm*30 mm*1.574 6mm.

圖10 l2變化時(shí)的S參數(shù)圖Fig.10 The sim ulation S param eter for d ifferent l2

圖11 SIFW濾波器仿真結(jié)果Fig.11 The simulation S parameter for SIFWfilter

3 結(jié) 論

所設(shè)計(jì)的一種基片集成折疊波導(dǎo)雙感性柱濾波器,通過(guò)引入交叉耦合,在通帶低端產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn),使通帶低端的帶外抑制得到加強(qiáng).通過(guò)在微帶刻蝕CSRR,利用CSRR的阻帶特性在通帶高端產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn),改善通帶高端帶外特性.并通過(guò)折疊,減小了濾波器尺寸.本文設(shè)計(jì)的小型化SIFW濾波器具有體積小,帶寬較寬,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,易于加工等特點(diǎn),具有很大的實(shí)用價(jià)值.

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