（电磁场与微波技术专业论文）基于介质基片结构的微波无源器件的研究.pdf

摘要 基片集成波导( s u b r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，简称s i w ) 是一种近年内出 现的新型微波传输结构，可以广泛地应用于微波及毫米波电路中它综合了矩形波 导和微带线的一系列优点：和传统的矩形波导一样集成波导具有较高的品质因数 和很小的辐射损耗；而它又和微带线一样具有体积小、重量轻、容易加工和集成 等优点。基片集成波导的基本概念是利用基片的上下金属板和两排间隔一定距离 的金属孔构成波导的金属壁，这相当于内部填充了介质的矩形金属波导，所以能 够用矩形普通波导实现的结构也都可以用基片集成波导来实现，比如天线、滤波 器、功分器、定向耦合器、双工器等。 论文首先分析了基片集成波导与微带转换器的设计，给出了利用等效模型和 h f s s 软件相结合的微带渐变线转换器快速设计方法。将传统的波导滤波器设计 方法运用到基片集成波导结构，设计并加工测试了中心频率1 4 2 5 g h z ，相对带 宽3 5 的基片集成波导金属化通孔带通滤波器，同时将介质销钉引入基片集成 波导，设计了基片集成波导介质销钉带通滤波器。分析了基片集成波导h - t 和 e t 和双t 接头的特性，并对基片集成波导h - t 接头进行了加工测试。根据对基 片集成波导h - t 和e t 和双t 接头的分析，设计了基片集成波导魔t ，并讨论 了基片集成波导魔t 的特性和端口匹配，给出了匹配元件的设计方法。 关键词： 基片集成波导带通滤波器魔t a b s t r a c t s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s i w ) i san e wk i n do fm i c r o w a v et r a n s m i s s i o n l i n e i nt h e s ey e a r sw h i c hc a l lb ew i d e l yu s e di nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v e c i r c u i t t h es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d eh a sa d v a n t a g e so f b o t ho f t h er e c t a n g u l a r w a v e g u i d ea n dt h em i c r o s t r i p ，s u c ha s ：h i g hq ，l o wl o s sj u s tl i k er e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ；s m a l ls i z e ，l o wp r o f i l e ，l o wc o s t , e a s yt ob ei n t e g r a t e dl i k em i c r o s t r i p t h e b a s i cc o n c e p to fs i wi st h a ti tu s et h et o pa n db o t t o ml a y e r so fm e t a lt o g e t h e rw i t h t w or o wo fv i a si ta c t sl i k ear e c t a n g u l a rw a v e g u i d ef i l l e dw i t hs o m ed i e l e c t r i c s ，s o c o m p o n e n t sw h i c hc a l lh ec o m p o s e db yr e c t a n g u l a rw a v e g u i d ec a l la l s oc o m p o s e db y s i ws u c ha sa n t e n n a , f i l t e r , p o w e rd i v i d e r , c o u p l e r , d i p l e x e r t h i sd i s s e r t a t i o ni n t r o d u c e ds u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ea n dm i c r o s t r i p t r a n s i t i o n f i r s t l y , a n do f