基于齿状缺陷地的宽阻带交叉耦合SIW滤波器.pdf

第4 6卷 第2期压 电 与 声 光V o l.4 6 N o.22 0 2 4年4月P I E Z O E L E C T R I C S&A C OU S T OO P T I C SA p r.2 0 2 4 收稿日期:2 0 2 3-1 2-2 8 基金项目:中央高校基本科研业务费专项基金资助项目(2 0 1 9 G F 1 2)作者简介:佘金川(1 9 9 3-),男,江苏省南京市人,工程师,硕士生。文章编号:1 0 0 4-2 4 7 4(2 0 2 4)0 2-0 1 7 9-0 5D O I:1 0.1 1 9 7 7/j.i s s n.1 0 0 4-2 4 7 4.2 0 2 4.0 2.0 0 8基于齿状缺陷地的宽阻带交叉耦合S I W滤波器佘金川1,吴志强1,王 凯1,陈耀忠1,陈 言1,李正雄1,张 胜2(1.北方信息控制研究院集团有限公司,江苏 南京 2 1 1 1 5 3;2.中国矿业大学信息与控制工程学院,江苏 徐州 2 2 1 1 1 6)摘 要:提出了一种齿状缺陷地低通传输线结构,该低通传输线由多级齿状缺陷地构成,通过调节齿状缺陷地枝节长度,可以有效调节低通和阻带频率范围。利用该齿状缺陷地结构,级联交叉耦合扇形基片集成波导(S I W)滤波器,该文设计了一款高带外抑制的宽阻带滤波器,与传统S I W带通滤波器相比,其矩形系数K4 0 d B=2,阻带范围大于2倍的中心频率,具有较好的通带和阻带选择特性。测试结果表明,滤波器的中心频率为1 0.3 5 GH z,3 d B和4 0 d B带宽分别为5 0 7 MH z和1.0 5 GH z,插入损耗优于1.4 7 d B,与仿真结果基本一致。关键词:缺陷地结构;基片集成波导;交叉耦合;滤波器;宽阻带中图分类号:T N 3 8 4 文献标识码:AW i d e S t o p b a n d C r o s s-C o u p l e d S I W F i l t e r B a s e d o n T o o t h-S h a p e d G r o u n d D e f e c tS H E J i n c h u a n1,WU Z h i q i a n g1,WA N G K a i1,C H E N Y a o z h o n g1,C H E N Y a n1,L I Z h e n g x i o n g1,Z H A N G S h e n g2(1.N o r t h e r n I n f o r m a t i o n C o n t r o l R e s e a r c h I n s t i t u t e G r o u p C o.,L t d,N a n j i n g 2 1 1 1 5 3,C h i n a;2.S c h o o l o f I n f o r m a t i o n a n d C o n t r o l E n g i n e e r i n g,C h i n a U n i v e r s i t y o f M i n i n g a n d T e c h n o l o g y,X u z h o u 2 2 1 1 1 6,C h i n a)A b s t r a c t:A l o w-p a s s t r a n s m i s s i o n l i n e s t r u c t u r e w i t h m u l t i-l e v e l,t o o t h-s h a p e d d e f e c t s i s p r o p o s e d.T h e l o w-p a s s f r e q u e n c y a n d a t t e n u a t i o n-b a n d r a n g e c o u l d b e e f f e c t i v e l y a d j u s t e d b y v a r y i n g t h e l e n g t h o f t h e b r a n c h o f a t o o t h-s h a p e d d e f e c t.A w i d e-s t o p b a n d f i l t e r w i t h h i g h o u t-o f-b a n d s u p p r e s s i o n w a s d e s i g n e d b y c a s c a d i n g c r o s s-c o u p l e d f a n-s h a p e d S I W f i l t e r s u s i n g t h i s t o o t h-s h a p e d d e f e c t g r o u n d s t r u c t u r e.C o m p a r e d t o t r a d i t i o n a l S I W b a n d p a