基片集成波导交叉耦合滤波器的研究

SIW交叉耦合滤波器的研究任龙电磁场与微波技术2012.4.9电子科学与技术进展电磁场与微波技术2Contents背景知识交叉耦合技术SIW交叉耦合滤波器参考文献电磁场与微波技术3背景知识2211SPPLLinA微波滤波器是一个二端口的微波网络，它通过在其通带范围内提供信号传输并在阻带内提供衰减的特性来控制微波系统中某处的频率响应。应用范围微波通信、微波测量、军事电子对抗等系统。技术指标1.工作衰减也称为插入损耗，定义为：电磁场与微波技术42111SPPLinRR2.回波损耗表示输入功率与反射功率的关系。3.品质因数Q表示谐振电路损耗的量度，定义为：lossmPWwQ20也表示为滤波器中心频率与3dB带宽的比值。电磁场与微波技术5微波滤波器的研究内容研究综合理论实现形式镜像参量法插入损耗法传统的三种逼近函数广义切比雪夫函数同轴线滤波器波导滤波器微带滤波器SIW滤波器电磁场与微波技术6Contents背景知识交叉耦合技术SIW带通滤波器参考文献电磁场与微波技术7什么是交叉耦合技术？所谓交叉耦合技术，就是通过引入非相邻谐振腔之间的耦合，实现滤波器的传输零点，从而提高滤波器的特性。为什么采用交叉耦合技术？能够实现滤波器的小型化、低损耗、低成本等优点。同时还能够更容易实现滤波器的线性相位、双通带等特性。交叉耦合技术基本概念电磁场与微波技术8交叉耦合技术发展历程1948年，J.R.Pierce第一次提出交叉耦合多路结构滤波器思想。1966年，R.M.Kurzrok成功设计出交叉耦合三腔滤波器。1972-1974年，A.E.Atia提出交叉耦合的等效电路模型、耦合矩阵的概念。1999年，Cameron提出广义以切比雪夫逼近函数，并给出N阶耦合矩阵的综合方法。2003年，Cameron又提出N+2阶耦合矩阵的综合方法。电磁场与微波技术9广义切比雪夫函数Cameron在文献【6】第一次提出广义切比雪夫函数的概念，他对传统切比雪夫函数进行一些修正，加入传输零点，通过控制传输零点的位置来实现对称与非对称的响应。同时引入复频域的传输零点，还可以实现较为平坦的群时延特性。电磁场与微波技术10广义切比雪夫函数由N个相互耦合的谐振器组成的二端口无耗滤波网络的反射函数和传输函数可以表示为N阶的多项式：在确定好滤波器的阶数N和传输零点后就可以得到滤波器的S参数表达式。电磁场与微波技术11耦合矩阵的综合思路1.ONE2.TWO3.THREE确定N及零点，由此综合出S参数表达式。由S参数表达式，计算出Y参数表达式。根据Y参数表达式，得到M矩阵。电磁场与微波技术12N阶耦合矩阵的综合二端口交叉耦合网络电磁场与微波技术13N阶耦合矩阵的综合由于M是个实对称矩阵，所以存在一个正交矩阵T将其对角化。根据导纳参数Y的定义，可以求出Y与M之间的关系，化简如下：至此，再分析出Y参数与S参数的关系表达式，就完成了N阶耦合矩阵的综合。tTTM电磁场与微波技术14N阶耦合矩阵的综合实例阶数N=6传输零点位于带内回波损耗RL不小于24dB5.10.0000-0.6066-0.48870.4123-0.2023-0.00000.6066-0.4292-0.0000-0.00000.22330.60660.48870.0000-0.38770.3275-0.0000-0.48870.4123-0.00000.3275-0.9542-0.0000-0.4123-0.2023-0.22330.0000-0.0000-0.99570.20230.0000-0.60660.48870.4123-0.20230.0000M电磁场与微波技术15N阶耦合矩阵的综合实例电磁场与微波技术16N+2阶耦合矩阵综合电磁场与微波技术17耦合矩阵的化简耦合矩阵的特征值决定电路的传输和反射特性，矩阵的化简要满足特征值不变，化简的目的是消除不必要的耦合，从而采用较为实用的拓扑结构。tRMRM'csscRRRRRjjjiijii对于旋转点[i,j]的变换，旋转矩阵为：根据此式求出变换后的矩阵M',若要消去元素，只需令，求出旋转角即可。ijM0'ijM电磁场与微波技术18耦合矩阵的化简电磁场与微波技术19七阶折叠型耦合矩阵化简电磁场与微波技术20ContentsSIW交叉耦合滤波器电磁场与微波技术21SIW交叉耦合滤波器SIW交叉耦合滤波器实物图与特性曲线电磁场与微波技术22SIW基本结构SIW(SubstrateIntegratedWaveguide)由两排线性紧密排列的金属通孔或金属圆柱嵌入基片中构成。SIW中的电磁波被限制在基片的上下两个金属面和两列金属通孔之间的区域传播，可以等效为内部填充介质的金属波导。基片集成波导的结构图电磁场与微波技术23SIW滤波器基片集成波导（SIW）是近年来提出的一种新的导波结构，它继承了波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了微带的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点。自SIW结构被提出以来，国内外学者对其相关理论和应用进行不断的探索和研究，总结出了大量指导设计的理论公式。近年来，SIW被广泛地应用到了微波及毫米波电路的各个领域，如滤波器、耦合器、功分器、振荡器、天线馈线、频率选择表面等，为微波电路及系统的设计注入了新的活力。电磁场与微波技术24SIW与矩形波导波导等效关系矩形波导的谐振频率在长度为的两端封闭的矩形波导谐振腔内，电能与磁能相互转化，发生谐振。模谐振频率为SIW谐振频率在满足时，SIW与矩形波导有如下等效关系：因此SIW的谐振频率为4,20pdprpdllpdaaequ95.0,95.02222020equequrTElqamCFqm电磁场与微波技术25SIW单腔电磁场分布电磁场与微波技术26SIW腔体耦合的实现正耦合的实现两腔体之间的耦合系数K可以表示为：一般认为K0时为正耦合（感性耦合），K0为负耦合（容性耦合）。