f e r e dak i n do ff a s td e s i g nm e t h o dw h i c hc o m b i n et h e e q u i v a l e n tm o d e l i n ga n dh f s ss o f t w a r e s e c o n d l y , b yt r a n s f e r r i n gt h ed e s i g nm e t h o d o f t h ec o n v e n t i o n a lw a v e g u i d ef i l t e rt ot h es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，t h i se s s a y d e s i g n e ds u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d em e t a l l i z e dv i ah o l eb a n d p a s sf i l t e ra tt h e c e n t e rf r e q u e n c yo f1 4 2 5 g h zw i t h3 5 r e l a t i v eb a n d w i d t ha n dt e s t e di t t h i sp a r t a l s od e s i g n e dan e wb a n d p a s sf i l t e rn a m e ds u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d ed i e l e c t r i c p o s tb a n a s sf i l t e rb yu s i n gd i e l e c t r i cp o s ti ns u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g n i d e t h e n a n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d eh - t ，e ta n dd o u b l e t e e ，a n dt e s tt h es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d eh - t f i n a l l y , s u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g n i d em a g i ct e ew a sd e s i g n e db a s e do nt h ea n a l y s i so fs u b s t r a t ei n t e g r a t e d w a v e g u i d eh - t e - ta n dd o u b l et e e , f o l l o w e db yd i s c u s s i n gt h ec h a r a c t e r i s t i ca n d m a t c h i n go f s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d em a g i c t e e k e y w o r d s ：s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e b a n a s sf i l t e rm a g l ct e e 独创性声明 本人声跟所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得或其他教育机构 的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学位论文作者签名：斗争竟签字日期：山渺7 年缈月哗日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解视久有关保留、使用学位论文的规定， 有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阕和 借阅本人授权堙镄酞扣以将学位论文的金部或部分内容编入有关数据库进行 检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存，汇编学位论文 ( 保密的学位论文毒解亨后适用本授权书叼 学位论文作者签名： 舟礼 导师签名：，一共 签字日期：乒神7 年午月铲日 签字日期： 上彬7 年中月 弘日 学位论文作者毕业去向：堙；酗合卜已古 工作单位：电话：o 嚣f j 3 7 ，多，弓 通讯地址： 鳓嘶捧姐，鹘邮编：2 姗5 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景及现状 1 1 1 本课题研究背景 十九世纪六十年代，麦克新韦在安培、奥斯特和法拉第等前人理论和实验的 基础上，建立了著名的m a x w e l l 方程组，奠定了电磁理论和微波技术的基础。