一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现

微　波　学　报第21卷增刊Vol . 21Supp le ment

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现

张玉林, 洪　伟, 吴　柯

1

1

1, 2

3

, 汤红军, 郝张成

11

(1. 东南大学毫米波国家重点实验室, 南京210096; 2. 加拿大蒙特利尔大学工学院电子及计算机系)

摘　要:　滤波器是微波毫米波电路与系统中一个重要的部件。利用基片集成波导(substrate integrated

waveguide ———SI W ) 技术设计并用印制电路板实现了一种应用低阻-高阻短微带线作补偿的基片集成波导滤波器,

仿真与实验结果吻合良好, 中心频率为5. 8GHz, 相对带宽4. 95%, 插损小于1. 3d B 。该滤波器具有具有体积小、重量轻、容易加工和集成等优点。

关键词:　滤波器, 腔体, 耦合, SI W , 低阻2高阻短微带线

de (SI W ) Cavity Filter

Y u 2li n , HO NG W e i , W U Ke , TANG Hong 2jun , HAO Zhang 2cheng 2. Poly 2Gram es Research Center , Ecole Polytechnique de M ontreal, M ontreal, Canada )

Abstract:　Filters is a kind of i m portant components in m icr owave and m illi m eter wave circuits and system s . I n this paper, a novel substrate integrated waveguide cavity filter are designed, fabricated, and tested . Being fabricated on p rinted circuit boards (PCB ) , such kinds of filters take advantages of the high Q 2fact or, high power capacity and s mall size . The fil 2ters are designed at the center frequency of 5. 8GHz, the fracti onal bandpass width (F BW ) is 4. 95%, and the m ini m u m in 2serti on l oss is less than 1. 3d B. Both nu merical si m ulati ons and experi m ental results are p resented t o show the good perfor m 2ance of the design .

Key words:　Filter, Cavity, Coup ling, SI W , Low 2high 2i m pedance short line

1

1

1, 2

1

1

(1. S tate Key L aboratary of M illi m eterW aves, Southeast U niversity, N anjing 210096, China;

引　言

微波毫米波滤波器的研究具有悠久的历史, 但

是传统的设计和实现高品质因数滤波器的技术, 如利用传统金属波导或利用微带线的滤波器实现技术, 不是造价昂贵就是很难达到所要求的技术指标。文献[1, 2]中给出了几种应用E BG (Electr omagnetic Band 2Gap ) 技术实现的微波毫米波滤波器, 但是EBG 具有体积大的缺点, 而采用基片集成波导(Substrate I ntegrated W aveguide:SI W ) 可以实现高性能滤波器且保持体积小的优点。基片集成波导是一

[3～8]

类新型波导, 可以广泛地应用于微波及毫米波

电路中。基片集成波导器件的一个重要性质是具有

与传统矩形波导相近的特性, 诸如品质因数高、易于设计等, 同时也具有体积小、重量轻、容易加工、造价低和易于集成等传统矩形波导所没有的优点。在本文中, 我们应用滤波器腔体耦合设计理论实现了一种新型的基片集成波导滤波器。仿真和测试结果显示该滤波器具有优良的特性。

1　理论分析与设计

1. 1　耦合理论

SI W 腔体的外在品质因数是用耦合理论设计滤

波器的重要参数, 必须确定合适的外在品质因数才

3

收稿日期:2004207220; 定稿日期:2004211230

基金项目:国家自然科学基金重大项目(项目编号60496317

)

第21卷增刊张玉林等:

一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现　139

能使滤波器的插入损耗和纹波系数最优化。外在品

[1, 9]

质因数可由下式给出:

Q e 1=

g g FBW

, 　Q en =

g n g n +FBW

(1)

其中Q e 1, Q en 分别是输入和输出端的外在品质因数, g i (i =0, 1, n, n +1) 是低通滤波器原型的元件参数, FBW 是滤波器的相对带宽。

单个SI W 腔体的结构和散射参数曲线如图1所示。外在品质因数Q e 可以由单个SI W 腔体的全波分析散射参数曲线应用公式

Δf -3dB (2) Q e =2Q l =2f 0/

计算得出, 其中Q l 是有载品质因数, f 0是谐振频率, Δf -3dB 是S 21曲线的3d B 带宽。出端的微带宽度,

[9]

