CN104953214B - 一种毫米波siw滤波器及其设计方法 - Google Patents

一种毫米波siw滤波器及其设计方法 Download PDF

Info

Publication number
CN104953214B
CN104953214B CN201510244580.3A CN201510244580A CN104953214B CN 104953214 B CN104953214 B CN 104953214B CN 201510244580 A CN201510244580 A CN 201510244580A CN 104953214 B CN104953214 B CN 104953214B
Authority
CN
China
Prior art keywords
chambers
coupling
chamber
length
resonator
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN201510244580.3A
Other languages
English (en)
Other versions
CN104953214A (zh
Inventor
邓龙江
黄崇维
张林博
孙逊
汪晓光
陈良
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
University of Electronic Science and Technology of China
Original Assignee
University of Electronic Science and Technology of China
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by University of Electronic Science and Technology of China filed Critical University of Electronic Science and Technology of China
Priority to CN201510244580.3A priority Critical patent/CN104953214B/zh
Publication of CN104953214A publication Critical patent/CN104953214A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN104953214B publication Critical patent/CN104953214B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Control Of Motors That Do Not Use Commutators (AREA)

Abstract

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。

Description

一种毫米波SIW滤波器及其设计方法
技术领域
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
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***中应用极为广泛的微波、毫米波无源器件——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。
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
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。
其设计方案如下：
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。
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
图1，8阶椭圆函数滤波器归一化频响曲线
图2，8阶准椭圆函数滤波器归一化频响曲线
图3，SIW半波长谐振腔及场图
图4，同层谐振腔之间的磁耦合窗口
图5，上下层谐振腔之间的磁耦合窗口
图6，上下层谐振腔之间的电耦合窗口
图7，滤波器模型立体透视图
图8，滤波器的S参数
具体实施方式
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1db，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。
步骤一，将8阶雅克比椭圆函数作为传输函数的特征函数F8(jw),以通带波纹0.1db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。
步骤二，通过剩下的3个零点和4个极点，以及带内波纹0.1db，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：源腔与1腔之间的耦合系数和8腔与负载腔的耦合系数为0.19819，1腔与2腔之间的耦合系数和7腔与8腔之间的耦合系数为0.03251，2腔与3腔之间的耦合系数和6腔与7腔之间的耦合系数为0.02355，3腔与4腔之间的耦合系数和5腔与6腔之间的耦合系数为0.01579，1腔和8腔之间的耦合系数为-0.00124，2腔和7腔之间的耦合系数为0.006935，3腔和6腔之间的耦合系数为-0.022355；将正的耦合作为磁耦合，负的耦合作为电耦合。
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0.4mm，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。
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。
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3.4mm，4腔和5腔的长度为3.46mm；源腔和1腔之间的耦合孔宽度为2.89mm，1腔和2腔之间的耦合孔宽度为1.795mm，2腔和3腔之间的耦合孔宽度为1.455mm，3腔和4腔之间的耦合孔宽度为1.46mm，4腔和5腔之间耦合孔的纵向长度为1.255mm，3腔和6腔之间的耦合孔大小为1.105mm*0.663mm，2腔和7腔之间耦合孔的纵向长度为0.54mm，1腔和8腔之间的耦合孔大小为0.45mm*0.27mm。
最终得到的滤波器性能如下：通带1db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。

Claims (1)

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0.1mm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；
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；
源腔和1腔之间的耦合孔宽度为2.89mm，1腔和2腔之间的耦合孔宽度为1.795mm，2腔和3腔之间的耦合孔宽度为1.455mm，3腔和4腔之间的耦合孔宽度为1.46mm，4腔和5腔之间耦合孔的纵向长度为1.255mm，3腔和6腔之间的耦合孔大小为1.105mm*0.663mm，2腔和7腔之间耦合孔的纵向长度为0.54mm，1腔和8腔之间的耦合孔大小为0.45mm*0.27mm；
4腔和5腔之间耦合孔和2腔和7腔之间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；
其设计方法如下：
步骤一，将8阶雅克比椭圆函数
作为传输函数的特征函数F8(jw),以通带波纹0.1db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；
步骤二，通过剩下的3个零点和4个极点，以及带内波纹0.1db，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：源腔与1腔之间的耦合系数和8腔与负载腔的耦合系数为0.19819，1腔与2腔之间的耦合系数和7腔与8腔之间的耦合系数为0.03251，2腔与3腔之间的耦合系数和6腔与7腔之间的耦合系数为0.02355，3腔与4腔之间的耦合系数和5腔与6腔之间的耦合系数为0.01579，1腔和8腔之间的耦合系数为-0.00124，2腔和7腔之间的耦合系数为0.006935，3腔和6腔之间的耦合系数为-0.022355；将正的耦合作为磁耦合，负的耦合作为电耦合；
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0.4mm，孔间距0.75mm，SIW宽度4.75mm，此时波导波长为6.1mm，选择3.05mm长的短路传输线作为半波长谐振腔；
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，矩形窗口长宽比取5比3，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；
步骤五，搭建整体模型；
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3.4mm，4腔和5腔的长度为3.46mm；源腔和1腔之间的耦合孔宽度为2.89mm，1腔和2腔之间的耦合孔宽度为1.795mm，2腔和3腔之间的耦合孔宽度为1.455mm，3腔和4腔之间的耦合孔宽度为1.46mm，4腔和5腔之间耦合孔的纵向长度为1.255mm，3腔和6腔之间的耦合孔大小为1.105mm*0.663mm，2腔和7腔之间耦合孔的纵向长度为0.54mm，1腔和8腔之间的耦合孔大小为0.45mm*0.27mm。
CN201510244580.3A 2015-05-14 2015-05-14 一种毫米波siw滤波器及其设计方法 Active CN104953214B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510244580.3A CN104953214B (zh) 2015-05-14 2015-05-14 一种毫米波siw滤波器及其设计方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201510244580.3A CN104953214B (zh) 2015-05-14 2015-05-14 一种毫米波siw滤波器及其设计方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN104953214A CN104953214A (zh) 2015-09-30
CN104953214B true CN104953214B (zh) 2018-06-19