在 之后的一百多年里，电磁技术和微波技术在工程中得到了广泛的应用。到了今天， 微波技术更成为当今国际的关键技术之一，其应用领域已经涉及电视、通信、无 线电广播、无线接入技术以及材料的无损探铡、医疗检查和治疗等诸多方面。 在所有这些应用中，导波结构都是具有重要作用的部件。各种导波结构可以 分为平面结构和非平面结构两大类，平面结构包括微带线，共面波导、槽线等等， 非平面结构包括矩形波导、同轴线、介质波导等等。现代信息技术对系统的集成 度、损耗等指标的要求越来越高。以使其易于批量生产平面结构非常适合系统 的混合集成，各种有源器件可以很容易地与微带线或共面波导互连互接，从而达 到很高的集成度，提高系统的整体性能。当然这种结构的缺陷也是显而易见的， 由于导体损耗、辐射损耗和介质损耗的存在，使得平面结构不适合工作在毫米波 波段，也无法构成高q 值的器件。限制了其在微波领域的发挥。另一方面，矩 形波导等非平面导波结构虽然可以构成性能很高的部件，但是由于体积过大以及 集成加工上的难度，很难广泛地应用到高集成度系统中。 为了更为紧凑和高效地集成微波、毫米波电路系统，解决上述矛盾，国际上 由吴柯教授提出并率先成功应用的基片集成技术，用金属通孔替代一些标准传输 线的金属侧壁，从而构成基片集成波导，这种波导能够很容易地被制作在介质基 片中。基片集成波导作为一种介于平面结构和非平面结构之间的导波结构，对设 计高性能、低损耗的微波集成电路具有重大意义! 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 1 1 2 本课题研究现状 基片集成波导的基本思想是在介质基片上用金属化通孔形成电壁，与上下金 属面一起构成类似于普通矩形波导的结构。这种结构能够在基片上实现矩形波导 传输线以及各种不连续性结构。目前，由基片集成波导所构成的部件已经有天线 【l 】- 2 1 、滤波器 3 1 - ”、功分器【8 】、定向耦合：器1 9 1 ，双工器【1 川等等。文献【l 】中在一块 基片上构造了一个4 x 4 的谐振式基片集成波导阵列天线，基片采用相对介电常 数为2 4 ，损耗角正切为0 ，0 0 1 的材料，基片厚度1 5 m m ，金属通孔的直径为 lm m 。通孔间距为2 m m ，每一个谐振单元由4 条与波导轴线等距的缝隙构成 谐振阵。该天线工作在i o g h z ，具有6 0 0 m h z 的工作带宽，方向性系数为1 5 7 d b 。 文献【4 】设计了一种切比雪夫滤波器，中心频率为2 8 g h z ，带内插损为l 矗8 ，回 波损耗1 7 d b 。文献【6 】则报道了一种双模滤波器，工作频率在2 6 g z ，带内插 损o 5 d b ，回波损耗1 5 d b 。文献【8 】中，s g e r m a i n 等人用实现了t 型和y 型功 分器，工作在k a 波段，t 型功分器回波损耗优于1 9 d b 的相对带宽达到1 0 2 ， 而y 型功分器回波损耗优于1 8 5 d b 的相对带宽为2 5 2 。文献【9 】实现了两种定 向耦合器，一种采用了普通波导中窄边缝隙耦合的概念，通过调整金属通孔问距 和共面波导耦合段的尺寸实现功率分配；另一种借用了波3d 8 电桥的概念，用 基片集成波导代替波导。最后通过实验测得窄边定向耦合器的耦合度为7 d b ， 隔离度大于l o d b ；分支定向耦合器的耦合度为9 d b ，隔离度也大于l o d b 。文 献【1 0 】实现c 波段的双工器，双工器的两个信道分别为5 2 9 g h z - 5 5 5 g h z 和 5 8 7 g h z “0 5 g h z 。在5 a 2 g h z 时，该双工器的插损为- 2 6 d b ，在5 9 6 g h z 时 它的插损为3 2 d b ，信道之间的问隔均小于5 0 d b 。由上可以看出，无论在理论 还是应用方面，这种新型的导波结构己经越来越受到重视。 1 2 主要研究内容和创新点 论文是基于介质基片机构的微波无源器件的研究，选择了基于基片集成波导 结构的微波滤波器和魔t 的研究设计，通过软件仿真和实际加工测量，给出设计 方法和设计实例。 2 第一章绪论 具体的研究内容和创新点体现在以下几个方面 曲提出了一种基片集成波导与微带线转换器的快速设计方法。