图2　(a ) 　双SI W 腔体结构图; (b ) 　双SI W 腔体的散射参数曲线

　

1. 2　低阻2高阻短微带线

[9]

通常, 电尺寸小于八分之一导波长度λg 的微带

线结构可以看作集总参数元件, 电尺寸小于四分之一λ

g 的微带线结构可以看作准集总参数元件。

图1　(a ) 　单SI W 腔体结构图; (b ) 　单SI W 腔体的散射参数曲线

　

图3　高阻2低阻短微带线

如图2所示, 当两个SI W 腔体相互耦合时, S 11

曲线由一个凹谷变为两个凹谷, 并且当两个SI W 腔体之间的相互耦合越强, 两个凹谷分离越远。两个SI W 腔体之间耦合系数k 可以由其散射参数曲线得

到

[9]

:

k =

f U -f L f U +f L

22

22

(3)

其中f U 是高频率的谐振点, f L 是低频率的谐振点

。

　　如图3, 当不考虑损耗时, 一段高阻抗短微带线

的两端为低高阻抗微带线的结构可以用π型等效电路表示, 电路参数为:

(4) x =Z c sin (βl ) , 　=tan (βl/2)

2Z c

π/λg 为传播常数。当l

公式可以近似为:

(βl/2) (5) x =Z c (βl ) , 　=

2Z c

140微　波　学　报2005年4月

1. 3　腔体耦合滤波器的电路模型

N 个腔体构成的腔体滤波器的等效电路如图4

所示, 其中L , C 和R 分别表示电感、电容和电阻, i

表示电流回路。应用基尔霍夫电压定律, 我们可以得到等效电路的回路方程:

R 1+ωj L 1+

路。图中, N 1对应AA ′之间的四个SI W 腔体部分,

其参数为(7) 式中的[Z 1];N 2对应参考面TT ′之间低阻2高阻短微带线的等效电路, θ1和θ2分别对应T ′A 和T 2末端的微带传输线的电长度。

我们可以很容易的得到图5(b ) 所示整个滤波器等效电路的网络参数, 从而可以应用简单成熟的理论设计和优化滤波器。

ωj i 1-

ωj L 12i 2-…-ωj L 1N i =e s N

-ωj L 21i 1+ωj L 2+

ωj i 2-…-ωj L 2N i =0N

…

-ωj L N 1i 1-ωj L N 2i 2-…+R N +ωj

L N +

ωj C i =0N ()

(a ) 　四SI W 　

其中L ij =L ji s 源值

[9]

。

　

(b ) 　SI W 腔体滤波器的等效电路

图5　SI W 腔体滤波器

2　滤波器的实现与仿真、测试结果

单个的SI W 腔体是我们实现SI W 腔体滤波器

的基本元素。SI W 腔体的尺寸可以根据设定的滤波器中心频率由文献[8]中的经验公式得出, 外在品质因数值Q ei 和SI W 腔体之间的耦合系数k ij 可以应用式(2) 和(3) 得到。

θ≤如图5, 我们在厚度h =1. 5mm , εr =3, tan 0. 2%的微波介质基片上实现了中心频率为5. 8GHz

图4　N 个互耦谐振器的回路电流等效电路图　

如果电路中所有的谐振器是相同的, 即L =L 1=L 2=…=L N 与C =C 1=C 2=…=C N , 并且在工作

频率附近和窄带的条件下可以认为ω/ω0≈1, 则(6) 式可以表示为[9]:

i 1

Z i 2

e s

=

的SI W 腔体滤波器。每个SI W 腔体的尺寸为21mm

×21mm , 低阻2高阻短微带线的高阻抗微带宽为1mm , 长l =2mm; 低阻抗微带宽为3. 8mm 。

,

i N 仿真和测试结果如图6、7所示, 两者吻合良好。仿真结果是应用CST M I CROWAVE ST UD I O 得到的。为方便测试, 我们在SI W 腔体滤波器的两端焊