正耦合的实现比较简单，一般都是在两腔体间开一个感性耦合窗口，通过调节耦合窗口的大小、位置来实现不同大小的耦合系数。21222122ffffK电磁场与微波技术27正耦合的实现电磁场与微波技术28负耦合的实现负耦合的实现比较困难一些，文献【10】第一次提出了在金属层上开S型槽实现可控的负耦合。电磁场与微波技术29负耦合的实现这种结构改变耦合量的主要手段是改变参数w，随着w的不断减小，耦合量随之变大，但这有一个极限，就是两端的金属通孔不可以突破耦合结构的缝隙，耦合量也就产生了一个上限。为了能够实现较大的负耦合，有人提出一下的容性耦合结构:电磁场与微波技术30SIW与微带线的转换器为何要设计转换器？测试上，基片集成波导器件不能利用传统测试金属波导的实验装置来完成测试；常用测试微波毫米波电路装置都是针对平面电路来设计，无法用于基片集成波导器件的测试。应用上，由于在微波毫米波系统中，常是由大量的微带线、共面波导或其他形式的电路构成，所以为了便于基片集成波导器件和其他器件的集成，必须设计一种转换实现基片集成波导器件和其他形式的电路集成。电磁场与微波技术31常见的转换器类型渐变型优点：可以工作到较宽的带宽，在一些宽带场合可以将基片集成波导器件和微带线电路无隙地集成在一起，具有很好的效果。缺点：渐变线占据了一定的长度和器件的面积。电磁场与微波技术32常见的转换器类型共面波导型该转换器由基片集成波导、50欧姆微带线和共面波导所构成，共面波导结构用来实现微带线的准TEM波和基片集成波导的TE10波之间的转换。电磁场与微波技术33具有负耦合结构的交叉耦合SIW滤波器j5.2耦合矩阵M滤波器中心频率f=20.5GHz,带宽BW=700MHz，带内回波损耗RL=25dB,由此综合出传输零点为，滤波器阶数N=4，耦合矩阵M如下：电磁场与微波技术34具有负耦合结构的交叉耦合SIW滤波器电磁场与微波技术35具有负耦合结构的交叉耦合SIW滤波器仿真与实测结果电磁场与微波技术36引入源与负载的交叉耦合SIW滤波器电磁场与微波技术37线性相位SIW滤波器技术指标滤波器的中心频率f0=10GHz，相对带宽FBW=1%，回波损耗大于-20dB,带内插损控制在1dB以内，要求在通带内有线性相位。电磁场与微波技术38线性相位SIW滤波器电磁场与微波技术39线性相位SIW滤波器仿真与实测结果电磁场与微波技术40圆形SIW交叉耦合滤波器电磁场与微波技术41圆形SIW交叉耦合滤波器CoplanarWaveguidewithGround电磁场与微波技术42圆形SIW交叉耦合滤波器仿真与实测结果电磁场与微波技术43参考文献[1]Kurzrok,R.M.,GeneralThree-ResonatorFiltersinWaveguide.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,1966.14(1):46-47.[2]Kurzrok,R.M.,GeneralFour-ResonatorFiltersatMicrowaveFrequencies.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,1966.14(6):295-296.[3]Atia,A.E.andA.E.Williams,Narrow-BandpassWaveguideFilters.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,1972.20(4):258-265.[4]Atia,A.,A.Williams,andR.Newcomb,Narrow-bandmultiple-coupledcavitysynthesis.IEEETrans.CircuitsSystem.,1974.21(5):649-655.[5]Jia-ShengHongandLancaster,M.J.,Cross-coupledmicrostriphairpin-resonatorfilter.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,1998.46(1):118-122.[6]Cameron,R.J.,GeneralcouplingmatrixsynthesismethodsforChebyshevfilteringfunctions.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,1999.47(4):433-442.[7]Cameron,R.J.,Advancedcouplingmatrixsynthesistechniquesformicrowavefilters.IEEETrans.MicrowaveTheoryTech.,2003.51(1):1-10.电磁场与微波技术44参考文献[8]Deslandes,D.,Wu,K.IntegratedMicrostripandRectangularWaveguideinPlanarForm[J].IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2001,11(2):68-70.[9]Deslandes,D.,Wu,K.Single-SubstrateIntegrationTechniqueofPlanarCircuitsandWaveguideFilters[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2003,51(2I):593-96.[10]Chen,X.-P.，Wu,K.SubstrateIntegratedWaveguideCross-CoupledFilterwithNegativeCouplingStructure[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2008,56(1):142-49.[11]Chen,X