交叉耦合吸收滤波器的设计.doc

交叉耦合吸收滤波器的设计微波滤波器一般将电磁(EM)波从负载反射回信号源。但在有些情况下，例如要将反射波从输入中分离出来，以便保护信号源免受过高的功率。基于这个原因，已经开发出吸收滤波器以尽量减少反射。 图1表示了吸收滤波器的基本结构。这种类型的滤波器非常有用，其不仅是一个吸收滤波器，还是功率合成器或双工器。当仅有一个信号输入(端口1)时，端口2是吸收端口，而端口3是隔离端口。端口4是输出端口。当不同的输入信号作用于端口1和端口3时，该结构也可以作为一个信号合成器。最近，在微波和毫米波系统的波导应用中已经提出了基片集成波导(SIW)技术2,3。SIW由基片上的各种金属阵列组成。采用标准印制电路板(PCB)或低温共烧陶瓷(LTCC)基片来制造SIW器件。SIW技术具有一定的优势，例如高品质因数(Q)、低插入损耗、减小了体积、降低了成本，并易于与平面电路进行集成。因此，SIW技术广泛地应用于各种不同的滤波器以及双工器的设计。 在本文中，已经研制成功一种基于SIW技术的新型交叉耦合吸收滤波器。其具有锐选择性和高Q值，并易于与平面电路进行集成。本文中研发的3-dB两步混合耦合器与先前已出版的著作不同。这一3-dB混合耦合器具有良好的功率分配性能。该吸收滤波器采用标准PCB板进行制作，并且将实测数据与仿真结果进行比较后表明二者相差很小。很明显，以空气填充波导管变换的SIW与SIW-微带波导管变换相比可以提高功率并减小插入损耗。 例如，吸收滤波器常常用于将反射EM波从输入信号端口分离出来，从而保护该端口免于信号过载。吸收滤波器的结构(图1)也可用于其他应用。图1中的两个滤波器是一致的。 原则上，当EM波输入端口I(图2)时，在端口III只有输出信号。端口II和端口IV与端口I是隔离的。当信号由滤波器反射时，其都集中在端口II(图3)，而端口II的输入和反射信号是隔离的。 Atia和Williams首次开发出用于对称滤波器响应的通用切比雪夫滤波器耦合矩阵合成法。Amari开发出基于梯度的优化方法来合成通用切比雪夫滤波器的耦合矩阵。此处提出的滤波器耦合矩阵是通过基于梯度的方法进行提取的。三阶滤波器具有11,900MHz的中心频率以及22dB的回波损耗。带宽为220MHz。有限传输零点的位置在11,800MHz处。耦合矩阵和频率响应如图所示。在某些情况下，耦合矩阵出现负耦合。Rosenberg提出该负耦合可以通过采用具有H平面耦合窗口的高阶共振腔模式的变换特性(例如，TE102)来实现。 根据公式1矩阵中所示的归一化耦合矩阵，可以通过仿真获得耦合窗的尺寸。注意到谐振频率是不一样的，这是因为非对称频率响应。公式2为通过仿真得到耦合系数的计算公式。 其中：f0i=没有耦合窗的谐振器的谐振频率；fpi=有耦合窗的谐振器的谐振频率，i=1,2。 采用仿真软件来决定滤波器的最初尺寸，并且根据参考文献14的TE101主模式，由对应的谐振频率来决定SIW腔的尺寸： 其中：weff=SIW腔的等效宽度，而leff=SIW腔的等效长度。其表达式为： 其中：w=SIW腔的实际宽度；l=SIW腔的实际长度；d=金属通孔的直径；p=相邻金属孔之间的距离；c=光在自由空间的速度；mr=基片的相对磁导率；er=基片的相对介电常数。 TE102模式下腔的长度是TE101模式下的两倍。公式(4)也可用于计算TE101模式下腔的有效长度和宽度。 通过将两个相同滤波器和两个相同的3dB混合耦合器相结合来设计吸收滤波器。图5是其中一个3-dB混合耦合器的频率响应。从10.8到11.8GHz，端口1和端口2的回波损耗优于22dB。 图6是其中一个3-dB混合耦合器的尺寸。直接集成单个滤波器和混合耦合器所需过程进行优化以获得优良的性能。 仿真优化过程中，金属孔的半径并没有变化。只是两个金属孔中心之间的距离发生了改变。首先，当利用等效基片波导并且不采用金属孔来制作吸收滤波器时，利用由目前研究小组所开发的模式匹配方法来对吸收滤波器进行优化。然后，采用公式4中的长度和宽度进行变换后，利用Ansoft公司的高频结构仿真器(HFSS)EM软件对有金属孔的整体结构进行优化，以此消除金属孔的影响。 图6给出了经过优化之后所提出的交叉耦合SIW吸收滤波器的结构及其物理参数。0.5mm的金属孔直径没有任何变化。两个金属孔边缘之间的最小距离是0.8mm。所有尺寸指的是金属孔中心之间的距离。 采用标准PCB工艺来生产交叉耦合SIW吸收滤波器。其特点是无需进一步的调整。它采用Rogers公司的RT/Duroid5880基片材料(图7)。基片的相对介电常数为2.2，其厚度是0.254，损耗角正切()为0.0009。采用回波损耗优于20dB的宽频响应来设计SIW-微带锥形变换。图6表示了SIW-微带结构的尺寸。图8是仿真和实测结果的比较，两组数据之间具有良好的一致性。通带回波损耗的值都优于20dB。端口1反射信号的吸收水平在10.80到11.65GHz之间小于17dB。通带插入损耗约为5.8dB。 与传统滤波器相比，插入损耗似乎欠佳，这是由于它是许多滤波器的两倍，并且有来自其他端口的损耗。SMA和SIW-微带变换的损耗也包括在总合中。上述阻带表现出锐频率选择性。空气填充矩形波导SIW变换可用于减