s s f i l-t e r s,t h e r e c t a n g u l a r c o e f f i c i e n t,K4 0 d B,h a d a v a l u e o f t w o,a n d t h e s t o p b a n d r a n g e w a s g r e a t e r t h a n t w i c e t h e c e n-t e r f r e q u e n c y,d e m o n s t r a t i n g g o o d p a s s b a n d a n d s t o p b a n d s e l e c t i o n c h a r a c t e r i s t i c s.T h e t e s t r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e f i l t e r s c e n t e r f r e q u e n c y w a s 1 0.3 5 GH z,w i t h 3 d B a n d 4 0 d B b a n d w i d t h s o f 5 0 7 MH z a n d 1.0 5 GH z,r e s p e c t i v e l y.T h e i n s e r t i o n l o s s w a s b e t t e r t h a n 1.4 7 d B,w h i c h w a s c o n s i s t e n t w i t h t h e s i m u l a t i o n r e s u l t s.K e y w o r d s:D G S s t r u c t u r e;s u b s t r a t e i n t e g r a t e d w a v e g u i d e;c r o s s-c o u p l e d;f i l t e r;w i d e s t o p b a n d0 引言基片集成波导(S I W)滤波器具有高通特性,能够传输高于截止频率的基模和高次模,但这种全波响应特性使得S I W滤波器具有较窄的阻带。为了能够实现S I W滤波器较好的带阻特性,专家学者们通过构造正负耦合路径在通带外产生传输零点1-3来实现滤波器的高带外抑制特性,但这些交叉耦合带通滤波器仅能提高通带边沿的带阻特性,其阻带带宽仍然较窄,无法抑制高次谐波。为了实现滤波器的宽阻带特性,在文献4-5 中,通过增加其他传输线结构,有效提高了滤波器的阻带宽带,但阻带宽度仅能抑制一次谐波。在文献6-8 中,多级缺陷地具有较好的低通和带阻特性,能够抑制高次模式,但整体尺寸较大。因此,综合考虑滤波器边带抑制、阻带带宽和结构尺寸等因素,本文提出了一种齿状缺陷地传输线结构,利用其低通和带阻特性设计了一款宽阻带的S I W带通滤波器。提出的缺陷地低通传输线能够在不增加结构面积的基础上,压 电 与 声 光2 0 2 4年有效抑制S I W带通滤波器的一、二次谐波,其阻带范围大于2倍中心频率,实现了滤波器的宽阻带特性。同时,本文引入S型槽线结构产生了一条负耦合路径,通过交叉耦合的方式在滤波器带外产生了4个传输零点(T Zs),有效地提升了带通滤波器的边沿抑制效果,矩形系数K4 0 d B=2。1 实验1.1 齿状低通传输线设计与分析图1(a)为提出的齿状缺陷地(D G S)低通传输线结构,该传输线由3个级联的一阶H型D G S和微带传输线组成,具有低通传输特性。图1(b)为采用了3阶切比雪夫低通滤波器原型作为齿状缺陷地传输线的等效电路,查表有元件值g0=g4=1.0,g1=g3=0.6 7 9 8 6,g2=1.1 7 7 0 21 0。图1 齿状缺陷地图2为齿状缺陷地每个谐振点的等效电路。等效电路中的电容、电感9-1 0分别为Ci=12 Z0gifcf20-f2c(1)Li=14 2f20C(2)式中:Z0=5 0 为标准阻抗;f0为谐振点中心频率,fc为低通滤波器的截止频率。图2 齿状缺陷地每个谐振点的等效电路如图3(a)所示,采用H F S S进行验证,测量齿状缺陷地传输线结构的低通截止频率为2 0.1 GH z,谐振点频率分别为1 2 GH z,1 7.8 GH z。如图3(b)所示,随着齿状缺陷地枝节长度l的增加,滤波器的低通截止频率不断降低,阻带频率范围也随之改变。图3 滤波器仿真S参数1.2 交叉耦合S I W滤波器设计与分析图4分别为四阶交叉耦合S I W带通滤波器的仿真结构图、等效电路图以及滤波器的耦合拓扑图。图4 交叉耦合滤波器081第2期佘金川等:基于齿状缺陷地的宽阻带交叉耦合S I W滤波器如图4(a)所示,四阶交叉耦合滤波器分别由4个S I W谐振腔、2个共面波导、3个耦合窗及一对S槽线组成,其中心频率由扇形S I W谐振腔决定。如图4(b)所示,设计的滤波器等效电路分别由4个L C谐振电路、2个匹配电阻Z0、3个正耦合阻抗(Z1 2、Z2 3、Z3 4)及1个负耦合阻抗Z1 4组成。