在已有的设计 方法基础上，给出了利用等效模型和h f s s 软件相结合的基片集成波导- 微带转换器快速设计方法，并设计了一种凹型基片集成波导一微带转换器， 通过仿真，验证了可行性。 b ) 提出了基片集成波导介质销钉带通滤波器。参考经典的矩形金属波导金属 销钉带通滤波器的设计方法，将设计理念应用到基片集成波导上，设计出 了基于基片集成波导的金属化通孔带通滤波器，通过加工测量，证明了该 结构的可行性。同时，将介质销钉引入基片集成波导，设计了基片集成波 导介质销钉带通滤波器。 c ) 提出了由基片集成波导构成的魔t 。分析了基片集成波导 i - 1 接头、e - t 接头、双t 接头的特性和匹配。在此基础上，设计了基片集成波导魔t ， 通过仿真，证明了该结构的可行性，并分析了基片集成波导魔t 的特性和 端口匹配，给出了匹配元件的设计方法 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微渡无源器件的研究 第二章基片集成波导的传输 基片集成波导是通过在介质基片上的两排平行的金属化通孔阵列形成的一 种新型波导，此类波导的一个重要的性质是具有与传统波导类似的传播特性，诸 如品质因数高、易于设计等，同时较传统波导更为紧凑。具有体积小，重量轻、 易于加工和集成等优点。可以广泛的应用到微波及毫米波电路中。 2 1 基片集成波导与介质填充矩形波导的等效 图2 1 基片集成波导 图2 1 所示为基片集成波导示意图。图中介质基片的上下低面均为金属层， 在介质基片中相隔一定距离制作两排平行的金属化通孔，于是在上下金属面和两 排金属化孔之间就形成了一个类矩形波导的结构，称作基片集成波导。介质基片 的上下金属面可以看成是相应介质填充矩形波导的上下波导壁，两捧平行的金属 通孔构成了传统矩形金属波导的两个金属侧壁。当电磁波在两排金属图2 1 基片 集成波导结构图通孔中传输时，它的传输特性和波在传统矩形金属波导中的传输 特性相类似。所以可以在传统的介质填充矩形金属波导和基片集成波导之间建立 相对应的关系，将基片集成波导器件的设计转化为传统矩形金属波导器件的设 计，从而大大减少设计时间和问题的复杂度。 第二章基片集成波导的传输 图2 2基片集成波导及等效介质填充矩形波导 基片集成波导和传统介质填充矩形金属波导之间的等效经验公式为“l 扣磊+ f 靠 q d d 3 一 l 其中 , 轰= 1 0 1 9 8 - t 。五0 3 4 6 5 p 己：- 0 1 1 8 3 一! ：! ! ! ! “ 旦一1 2 0 1 0 p 毒3 = 1 0 0 8 2 一甄0 9 1 6 3 a r w g2 aa ( 2 2 ) ( 2 3 ) 上式中，a 代表基片集成波导两排平行的金属化通孔圆心之间的距离，d 为 金属化通孔的直径，p 为相邻两个金属化通孔圆心之间的距离。口。即为等效 介质填充的矩形金属波导的宽度。 基片集成波导内传输的主模为t e j 。模，当7 e 。o 波在基片集成波导中传输时， 由于侧壁是由金属通孔相隔一定距离排列所构成，不再是连续的金属壁，必然为 基片集成波导引入额外的辐射损耗。为了将辐射损耗控制在可以接受的范围内， 则必须研究参数p 和d 对损耗的影响关系。文献【4 】、【1 l 】给出了在设计基片集成 波导时，为了获得较好的传输特性，必需满足以下条件： 旦 纠后衰减无限大。为阻带。其中称为截至频率。事实上， 如此理想的特性是无法实现的，只不过力图逼近此曲线而已。根据所选逼近函数 的不同，而有不同的响应，常见的有最平坦型、切比雪夫型、椭圆函数型等。本 文按最常用的切比雪夫型设计滤波器。 _ 为翻藏 蕊1 = g o l 二目一刚 二卫 6 p 1 2 匦日 8 为稍矬_ 为搿藏 ( b ) 图3 , 2 双终端低通原型滤波器结构图 图3 2 所示的为一种双终端低通原型滤波器的梯形电路，g 。、g 。，g ：，x 及繇，其中晶是电路中各元件的数值，它们由微波网络综合法求得。简单来说， 第三章基片集成波导带通滤波器的设计 微波网络综合方法首先是把传输系数确定为复平面上的函数，由此求出复平面上 的输入阻抗。然后把该输入阻抗表示成连分数或者部分分式，从而得出电路元件 的数值。 图3 2 中的两种低通原型电路互为等价电路。在实际设计中，通常都把低 通原型的元件数值对g o 归一化，即g o = 1 ，叫= l 。这种归一化原型很容易变 换成其它阻抗水平和频率标度的滤波器。 由归一化的元件值求元件的真实值，只需进行反归一化处理即可，其中要用 到等衰减条件。所谓等衰减条件，是指在进行阻抗归一化和频率归一化过程中要 保持网络的衰减不变。要保持衰减不变，则应保持网络各臂的阻抗不变，或等比 例变化。