一种毫米波siw滤波器及其设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波、毫米波技术，尤其涉及一种毫米波SIW滤波器。
【背景技术】
[0002] 在过去的几十年内，微波技术和毫米波技术有了很大进步，对于一种在通信系统 中应用极为广泛的微波、毫米波无源器件一一滤波器，也有了很大的发展。传统的滤波器大 致可分为切比雪夫型和椭圆函数型两类。两类滤波器都有自己的缺点，切比雪夫型滤波器 结构简单但是选频特性不佳，椭圆函数型滤波器性能优异，但是结构难以在工程上实现。而 80年代至今，一种综合了两种滤波器的优点的准椭圆函数滤波器，或称广义切比雪夫滤波 器，被提出并得到了越来越多的应用。
[0003] 目前，滤波器的发展趋势是向小型化、轻型化、高性能、高可靠性上发展。传统的导 波结构已不能完全适应全部的发展需求，使用波导结构的器件功率容量大，损耗小，但是体 积大，重量大。而是用微带线、带状线的器件体积小，但是功率容量小，损耗大。尤其在毫米 波频段，微带的辐射损耗有较大的影响。基片集成波导（SIW)结构兼具波导和微带的优点， 既有较大的功率容量，又具有和微带类似的小体积。目前已有使用SIW设计的滤波器应用 在厘米波段，但是由于设计方法、设计细节不完善，并未完全发挥出SIW滤波器的优势。
【发明内容】
[0004] 针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种毫米波SIW滤波器，由两层完全重 合的双面覆铜SIW谐振腔和耦合结构构成；其结构特征在于：共有10个谐振腔，按上下两 层对称分布，每层5个；耦合结构包括同层谐振腔之间的磁耦合窗口、不同层谐振腔之间的 磁耦合窗口和不同层谐振腔之间的电耦合窗口；其中，同层谐振腔之间的磁耦合窗口为在 两个相邻谐振腔的公共宽边上，以宽边中点为中心开的窗口；不同层谐振腔之间的磁耦合 窗口为在重合的两个谐振腔之间的表面金属上，距两侧通孔边缘0. 1mm至0. 2mm，且关于窄 边中垂面对称的两个矩形孔；不同层谐振腔之间的电耦合窗口为在重合的两个谐振腔之间 的表面金属上开的一个矩形孔，矩形孔中心与谐振腔中心重合，孔的长宽比与谐振腔宽边 与窄边之比相同。
[0005] 其设计方案如下：
[0006] 步骤一、计算椭圆函数滤波器数学模型，并修改使之成为准椭圆函数；
[0007] 步骤二、根据准椭圆函数的零点和极点提取归一化耦合系数，并计算实际耦合系 数；
[0008] 步骤三、设计SIW传输线及谐振腔；
[0009] 步骤四、用SIW设计各种親合结构；
[0010] 步骤五、搭建并调整滤波器整体模型。
[0011] 本发明的有益结果是，通过使用SIW结构，以很小的体积做到了通带的低损耗。同 时，通过引入两层SIW谐振腔之间的交叉耦合实现准椭圆函数模型，做到了带外的高抑制， 最终实现了一种小体积、通带低损耗、带外抑制高、矩形比小的高性能毫米波滤波器。
【附图说明】
[0012] 图1，8阶椭圆函数滤波器归一化频响曲线
[0013] 图2,8阶准椭圆函数滤波器归一化频响曲线
[0014] 图3, SIW半波长谐振腔及场图
[0015] 图4,同层谐振腔之间的磁耦合窗口
[0016] 图5,上下层谐振腔之间的磁耦合窗口
[0017] 图6,上下层谐振腔之间的电耦合窗口
[0018] 图7,滤波器模型立体透视图
[0019] 图8,滤波器的S参数
【具体实施方式】
[0020] 现以一个具体实施例说明本发明的具体内容。项目指标如下：工作于Ka波段，中 心频率37GHz，通带损耗ldb，带宽1GHz，带外0. 5GHz处抑制30db。根据项目指标，选择使 用8阶滤波器实现。
[0021] 步骤一，将8阶雅克比椭圆函数
乍为传 输函f
^的特征函数F8(jw),以通带波纹0. ldb和阻带波纹 50db，计算得零极点。四个归一化极点为0. 2804、0. 7089、0. 9189、0. 9923,四个归一化零点 为3. 9437、1. 5599、1. 2035、1. 1145。在特征函数的分母中去掉和最远零点3. 9437相关的 项，带入传输函数表达式，将之修改为准椭圆函数。
[0022] 步骤二，通过剩下的3个零点和4个极点，以及带内波纹0. ldb，提取出归一化耦合 矩阵，并反归一化得到实际耦合矩阵。得到实际耦合系数如下：源腔-1腔和8腔-负载腔 的耦合系数为〇. 19819,1-2腔和7-8腔的耦合系数为0. 03251，2-3腔和6-7腔的耦合系数 为0. 02355, 3-4腔和5-6腔的耦合系数为0. 01579,1-8腔的耦合系数为-0. 00124, 2-7腔 的耦合系数为〇. 006935, 3-6腔的耦合系数为-0. 022355。将正的耦合作为磁耦合，负的耦 合作为电親合。
[0023] 步骤三，选用介电常数2. 1，高度0. 505mm，损耗角0. 00045的基板设计SIW传输线 和谐振腔。选择通孔直径〇. 4mm，孔间距0. 75mm，SIW宽度4. 75mm时传输线具有很好的传 输性能。此时波导波长为6. 1mm，故选择3. 05mm长的短路传输线作为半波长谐振腔。
