CN114665238B - 一种x波段siw阿基米德螺旋线耦合滤波器及其设计方法 - Google Patents

一种x波段siw阿基米德螺旋线耦合滤波器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及微波技术，具体涉及一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器及其设计方法。本发明通过在双层SIW耦合腔中间的公共金属层引入两个阿基米德螺旋线耦合结构作为耦合孔，通过对耦合孔尺寸及耦合孔位置的设定，使得每个耦合孔自身的耦合、及两个耦合孔之间的耦合达到一个平衡状态，最终达到理想的滤波效果。本发明利用阿基米德螺旋线作为耦合结构，只占用一个谐振腔的面积，就可以得到较好的滤波效果，其体积更小，结构简单，选择性好；将数学曲线应用在微波元件中，提供了一种新的结构设计思路。

Description

一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器及其设计方法
技术领域
本发明涉及微波技术，具体涉及一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器及其设计方法。
背景技术
随着科技发展进步，微波技术逐渐向小型化，集成化发展。相比于传统波导结构，基片集成波导在尺寸上显著减小，结构近似平面易于集成，同时也兼具微带元件的特点。
目前存在的利用切比雪夫或巴特沃斯原型等构成的SIW滤波器，虽然性能可以做到较好，但仍然存在体积较大的问题。还有利用交叉耦合方式设计的SIW滤波器，也存在体积较大的问题，不利于实现小型化。此外，还有人提出采用多层结构，利用混合耦合的方式，对SIW滤波器进行设计，这种采用多层结构设计的滤波器，很大程度上减小了滤波器的体积，而且结构简单，易于实现。但是对于耦合结构的使用，目前大多使用传统的是矩形条或圆柱形结构，选择性较差。
因此，现有的利用切比雪夫等原型排布的SIW滤波器模型存在体积相对太大，不利于实现小型化，选择性较差的问题。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有SIW滤波器存在小型化不佳以及性能相对不足的问题，本发明提供了一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器及其设计方法，利用阿基米德螺旋线作为上下层波导的耦合孔，采用双层SIW耦合腔结构。相比于现有的SIW耦合滤波器，只占用一个谐振器的面积，但却可以得到更好的滤波效果，体积更小，易于实现器件的小型化。其次，利用阿基米德螺旋线作为耦合结构，相对于传统的矩形条或者圆形耦合结构，选择性更好，可以得到更好的滤波效果。
一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器，包括主基片集成波导、副基片集成波导和阿基米德螺旋线耦合结构。
所述主基片集成波导的主模H面与副基片集成波导的主模H面相互适应平行设置，主基片集成波导和副基片集成波导采用相同的两排金属化通孔，即厚度方向上主、副基片集成波导的两排金属化通孔重合连通。主、副基片集成波导之间采用公共金属层，副基片集成波导作为上层，主基片集成波导作为下层。
所述副基片集成波导在传输方向(Y轴方向)上的两端口，还分别设有垂直于传输方向的两排封腔金属化通孔，封腔金属化通孔贯通副基片集成波导的金属层和介质层，直至公共金属层(不贯通公共金属层)。封腔金属化通孔的直径、以及其相邻金属化通孔的间距，与构成SIW传输线的金属化通孔尺寸一致，副基片集成波导的四排金属化通孔整体连线构成一个矩形；即副基片集成波导的四周均由一排金属化通孔围成，对副基片集成波导进行了封腔。这样做的目的是为了在副基片集成波导形成一个谐振腔，使得从主基片集成波导耦合到副基片集成波导的电磁波可以在副基片集成波导谐振。此外，通过公共金属层实现主基片集成波导与副基片集成波导相互隔离，构成金属层-介质层-公共金属层-介质层-金属层的层间结构。
所述阿基米德螺旋线耦合结构有两个，两个阿基米德螺旋线耦合结构关于主基片集成波导的两行金属化通孔的中线(实施例中的中心轴线x)互为镜像，均以其外端头与各自旋转中心连线垂直于SIW传输方向的中线设置在公共金属层上，且互不重叠并产生滤波效果，贯穿整个公共金属层并与其等高。阿基米德螺旋线耦合结构至相应侧副基片集成波导的封腔金属化通孔所在直线的距离＞0。主、副两层基片集成波导通过公共金属层上的阿基米德螺旋线耦合结构，来实现电磁波从主基片集成波导耦合到副基片集成波导。
主基片集成波导作为微波的主通道，副基片集成波导作为取样信号通道，阿基米德螺旋线耦合结构作为耦合通道。
进一步的，所述两个阿基米德螺旋线耦合结构的尺寸在宽度为0.4—0.6mm，旋转半径为0.8—1.4mm，两个阿基米德螺旋线耦合结构在传输方向上旋转中心的间距≥5.4mm，阿基米德螺旋线耦合结构至相应侧副基片集成波导的封腔金属化通孔所在直线的距离＞0，阿基米德螺旋线耦合结构的旋转中心至SIW传输方向中线的距离为0—4mm。因为在谐振腔中，两个阿基米德螺旋线耦合结构至相应两侧金属化通孔的距离呈正相关，两个阿基米德螺旋线越靠近四周的金属化通孔侧，耦合结构所产生的电耦合越小，磁耦合越大，更容易达到电耦合与磁耦合的平衡，最终得到的滤波器性能更好。