Family

ID=54167702

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201510244580.3A Active CN104953214B (zh) 2015-05-14 2015-05-14 一种毫米波siw滤波器及其设计方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN104953214B (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111934073B (zh) * 2020-09-27 2021-01-05 成都频岢微电子有限公司 一种基于微带与基片集成波导混合的小型化宽阻带滤波器
CN113097711B (zh) * 2021-03-31 2022-06-14 华南理工大学 一种高选择性辐射效率的基片集成波导滤波天线

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103427138A (zh) * 2013-08-15 2013-12-04 电子科技大学 多层六边形基片集成波导滤波器
CN104319435A (zh) * 2014-10-20 2015-01-28 华南理工大学 一种应用于wlan***的基片集成波导带通滤波器
CN204130672U (zh) * 2014-10-22 2015-01-28 成都顺为超导科技股份有限公司 一种基片集成波导毫米波滤波器

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103427138A (zh) * 2013-08-15 2013-12-04 电子科技大学 多层六边形基片集成波导滤波器
CN104319435A (zh) * 2014-10-20 2015-01-28 华南理工大学 一种应用于wlan***的基片集成波导带通滤波器
CN204130672U (zh) * 2014-10-22 2015-01-28 成都顺为超导科技股份有限公司 一种基片集成波导毫米波滤波器

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
基片集成波导技术的研究及其在双通带领域的应用;姜立伟;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;20101215;第32、40-41、44-45段 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN104953214A (zh) 2015-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Wang et al. Compact quad-mode bandpass filter using modified coaxial cavity resonator with improved $ Q $-factor
Cheng et al. High isolation diplexer using quarter-wavelength resonator filter
Moznebi et al. Four-way filtering power divider using SIW and eighth-mode SIW cavities with ultrawide out-of-band rejection
CN110797614B (zh) 一种具有高次模抑制的小型化基片集成波导滤波器
CN109830789B (zh) 一种基于折叠基片集成波导和互补开口谐振环的宽带带通滤波器
Chen et al. A dual-mode monoblock dielectric bandpass filter using dissimilar fundamental modes
Liu et al. Substrate-integrated waveguide band-pass filter and diplexer with controllable transmission zeros and wide-stopband
CN104953214B (zh) 一种毫米波siw滤波器及其设计方法
Kumar et al. Design of improved quadruple-mode bandpass filter using cavity resonator for 5G mid-band applications
Bastioli et al. Direct-coupled TE–TM waveguide cavities
EP2564464B1 (en) A waveguide e-plane filter structure
Qin et al. Bandpass filters based on dual-disparate-mode dielectric waveguide resonators with dual port-excitations
Doumanis et al. Inline interdigital pseudo-elliptic helical resonator filters
Chen et al. Substrate integrated waveguide elliptic filter with high mode
Lee et al. Electroformed dual-mode waveguide filter with no tuning screws
CN104868210A (zh) 一种siw叠层结构腔体滤波器及其设计方法
Zhang et al. Cross-coupled bandpass filter based on circular substrate integrated waveguide resonator
Troudi et al. Design of miniaturized half mode SIW bandpass filter using metamaterial unit cell
CN112002974B (zh) 一种小型化siw谐振腔及其构成的宽阻带siw滤波器
Martínez et al. Compact SIW filter with asymmetric frequency response for C-band wireless applications
Lu et al. Compact quasi-elliptic combline filter in single-layered SIW technology with two tunable transmission zeros
Brown et al. Frequency-tunable quasi-elliptic filter using liquid metal
Chen et al. Metal-Dielectric Coaxial Dual-Mode Resonator Bandpass Filters
CN220400880U (zh) 一种小型化高选择性的微带贴片谐振器和带通滤波器
Bayati et al. Compact SIW directional filter using substrate integrated circular cavities

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant