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SIW带通滤波器的HFSS仿真设计.doc

发布时间：2022-06-18 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.45M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    SIW 带通滤波器的 HFSS 仿真设计 李翔辰 2011 级通信卓越班 摘要： 滤波器在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用。而微波毫米波电路技术的 发展，更加要求这些滤波器应具有低插入损耗、结构紧凑、体积小、质量轻、成本低的特点。 传统用来做滤波器的矩形波导和微带线已经很难达到这个要求。而基片集成波导(SIW)技术 为设计这种滤波器提供了一种很好的选择。 SIW 的双膜谐振器具有一对简并模式，可以通过对谐振器加入微扰单元来使这两个简并模 式分离，因此，经过扰动后的谐振器可以看作一个双调谐电路。分离的简并模式产生耦合后， 会产生两个极点和一个零点。所以，双膜滤波器在减小尺寸的同时，也增加了阻带衰减。而 且还可以实现较窄的百分比带宽。可是，双膜滤波器又有功率损耗高、插入损耗大的缺点。 为此，本文提出了一种新型 SIW 腔体双膜滤波器的设计方法。 该 SIW 的大功率容量、低插入损耗特性正好可以对双膜滤波器的固有缺点起到补偿作用。 而且输入／输出采用直接过渡的转换结构，也减少了耦合缝隙的损耗。 关键词 SIW 技术；过滤器；无线通信； 1、双膜谐振原理及频率调节 SIW 是一类新型的人工集成波导，它是通过在平面电路的介质层中嵌入两排金属化孔 构成的，这两排金属化孔构成了波导的窄壁，图 1 所示是基片集成波导的结构示意图。这类 平面波导不仅容易与微波集成电路(MIC)以及单片微波集成电路(MMIC)集成，而且，SIW 还 继承了传统矩形波导的品质因数高、辐射损耗小、便于设计等优点。 图 1 基片集成波导结构图 1．1 基片集成波导谐振腔 一般情况下，两个电路的振荡频率越接近，这两个电路之间的能量转换需要的耦合就越
    小。由于谐振腔中的无数多个模式中存在着正交关系，故要让这些模式耦合发生能量交换， 必须对理想的结构加扰动。但是，为了保持场结构的原有形式，这个扰动要很小。所以，本 文选择了 SIW 的简并主模 TE102 和 TE201，它们的电场分布图如图 2 所示。因为 TM 和 TEmn(n10)不能够在 SIW 中传输。因此，一方面可以保证在小扰动时就可以实现耦合，同时 也可以保证场的原有结构。 图 2 简并模的电场分布图 图 3 金属矩形谐振腔基本结构图 假设图 3 所示的矩形腔体的长、宽、高分别为 a、b、d。因为 TEmn(n10)不能在 SIW 中 传输，所以对于 SIW 谐振腔来说，其谐振频率的计算公式如下：
    对于具有相同谐振频率的两个模式来说，则有如下关系： 其中，p 和 q 是别一种模式的下标。这样就可以推出： 根据选定的工作简并模式，利用公式(1)、(2)、(3)来确定矩形波导谐振腔的初始尺寸， 然后再结合有关文献，就可以确定 SIW 腔体的尺寸。图 3 所示是其金属矩形谐振腔的基本 结构。 1．2 双膜 SIW 谐振腔及其频率调节 圆柱形波导、矩形波导和微带线都可以用来做双膜滤波器。然而，一些典型的双膜设计 方法(如加调节螺钉、内角加工、在微带贴片上加入十字槽等)并不适用于 SIW 腔体。有文献 提到采用切角、打孔、馈电扰动等扰动方式来应用于 SIW 腔体。故此，本文选取了在 SIW 腔体对称的角上切两个相同的方形切角作为微扰方式。扰动腔体的谐振频率被分成 f1 和 f2 两个高低不同的频率，这两个频率的平均值(f1+f2)／2 和原有腔体的谐振频率 f0 往往不相 等。类似地，输入／输出部分的耦合也会造成谐振频率的平移。