如图4(c)所示,四阶交叉耦合带通滤波器具有S-1-2-3-4-L和S-1-4-L两条传输路径,其中S-1-2-3-4-L为正耦合路径,S-1-4-L为负耦合路径,正耦合路径形成通带,正负耦合路径相位相差1 8 0,在通带外产生零点。根据正向设计方法,设计的滤波器采用对称四极点高选择滤波器原型,查表有基本元件值g0=g5=1.0,g1=g4=0.9 5 9 7 4,g2=g3=1.4 2 1 9 2,J1=-0.2 1 0 8 3,J2=1.1 1 7 6 91 0。依照设计指标,四阶滤波器的通带中心频率为1 0.3 GH z,带宽为5 0 0 MH z。其相对带宽F BW、谐振腔间耦合系数Mi,j和外部品质因数Qe9-1 0分别为F BW=ff0(3)Qe=g0g1F BW(4)M1,2=M3,4=F BWg1g2(5)M2,3=F BWJ2g2(6)M1,4=F BWJ1g1(7)依照式(3)-(7),结合仿真参数四阶交叉耦合带通滤波器的耦合矩阵为00.8 3 300000.8 3 300.7 2 90-0.1000.7 2 900.6 6 700000.6 6 700.7 2 900-0.100.7 2 900.8 3 300000.8 3 30 根据获得的耦合矩阵提取Mi,i+1和Qe,则图4(b)中的等效电路参数值9-1 0:C=Qew0Z(8)L=Z0w0Qe(9)Zi,i+1=Z0QeMi,i+1(1 0)式中:L,C为谐振电路的电感和电容;0为中心角频率;Z0=5 0 为匹配阻抗;Zi,i+1为耦合阻抗。如图5所示,采用H F S S仿真工具进行验证,带通滤波器S参数滤波器中心频率为1 0.3 5 GH z,插损为1.3 5 d B,带宽为5 1 0 MH z,带外共用4个传输零点(T Z1-T Z4),该滤波器具有较好的频率选择特性,但阻带仍较窄。图5 带通滤波器仿真S参数1.3 整体滤波器设计如图6所示,利用齿状缺陷地的低通特性和交叉耦合S I W滤波器的带通特性,通过结构叠加的方式设计了一款高带外抑制的宽阻带滤波器。该滤波器的工作频率为1 0.3 5 GH z,分数带宽为4.8%,图6 滤波器结构图181压 电 与 声 光2 0 2 4年4个传输零点分别位于5.9 GH z、9.9 GH z、1 1 GH z和1 1.5 GH z,4 0 d B矩形系数SF9-1 0为SF=f4 0 d Bu-f4 0 d Blf3 d Bu-f3 d Bl(1 1)式中:f4 0 d Bu,f4 0 d Bl分别为4 0 d B衰减处的上、下边沿频率;f3 d Bu,f3 d Bl分别为3 d B衰减处的上、下边沿频率。由式(1 1)可得SF=2。选用 介 质 为R o g e r s R T/d u r i o i d 6 0 0 6(r=6.1 5,r=1,t a n=0.0 1 9)、厚度h=0.6 3 5 mm的板材进行加工和指标测试,加工尺寸如表1所示。表中,Re f f为谐振腔等效半径。表1 滤波器的尺寸mmL1L2L3L4L5W1W2W38.4 21.413.9 61.8 80.8 60.20.2W4W5W6W7W8dRe f fh10.10.20.40.20.10.59.4 5 0.6 3 52 实验结果与讨论图7为高带外抑制宽阻带4阶交叉耦合S I W滤波器的仿真、实测数据及实物图。由图7(a)可知,仿真数据与实测数据较吻合。滤波器的测试结果表明,通带中心频率为1 0.3 5 GH z,3 d B和4 0 d B带宽分别为5 0 7 MH z和1.0 5 GH z,矩形系数为2,通带插入损耗优于1.4 7 d B,回波损耗优于2 0 d B,并且其阻带带宽为2.3f0,能够抑制一次、二次谐波分量。同时,滤波器在带外产生了4个传输零点(T Z1-T Z4),带外抑制优于3 5 d B。受加工精度的影响,滤波器实测、仿真结果存在误差,图7(b)为滤波器加工实物。图7 高带外抑制宽阻带4阶交叉耦合S I W滤波器的仿真、实测数据及实物图表2为本文滤波器与国内外相关滤波器的性能比较。由表可见,设计的滤波器具有损耗低、频率选择性高、宽阻带以及高阶谐波抑制的优点。表中,g为谐振腔波长,I L为插入损耗,T Zs为传输零点。表2 高抑制滤波器比较文献衰减带尺寸/g层数f0/GH zI L/d BT Zs矩形系数122f01.21.214.52.743f01119.70.422 0 d B;f0;2 0 d B;2.3f01111 0.3 51.4 7423 结束语本文提出了一种齿状缺陷地低通传输线结构,该传输线结构在不增加面积的基础上有效地实现了交叉耦合S I W带通滤波器的宽阻带特性。设计的滤波器具有高带外抑制和宽阻带的特点,与传统 S I W 滤波器相比,该滤波器的4 0 d B矩形系数为2。同时,采用S槽线结构,在带外产生了4个传输零点,带外抑制水平优于3 5 d B,滤波器具有较好的带外抑制效果。本文设计的滤波器可应用于微波集成电路。