上述X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、设计一个X波段的双层SIW耦合腔；确定两个基片集成波导的参数：介质基板的相对介电常数εr、介质基板的厚度t、相邻两排金属化通孔之间的距离w、金属化通孔直径d和同排相邻金属化通孔孔心距p。
步骤2、设计阿基米德螺旋线耦合结构；确定阿基米德螺旋线的宽度b，旋转半径r和旋转圈数n，其中n≥1.75+0.5m，m为自然数。以及两个阿基米德螺旋线耦合结构在公共金属层的位置参数。
步骤3、根据1、2步骤得到的参数搭建阿基米德螺旋线耦合滤波器模型，通过仿真软件优化其性能，使其在所需频段内得到进一步提升。
综上所述，本发明基片集成波导阿基米德耦合滤波器采用基片集成波导作为传输线，上下两层基片集成波导作为耦合腔，两个阿基米德螺旋线结构作为耦合结构。相对于利用切比雪夫等原型设计的SIW滤波器，只占用一个谐振腔面积，就可以得到更好的性能，有效地减小了滤波器的体积。在使用时，本发明器件利用阿基米德螺旋线作为耦合结构，相对于常用的利用矩形条或者圆形作为耦合结构的滤波器，其选择性更好。本发明巧妙地将数学曲线与微波器件结合起来应用到微波器件的设计中，并且得到了更好的性能，提供了一种新的结构设计思路。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是本发明的结构拆解示意图；
图3是实施例优化后的结构俯视图；
图4是实施例优化后的S参数曲线图；
图5是实施例中两个阿基米德螺旋线相切的结构位置；
图6是实施例中阿基米德螺旋线的初始位置；
图7是实施例中阿基米德螺旋线初始位置的S参数曲线图；
图8是实施例中阿基米德螺旋线在SIW传输方向的最优位置；
图9是实施例中阿基米德螺旋线在SIW传输方向最优位置的S参数曲线图；
图10是实施例阿基米德螺旋线位置X轴负方向调整前后S11参数性能比较图；
图11是实施例阿基米德螺旋线位置X轴负方向调整前后S21参数性能比较图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、设计一个X波段的双层SIW耦合腔；确定两个基片集成波导的参数：介质基板的相对介电常数εr、介质基板的厚度t、相邻两排金属化通孔之间的距离w、金属化通孔直径d和同排相邻金属化通孔孔心距p。
介质基板厚度t＝0.508mm，介质基板的相对介电常数εr＝2.1，金属化通孔直径d＝0.55mm，同排相邻金属化通孔孔心距p＝0.68mm，相邻两排金属化通孔之间的距离w＝14.28mm。
步骤2、设计阿基米德螺旋线耦合结构；确定阿基米德螺旋线的宽度b＝0.5mm，旋转半径r＝1.2mm和旋转圈数n＝1.75，以及两个阿基米德螺旋线耦合结构在公共金属层的位置参数。
当两个阿基米德螺旋线分布在原点两侧且不重合(如图5所示)，此时二者旋转中心之间的距离为3.6mm。对于两个阿基米德螺旋线的初始位置的设定，通过调整两个阿基米螺旋线之间的距离，发现二者旋转中心之间的间距为5.4mm(初值)时(如图6所示，其S参数曲线图如图7所示)，开始有滤波效果。
步骤3、根据1、2步骤得到的参数搭建阿基米德螺旋线耦合滤波器模型，结构如附图1-3所示。在HFSS中建模分析此时阿基米德螺旋线耦合滤波器的传输性能，通过HFSS优化其性能，使其在所需频段内得到进一步提升。
在两个阿基米德螺旋线二者旋转中心之间的距离达到最大，即两个阿基米德螺旋线无限趋近于两侧的封腔铜柱侧时，滤波器的滤波效果达到最好，本实施例中此时二者旋转中心之间的距离为7mm。此时两个阿基米德螺旋线的旋转中心均在传输方向中线(即本实施例的中心轴线Y)为上(如图8所示，其S参数曲线图如图9所示)。
再将阿基米德螺旋线向X轴负方向的铜柱侧移动，可以发现在移动距离(x0)为3.1mm时(如图3所示)，性能最好。相比于在中心轴线处，阻带段内插损改善了7dB，驻波改善了1dB,性能更好。二者的S11和S21曲线比较图，分别如图10和图11所示。
最终优化后结构如图3所示，得到在9.75Ghz处阻带段内的驻波为0.79dB，插损为-22dB，相应的S参数曲线图如附图4所示。
注：对于两个阿基米德螺旋之间的距离设定，与二者远离中心轴线Y的距离有关。当它们在中心轴线上时，二者最少间隔5.4mm时，才可以得到滤波效果；但是在远离中心轴线Y3.1mm处时，二者之间的距离只要不重合，就可以出现较好的滤波性能。
通过以上实施例可见，本发明通过在双层SIW耦合腔中间的公共金属层引入两个阿基米德螺旋线耦合结构作为耦合孔，通过对耦合孔尺寸及耦合孔位置的调节，使得每个耦合孔自身的耦合、及两个耦合孔之间的耦合达到一个平衡状态，最终达到理想的滤波效果。本发明利用阿基米德螺旋线作为耦合结构，只占用一个谐振腔的面积，就可以得到较好的滤波效果，其体积更小，结构简单，选择性好；将数学曲线应用在微波元件中，提供了一种新的结构设计思路。