即频率归一化前串联阻抗、并联阻抗应和频率归化后的串联阻抗、并 联阻抗相等。 3 1 3 切比雪夫低通原型滤波器 图3 3 所示的响应通带有规律性的起伏，且幅度相等，称之为等波纹响应， 也叫做切比雪夫响应。 切比雪夫滤波器的衰减特性函数可以表示为 删= l o l o g l o | + s c 0 $ 2 卜4 ( 珈划 三胗，= l o i o g l o 1 + c c o s h2 p ，“协， 训o ( 铡一l 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 式中l a ，是通带内的最大衰减值。如果式( 3 1 ) 中行为偶数，则在响应内l = 0 的频率有三个，如果一为奇数，则在响应内l = o 的频率有孚个。 对于图3 2 所示的两端都接有电阻的双终端切比雪夫低通原型滤波器，设 其通带波纹为上。，g o = 1 ，由：= 1 ( 归一化) ，则其他各元件数值可以用下式 来计算 式中 g o = 1 蜀= 等 颤；盟七= 2 ，3 ，n ( 3 - 2 ) 吃一l g k - t f 1 为奇数 g h2 l c o t h 2 1 1 1 肋偶数 川n ( c 砌志) 心讪去 铲s ；n 百( 2 k - 1 ) 口r ，b k = y 2 + s i l l 2 ( 爿捌加， 3 1 4 阻抗变换和导纳变换与低通原型滤波器元件的关系 一般来说，在推导带通、带阻等滤波器的设计公式时，为了便于实现需要把 电感和电容所构成的低通原型，变换成只有种电抗元件( 电感或电容) 的等效 电路。这可以借助于阻抗变换器或导纳变换器来实现。 一个理想的阻抗变换器，就好像在所有频率上特性阻抗都是足的i “波长线 那样，因此，如果阻抗变换器一端接阻抗乙，则另一端所看到的阻抗乙为 ”2 乙= 等，其定义如图3 4 所示。 1 4 第三章基片集成波导带通滤波器的设计 一 j r i j 1 z 。i p 竺q 图3 4 阻抗变换器的定义 这样，图3 2 ( a ) 低通原型就可转换成有阻抗变换器量所构成的低通原型， 如图3 5 所示 l k 蚺 卜 糙，k ， 酝 图3 5 只有一种电抗元件的低通原型 图3 5 中阻抗变换器置。j + j 与图3 2 ( a ) 中g j 的关系为 舻、匾 vg o g l t 川j i i l = 足 * l = 上式中也，b 、三口l ，l 2 三。是任意选定的。 同理，可知导纳变换器的设计公式为 厶：、f 盟 vg o g i 以川i t 十h = = 慝 ( 3 - 3 ) ( 3 - 4 ) r 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 上式中吼、g b 、c 。、巳：c 。是任意选定的 3 1 5 频率变换 如果将低通原型滤波器衰减的频率变量缈经过适当的变换，就有可能得到 以新的频率口为变量的衰减特性，用它们来表示高通、带通、带阻等类型滤波器。 这种方法叫频率变换，与的关系式叫变换式。以下仅说明低通到带通的频 率变换。 设低通原型的频率变量为脚，带通滤波器的频率变量为国，如图3 6 所示。 由于= 0 的点，变换成脚= 的点；彩= o o 的点变换成甜= 0 和6 0 - - - - o o 的点， 故由低通到带通的变换式应为 出等( 云一爿 s ， 式中 ， 形= 8 ) 2 - - 8 ) i = 5 瓦 形是带通滤波器的相对带宽，是通带中心频率，脚。为下边带频率，吐为 上边带频率。 图3 6 低通原型响应及其相对应的带通滤波器响应 第三章基片集成波导带通滤波器的设计 3 2 基片集成波导感性金属通孔滤波器的设计 3 2 1 基片集成波导中加载感性金属通孔的分析 由第二章我们知道，基片集成波导可以等效为介质填充的矩形金属波导。则 我们可以将复杂基片集成波导中加载感性金属通孔等效为介质填充的矩形金属 波导加载感性金属销钉来分析。基片集成波导中感性金属通孔的等效分析模型可 以由图3 7 所示结构表示。 图3 7 基片集片集成波导中金属通孔的等效分析模型 矩形波导中的感性金属销钉可以等效为由集总元件构成的丁型网络，根据基 片集片集成波导中金属通孔的等效分析模型，基片集成波导中的金属通孔同样可 以等效为由集总元件构成的r 型网络，如图3 8 所示，芡电抗元件k 、以的值 可以通过以下公式求得( 分两种情形) 【2 ”。 a ) 感性金属通孔位置偏离宽边中心( 兰笔坚一x ) 长度 c a ) 横截面 j 】( aj 轴 ( b ) 俯视( c ) 等效电踌 图3 8 金属通孔及其等效电路 安徽大学硕士学位论文一基于介质基片结构的微波无源器件的研究 砉一老= 薏c 2 乏 瓯一( 割2 一( 剖2 ( 跏t 旦a r w gq ) 2 上式中 墨。 