参考文献:1 MA R T I N T,GH I OT T O A,VUON G T H,e t a l.C o m p a c t q u a s i-e l l i p t i c a n d h i g h l y s e l e c t i v e A F S I W f i l-t e r w i t h m u l t i l a y e r c r o s s-c o u p l i n gJ.I E E E MT T-S I n t e r n a t i o n a l M i c r o w a v e S y m p o s i u m(I M S),2 0 1 9,6:281第2期佘金川等:基于齿状缺陷地的宽阻带交叉耦合S I W滤波器2-7.2 L E E B,L E E G,L E E J.T w o-l a y e r e d c r o s s-c o u p l e d p o s t-l o a d e d S I W f i l t e r w i t h m i c r o s t r i p p o r t sJ.I E E E T r a n s a c t i o n s o n C i r c u i t s a n d S y s t e m s,I I.E x p r e s s b r i e f s,2 0 2 3,4.7 0(4):1 3 4 6-1 3 5 0.3 Z HU F,HONG W,CHE N J X,e t a l.C r o s s-c o u p l e d s u b s t r a t e i n t e g r a t e d w a v e g u i d e f i l t e r s w i t h i m p r o v e d s t o p b a n d p e r f o r m a n c eJ.M i c r o w a v e a n d W i r e l e s s C o m p o n e n t s L e t t e r s,I E E E,2 0 1 2,2 2(1 2):6 3 3-6 3 5.4 GU L i n,D ON G Y u a n d a n.C i r c u l a r p a t c h r e s o n a t o r l o a d e d c o m p a c t S I W f i l t e r w i t h h a r m o n i c s u p p r e s s i o nJ.I E E E MT T-S I n t e r n a t i o n a l W i r e l e s s S y m p o s i u m(I WS),2 0 2 2,8:1 2-1 5.5 Z HU Y i l o n g,D ONG Y u a n d a n.S t r i p l i n e r e s o n a t o r l o a d e d c o m p a c t S I W f i l t e r s w i t h w i d e s u p p r e s s i o n a n d f l e x i b l e r e s p o n s eJ.I E E E M i c r o w a v e a n d W i r e l e s s C o m p o n e n t s L e t t e r s,2 0 2 0,5.3 0(5):4 6 5-4 6 8.6 B OUT E J D A R A,B E NNAN I S D.I m p r o v e m e n t o f l o w p a s s a n d b a n d p a s s f i l t e r c h a r a c t e r i s t i c s u s i n g C r o s s-D G S-r e s o n a t o r s,l o g a r i t h m i c s e r i e s a n d c o u p l i n g m a t r i x m e t h o d sC/F e z,M o r o c c o:2 0 1 7 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n W i r e l e s s T e c h n o l o g i e s,E m b e d d e d a n d I n t e l l i g e n t S y s t e m s(W I T S),2 0 1 7,4:1 9-2 0.7 E l-HA L A B I H,a b o u-c h a h i n e S,KA D D OUR D,e t a l.D G S-S M S c o m p a c t f i f t h o r d e r l o w p a s s f i l t e rC/G e n o a,I t a l y:2 0 1 7 I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n