[0024] 步骤四，在同一层的两个谐振腔的公共边上，开一个关于公共边中点对称的窗口， 通过调节窗口的大小，实现同层之间腔体的磁耦合。通过在上下层谐振腔之间的铜箔上开 一个位于腔体中心的矩形窗口，实现上下层之间的电耦合，矩形窗口长宽比考虑到谐振腔 宽边与窄边之比通常不为整数，故实际应取一个与之接近的易工程实现的数值即5比3,能 更好的实现电场的耦合，通过调节窗口大小，实现不同的耦合系数。在上下层谐振腔之间的 铜箔两边，离通孔0. 1mm处，向内侧开一个0. 4mm的关于窄边中垂面对称的窗口，实现上下 层谐振腔之间的磁耦合，通过调节窗口纵向长度调节耦合系数。
[0025] 步骤五，搭建整体模型。由于耦合结构的引入，各腔体的谐振频率发生变化，故需 要调节各腔体的长度。同时微调耦合，使滤波器性能最优化。最终参数如下：源腔和负载 腔长度为3. 28mm，1腔和8腔的长度为2. 82mm，2腔和7腔的长度为3. 26mm，3腔和6腔的 长度为3. 4臟，4腔和5腔的长度为3. 46mm。源腔-1腔的耦合孔宽度为2. 89mm，1腔-2腔 的耦合孔宽度为1. 795mm，2腔和-腔的耦合孔宽度为1. 455mm，3腔-4腔的耦合孔宽度为 1. 46mm，4-5腔f禹合孔的纵向长度为1. 255mm，3-6腔的f禹合孔大小为1. 105mm*0. 663mm，2-7 腔親合孔的纵向长度为〇. 54mm，1-8腔的親合孔大小为0. 45mm*0. 27mm。
[0026] 最终得到的滤波器性能如下：通带ldb带宽由36. 55GHz至37. 55GHz，0. 5db带宽 由36. 66GHz至37. 45GHz，通带最大回拨损耗22. 5db，即驻波比小于1. 16。带外0. 5Ghz处 隔离度大于36db。滤波器矩形比1.58,性能优异。同时，体积仅有16. 22mm*7mm*1.03mm。
【主权项】
1. 一种毫米波SIW滤波器，由两层完全重合的双面覆铜SIW谐振腔和耦合结构构成， 其特征在于：所述谐振腔共有10个，按上下两层对称分布，每层5个；耦合结构包括同层 谐振腔之间的磁耦合窗口、不同层谐振腔之间的磁耦合窗口和不同层谐振腔之间的电耦合 窗口；其中，同层谐振腔之间的磁耦合窗口为在两个相邻谐振腔的公共宽边上，以宽边中点 为中心开的窗口；不同层谐振腔之间的磁耦合窗口为在重合的两个谐振腔之间的表面金属 上，距两侧通孔边缘0.1 mm至0. 2mm，且关于窄边中垂面对称的两个矩形孔；不同层谐振腔 之间的电耦合窗口为在重合的两个谐振腔之间的表面金属上开的一个矩形孔，矩形孔中心 与谐振腔中心重合，孔的长宽比与谐振腔宽边与窄边之比相同。2. 如权利要求1所述毫米波SIW滤波器，其特征在于： SIW基板的介电常数2. 1，高度0. 505mm，损耗角0. 00045,通孔直径0. 4mm，孔间距 0. 75mm，宽度 4. 75mm ； 源腔和负载腔长度为3. 28mm，1腔和8腔的长度为2. 82mm，2腔和7腔的长度为3. 26mm， 3腔和6腔的长度为3. 4mm，4腔和5腔的长度为3. 46mm ; 源腔-1腔的耦合孔宽度为2. 89mm，1腔-2腔的耦合孔宽度为I. 795mm，2腔和-腔 的耦合孔宽度为I. 455mm，3腔-4腔的耦合孔宽度为I. 46mm，4-5腔耦合孔的纵向长度为 1. 255mm，3-6腔的耦合孔大小为I. 105mm*0. 663mm，2-7腔耦合孔的纵向长度为0? 54臟，1-8 腔的親合孔大小为〇. 45mm*0. 27mm ; 4-5腔耦合孔和2-7腔耦合孔距两侧通孔边缘0. 1mm，且关于谐振腔窄边中垂面对称。3. 如权利要求1所述毫米波SIW滤波器其设计方法如下： 步骤一、计算椭圆函数滤波器数学模型，并修改使之成为准椭圆函数； 步骤二、根据准椭圆函数的零点和极点提取归一化耦合系数，并计算实际耦合系数； 步骤三、设计SIW传输线及谐振腔； 步骤四、用SIW设计各种耦合结构； 步骤五、搭建并调整滤波器整体模型。
【专利摘要】本发明涉及微波、毫米波技术，尤其涉及一种S波段SIW双环铁氧体移相器。它包括一段SIW传输线和对称设置于SIW传输线内的两个相同的铁氧体方环，还包括一个设于两个铁氧体方环中间的介质片，两个铁氧体方环与介质片紧贴；铁氧体方环高度与SIW和介质片等高，壁厚1mm-2mm，宽度小于SIW宽度的一半,长度等于SIW长度，介质片厚度小于2mm，长度等于SIW长度。本发明具有如下优点：抑制了TM模的出现，推迟了高次模式的截止频率；较传统波导移相器体积更小；介质填充的SIW具有比波导更大的击穿电压。
【IPC分类】H01P1/207, G06F17/50
【公开号】CN104953214
【申请号】CN201510244580
【发明人】邓龙江, 黄崇维, 张林博, 孙逊, 汪晓光, 陈良
【申请人】电子科技大学
【公开日】2015年9月30日
【申请日】2015年5月14日