基于SIW的5G FR2频段窄带滤波器设计*

2021-10-18 07:35严小黑慕文静
科技创新与应用 2021年29期
关键词:输入输出基片谐振腔

严小黑,慕文静

(广西民族师范学院 数理与电子信息工程学院,广西 崇左532200)

随着第五代(5G,Fifth Generation)移动通信技术的快速发展,5G工作频段从FR1频段过渡到FR2频段是必然趋势[1]。滤波器作为通信系统射频前端的重要器件,承担着频率选择的关键作用,其性能对通信系统的传输效果有着非常重要的影响[2]。基片集成波导(SIW,Substrate Integrated Waveguide)结构具有成本低、损耗低、易于平面集成和制作等优点,为设计高性能的5G FR2频段滤波器提供了一种非常有效的解决途径[3]。本文针对应用于5G FR2频段中的滤波器,基于基片集成波导技术,采用耦合矩阵综合法设计了一款位于中心频率25GHz、带宽4%的窄带滤波器。

1 耦合矩阵法设计基片集成波导滤波器基本流程

根据设计指标中的中心频率,确定每一个谐振腔的大小;选择合适的输入输出结构,确定输入输出结构的尺寸;进行双腔模式耦合系数提取和单腔模式外部品质因数提取,确定耦合窗口的大小;将得到的带通滤波器各个部分连接起来,得到滤波器的整体结构,对整体结构进行仿真、优化,减小或消除误差,从而得到最优解。

2 基片集成波导滤波器的设计

2.1 滤波器的耦合矩阵

采用CAD软件Couplefil计算滤波器所需的耦合矩阵,Couplefil是采用传统切比雪夫特性计算耦合矩阵的。根据设计指标要求为中心频率25GHz、相对带宽4%、通带内插入损耗小于1dB、回波损耗大于15dB,并且为了减少后续的优化时间,将回波损耗提高为25dB。由Couplefil计算可知,采用四阶滤波器可达到设计指标要求。本设计采用平面直线型的滤波器结构,没有实现交叉耦合,滤波器响应为一般切比雪夫特性,由Couplefil得到其耦合矩阵为:

上式为相对带宽FBW归一化的耦合矩阵,本设计的滤波器FBW=4%=0.04,根据:

将式(1)转换为用实际谐振腔间耦合系数和输入输出端口外部Q值表示的耦合矩阵为:

2.2 单个谐振腔尺寸的提取

图1所示为采用基片集成波导建立的谐振腔模型,其中基板材料为Rogers RT/duroid 5880(相对介电常数εr=2.2),厚度为0.508mm,基片集成波导的宽度为w,长度为L,金属孔直径为d,横向相邻两孔间距为P1,纵向相邻两孔间距为P2,初取d=0.6mm、P1=P2=1mm,根据基片集成波导的等效宽度和长度公式

图1 基片集成波导谐振腔模型

及基片集成波导谐振腔谐振频率与尺寸的关系式

试算出基片集成波导的长度和宽度尺寸约为6mm,故初取w=L=6mm。在HFSS中对该模型按本征模进行仿真,将P1做为变量,提取出谐振腔谐振频率与P1的变化关系曲线,如图2所示。

图2 谐振腔谐振频率-P1关系曲线

由图2可知,当P1=1.05mm时,谐振频率为25GHz,单个谐振腔的尺寸确定为:w=6mm、L=6.3mm、d=0.6mm、P1=1.05mm、P2=1mm。

2.3 谐振腔间耦合系数的提取

谐振腔间耦合系数的提取方法主要有两种,分别是电壁、磁壁提取法和双模提取法,在此采用双模提取法,其具体做法是在HFSS中建立两个谐振腔的耦合模型,Number of Modes设为2,一次仿真可得到两个谐振频率f1和f2,则耦合系数为