H i g h P e r f o r m a n c e C o m p u t i n g&S i m u l a t i o n(HP C S),2 0 1 7,7:1 7-2 1.8 WE N Z h e n g l i n,HAN Y u n a n,S u n X i a o y u,e t a l.D e-s i g n o f m i n i a t u r i z e d l o w-p a s s f i l t e r w i t h i m p r o v e d K o c h f r a c t a l D G SC/B e i j i n g:2 0 1 7 I E E E 5 t h I n t e r-n a t i o n a l S y m p o s i u m o n E l e c t r o m a g n e t i c C o m p a t i b i l i t y(EMC-B e i j i n g),2 0 1 7,8:2 8-3 1.9 P O Z A R D M.M i c r o w a v e E n g i n e e r i n gM.3 r d.e d.N e w Y o r k,U S A:W i l e y,2 0 0 4:1 1 5-1 1 6.1 0HON G J S,L AN C A S T E R M J.M i c r o s t r i p f i l t e r s f o r R F/m i c r o w a v e a p p l i c a t i o n sM.N e w Y o r k,NY,U S A:W i l e y,2 0 0 1.(上接第1 7 8页)1 2肖强,董加和,白涛,等.C u/1 5 Y X-L i N b O3 S AW 谐振器的横向模抑制研究J.压电与声光,2 0 2 2,4 4(2):2 0 2-2 0 4.X I AO Q i a n g,D ON G J i a h e,B A I T a o,e t a l.R e s e a r c h o n t r a n s v e r s e m o d e s u p p r e s s i o n o f C u/1 5 Y X-L i N b O3 S AW r e s o n a t o rJ.P i e z o e l e c t r i c s&A c o u s t o o p t i c s,2 0 2 2,4 4(2):2 0 2-2 0 4.1 3HA S H I MO T O K,WU Z,WU T,e t a l.R e v i s i t i n g p i s t o n m o d e d e s i g n f o r r a d i o f r e q u e n c y s u r f a c e a c o u s t i c w a v e r e s o n a t o r sC/M u n i c h,G e r m a n y:2 0 2 2 I E E E MT T-S I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n M i c r o w a v e A c o u s-t i c s a n d M e c h a n i c s(I C-MAM).I E E E,2 0 2 2:6 0-6 3.1 4S H I D i a n x i,L I U Y a n g y a n g,S ONG L i n n a,e t a l.F e-a EM:F e a t u r e e n h a n c e m e n t-b a s e d m e t h o d f o r w e a k l y s u p e r v i s e d s a l i e n t o b j e c t d e t e c t i o n v i a m u l t i p l e p s e u d o l a b e l sJ.C o m p u t e r S c i e n c e,2 0 2 4,5 1(1):2 3 3-2 4 2.1 5S O L A L M,G R A T I E R J,A I G N E R R,e t a l.T r a n s-v e r s e m o d e s s u p p r e s s i o n a n d l o s s r e d u c t i o n f o r b u r i e d e l e c t r o d e s S AW d e v i c e sC/S a n D i e g o,C A,U S A:2 0 1 0 I E E E I n t e r n a t i o n a l U l t r a s o n i c s S y m p o s i u m.I E E E,2 0 1 0:6 2 4-6 2 8.381