波导带通滤波器与微带转换装置的设计

2012-12-22 14:11:49来源: 电子设计工程
 引言
随着毫米波技术在现代无线通信系统中的广泛应用,对各种高性能毫米波集成电路的需求也日益增长。微带线是现有毫米波集成电路中十分重要的传输线形式,各个MMIC单片主要采用微带线相连接。而滤波器则是现代电子通信系统中的一个必不可少的环节——选频网络。其中,波导滤波器因具有损耗低、高Q值的优点而广泛用于微波中继通信、雷达、天馈系统等。
在波导和微带中传输射频信号必须通过波导-微带的过渡装置来完成。因此,设计宽频带、低损耗的波导-微带的转换装置,是十分必要的,具体的转换方式主要为以下三种形式:脊鳍转换结构;波导-同轴-微带线转换结构;波导-微带探针转换结构。对于前两种转换方式,波导和微带处于同一方向,所占空间较大;而对于第三种转换方式,波导与微带相互正交,具有无需焊接,安装方便,而且所占空间较小的优点,从而成为MMIC电路设计中常用的一种方式。
本文通过电感膜片耦合的方式构成宽带带通波导滤波器,然后设计了波导一微带转换装置,将两者组成一个整体,在HFSS仿真软件中得到了较理想的参数。

1 理论分析
1.1 电感膜片滤波器
薄电感窗的示意图如图1所示,两块金属膜片分别置于矩形波导(a×b)纵截面的两侧,其厚度为t,窗口面积为bxd。

a.JPG


本文利用模式匹配法对电感膜片波导滤波器进行了分析,将分析结果应用到网络综合过程中,可直接得到电感膜片的尺寸和腔体的长度。然后利用网络变换公式,可以计算S21的理论参考值:
b.JPG
式中K21j,j+1为传统网络综合方法计算出的阻抗变换器的参数。
当电感膜片的厚度t固定不变,膜片的宽度a变化时,由模式匹配法计算出中心频率处S21的值,当S21和理论相值匹配时,所对应的膜片宽度a就确定了。
波导谐振器长度的计算:
c.JPG
式中θ1和θ2是谐振器两边膜片在中心频率处S11的相位

1.2 波导-微带转换器
E面探针方式的波导-微带转换器如图2所示。探针通过在波导面的开窗(Wc×h)深入波导内,开窗尺寸既要利于装配又要尽量小,以减少对波导传输性能的影响,同时形成的波导截止频率应在工作频率之外。本文采用两段宽带分别为W3和W2的探针,探针与50 Ω微带线之间引入一段长度L1约为λ/4的匹配段。

d.JPG



2 系统技术参数
2.1 波导滤波器
中心频率:19 GHz;带宽:3 GHz;带内损耗:0.5 dB;带外抑制:30 dB;端口反射参数:小于-15 dB。
2.2 波导-微带转换器
工作带宽:要求大于波导滤波器的工作带宽;带内损耗:0.5 dB;端口反射参数:小于-20 dB。
2.3 组合装置
中心频率:19 GHz;带宽:2 GHz;带内损耗:0.5 dB;带外抑制:20 dB;端口反射参数:小于-15 dB。

3 系统设计
3.1 波导滤波器的设计
根据带外抑制参数要求,本文将波导滤波器的阶数设计为7阶,其结构如图3所示。根据要求的工作带宽,选取标准波导WR42(10.668 mm×4.318 mm)。
利用网络匹配方法可以给出设计尺寸,然后利用HFSS仿真软件进行模拟优化,经过大量的计算得到最终优化尺寸,如表1所示。

e.JPG


模拟计算结果如图4所示,图中工作带宽为17.5~20.5 GHz,带内损耗小于0.1 dB,端口反射小于-20 dB。优化后计算结果达到了技术要求。

f.JPG

 

3.2 波导-微带转换器的设计
本文在仿真软件HFSS中对转换器建模,并对参数进行了优化分析。波导的尺寸同样采用WR42标准波导,介质基板选用介电常数为3.48的Rogers 4350B材料,其厚度为0.76 mm,微带线的厚度为0.035 mm。利用ADS2009软件中的LineCalc工具,可以计算出50 Ω微带线在中心频率为19 GHz的宽度约为1.79 mm。软件优化后的尺寸如表2所示,优化结果如图5所示。从图5中可以看出在16~20.8 GHz的带宽内,端口反射参数小于-20 dB,带内损耗小于0.1 dB,完全符合技术要求。

g.JPG


3.3 组合装置的设计
将上述设计的波导滤波器和波导-微带转接器组合在一起,其HFSS模型如图6所示,对波导-微带转接器与最近的电感膜片的距离进行优化。当距离为6 mm时,模拟计算结果最佳,如图7所示,其中心频率为19 GHz,工作带宽为17.5~20.5 GHz,带内损耗为0.3 dB,端口
反射小于-15 dB,带外抑制小于-25 dB。

h.JPG



4 结论
本文利用仿真软件分别设计了K波段波导滤波器,以及波导一微带转换装置,两者都具有损耗小,端口反射小等优点,最后将两者有效组合在一起。组合装置经优化后得到了较小的损耗系数与端口反射系数,同时具有选频特性,很好地满足了实际应用需求。

关键字:波导  滤波器  微带转换

编辑:Gem 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2012/1222/article_17859.html
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