一種siw疊層結(jié)構(gòu)腔體濾波器及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微波無(wú)源器件領(lǐng)域，涉及傳輸線和腔體耦合技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]在過(guò)去的幾十年中，濾波器的研宄有了很大進(jìn)展。隨著通信、雷達(dá)、廣播、遙感、測(cè)量、電子對(duì)抗和空間技術(shù)等的日益發(fā)展，從米波段到毫米波段甚至更短的廣闊波段上，微波濾波器在通信、信號(hào)處理、雷達(dá)等各種電路系統(tǒng)的收發(fā)、傳輸和變換處理中具有廣泛用途。常見(jiàn)的微波濾波器類型有微帶線濾波器，波導(dǎo)、腔體濾波器等。
[0003]微帶線濾波器廣泛應(yīng)用于射頻和微波電路中，它體積小，易于與平面電路集成，但微帶線濾波器損耗較大，Q值低。它的一些指標(biāo)(如通帶損耗和阻帶衰減)差于其他形式結(jié)構(gòu)的濾波器。
[0004]波導(dǎo)、腔體型濾波器是一種經(jīng)常使用的無(wú)源微波濾波器，特別是在大功率、高頻段的系統(tǒng)中波導(dǎo)、腔體型濾波器具有重要的地位。但它們的體積較大，不易與其他平面電路集成。
[0005]基片集成波導(dǎo)SIW (Substrate Integrated Waveguide)腔體親合濾波器，它是近幾年提出的一種可以集成于介質(zhì)基片中的新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的濾波器，它低損耗、低輻射、功率容量大，易于與其他平面電路集成，運(yùn)用廣泛。然而現(xiàn)目前SIW濾波器的主要結(jié)構(gòu)類型是縱向平鋪結(jié)構(gòu)，這種類型結(jié)構(gòu)增加了濾波器的縱向長(zhǎng)度，增加了縱向體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)上述存在的問(wèn)題或不足，本發(fā)明提供了一種SIW疊層結(jié)構(gòu)的腔體濾波器，應(yīng)用于X波段(8.2-12.4GHz頻段)它包括輸入端、SIff本體和輸出端，其特征在于:SIW本體是用腔體疊層的方式將介質(zhì)層重疊，介質(zhì)層包括了源與負(fù)載層，其層數(shù)范圍為3、5或7層，最下層腔為源腔，最上層腔為負(fù)載腔，兩者可互換；相鄰介質(zhì)層層間均有一層將其隔開金屬片，除開最外兩層的每一層介質(zhì)層均為SIW諧振腔；金屬片的中心開設(shè)有圓形電耦合孔或在介質(zhì)層兩銅通孔邊即縱向邊中間與SIW銅通孔相切處開設(shè)有一個(gè)矩形磁耦合孔，矩形孔對(duì)角線交點(diǎn)在腔體縱向中垂線上，上述耦合孔實(shí)現(xiàn)相鄰諧振腔之間的電磁場(chǎng)耦合。
[0007]耦合孔尺寸范圍:
[0008]圓孔:半徑2.5mm ?4.5mm ；
[0009]矩形孔:縱向邊2.5臟?5.5臟，橫向邊1.5臟?3.5臟。
[0010]所述輸入端采用帶狀線或微帶線饋入。
[0011]所述輸出端采用帶狀線或微帶線輸出。
[0012]該濾波器的設(shè)計(jì)方案如下:
[0013]步驟一、選擇介質(zhì)基板材料，并由所需指標(biāo)和微波技術(shù)理論計(jì)算SIW諧振腔體的個(gè)數(shù)；
[0014]步驟二、根據(jù)微波技術(shù)理論計(jì)算圓孔SIW諧振腔體的各尺寸:圓孔直徑，相鄰圓孔間距，腔體橫向、縱向?qū)挾龋總€(gè)腔體厚度為介質(zhì)基板厚度，并且所有腔體厚度都一樣；
[0015]步驟三、因相鄰諧振腔的耦合系數(shù)對(duì)應(yīng)了耦合孔的尺寸大小，在HFSS中建立模型仿真，確定相鄰諧振腔耦合孔的尺寸大小，耦合孔厚度是相鄰腔之間的金屬片厚度，所有金屬片厚度都一樣；
[0016]步驟四、在HFSS中建立整個(gè)濾波器模型，優(yōu)化參數(shù)，達(dá)到指標(biāo)，得到濾波器尺寸。
[0017]本發(fā)明使用三維電磁仿真軟件HFSS，對(duì)模型進(jìn)行仿真以得到較為準(zhǔn)確的結(jié)果。