Claims (4)

1.一种X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器，其特征在于：包括主基片集成波导、副基片集成波导和阿基米德螺旋线耦合结构；
所述主基片集成波导的主模H面与副基片集成波导的主模H面相互适应平行设置，主基片集成波导和副基片集成波导采用相同的两排金属化通孔，即厚度方向上主、副基片集成波导的两排金属化通孔重合连通；主、副基片集成波导之间采用公共金属层，副基片集成波导作为上层，主基片集成波导作为下层；
所述副基片集成波导在传输方向上的两端口，还分别设有垂直于传输方向的两排封腔金属化通孔，封腔金属化通孔贯通副基片集成波导的金属层和介质层，直至公共金属层；封腔金属化通孔的直径、以及其同排相邻金属化通孔的间距，与构成SIW传输线的金属化通孔尺寸一致，副基片集成波导的四排金属化通孔整体连线构成一个矩形，对副基片集成波导进行了封腔；以使副基片集成波导形成一个谐振腔，使得从主基片集成波导耦合到副基片集成波导的电磁波在副基片集成波导谐振，通过公共金属层实现主基片集成波导与副基片集成波导相互隔离，构成金属层-介质层-公共金属层-介质层-金属层的层间结构；
所述阿基米德螺旋线耦合结构有两个，两个阿基米德螺旋线耦合结构关于主基片集成波导的两行金属化通孔的中线互为镜像，均以其外端头与各自旋转中心连线垂直于SIW传输方向的中线设置在公共金属层上，且互不重叠并产生滤波效果，贯穿整个公共金属层并与其等高；阿基米德螺旋线耦合结构至相应侧副基片集成波导的封腔金属化通孔所在直线的距离＞0；
主、副两层基片集成波导通过公共金属层上的阿基米德螺旋线耦合结构，来实现电磁波从主基片集成波导耦合到副基片集成波导；主基片集成波导作为微波的主通道，副基片集成波导作为取样信号通道，阿基米德螺旋线耦合结构作为耦合通道。
2.如权利要求1所述X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器，其特征在于：
两个阿基米德螺旋线耦合结构的尺寸在宽度为0.4—0.6mm，旋转半径为0.8—1.4mm，两个阿基米德螺旋线耦合结构在传输方向上旋转中心的间距≥5.4mm，阿基米德螺旋线耦合结构的旋转中心至SIW传输方向中线的距离为0—4mm。
3.如权利要求1所述X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计一个X波段的双层SIW耦合腔；确定两个基片集成波导的参数：介质基板的相对介电常数εr、介质基板的厚度t、相邻两排金属化通孔之间的距离w、金属化通孔直径d和同排相邻金属化通孔孔心距p；
步骤2、设计阿基米德螺旋线耦合结构；确定阿基米德螺旋线的宽度b，旋转半径r和旋转圈数n，其中n≥1.75+0.5m，m为自然数，以及两个阿基米德螺旋线耦合结构在公共金属层的位置参数。
4.如权利要求3所述X波段SIW阿基米德螺旋线耦合滤波器的设计方法，其特征在于：
还包括一个步骤3：根据1、2步骤得到的参数搭建阿基米德螺旋线耦合滤波器模型，通过仿真软件优化其性能。
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