基片集成波导三腔感性耦合腔体滤波器设计探究

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1、基片集成波导三腔感性耦合腔体滤波器设计探究　　摘要：工程实际中常用的带通滤波器设计方法是从原形低通模型出发，经过频率变换和元件参数值的变换得到集总参数谐振腔元件数值的大小，再利用微波结构加以实现。本论文以一个基片集成波导感性耦合腔体滤波器的设计为例，详细的阐述了基片集成波导腔体滤波器的设计过程。之后，按照此类腔体滤波器的设计方法，设计了多款腔体带通滤波器，包括有极高的频率选择性的交叉耦合滤波器，具有优良的性能和小型化效果。关键词：滤波器集成波导频率变换中图分类号：TN713.5文献标识码：A文章编号：1007

2、-9416（2013）12-0153-011腔体耦合带通滤波器的设计步骤腔体耦合带通滤波器的设计可分为如下七个步骤：4（1）根据设计指标对带内纹波的要求，选定滤波器是切比雪夫型还是巴特沃斯型。一般来讲，在满足通带内的纹波时，都会选取切比雪夫型，因为它截止速率更快，使用元件数量更少，设计简便，易于调整。（2）根据需要截止的频率，计算出低通原形滤波器需要的元件个数n。若n计算得到非整数，则n取稍大一些的整数。（3）若选取切比雪夫型滤波器，根据通带内可容忍的纹波程度的大小，以及元件个数n，查表得到原形低通滤波器中各

3、个元件的值。（4）根据设计指标中的带宽要求，计算出输入、输出腔的外部品质因数与各腔体之间的耦合系数。（5）根据设计要求的中心频率，可得到基片集成波导谐振器的长度和宽度，一般情况下，使用正方形的谐振器。（6）根据谐振器的结构设计耦合结构。可以选择电耦合、磁耦合，是感性耦合还是金属通孔耦合等，提取输入、输出腔体的品质因数和各个腔体之间的耦合系数。（7）整体仿真，对耦合系数、外部品质因数、各腔体之间谐振频率等敏感参数进行微调，使滤波器达到最佳性能。这七个步骤为本章腔体滤波器设计的基础。本节将详细叙述一款三腔体耦合带

4、通滤波器，从滤波器设计指标的要求出发，到如和计算外部品质因数和耦合系数，再到如何在电磁仿真软件中提取计算所得参数。2三腔耦合带通滤波器详细设计4（5）设计此滤波器为感性耦合，为了使结构更加紧凑，采用共面波导馈电，建立单腔模型，来提取外部品质因数。谐振腔的外部品质因数，L1越长，外部品质因数越低；相反L1越短，谐振腔的外部品质因数越高。通过L1可以调节到我们需要的外部品质因数。如图1所示，不同外部品质因数时的回波损耗曲线，通过扫描一系列的L1，可以拟合出一条反映L1与外部品质因数之间关系的曲线。通过拟合的曲线可

5、以得到我们需要的谐振腔外部品质因数时L1的长度，如图1所示。从拟合曲线中读数，我们可以得出L1的长度为1.086mm时，其外部品质因数为53.21。（6）提取耦合系数，建立双腔模型。其中两腔体的耦合就是靠它们共用的金属通孔壁上的窗口进行的，窗口宽度为La。La越大，两腔的耦合作用越强，La越小，两腔的耦合作用越弱。调节La即可得到需要的耦合系数。不同耦合系数时，双腔模型的回波损耗曲线，可以看出，耦合系数越小，两个谐振点（即11S曲线的两个极小值）越靠近。通过扫描一系列的La，可以拟合出一条反映La与耦合系数之

6、间关系的曲线。通过拟合的曲线可以得到我们需要的两个谐振腔的耦合系数，如图5.6所示。从拟合曲线中读数，我们可以得出La的长度为3.98mm时，其外部品质因数为0.02667。（7）由以上几个步骤我们得到了滤波器的初始尺寸，建立滤波器整体模型，具体参数如表1所示。分析以上结果，可见带内的回波损耗S11过大，导致带内性能较差，可以调节外部品质因数、耦合系数和谐振腔谐振频率等参数进行改善。中心频率为11.6GHz，与设计目标相吻合。相对带宽为4.4%，比设计要求大一些，这需要减小耦合程度。所以我们通过调节此滤波器的

7、敏感参数如L1、La腔体谐振频率等进行优化。参考文献4[1]Z.C.Hao，W.Hong，X.P.Chenetal，“MultilayeredSubstrateIntegratedWaveguide（MSIW）EllipticFilter，”IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters，Vol.15，no.2，February2005，pp.95-97.[2]W.Hong，B.Liu，Y.Q.Wangetal，“HalfModeSubstrateIntegratedWav

8、eguide：ANewGuidedWaveStructureforMicrowaveandMillimeterWaveApplication，”2006IRMMW-THzConferenceDigest，pp.219.4