[0018]其設(shè)計(jì)原理:該濾波器的設(shè)計(jì)方法屬于切比雪夫型，對(duì)奇數(shù)階腔體，該濾是互易器件。
[0019]本發(fā)明的有益效果是，通過(guò)向上疊層的方式結(jié)構(gòu)濾波器，大大減小了縱向長(zhǎng)度，使器件易于集成，且奇數(shù)階濾波器屬于互易器件。輸入或輸出腔的端口分別有兩個(gè)，該類型結(jié)構(gòu)在設(shè)計(jì)平面電路的各種微波器件時(shí)，有了一種新的結(jié)構(gòu)選擇方案。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1是X波段SIW濾波器的整體模型透視圖，SIff結(jié)構(gòu)透明；
[0021]圖2是X波段SIW濾波器的俯視透視圖；
[0022]圖3是X波段SIW濾波器的側(cè)視透視圖；
[0023]圖4是X波段SIW濾波器相對(duì)于圖3的左側(cè)視圖；
[0024]圖5是X波段SIW濾波器相對(duì)于圖3的右側(cè)視圖；
[0025]圖6是X波段SIW濾波器仿真S11參數(shù)，通帶帶寬和通帶回波損耗符合指標(biāo)；
[0026]圖7是X波段SIW濾波器仿真S21參數(shù)，通帶插損和帶外抑制符合指標(biāo)。
【具體實(shí)施方式】
[0027]步驟一、確定一個(gè)工作在X波段的疊層腔體耦合濾波器，其指標(biāo)滿足以下要求:
[0028]中心頻率fQ= 1GHz
[0029]通帶插損< 0.7dB
[0030]帶外抑制彡30dB (中心頻率土 0.7GHz處)
[0031]通帶回波損耗<20dB
[0032]相對(duì)帶寬:8%
[0033]步驟二、介質(zhì)基板選擇Rogers_3003，參數(shù)為:相對(duì)介電常數(shù)為3，損耗正切為
0.0013，基板厚度 h = 0.5mm ；
[0034]步驟三、根據(jù)指標(biāo)和基板參數(shù)計(jì)算出諧振腔個(gè)數(shù)η = 5，為奇數(shù)階濾波器，而該結(jié)構(gòu)濾波器還需要源與負(fù)載腔，這里源腔表示為“O腔”，負(fù)載腔表示為“L腔”，所以濾波器一共有7層，最下面一層是源腔(負(fù)載腔)，最上面一層是負(fù)載腔(源腔)。因該濾波器的設(shè)計(jì)方法是切比雪夫奇數(shù)階型，所以該濾波器是對(duì)稱結(jié)構(gòu):0腔與L腔對(duì)稱，I與5腔對(duì)稱，2與4腔對(duì)稱，3腔為單獨(dú)一個(gè)腔。呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)的腔體尺寸參數(shù)一樣；
[0035]步驟四、根據(jù)微波技術(shù)理論計(jì)算出SIW圓孔直徑d = 1.2mm，所有腔的橫向?qū)挾萢=12.6mm，橫向孔個(gè)數(shù)為7個(gè)，所有腔橫向相鄰圓孔間距s = 2.1mm，所有腔的厚度h即介質(zhì)基板厚度，h = 0.5mm。每個(gè)腔的介質(zhì)基板橫向?qū)挾群涂v向?qū)挾瘸鲢~通孔柱形成SIW腔體。為便于加工，所有腔的介質(zhì)基板橫向?qū)挾葹?6mm，縱向?qū)挾葹?0_ ；
[0036]腔的縱向尺寸:
[0037](1)0和L腔，縱向?qū)挾萣0 = 14.7mm，縱向孔個(gè)數(shù)為8個(gè)，縱向相鄰孔孔間距sO =2.1mm ；
[0038](2)1和5腔，縱向?qū)挾萣l = 16.76mm，縱向孔個(gè)數(shù)為9個(gè)，縱向相鄰孔孔間距Si=2.1Omm ;
[0039](3)2和4腔，縱向?qū)挾萣2 = 12.23mm，縱向孔個(gè)數(shù)為7個(gè)，縱向相鄰孔孔間距s2=2.04mm ；
[0040](4)3腔，縱向?qū)挾萣3 = 12.55mm，縱向孔個(gè)數(shù)為7個(gè)，縱向相鄰孔孔間距s3 =
2.09mmo
[0041]步驟五、耦合系數(shù)值對(duì)應(yīng)了耦合孔尺寸大小，在HFSS中仿真達(dá)到該值時(shí)