…………

q e N -jk 1N -jk 2N

µ

q e 1

Z =ω0L ・FBW +p -jk 12

p

接了2. 4mm 同轴2微带转换头, 因此测试结果中的插入损耗包括SI W 腔体滤波器的插入损耗和2. 4mm 接头的插入损耗。

-jk 21

…

-jk N 1

…

-jk N 2

…

+从图6可以得出, 我们所设计、实现的SI W 腔体滤波器的中心频率f 0=5. 853GHz, 相对带宽FBW =4. 95%, 最小插入损耗小于1. 3dB , 带外抑制在-40dB 以下。同时, 可以看到图6中的测试曲线和

其中ω0=1/, 滤波器相对带宽FBW =

ω2-ω1ω0L ωω0

(i =, p =, q =FBW ei -ω0FBW ω

0R i 1, N ) , k ij =

L 仿真曲线存在频率偏差, 我们推断这个频率偏差是由介电常数的误差引起的。图7是假设基片介电常数误差为-2. 9%的情况下, 测试曲线与仿真曲线的对比图。

L FBW

。

图5(b ) 为5(a ) 中SI W 腔体滤波器的等效电

第21卷增刊张玉林等:一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现

　141

〔3〕　Zhang Y L, Hong W , et al . Analysis of guided 2wave

p r oble m s in substrate integrated waveguide based on LTCC . I EEE MTT 2S I nternati onalM icr owave Sy mposiu m D igest . Philadel phia:I EEE, 2003

〔4〕　L i H, Hong W , et al . Substrate integrated waveguide

based on LT CC .

I EEE MTT 2S I nternati onal M icr owave

Sy mposiu m D igest . Philadel phia:I EEE, 2003

〔5〕　Uchi m ura H, Takenoshita T . Devel opment of a la m inated

waveguide .

I EEE Trans on M icr owave Theory and Tech 2

nique, 1998, 46(12) :2438～2443

图6　低阻2高阻短微带线补偿四SI W 腔体

滤波器散射参数仿真与测试结果对比图

　

〔6〕　Deslandes D, W u K . Single 2substrate integrati on tech 2

nique of p lanar and waveguide filters . 2) 593～I EEE

on and Technique, 2003, 51

〕C A, Henders on R M , et al . A reduced 2size

silicon m icr omachined high 2res onat or at 5. 7GHz . (10) :2305～2314

I EEE

Trans on M icr owave Theory and Technique, 2002, 50

〔8〕　Cassivi Y, W u K, Low cost m icr owave oscillat or using

substrate integrated waveguide cavity .

I EEE M icr owave

Guided W ave Letters, 2003, 13(2) :48～50

〔9〕　Hong J 2S, LancasterM J. M icr ostri p Filters for RF /Mi 2

图7　测试曲线与考虑介电常数的误差

(-2. 9%) 后仿真曲线的对比图　

cr owave App licati ons . Ne w York:John W illey &Sons I nc, 2002

3　结论

基片集成波导器件具有品质因数高、易于设计、

体积小、重量轻、容易加工、造价低和方便集成等优点。在本文中, 我们应用窄带滤波器耦合设计理论实现了一种中心频率为5. 8GHz, 最小插入损耗小于1. 3d B 的新型基片集成波导滤波器。仿真和测试结果表明该滤波器具有优良的特性。

参　考　文　献

〔1〕　Papapoly mer ou J, Cheng J C, et al . A m icr omachined

high 2Q x 2band res onat or . I EEE M icr owave Guided W ave Letters, 1997, 7(6) :168～170

张玉林　1975年11月生于山东淄博, 1998和2000年分别

于山东工业大学和山东大学获得学士和硕士学位。现为东南大学毫米波国家重点实验室博士研究生, 研究方向为通信系统中的滤波器技术。

E 2mail:ylzhang@e mfield . org

洪　伟　1962年10月生于河北张家口, 1985和1988年分

别于东南大学获硕士、博士学位。现为东南大学无线电工程系教授、博士生导师, 主要从事电磁理论与微波技术方面的科研与教学工作。

〔2〕　H ill M J, Zi olkowski R W , et al . Si m ulated and meas 2

ured results fr om a Dur oid 2based p lanar MBG cavity re 2s onat or filter .

I EEE M icr owave Guided W ave Letters,

2000, 10(12) :528～530