这样就会造成两种情况：一 是(f1+f2)／2>f0；二是(f1+f2)／2< P> 是大于还是小于取决于耦合结构。对于第一种情况，可以通过加大谐振腔尺寸来调节频 率移动；而对于第二种情况，则可以通过减小谐振器尺寸或者在谐振腔上开个缝来减少谐振 腔等效尺寸等方法来调节。当然也可以不调节，分别针对这两种情况加以利用。在实际的工 程应用中。要求 s<λ／20，当 SIW 工作在高频段时，为了满足上述条件，往往要求金属柱 半径以及它们之间的间距很小，以至于加工非常困难。而此时就可以利用第一种情况，以较 大的尺寸在较高频率处实现良好的滤波性能，降低加工难度；而对于第二种情况，可以以更 小的尺寸在较低的谐振频率处实现良好的滤波性能，从而实现滤波器的小型化。本文就是有 效地利用了第二种情况，从而设计出性能好、尺寸小的滤波器。 2、双膜滤波器的实现与仿真 图 4 所示是双膜 SIW 腔体带通滤波器的结构示意图。在谐振腔的对角线上挖去两个相同的 立方体，输入／输出采用直接过渡的转换结构。滤波器选用 Rogers RO3010 作为介质基板， 其相对介电常数εr=10．2，损耗角正切 tan d 为 0．0035；谐振腔长度 a 为 21．5 mm，宽 b 为 21．5 mm，高 h 为 0．5mm；切去的立方体边长 cw 为 2．2 mm；中心馈线的宽度 tw 为 0．72 mm。输入／输出采用无缝耦合的直接转换结构，这样可减少输入／输出结构的耦合 损耗。
    图 4 双膜 SIW 带通滤波器示意图 3、仿真结果分析 仿真可采用电磁仿真商业软件 HFSS 来完成。通过仿真介质谐振腔滤波器(滤波器源型)可以 发现，不同的耦合输入／输出窗口宽度影响着滤波器中心频率的位置，同时也影响耦合强度 和带内插入损耗。从图 5 中看出，随着耦合窗宽度的增大，滤波器的中心频率会上移，耦合 减弱，带内插入损耗变大，也就是滤波器的匹配性能变差。 图 5 不同窗口宽度对 S 参数的影响曲线
    针对切去的立方体尺寸对滤波器性能的影响。从方便的角度考虑，应先保证一个角上的正方 体尺寸不变，而改变另一个切去的立方体尺寸，然后观察微扰变化对 S 参数的影响。从图 6 所示的曲线可以看出，微扰尺寸几乎不改变 S 参数曲线的形状，对中心频点的影响不大， 微扰越大，带宽越宽，相应的高阻带传输零点会往高频点移动。 图 6 不同微扰尺寸对 S 参数的影响曲线 从以上结果可以看出，通过改变微扰大小可调节滤波器的带宽，而改变耦合输入／输出窗口 的宽度则可调节滤波器的中心频率和匹配性能。 综合以上仿真研究并结合公式(1)、(2)，可先计算出 SIW 的相关尺寸。然后通过 HFSS 仿真 对滤波器性能进行优化，最终所得出的设计电路具体尺寸为 h=0．5 mm，εr=10．2，tan d=0．0035，a=b=21．5 mm，d=0．8 mm，s=1．2 mm，cw=2．2 mm，tw=0．72 mm，cw=8．4 mm，ba=2 mm。 图 7 双膜 SIW 腔体滤波器 S 参数的响应曲线
    图 7 所示是本设计的双膜 SIW 腔体滤波器 S 参数的响应曲线。从图 7 中可以看出，采用本 设计实现的滤波器的中心频率 fo=4．95 GHz，3 dB 相对带宽 FBW=4．36%，通带内插入损 耗为 0．9 dB，反射损耗 S11 小于-22 dB，阻带右侧 5．45 GHz 处会形成一个传输零点，损 耗接近-40 dB。 4、总结 本文应用 SIW 技术设计了一种具有良好性能的双膜窄带带通滤波器。该滤波器设计原理简 单、尺寸小、重量轻、带内插损小、阻带衰减性能好；而且采用直接过渡的转换结构，从而 减少了耦合输入／输出损耗。故在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用前景。
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