K波段宽带带通滤波器的设计文献综述

 2022-09-26 05:09

文献综述(或调研报告):

对基于SIW技术的滤波器而言,高性能和小型化是其发展目标,与其它相关技术或结构相结合是其发展的重要方向。目前,与SIW结合应用的相关技术或结构有:光子带隙结构、共面波导、缺陷地结构、左手材料等。随着新材料、新技术、新工艺的不断涌现,基于SIW技术的滤波器设计也会不断发展,一些较新的滤波器理论也必将应运而生。

早期的SIW滤波器是利用波导不连续性产生的电感效应制作而成,传统的波导通常是利用单脊变双脊、金属通孔等方法实现不连续性,其中,采用金属通孔的形式实现不连续性在SIW的设计中较为常见。2003年,加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授运用在SIW腔体中加入有序排列的金属化通孔的方法,在厚度为0.787mm的Rogers RT/Duroid 5880(tm)介质板上实现了Ka波段切比雪夫滤波器的设计[1]。2005年,东南大学洪伟教授和郝张成教授将周期性EBG结构的带阻特性和SIW结构的高通特性相结合,成功实现了滤波器的超带宽和小尺寸的优点,最终,在厚度为0.5mm的Rogers RT/Duroid 5880(tm)基片上完成了中心频率为10GHz、相对带宽为35.9%的SIW-EBG滤波器设计。此外,该作者还进一步将EBG结构级联在SIW金属底面形成了缺陷地结构(Defected Ground Structure,DGS),实现了中心频率为11.75 GHz、相对带宽为55.3%的SIW-DGS滤波器设计[2]。缺陷地结构最早是在1999年由J.I.Park等专家在电磁带隙(Electromagnetic Band Gap,EBG)结构的前提上提出的,该结构是一类非常适合设计在SOP中的微波无源器件和互连的新型微波集成技术。DGS单元是通过在微波电路的接地金属板上蚀刻各种形状的图形从而达到影响地面电流效应的目的,这样就能够产生谐振单元,和别的传输线一块形成左手传播、快慢波、带隙等良好的工作特性,以此来达到大幅度地减小电路尺寸和提高器件抑制性能的目的。DGS虽然是由EBG演变过来的,但是却优于EBG,主要表现如下:

  1. DGS单元比EBG单元的图形更具有复杂多样性。
  2. DGS单元的个数比EBG的少,甚至可以只采用一个单元。
  3. DGS单元能够等效成较为简单的RLC并联谐振电路,具有低通效应,使得更加容易对其进行分析与设计。

到目前为止,DGS被广泛的应用到陡峭边带LPF的设计当中,设计方法主要分为三类:增加刻蚀的DGS单元、使用特殊的腐蚀单元、加载齿线。

文献[3]提出并论证了一种具有中等分数带宽和改进阻带性能的基片集成波导带通滤波器,该滤波器适用于Ka波段卫星地面终端。采用高阶模态在超大SIW腔内提供的非物理交叉耦合,产生远离通带的有限传输零点,从而改进阻带性能。滤波器的不同的输入/输出拓扑被讨论用于广泛的阻带应用。设计考虑包括设计方法、滤波器结构和公差分析。两个四阶滤波器,通带为19.2-21.2GHz,在单层Rogers RT/Duroid 6002衬底上使用金属化通孔的线性排列标准化印刷电路板工艺。两个滤波器的测量结果与模拟结果非常吻合,带内插入损耗为0.9dB,在29.5-30GHz之间的阻带衰减高于50dB。测量结果显示,在20℃到40℃之间通带几乎保持不变。

文献[4]提出了一种基于单层基片的基片集成波导(SIW)电磁混合耦合结构,该结构可用于设计具有更高频率选择性的微波滤波器。混合耦合是通过顶部金属平面上的三条槽线与相邻SIW腔之间的虹膜窗实现的。通过调整插槽线的尺寸和虹膜窗的宽度,可分别控制电磁铁耦合,可在通带下方或上方产生可控的传输零点。并对混合耦合结构进行了详细的分析。为了验证该结构的有效性,采用标准印制电路板工艺设计并制作了三阶和四阶交叉耦合广义切比雪夫带通滤波器。实验结果与仿真结果吻合较好。该滤波器结构简单,频率选择性好。

文献[6]提出了一种新型的双模基板集成波导滤波技术。双模设计是SIW滤波技术的一个重要发展方向。除明显减少空腔数外,还可提高设计的灵活性和性能。该结构具有传输零点个数最多、传输零点在通带一侧到另一侧灵活调整、SIW完整性和屏蔽性好等优点,在高集成度高性能电路中具有重要意义。但也存在传输零点数量不够多、传输零点在通带一端到另一端不进行调整、SIW完整性和屏蔽性被破坏、椭圆结构设计复杂度高等缺点。在传统双模SIW结构的基础上,进行了进一步的研究。对于SIW谐振腔,可以在通带的一侧或两侧获得多个传输零点。因此,双模SIW滤波器具有灵活的设计和高性能的响应。对具有准椭圆响应的双模SIW带通滤波器和具有非对称通道响应的双模SIW双工器进行了仿真、制作和测量,验证了该方法的有效性。

文献[7]研究了一种刻蚀在波导表面的具有方形互补裂环谐振器的基片集成波导。该结构允许在波导的特征截止频率以下传播前向波通带。通过改变包含在波导表面并可以用电偶极子解释的CSRRs的方向,可以观察到不同的通带特性。对通带的产生和变化作了详细的解释。阐述了该波导与CSRR组合技术在以传输零点为特征的微型化波导带通滤波器设计中的应用。由于使用了亚波长谐振器和倏逝波传输,这些滤波器具有高选择性和紧凑的尺寸。通过稍微改变CSRRs的结构,我们发现可以抑制模式的传播,并且可以得到选择性和阻带抑制的滤波器。为了验证所提出的概念,根据标准印刷电路板工艺制作了三种不同类型的滤波器。实测结果与仿真结果吻合较好。

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