基片集成波导滤波器在Ka 波段接收前端的应用

1、基片集成波导滤波器在Ka波段接收前端的应用李艳莉（电子科技大学成都学院 电子信息工程系 成都 611731）摘要：基片集成波导(Substrate Integrated WaveguideSIW)是一种新型的高品质因数、低损耗集成波导结构，可以广泛应用于微波毫米波集成电路中。本文介绍了基片集成波导（SIW）滤波器在Ka波段接收前端的应用，该滤波器结构简单，成本低廉，便于加工，适合批量生产。仿真结果验证了模式匹配法的精确性和经验公式的可靠性。关键词：基片集成波导 镜频抑制滤波器 接收前端The Application of SIW Filter on Ka-band Receiver Front

2、-endLi YanliDepartment of Electronic Information Engineering， ChengDu College of University of Electronic Science and Technology of China， Chengdu， 611731Abstract: Substrate Integrated Waveguide is a new integrated waveguide structure with high-Q factor, low loss, so it can be widely used in millime

3、ter wave integrated circuits. The Application of SIW Filter on Ka-band Receiver Front-end is presented in this article. Such filter with simple structure and low cost can easily be fabricated in large scale. The results of measurement and simulation testified t he precision of MMM and the reliabilit

4、y of experimental formula.Key Words: substrate integrated waveguide(SIW) , Image frequency rejection ratio filter, Receiver front-end1. 引言随着无线通信技术的迅猛发展，系统工作频率已经开始向毫米波波段延伸，毫米波设备的开发也越来越受重视，然而传统的用于设计微波无源器件的电路结构(如金属矩形波导、微带线等)各有利弊1。金属波导具有品质因数(Q)高、便于设计等优点，但体积大，造价高，不便用于现代微波集成电路(MIC)及单片微波集成电路(MMIC)的集成和封装;微带

5、线等共面电路结构虽然可用于大规模的生产，但辐射损耗大，很难达到设计要求。而基片集成波导(SIW)技术结合了微带线和金属矩形波导的优点，它能被集成在用于有源集成电路的同一块基片上，因此正被广泛应用于微波平面电路中。SIW是一种人工集成的波导结构由两排线性排列的金属通孔或者销钉嵌入同一基片构成，也可由金属壁集成在基片中构成2。本文用SIW设计了一种带通滤波器，该滤波器在通带内产生两个传输极点，通带左侧出现了一个传输零点，从而改善了阻带效果，增强了窄带滤波器的实用性。2. 毫米波接收前端工作原理和一体化集成设计本文中的Ka波段接收前端方案如图1所示，整个系统是基于混合集成技术由平面传输线制作而成的，

6、把具有不同功能的单片器件（MMIC）集成在一个平面的传输线上，来组成满足接收功能的子系统模块，设计的关键技术包括Ka波段低损耗波导-微带探针过渡、收发隔离开关、低噪声放大器、镜频抑制滤波器、谐波混频器、本振放大器和功率分配器的一体化平面集成，整个前端组件具有体积小，重量轻，可靠性高的特点。该接收前端集成了三个接收通道，从天线接收到的三路频率为的毫米波射频信号由标准BJ320波导口进入Ka波段接收前端，首先经过波导-微带转换使毫米波信号从波导过渡到平面的微带传输线上，再通过收发隔离开关后被低噪声放大器放大，为了抑制镜像频率给接收系统带来的干扰，要经镜频抑制滤波器，再经一级低噪放放大后，最后进入谐

7、波混频器；同时高稳定的频率为的本振源信号经SMA接头也进入Ka波段接收前端，由三路等分功分器分为三路本振信号再经放大器放大，进入谐波混频器与射频信号进行下变频，混频产生的频率为的中频信号由SMA输出。图1 Ka波段接收前端原理框图在本方案中，由于选择采用二次谐波混频器来实现，优点有：1)可以省掉二倍频器，节省电路空间；2)降低电源功耗，热量下降，可靠性增加，结构简单。 本方案中的镜频抑制滤波器采用SIW带通滤波器，优点有：品质因数高、易于设计、体积小、重量轻、容易加工、造价低和方便集成。3. SIW带通滤波器的设计和仿真3.1 SIW的理论计算SIW是由上下两层金属面、中间的填充介质以及左右两