z o 驯n ( 鲁s 妯丢卜砰景+ ：争2 嚣 驴圭c o t 薏一如若詈；n ”金属通孔位于宽边中心( 工= ! 笋) ( 3 6 ) ( 3 7 ) l 一_ 一 鲁一老= 薏 岛一2 一虱5 期4 一射( 是啦刳2 协s ， 上式中 丛。一q r w g z o a z ( 搿 t + ；( 萼 2 i s 2 + 习 驴，n ( 誓) _ 2 + ”n - s j 1 _ i 珂 ( 3 9 ) 竺| l ：ik 旦 第三章基片集成波导带通滤波器的设计 驴t n ( 铡旦3 f 。, 一2 a r w o ) 2 一2 喜，矧2 公式( 3 - 6 ) 一( 3 - 9 ) 在以下条件可以获得较精确的等效。 妄 五 2 唧 生( 0 2 ( 3 1 0 ) 口r 0 2 l 0 8 3 2 2 带通滤波器的综合设计 带通滤波器的设计，通常是从已知设计指标出发，将带通滤波器转换到低通 等效模型来设计。整个滤波器的设计方法可以大致分为以下几步 1 带通滤波器模型到低通等效原型的转换 分别用r 、e 、e 和e 表示带通滤波器的中心频率、下边频、上边频和止 带频率，它f f 】对应的波导波长为 砧= ( 3 1 1 ) 上式中丑= 竿m ，2 ，s ，长度单位为删，频率单位为蚴。 则相对频率。，和相对带宽w 分别为： 。：垃 以o ( 3 1 2 ) 2 阻抗变换器的计算 用，和t 分别表示滤波器的通带衰减和止带衰减，则滤波器的级数可以 掣 2 一w # ， x 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 由式( 3 1 3 ) 计算，而原型滤波器的归一化电导g 。值可以由式( 3 - 2 ) 计算。 = a r c c o s h x ， 按照滤波器理论，所需的x 变换为 巧w = + l j = 1 n + 1 一竺 ，= 2 ，3 ， 2 | 、 g - i g ( 3 1 3 ) ( 3 - 1 4 ) 3 等效电路的计算 由图3 8 所示的t 型网络构成的滤波器的k 交换为 = l 伽降+ 一】 式中 西f = 一a r c t a n ( 2 x a + x 0 一a r c t a n x 日 j = 1 ，2 ，n + i 其中髟- ，是销钉直径d 的函数将( 3 1 4 ) 、( 3 1 5 ) 两式联立，即可确定销 钉直径的大小。从这 r + 1 个方程中解出d ，并按照公式 与= 等 t + 扣帆) i = l 2 , - - , n ( 3 - 1 6 ) 计算出销钉的间距，则带通滤波器的设计即告完成。 3 2 3 基片集成波导感性金属通孔滤波器的设计实例 为了便于加工和测试，我们在x 波段上利用基片集成波导感性金属通孔结 构实现了以下指标的带通滤波器。 滤波器指标；中心频率为1 4 2 5 g h z ，通带范围为1 4 g h z - 1 4 5 g h z ( 相对带 五机 第三章基片集成波导带遁滤波器的设计 宽为3 5 ) ，带内插入损耗小于1 船，带内波动小于o 1 稆，抑制度( 1 g h z ) 不小于2 0 r i b 的带通滤波器。 材料选择：介质基片选为r o g e r sr t d u r o i d6 0 0 2 ，厚度h = o 7 6 2 m m ，其相 对介电常数占，= 2 9 4 ，损耗角正切t a n 万= o 0 0 1 2 。 滤波器设计：由滤波器指标，根据3 1 4 节所述综合方法，可以计算出带通 滤波器的节数和低通原型滤波器的电导值 n = 3 ，g o = l ，g i - - 0 8 7 9 4 ，8 2 = 1 1 1 3 2 ，9 3 印8 7 9 4 ，9 4 。l ， 然后按照滤波器理论，由k 变换逐步计算得到滤波器参数。以下分别针对等 直径的偏置金属通孔和宽边中心金属通孔两种情况设计满足指标的滤波器。 曲等直径偏置金属通孔 图3 9 基片集成波导偏置金属通孔带通滤波器结构图 表3 1 基片集成波导偏置金属通孔滤波器结构尺寸( 相对带宽3 。5 ) 厶 8 6 4 m m f 2 6 m m a9 r a m 厶 7 8 9 m m 工 2 2 m m p 1 6 r a m o f f s e t 1 7 3 r a m 1 9 8 m md0 ，8 n u n d1 2 m m 根据以上综合得到的滤波器结构尺寸，利用a n s o f t 公司基于有限元方法 2 l 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 ( f e m ) 开发的商业软件h f s s 进行数值计算，得到该带通滤波器的s 参数曲线， 如图3 1 0 所示。 