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一种小型化的基片集成波导滤波器

作者: 发布时间:2020-01-17 11:20:40 阅读: 40 次

摘要:

本文给出了一种采用TEM-SIW腔体结合CSRR结构实现的小型化微带带通滤波器,TEM-SIW-CSRR滤波器。通过在TEM-SIW谐振腔上导体平面加入CSRR结构,可以进一步减小TEM-SIW腔的体积,在工作频率相同的前提下,实现更加小型化的微带滤波器。通过HFSS软件的仿真与优化相结合,本文给出了小型化TEM-SIW-CSRR滤波器的具体尺寸与仿真性能。最终加工了实际的滤波器,测试结果与仿真结果相符。

 

一.介绍

    近年来,能够集成于微波毫米波集成电路的基片集成波导滤波器(SIW滤波器)受到越来越多的重视。这归功于其剖面低,易于同微波毫米波集成电路集成,体积小,制作方便,价格便宜的优点[1-2]

另外,基于需求的推动,近年来对SIW滤波器的小型化研究越来越多。主要有几种方法实现SIW滤波器的小型化。本文提出了一种基于TEM-SIW谐振腔,结合CSRR结构的小型化微带带通滤波器。相比经典的SIW谐振腔,TEM-SIW谐振腔本身面积就比较小,所以在其上导体平面插入CSRR结构后,可以进一步减小其面积,得到更加小型化的SIW滤波器。

二.TEM-SIW谐振腔与CSRR结构介绍

ATEM-SIW谐振腔

TEM-SIW腔的组成结构以及其谐振特性如图1所示。将SIW腔的上导体面与SIW腔四周金属壁开路,并且在SIW腔的中心位置插入了一个短路过孔即可构成TEM-SIW谐振腔。

TEM-SIW腔的上导体面的面积以及中心短路销钉的直径都影响会影响整个腔体的谐振频率。TEM-SIW腔的谐振频率与短路销钉的直径以及上金属面的面积之间的关系如图1所示。相同的谐振频率下,相比经典的SIW谐振腔,TEM-SIW腔的面积可以减小90%以上。    

BCSRR结构

 图片1.png

1 TEM-SIW腔结构示意图以及谐振频率变化

 

2a)给出了经典的SIW腔体中加入CSRR结构的示意图以及TEM-SIW-CSRR谐振腔结构示意图。CSRR结构通过在经典的SIW腔的上导体面刻蚀一定形状的缝隙实现。这种SIW-CSRR谐振腔的谐振频率取决于SIW谐振腔的面积以及CSRR缝隙折合的总长度。通常情况下,CSRR缝隙的谐振频率远小于SIW谐振腔的谐振频率,所以在使用SIW-CSRR谐振腔时,一般只关注CSRR缝隙的谐振频率。

 图片2.png图片3.png

       

                     a)                              (b

2 a)经典的SIW腔中插入CSRR结构的示意图以及(bTEM-SIW-CSRR谐振腔结构示意图

 

三.TEM-SIW-CSRR滤波器的设计

本文设计了一个采用TEM-SIW-CSRR谐振腔的微带滤波器,TEM-SIW-CSRR的结构示意图如图2b)所示。通过在TEM-SIW腔的上导体平面刻蚀一定形状和尺寸的CSRR结构减小TEM-SIW腔的体积。

 图片4.png

3 TEM-SIW-CSRR滤波器结构示意图及其性能仿真

本文设计的TEM-SIW-CSRR微带滤波器采用电容缝隙耦合实现谐振腔之间的耦合,输入输出馈电采用直接导体连接的方式。滤波器电路设计所用的介质基板材料为f4b,介电常数为2.55,厚度0.8mm。金属孔的直径是1毫米,间距2mm。 其结构示意图以及HFSS仿真结果如图3所示。图3中,红色部分代表金属导体面,绿色部分是介质基板,缝隙即为CSRR结构。

最终,本文根据仿真优化的尺寸加工了实际的TEM-SIW-CSRR微带滤波器。最后利用RS ZVB4对其性能进行了测试。此滤波器的尺寸仅为22mm*8mm。实物图以及测试结果如图4所示。

 图片5.png

4 TEM-SIW-CSRR滤波器实物图

4中实测滤波器的与仿真结果有一定的差距,这是由于实际加工滤波器的介质板介电常数以及损耗与设计仿真所用的材料有误差导致的。另外测试时未加金属屏蔽盒会影响其带外隔离以及回波损耗性能。

四.结论

本文提出了一个改进型的小型化SIW滤波器,TEM-SIW-CSRR滤波器。相比传统的SIW滤波器,这种改进型的SIW滤波器能够实现相比传统的SIW滤波器尺寸减小90%以上的目标。本文最后设计了一个TEM-SIW-CSRR滤波器,并且利用HFSS进行了全波仿真,加工了实物并且进行了测试,测试结果与仿真结果吻和良好。这种小型化的滤波器可以应用于小型化的集成微波电路设计中。

 

参考文献

[1] Benjamin potelon, jean-francois favennec, cedric quendo, eric rius, Christian person, juan-carlos bohorquez. Design of a substrate integrated waveguide(SIW) filter using a novel topology of coupling. IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONETS LETTERS, VOL. 18, NO.9 SEPTEMBER 2008.

[2] Zhang-cheng hao, wei hong, ji-xin chen, xiao-ping chen and ke wu. Compact super-wide bandpass substrate integrated waveguide(SIW) filters. IEEE TIANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL.53, NO.9, SEPTEMBER 2005.

[3] Lin-sheng wu, xi-lang zhou, qi-fu wei, and wen-yan yin. An extended doublet substrate integrated waveguide(SIW) bandpass filter with a complementary split ring resonator(CSRR). IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS, VOL.19, 2, DECEMEBER 2009.

[4] Fermin mira, jordi mateu, Santiago cogollos, and Vicente E. boria. Design of ultra-wideband substrate integrated waveguide(SIW) filters in zigzag topology. IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS, VOL.19, NO.5, MAY 2009.

[5] Walid a atia, kawthar a zaki, and ali eatia. Synthesis of general topology multiple coupled resonators filters by optimization. IEEE MTT-S DIGEST. 1998.

[6] xiao-ping chen, ke wu, zhao-long li. Dual-Band and Triple-Band Substrate Integrated Waveguide Filters With Chebyshev and Quasi-Elliptic Reaponses. IEEE TRANS MTT. 2007.