8、排金属化通孔构成3，如图1所示。两排金属化通孔的中心间距为w，金属化通孔的直径和间距分别为d和p，介质基片的厚度和介电常数分别为h和r。基片集成波导上下表面的金属层构成了波导的两个宽边，两排金属孔构成了波导的窄边，电磁波在介质基片上下金属面和两排金属化通孔所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导中的场模式传输。SIW具有与金属矩形波导相似的传输特性， 电磁波通过SIW时被限制在两列孔间的区域， 只能传播TEn0 模的电磁波， 如图2所示，因此可把矩形波导的相关理论运用到SIW中。 在保证p ，d 足够小的情况下，能量的辐射损耗非常小(可以忽略) ，于是等效矩形波导宽度Weff 可近似表示为4

9、: (1)Weff还受到参数d/p的影响，并得到了更为精确的公式5: (2)但在保证p/d<3和d/w<0。2的情况下，公式(3)和(4)计算出的数值非常接近，因此可以完全用式(3)简化计算。 图1 基片集成波导结构图 图2 电磁波在等效矩形波导中的俯视图3.2 滤波器指标滤波器的指标:通带范围为f0±2GHz ， 带内回波损耗大于15 dB插入损耗小于2dB，镜像频率抑制度为大于30dB。3.3 SIW滤波器的优化设计等效波导结构滤波器优化设计的流程如图3 所示，根据所设计滤波器的指标，选定如图3 所示的结构，通过级联采用模式匹配法推导出的各不连续单元的S参数，即可得到

10、整个滤波器结构的散射参数。利用模式匹配法6我们得到了得到滤波器的特性是X =( x1 ， x2 ， ，xn ) 的函数，即: (3) (4)其中Ls和Lr 分别为滤波器的插入损耗和回波损耗xi(i =1，3，5)分别为各级膜片的长度，xi(i=2，4，6) 分别为各级谐振腔长度，为频率采样点。 对滤波器传输函数的带内和带外综合考虑， 选用常用的优化目标函数 (5)式中M和N分别表示在滤波器通带和阻带内的取样点数目。L1 、L2 分别表示通带内的最大插入损耗以及阻带内的最小衰减。 通过求该目标函数的最小值可以实现对滤波器的优化。 图3 设计流程在普通波导滤波器结构参数的基础上，利用经验公式(1)

11、即可实现向SIW结构的等效和过渡。选定波导内填充介质介电常数2.2 ，厚度0.78 mm。首先确定SIW金属化过孔的直径和周期分别为0.2 mm和0.76 mm，则基片集成波导的宽度为4.76 mm。在设计SIW滤波器的输入输出转换时，首先需要确定基片集成波导(SIW)等效普通波导的宽度和高度，从而获得基片集成波导的等效阻抗，求得基片转换器中靠近基片集成波导一侧微带的宽度，最终优化得到的SIW滤波器的结构图如图4所示。图4 镜频抑制滤波器j结构模型3.4 SIW滤波器仿真根据上述设计结果， 应用CST软件对这种结构的滤波器进行了仿真，仿真模型如图4所示，仿真结果如图5所示，该滤波器插入损耗小于

12、1dB，镜像频率抑制度为大于25dB。图5 镜频抑制滤波器仿真结果4. 结论本文介绍了一种SIW滤波器在Ka波段接收前端的应用，采用模式匹配法和等效经验公式相结合完成了SIW滤波器的优化设计，具有很高的设计精度，并且该滤波器具有品质因数高、易于设计、体积小、重量轻、容易加工、造价低和方便集成等优点。仿真结果表明该滤波器具有优良的特性。5. 参考文献1 薛良金，毫米波工程基础，哈尔滨工业大学出版社，20042 张玉林。基片集成波导传播特性及滤波器的理论与实验研究D。东南大学博士论文，20053 L.Gao,Y.Y.Huang. Extinction properties of a coated

13、sphere containing a left-handed material. Optics Communications,2004,239(1-3):25-314 CASSIV I Y, WU K. Dispersion Characteristics of Substrate Integrated Rectangular WaveguideJ.IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2002, 12(9):33323355 Xu Feng,Wu Ke, Hong Wei. Domain Decomposition FDTD Algorithm Combined With Numerical TL Calibration Technique and