f r 目嘲( o s t ) 图3 1 0 基片集成波导偏置金属通孔带通滤波器s 参数 由上图可以看出，滤波器中心频率为1 4 2 5 g h z ，抑制度在1 3 2 5 g h z 和 1 5 2 5 g h z ，均大于2 0 d b ，计算结果与设计目标符合较好 b ) 宽边中心金属通孔 图3 1 l 基片集成波导金属通孔带通滤波器结构图 (日p)j8一口e已日疋 第三章基片集成波导带通滤波器的设计 表3 2 基片集成波导感性金属通孔滤波器结构尺寸( 相对带宽3 s ) 上i 8 6 6 4 3 m m 既， 2 6 m ma9 r a m 工2 7 8 0 2 7 m m 工 2 2 m m p 1 6 r a m d l 1 1 5 7 m m 1 9 9 r a md0 8 n u n d 2 0 2 9 1 r a m 根据以上综合得到的滤波器结构尺寸，我们用h f s s 进行数值计算，得到该 带通滤波器的s 参数曲线，如图3 1 2 所示。 f r c q u c n 斜( o 嘲 图3 1 2 基片集成波导金属通孔带通滤波器s 参数 3 2 4 基片集成波导感性金属通孔滤波器的加工测试 为了验证设计得正确性，我们按照表3 2 给出的滤波器设计参数加工了样品， 实物图如图3 1 3 所示，并采用安捷伦公司生产的h p 9 7 2 2 e t 矢量网络分析仪对 加工的基片集成波导带通滤波器进行测量，如图3 1 4 所示。 岔g-eloe芒l 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 图3 1 3 基片集成波导带通滤波器实物图 图3 1 4 基片集成波导带通滤波器测量结构图 第三章基片集成波导带通滤波器的设计 雹 b 誓 e 暮 乱 图3 1 5 基片集成波导带通滤波器测试和仿真结果 滤波器实测s 参数曲线如图3 1 5 所示。实测频率范围为1 3 g h z 1 5 5 g h z ， 中心频率为1 4 。2 5 g 弦，由测试结果可知，该滤波器的通带范围偏移了1 5 0 m h z ， 并且带内插入损耗较大。经过分析，我们认为原因如下 首先，加工的精确度需要进一步提高。测试的滤波器实际的加工精度只能达 到o 1m 珥，误差在o 1 掰掰之间。在放大镜下，我们可以观察到，在产生滤波 效果的不连续金属通孔的直径并不是刚好为i 2 m m ，而是有所偏差。同时由于 介质基片很薄( o 7 6 2 m m ) ，加工的平整度难以保证得很好，在加工较大金属通孔 时，由于介质基片的厚度很薄，容易引起局部的介质基片变形。 其次，还要考虑到测试因素，基片集成波导毫米波器件的测试和常用毫米波 波导器件的测试有较大区别，主要测试装置和测试设备等对测试结果影响较大。 由于没有探针台等较精密的测试设备，利用毫米波转接头测试基片集成波导毫米 波器件时，毫米波转接头裸露于空问，容易造成辐射损耗；另一方面测试装置的 安装非常重要，一点较小的偏差通常会对测试结果产生较大的影响。 最后，复合介质板本身也具有一定的不均匀性，如介质板损耗、导体损耗以 及表面的粗糙度等。 安徽大学硕士学位论文基于介质基片结构的微波无源器件的研究 3 3 基片集成波导介质销钉滤波器的设计 3 3 1 基片集成波导中加载介质销钉的等效模型分析 同前面一节中的基片集成波导中加载感性金属通孔的分析方法，我们将复杂 基片集成波导中加载介质销钉等效为介质填充的矩形金属波导加载介质销钉来 分析。所以基片集成波导中加载介质销钉的等效分析模型可以由图3 1 6 所示结 构表示。 图3 1 6 基片集片集成波导中介质销钉的等效分析模型 j 抽j 船 ( a ) 横截面( b ) 俯视( c ) 等效电路 图3 1 7 介质销钉及其等效电路 同样，基片集成波导中介质销钉的等效分析模型中介质销钉可以等效为由集 总元件构成的r 型网络，如图3 1 7 所示电抗元件j ，口、咒的值可以通过以下公 式求得障”。 茎三兰兰兰叁堕鎏曼要翌鎏垫墨塑堡盐 上式中 ( 3 - 2 7 ) 纽f 旦h 。：旦 ：坠：垄! ! ! 竖 ! ! 堑 ( 3 2 8 ) z o a 2 j t ( d ! 一一2 瓯乩( 誓s n 剖一2 景+ z 争2 嚣 同样，公式( 3 - 2 7 ) ( 3 - 2 8 ) 也存在一定的限制条件 旦 0 1 5 a r w g 0 2 l 0 8 口r 口r 鳓， 五 2 口脚 要口m 丑 。( x - - u r ，w g 2 a ) 詈口m 当电磁波由端口( 1 ) ，( 2 ) 反相输入时，在主基片集成波导中也将形成驻波，但 在端口( 3 ) 的对称面t 上形成电场驻波的波节点。此时，自端d o ) ，( 2 ) 输入的 波，在端口( 3 ) 中所产生的电场e 时同相的，叠加的