采用上述单个谐振腔尺寸创建双腔耦合模型,如图3所示,其中耦合窗口尺寸由dx进行控制。

图3 双腔耦合模型

在HFSS中对该模型按本征模进行仿真,将dx作为变量,提取出谐振腔间耦合系数与dx的变化关系曲线,如图4所示。

由图4可知,dx=0.828时,耦合系数与耦合矩阵中的耦合系数0.0309相对应,dx=0.769时,耦合系数与耦合矩阵中的耦合系数0.0416相对应。

图4 耦合系数-dx关系曲线

2.4 输入输出结构尺寸的提取

信号需要通过输入结构输入滤波器,滤波后的信号需要通过输出结构进行输出,输入输出结构尺寸主要通过输入输出端口外部Q值来进行确定。输入输出端口外部Q值也即谐振腔带负载时的有载品质因数,下面均用Qe来表示。由于设计的滤波器输入输出线均采用50欧姆特性阻抗的微带线,所以输入输出Qe值应相等。输入输出结构的形式有多种,具体包括直接过渡、凸型过渡、凹型过渡和锥型过渡,此处采用凹型过渡结构。Qe的提取方式有单端加载和双端加载两种,在此采用双端加载方法。

在HFSS中建立如图5所示的双端加载模型,尺寸由w0、n、m、dw确定,其中w0=1.579mm(50欧姆阻抗微带线宽度)、n=0.35mm、dw=0.7mm,将m作为变量,仿真模型的S21参数,根据

图5 双端加载模型

计算出相应的Qe。不同m值对应的S21曲线如图6所示,Qe随m的变化关系曲线如图7所示。根据图7及耦合矩阵中的外部Qe=18.831,初步确定m=0.75mm。

图6 双端加载模型S21曲线

图7 Qe-m关系曲线

2.5 滤波器整体结构设计与优化

根据上述提取的尺寸,设计出完整的四阶滤波器模型,如图8所示,初步结构尺寸如表1所示。

图8 完整的四阶滤波器模型

表1 滤波器初步结构尺寸

仿真得到其S11、S21参数曲线,如图9所示。从图可以看出,滤波器的中心频率约为24.3GHz,低于所要求的25GHz,这是由于谐振腔间的耦合会引入一定的电抗,从而导致中心频率向低频方向偏离,可以通过减小谐振腔尺寸即减小P1尺寸来调高其中心频率。同时通带内的插入损耗、回波损耗均未达到设计要求,可以通过调整耦合窗口、输入输出结构来进行优化。

图9 滤波器初步结构尺寸对应的S11/S21曲线

经过多次优化后,最终确定滤波器结构尺寸如表2所示。仿真得到其S11、S21参数曲线,如图10所示。从图可以看出,滤波器的中心频率约为25GHz,3db带宽为1.3GHz,滤波器通带内插入损耗小于1dB,回波损耗大于15dB,25GHz±3GHz处带外抑制大于35dB,其性能指标基本达到设计目标。

表2 滤波器最终结构尺寸

图10 滤波器最终结构尺寸对应的S11/S21曲线

3 结论

采用耦合矩阵综合法进行滤波器的设计,首先提取了单个谐振腔尺寸、谐振腔间耦合系数及输入输出结构尺寸,然后进行了滤波器整体结构设计与优化。设计了位于5G FR2频段、中心频率25GHz、带宽4%的基片集成波导窄带滤波器。滤波器通带内插入损耗小于1dB,回波损耗大于15dB,25GHz±3GHz处带外抑制大于35dB。该款滤波器总体性能良好,在5G FR2频段具备一定的应用前景。

猜你喜欢
输入输出基片谐振腔
用于微波干燥的矩形和圆柱形谐振腔仿真分析
离子注入机直线加速器原理
提高烟草基片松厚度的研究进展
Si和316L基片上TiN薄膜微观结构和应力的对比分析
蓝宝石衬底基片平整加工专利分析
W波段分布作用速调管的设计和实验研究
输入输出理论在大学英语听说课堂中的教学探索
输入输出理论在高中英语教学中的应用
输入输出视角下高职英语教学研究
基于输入输出交互理论的高中英语读写课