基片集成波導(dǎo)濾波器在Ka波段接收前端的應(yīng)用

1、基片集成波導(dǎo)濾波器在Ka波段接收前端的應(yīng)用    基片集成波導(dǎo)濾波器在Ka波段接收前端的應(yīng)用李艷莉（電子科技大學(xué)成都學(xué)院電子信息工程系成都611731）摘要：基片集成波導(dǎo)(SubstrateIntegratedWaveguideSIW)是一種新型的高品質(zhì)因數(shù)、低損耗集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波集成電路中。本文介紹了基片集成波導(dǎo)（SIW）濾波器在Ka波段接收前端的應(yīng)用，該濾波器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，便于加工，適合批量生產(chǎn)。仿真結(jié)果驗(yàn)證了模式匹配法的精確性和經(jīng)驗(yàn)公式的可靠性。關(guān)鍵詞：基片集成波導(dǎo)鏡頻抑制濾波器接收前端TheApplicationofS

2、IWFilteronKa-bandReceiverFront-endLiYanliDepartmentofElectronicInformationEngineering，ChengDuCollegeofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu，611731Abstract:SubstrateIntegratedWaveguideisanewintegratedwaveguidestructurewithhigh-Qfactor,lowloss,soitcanbewidelyusedinmillimeterwaveint

3、egratedcircuits.TheApplicationofSIWFilteronKa-bandReceiverFront-endispresentedinthisarticle.Suchfilterwithsimplestructureandlowcostcaneasilybefabricatedinlargescale.TheresultsofmeasurementandsimulationtestifiedtheprecisionofMMMandthereliabilityofexperimentalformula.KeyWords:substrateintegratedwavegu

4、ide(SIW),Imagefrequencyrejectionratiofilter,Receiverfront-end1. 引言隨著無(wú)線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，系統(tǒng)工作頻率已經(jīng)開(kāi)始向毫米波波段延伸，毫米波設(shè)備的開(kāi)發(fā)也越來(lái)越受重視，然而傳統(tǒng)的用于設(shè)計(jì)微波無(wú)源器件的電路結(jié)構(gòu)(如金屬矩形波導(dǎo)、微帶線等)各有利弊1。金屬波導(dǎo)具有品質(zhì)因數(shù)(Q)高、便于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，但體積大，造價(jià)高，不便用于現(xiàn)代微波集成電路(MIC)及單片微波集成電路(MMIC)的集成和封裝;微帶線等共面電路結(jié)構(gòu)雖然可用于大規(guī)模的生產(chǎn)，但輻射損耗大，很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求。而基片集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)結(jié)合了微帶線和金屬矩形波導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，

5、它能被集成在用于有源集成電路的同一塊基片上，因此正被廣泛應(yīng)用于微波平面電路中。SIW是一種人工集成的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)由兩排線性排列的金屬通孔或者銷(xiāo)釘嵌入同一基片構(gòu)成，也可由金屬壁集成在基片中構(gòu)成2。本文用SIW設(shè)計(jì)了一種帶通濾波器，該濾波器在通帶內(nèi)產(chǎn)生兩個(gè)傳輸極點(diǎn)，通帶左側(cè)出現(xiàn)了一個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而改善了阻帶效果，增強(qiáng)了窄帶濾波器的實(shí)用性。2. 毫米波接收前端工作原理和一體化集成設(shè)計(jì)本文中的Ka波段接收前端方案如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)是基于混合集成技術(shù)由平面?zhèn)鬏斁€制作而成的，把具有不同功能的單片器件（MMIC）集成在一個(gè)平面的傳輸線上，來(lái)組成滿(mǎn)足接收功能的子系統(tǒng)模塊，設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)包括Ka波段低損

6、耗波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡、收發(fā)隔離開(kāi)關(guān)、低噪聲放大器、鏡頻抑制濾波器、諧波混頻器、本振放大器和功率分配器的一體化平面集成，整個(gè)前端組件具有體積小，重量輕，可靠性高的特點(diǎn)。該接收前端集成了三個(gè)接收通道，從天線接收到的三路頻率為的毫米波射頻信號(hào)由標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)口進(jìn)入Ka波段接收前端，首先經(jīng)過(guò)波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換使毫米波信號(hào)從波導(dǎo)過(guò)渡到平面的微帶傳輸線上，再通過(guò)收發(fā)隔離開(kāi)關(guān)后被低噪聲放大器放大，為了抑制鏡像頻率給接收系統(tǒng)帶來(lái)的干擾，要經(jīng)鏡頻抑制濾波器，再經(jīng)一級(jí)低噪放放大后，最后進(jìn)入諧波混頻器；同時(shí)高穩(wěn)定的頻率為的本振源信號(hào)經(jīng)SMA接頭也進(jìn)入Ka波段接收前端，由三路等分功分器分為三路本振信號(hào)再經(jīng)放大器放大，

7、進(jìn)入諧波混頻器與射頻信號(hào)進(jìn)行下變頻，混頻產(chǎn)生的頻率為的中頻信號(hào)由SMA輸出。圖1Ka波段接收前端原理框圖在本方案中，由于選擇采用二次諧波混頻器來(lái)實(shí)現(xiàn)，優(yōu)點(diǎn)有：1)可以省掉二倍頻器，節(jié)省電路空間；2)降低電源功耗，熱量下降，可靠性增加，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。本方案中的鏡頻抑制濾波器采用SIW帶通濾波器，優(yōu)點(diǎn)有：品質(zhì)因數(shù)高、易于設(shè)計(jì)、體積小、重量輕、容易加工、造價(jià)低和方便集成。3. SIW帶通濾波器的設(shè)計(jì)和仿真3.1SIW的理論計(jì)算SIW是由上下兩層金屬面、中間的填充介質(zhì)以及左右兩排金屬化通孔構(gòu)成3，如圖1所示。兩排金屬化通孔的中心間距為w，金屬化通孔的直徑和間距分別為d和p，介質(zhì)基片的厚度和介電常

