李晓丽
摘 要:目前基片集成波导(SIW)广泛应用于微波毫米波成形。整流波导具有质量系数高、容量大、体积更小也更容易实现等优点。HFSS模拟结果表明,缺陷的微裂结构不仅可以降低插入损耗,而且可以引入传输零点,提高带阻性能,广泛应用于卫星和C波段雷达领域。
关键词:HMSIW;宽带带通滤波器;缺陷微带结构;传输零点
0 引言
伴随着微波通信技术的迅速发展,对微型滤波器的需求越来越大。传统的滤波结构,如金属棉导线或微裂线,成本高,体积大,不能满足微型滤波器的要求,因此开发了基片集成波导(SIW)传输结构,其性能好、功耗低、损耗小、成本低、易于加工和集成等[1]。基片集成波导(SIW)传输结构空腔由介质基片组成,基片上、下两层金属表面线性排列,形成了基片上、下两层金属化的孔洞。为降低SIW衬底的漏失率,导轴通过切削成半个导轴来降低漏失率。本文提出了一种融合缺陷微裂结构(DMS)和散射结构的新型紧凑宽带通信滤波器,介绍了高模整流波导腔的工作原理,并分别介绍了单腔和多腔波导腔,分析了不同DMS单元的引入对滤波器插入损耗、带宽和阻滞性能的影响。
1 理论分析
构建高模集成波导腔,首先要确定同一频率范围内硅波导的宽度。在此基础上,采用水平中心切削法,将SIW的宽度控制在相应SIW结构的一半左右。
一输入多输出结构,只传播TE模式,不传播TM模式。在构建该腔体的基本结构时,必须考虑到金属通孔直径D、两孔间距、W孔宽度和等值宽度等重要参数。随着钻距的减小,相邻孔之间的能量泄漏量减小。SIFF的当量宽度可按下列比例确定:
其中,C是真空和组合区域中的光速;εr是介质基底的相对容许性。按公式(1)和公式(2)计算了硅钢腔的结构尺寸和关闭频率,形成高集成度硅钢腔基本结构,提高了其性能。
2 研究背景及意义
随着无线通信技术的发展,中长波通信的应用越来越广泛,已成为实现远程、大规模通信的重要手段。伴随着人类社会无线电通信和信息技术的迅速发展,人们对信息传输的速度和质量要求越来越高,同时也期待着F3型能有更舒适、快速、多样的信息传输方式。与此同时,由于频谱资源固有的不可再生性,使得频谱资源与无线通信网络不断扩张的矛盾日益突出。所以有效地利用频谱资源是科技工作者面临的重要课题。超短脉冲(UWB)是20世纪60年代发展起来的一种用于宽带通信的超短脉冲技术,又称基带通信,主要应用于军事雷达、成像。近年来,UWB技术的最高数据传输速率已经达到几百兆位/秒,人们对此做了大量的研究,FCC已经提出了UWB的新定义。这是无线电领域的一次革命,它会成为未来短海航运的主流技术,在短海航运和高速无线通信领域中得到广泛应用,并且迅速发展。其技术解决方案有两种:一种是以MB-OFDM-UWB(OFDM)为基础的多频段UWB(DS-UWB),采用直接分布的频谱作为多址接入;另一种是以MB-OFDM-UWB为基础的多频段UWB通信系统。
3 HMSIW滤波器设计
HMSIW适用厚度h=0.254 mm,相对介电常数εr=2.2,损耗角切线数tanθ=0.001d的Rog-ers5880介质基底。HMSIW滤波器的结构如图1(a)所示。微分裂向结构提供能量,微分裂线和孔隙之间存在过渡过程。采用圆锥线形过渡结构产生波导,模拟结果如图1(b)所示[2]。
如图1(b)所示,该滤波器具有6 GHz的关断频率,在6~10 GHz的整个频带上都能得到稳定的响应,且插入损耗低。DMS缝谐振器是HM-SIW滤波器的一部分,一面短,一面长,其插损率和肋片性能由QE外部质量因子控制。
模拟结果表明,在10.8 GHz的频率下,一个DMS单元可以实现零传输。滤波频率为7.3 GHz,插入损耗为0.54 dB,带宽为2.6 GHz。这个系统有3个单元,以获得更好的停止和损耗特性。在图2(a)中,HMSIW滤波器包含三个DMS单元,其模拟结果如图2(b)所示。基于该模型,设计了3个2 mm的仿真单元。根据图2(b)中的模拟结果,在9 GHz和11.2 GHz之间引入了传输零点,停止带分为8.7-11.5 GHz和-20 dB。该滤波器的损耗值为0.51 dB,平均频率为7.1 GHz,其相对带宽为36.6%。为进一步提高滤波性能,需要增加5个DMS单元。
基于模拟结果,HMSIW滤波器平均频率为7.15GHz,插入损耗为0.33dB,带宽为2.4GHz,采用频率8.9,9.2和11.5 GHz两种方式实现零传输,不仅可以提高站带性能,而且可以将带宽提高到55dB,增加5个DMS单元来提高系统性能。
槽形谐振腔之间的耦合取决于空隙的长度和宽度。在这种情况下,每个谐振器都相互连接,每个谐振器的谐振频率变成两个不同的频率,Fu和F1被分开。用邻近两个谐振腔的散射计算耦合系数:
其中fu和fL是狭缝谐振器的上下共振频率。
以水平段电流有效长度L2和长度L1对输送带的影响为参数,研究了滤波器的插入损耗和阻带性能。为了检验模拟的效果,设计了微波逆变分析器,并通过实验验证了它的有效性。最终的试验表明,该滤波器的平均频带为8 GHz,通带为5.90~10.02 GHz,平均带宽为51.5%,内插损耗为0.57 dB,阻尼抑制值在10.1~13.8 GHz范围内均小于-20 dB,截止带宽3.7 GHz,阻尼抑制值为48dB。该滤波器具有良好的性能和超专用性。焊接过程中的线损及加工精度引起的误差,比模拟结果稍大。显然,模拟结果与处理对象的试验结果相吻合。HMSIW滤波器结构与5个DMS单元的性能进行了比较。在频率近似相同的情况下,所提滤波器的插入损耗、带宽均有明显提高,且均有较宽的带宽[3]。
4 结语
UWB滤波器目前的设计理论尚未形成与传统滤波器一样的完整体系,希望本研究能对超宽带滤波器的研究与设计有所帮助[4]。
本文首先研究了HMSIW谐振器,同时分析了加入多种DMS对HMSIW滤波效果的影响,并提出了相应的改进措施。随着DMS用量的增加,DMS的宽度和长度增大,各DMS间的耦合系数增大;在滤波时引入多个传输零,可改善磁带性能,同时降低插入损耗[5]。它的平均频率是8 GHz,相对带宽是51.5%,插入损耗是0.57 dB。滤波具有超宽带、体积小、成本低、带阻好等优点。该设计方法可以应用于C波段无线通信系统,也可以应用于其他微波波段滤波器设计[6]。
[参考文献]
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(编辑 王雪芬)