《電子技術應用》
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波導帶通濾波器與微帶轉換裝置的設計
電子設計工程
陳憲龍,羅 勇
摘要: 利用三維仿真軟件HFSS首先設計了K波段7階電感E面帶通波導濾波器,以及波導微帶轉換器,其中波導濾波器的中心頻率為19GHz,帶寬為3GHz,帶內損耗小于0.1dB,端口反射小于-20dB;而波導-微帶的轉換器在16~20.8GHz的帶寬內端口反射小于-20dB,帶內損耗小于0.1dB。然后將兩者有效結合為一體,其工作帶寬為17.5~20.5GHz,帶內損耗為0.3dB,端口反射小于-15dB,帶外抑制小于-30dB,可以滿足實際系統應用的需求。
Abstract:
Key words :
0 引言

    隨著毫米波技術在現代無線通信系統中的廣泛應用,對各種高性能毫米波集成電路的需求也日益增長。微帶線是現有毫米波集成電路中十分重要的傳輸線形式,各個MMIC單片主要采用微帶線相連接。而濾波器則是現代電子通信系統中的一個必不可少的環(huán)節(jié)——選頻網絡。其中,波導濾波器因具有損耗低、高Q值的優(yōu)點而廣泛用于微波中繼通信、雷達、天饋系統等。

    在波導和微帶中傳輸射頻信號必須通過波導-微帶的過渡裝置來完成。因此,設計寬頻帶、低損耗的波導-微帶的轉換裝置,是十分必要的,具體的轉換方式主要為以下三種形式:脊鰭轉換結構;波導-同軸-微帶線轉換結構;波導-微帶探針轉換結構。對于前兩種轉換方式,波導和微帶處于同一方向,所占空間較大;而對于第三種轉換方式,波導與微帶相互正交,具有無需焊接,安裝方便,而且所占空間較小的優(yōu)點,從而成為MMIC電路設計中常用的一種方式。

    本文通過電感膜片耦合的方式構成寬帶帶通波導濾波器,然后設計了波導一微帶轉換裝置,將兩者組成一個整體,在HFSS仿真軟件中得到了較理想的參數。

1 理論分析

1.1 電感膜片濾波器

    薄電感窗的示意圖如圖1所示,兩塊金屬膜片分別置于矩形波導(a×b)縱截面的兩側,其厚度為t,窗口面積為bxd。

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    本文利用模式匹配法對電感膜片波導濾波器進行了分析,將分析結果應用到網絡綜合過程中,可直接得到電感膜片的尺寸和腔體的長度。然后利用網絡變換公式,可以計算S21的理論參考值:

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    式中K21j,j+1為傳統網絡綜合方法計算出的阻抗變換器的參數。

    當電感膜片的厚度t固定不變,膜片的寬度a變化時,由模式匹配法計算出中心頻率處S21的值,當S21和理論相值匹配時,所對應的膜片寬度a就確定了。

    波導諧振器長度的計算:

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    式中θ1和θ2是諧振器兩邊膜片在中心頻率處S11的相位。

1.2 波導-微帶轉換器

    E面探針方式的波導-微帶轉換器如圖2所示。探針通過在波導面的開窗(Wc×h)深入波導內,開窗尺寸既要利于裝配又要盡量小,以減少對波導傳輸性能的影響,同時形成的波導截止頻率應在工作頻率之外。本文采用兩段寬帶分別為W3和W2的探針,探針與50 Ω微帶線之間引入一段長度L1約為λ/4的匹配段。

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2 系統技術參數

2.1 波導濾波器

    中心頻率:19 GHz;帶寬:3 GHz;帶內損耗:0.5 dB;帶外抑制:30 dB;端口反射參數:小于-15 dB。

2.2 波導-微帶轉換器

    工作帶寬:要求大于波導濾波器的工作帶寬;帶內損耗:0.5 dB;端口反射參數:小于-20 dB。

2.3 組合裝置

    中心頻率:19 GHz;帶寬:2 GHz;帶內損耗:0.5 dB;帶外抑制:20 dB;端口反射參數:小于-15 dB。


3 系統設計

3.1 波導濾波器的設計

    根據帶外抑制參數要求,本文將波導濾波器的階數設計為7階,其結構如圖3所示。根據要求的工作帶寬,選取標準波導WR42(10.668 mm×4.318 mm)。

    利用網絡匹配方法可以給出設計尺寸,然后利用HFSS仿真軟件進行模擬優(yōu)化,經過大量的計算得到最終優(yōu)化尺寸,如表1所示。

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    模擬計算結果如圖4所示,圖中工作帶寬為17.5~20.5 GHz,帶內損耗小于0.1 dB,端口反射小于-20 dB。優(yōu)化后計算結果達到了技術要求。
 

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3.2 波導-微帶轉換器的設計

    本文在仿真軟件HFSS中對轉換器建模,并對參數進行了優(yōu)化分析。波導的尺寸同樣采用WR42標準波導,介質基板選用介電常數為3.48的Rogers 4350B材料,其厚度為0.76 mm,微帶線的厚度為0.035 mm。利用ADS2009軟件中的LineCalc工具,可以計算出50 Ω微帶線在中心頻率為19 GHz的寬度約為1.79 mm。軟件優(yōu)化后的尺寸如表2所示,優(yōu)化結果如圖5所示。從圖5中可以看出在16~20.8 GHz的帶寬內,端口反射參數小于-20 dB,帶內損耗小于0.1 dB,完全符合技術要求。

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3.3 組合裝置的設計

    將上述設計的波導濾波器和波導-微帶轉接器組合在一起,其HFSS模型如圖6所示,對波導-微帶轉接器與最近的電感膜片的距離進行優(yōu)化。當距離為6 mm時,模擬計算結果最佳,如圖7所示,其中心頻率為19 GHz,工作帶寬為17.5~20.5 GHz,帶內損耗為0.3 dB,端口

反射小于-15 dB,帶外抑制小于-25 dB。

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4 結論

    本文利用仿真軟件分別設計了K波段波導濾波器,以及波導一微帶轉換裝置,兩者都具有損耗小,端口反射小等優(yōu)點,最后將兩者有效組合在一起。組合裝置經優(yōu)化后得到了較小的損耗系數與端口反射系數,同時具有選頻特性,很好地滿足了實際應用需求。

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