8、數(shù)分別為h和r?；刹▽?dǎo)上下表面的金屬層構(gòu)成了波導(dǎo)的兩個(gè)寬邊，兩排金屬孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄邊，電磁波在介質(zhì)基片上下金屬面和兩排金屬化通孔所圍成的矩形區(qū)域內(nèi)以類(lèi)似于介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)中的場(chǎng)模式傳輸。SIW具有與金屬矩形波導(dǎo)相似的傳輸特性，電磁波通過(guò)SIW時(shí)被限制在兩列孔間的區(qū)域，只能傳播TEn0模的電磁波，如圖2所示，因此可把矩形波導(dǎo)的相關(guān)理論運(yùn)用到SIW中。在保證p，d足夠小的情況下，能量的輻射損耗非常小(可以忽略)，于是等效矩形波導(dǎo)寬度Weff可近似表示為4:(1)Weff還受到參數(shù)d/p的影響，并得到了更為精確的公式5:(2)但在保證p/d<3和d/w<0。2的情況下，公式(3)

9、和(4)計(jì)算出的數(shù)值非常接近，因此可以完全用式(3)簡(jiǎn)化計(jì)算。圖1基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)圖圖2電磁波在等效矩形波導(dǎo)中的俯視圖3.2濾波器指標(biāo)濾波器的指標(biāo):通帶范圍為f0±2GHz，帶內(nèi)回波損耗大于15dB插入損耗小于2dB，鏡像頻率抑制度為大于30dB。3.3SIW濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)等效波導(dǎo)結(jié)構(gòu)濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程如圖3所示，根據(jù)所設(shè)計(jì)濾波器的指標(biāo)，選定如圖3所示的結(jié)構(gòu)，通過(guò)級(jí)聯(lián)采用模式匹配法推導(dǎo)出的各不連續(xù)單元的S參數(shù)，即可得到整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)的散射參數(shù)。利用模式匹配法6我們得到了得到濾波器的特性是X=(x1，x2，xn)的函數(shù)，即:(3)(4)其中Ls和Lr分別為濾波器的插入損耗和回波損耗

10、xi(i=1，3，5)分別為各級(jí)膜片的長(zhǎng)度，xi(i=2，4，6)分別為各級(jí)諧振腔長(zhǎng)度，為頻率采樣點(diǎn)。對(duì)濾波器傳輸函數(shù)的帶內(nèi)和帶外綜合考慮，選用常用的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)(5)式中M和N分別表示在濾波器通帶和阻帶內(nèi)的取樣點(diǎn)數(shù)目。L1、L2分別表示通帶內(nèi)的最大插入損耗以及阻帶內(nèi)的最小衰減。通過(guò)求該目標(biāo)函數(shù)的最小值可以實(shí)現(xiàn)對(duì)濾波器的優(yōu)化。圖3設(shè)計(jì)流程在普通波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用經(jīng)驗(yàn)公式(1)即可實(shí)現(xiàn)向SIW結(jié)構(gòu)的等效和過(guò)渡。選定波導(dǎo)內(nèi)填充介質(zhì)介電常數(shù)2.2，厚度0.78mm。首先確定SIW金屬化過(guò)孔的直徑和周期分別為0.2mm和0.76mm，則基片集成波導(dǎo)的寬度為4.76mm。在設(shè)計(jì)SIW濾波器

11、的輸入輸出轉(zhuǎn)換時(shí)，首先需要確定基片集成波導(dǎo)(SIW)等效普通波導(dǎo)的寬度和高度，從而獲得基片集成波導(dǎo)的等效阻抗，求得基片轉(zhuǎn)換器中靠近基片集成波導(dǎo)一側(cè)微帶的寬度，最終優(yōu)化得到的SIW濾波器的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。圖4鏡頻抑制濾波器j結(jié)構(gòu)模型3.4SIW濾波器仿真根據(jù)上述設(shè)計(jì)結(jié)果，應(yīng)用CST軟件對(duì)這種結(jié)構(gòu)的濾波器進(jìn)行了仿真，仿真模型如圖4所示，仿真結(jié)果如圖5所示，該濾波器插入損耗小于1dB，鏡像頻率抑制度為大于25dB。圖5鏡頻抑制濾波器仿真結(jié)果4.結(jié)論本文介紹了一種SIW濾波器在Ka波段接收前端的應(yīng)用，采用模式匹配法和等效經(jīng)驗(yàn)公式相結(jié)合完成了SIW濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，具有很高的設(shè)計(jì)精度，并且該濾波器具有

12、品質(zhì)因數(shù)高、易于設(shè)計(jì)、體積小、重量輕、容易加工、造價(jià)低和方便集成等優(yōu)點(diǎn)。仿真結(jié)果表明該濾波器具有優(yōu)良的特性。5.參考文獻(xiàn)1薛良金，毫米波工程基礎(chǔ)，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，20042張玉林?；刹▽?dǎo)傳播特性及濾波器的理論與實(shí)驗(yàn)研究D。東南大學(xué)博士論文，20053L.Gao,Y.Y.Huang.Extinctionpropertiesofacoatedspherecontainingaleft-handedmaterial.OpticsCommunications,2004,239(1-3):25-314CASSIVIY,WUK.DispersionCharacteristicsofSubstrateIntegratedRectangularWaveguideJ.IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2002,12(9):33323355XuFeng,WuKe,HongWei.DomainDecompositionFDTDAlgorithmCombinedWithNumericalTLCalibrationTec