SIW帶通濾波器的HFSS仿真實(shí)例

濾波器在無線通信、軍事、科技等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而微波毫米波電路技術(shù)的發(fā)展，更加要求這些濾波器應(yīng)具有低插入損耗、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、成本低的特點(diǎn)。

傳統(tǒng)用來做濾波器的矩形波導(dǎo)和微帶線已經(jīng)很難達(dá)到這個(gè)要求。而基片集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)為設(shè)計(jì)這種濾波器提供了一種很好的選擇。

SIW的雙膜諧振器具有一對(duì)簡(jiǎn)并模式，可以通過對(duì)諧振器加入微擾單元來使這兩個(gè)簡(jiǎn)并模式分離，因此，經(jīng)過擾動(dòng)后的諧振器可以看作一個(gè)雙調(diào)諧電路。分離的簡(jiǎn)并模式產(chǎn)生耦合后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。所以，雙膜濾波器在減小尺寸的同時(shí)，也增加了阻帶衰減。而且還可以實(shí)現(xiàn)較窄的百分比帶寬?？墒?，雙膜濾波器又有功率損耗高、插入損耗大的缺點(diǎn)。為此，本文提出了一種新型SIW腔體雙膜濾波器的設(shè)計(jì)方法。

該SIW的大功率容量、低插入損耗特性正好可以對(duì)雙膜濾波器的固有缺點(diǎn)起到補(bǔ)償作用。而且輸入／輸出采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，也減少了耦合縫隙的損耗。

1、雙膜諧振原理及頻率調(diào)節(jié)

SIW是一類新型的人工集成波導(dǎo)，它是通過在平面電路的介質(zhì)層中嵌入兩排金屬化孔構(gòu)成的，這兩排金屬化孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄壁，圖1所示是基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。這類平面波導(dǎo)不僅容易與微波集成電路(MIC)以及單片微波集成電路(MMIC)集成，而且，SIW還繼承了傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的品質(zhì)因數(shù)高、輻射損耗小、便于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖

1．1 基片集成波導(dǎo)諧振腔

一般情況下，兩個(gè)電路的振蕩頻率越接近，這兩個(gè)電路之間的能量轉(zhuǎn)換需要的耦合就越小。由于諧振腔中的無數(shù)多個(gè)模式中存在著正交關(guān)系，故要讓這些模式耦合發(fā)生能量交換，必須對(duì)理想的結(jié)構(gòu)加擾動(dòng)。但是，為了保持場(chǎng)結(jié)構(gòu)的原有形式，這個(gè)擾動(dòng)要很小。所以，本文選擇了SIW的簡(jiǎn)并主模TE102和TE201，它們的電場(chǎng)分布圖如圖2所示。因?yàn)門M和TEmn(n10)不能夠在SIW中傳輸。因此，一方面可以保證在小擾動(dòng)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)耦合，同時(shí)也可以保證場(chǎng)的原有結(jié)構(gòu)。

圖2 簡(jiǎn)并模的電場(chǎng)分布圖

圖3 金屬矩形諧振腔基本結(jié)構(gòu)圖

假設(shè)圖3所示的矩形腔體的長(zhǎng)、寬、高分別為a、b、d。因?yàn)門Emn(n10)不能在SIW中傳輸，所以對(duì)于SIW諧振腔來說，其諧振頻率的計(jì)算公式如下：

對(duì)于具有相同諧振頻率的兩個(gè)模式來說，則有如下關(guān)系：

其中，p和q是別一種模式的下標(biāo)。這樣就可以推出：

根據(jù)選定的工作簡(jiǎn)并模式，利用公式(1)、(2)、(3)來確定矩形波導(dǎo)諧振腔的初始尺寸，然后再結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)，就可以確定SIW腔體的尺寸。圖3所示是其金屬矩形諧振腔的基本結(jié)構(gòu)。

1．2 雙膜SIW諧振腔及其頻率調(diào)節(jié)

圓柱形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和微帶線都可以用來做雙膜濾波器。然而，一些典型的雙膜設(shè)計(jì)方法(如加調(diào)節(jié)螺釘、內(nèi)角加工、在微帶貼片上加入十字槽等)并不適用于SIW腔體。有文獻(xiàn)提到采用切角、打孔、饋電擾動(dòng)等擾動(dòng)方式來應(yīng)用于SIW腔體。故此，本文選取了在SIW腔體對(duì)稱的角上切兩個(gè)相同的方形切角作為微擾方式。擾動(dòng)腔體的諧振頻率被分成f1和f2兩個(gè)高低不同的頻率，這兩個(gè)頻率的平均值(f1+f2)／2和原有腔體的諧振頻率f0往往不相等。類似地，輸入／輸出部分的耦合也會(huì)造成諧振頻率的平移。這樣就會(huì)造成兩種情況：一是(f1+f2)／2>f0；二是(f1+f2)／2< P>

是大于還是小于取決于耦合結(jié)構(gòu)。對(duì)于第一種情況，可以通過加大諧振腔尺寸來調(diào)節(jié)頻率移動(dòng)；而對(duì)于第二種情況，則可以通過減小諧振器尺寸或者在諧振腔上開個(gè)縫來減少諧振腔等效尺寸等方法來調(diào)節(jié)。當(dāng)然也可以不調(diào)節(jié)，分別針對(duì)這兩種情況加以利用。在實(shí)際的工程應(yīng)用中。要求s<λ／20，當(dāng)SIW工作在高頻段時(shí)，為了滿足上述條件，往往要求金屬柱半徑以及它們之間的間距很小，以至于加工非常困難。而此時(shí)就可以利用第一種情況，以較大的尺寸在較高頻率處實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能，降低加工難度；而對(duì)于第二種情況，可以以更小的尺寸在較低的諧振頻率處實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。本文就是有效地利用了第二種情況，從而設(shè)計(jì)出性能好、尺寸小的濾波器。