1、基片集成波導濾波器在Ka波段接收前端的應用    基片集成波導濾波器在Ka波段接收前端的應用李艷莉（電子科技大學成都學院電子信息工程系成都611731）摘要：基片集成波導(SubstrateIntegratedWaveguideSIW)是一種新型的高品質因數、低損耗集成波導結構，可以廣泛應用于微波毫米波集成電路中。本文介紹了基片集成波導（SIW）濾波器在Ka波段接收前端的應用，該濾波器結構簡單，成本低廉，便于加工，適合批量生產。仿真結果驗證了模式匹配法的精確性和經驗公式的可靠性。關鍵詞：基片集成波導鏡頻抑制濾波器接收前端TheApplicationofS

2、IWFilteronKa-bandReceiverFront-endLiYanliDepartmentofElectronicInformationEngineering，ChengDuCollegeofUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina，Chengdu，611731Abstract:SubstrateIntegratedWaveguideisanewintegratedwaveguidestructurewithhigh-Qfactor,lowloss,soitcanbewidelyusedinmillimeterwaveint

3、egratedcircuits.TheApplicationofSIWFilteronKa-bandReceiverFront-endispresentedinthisarticle.Suchfilterwithsimplestructureandlowcostcaneasilybefabricatedinlargescale.TheresultsofmeasurementandsimulationtestifiedtheprecisionofMMMandthereliabilityofexperimentalformula.KeyWords:substrateintegratedwavegu

4、ide(SIW),Imagefrequencyrejectionratiofilter,Receiverfront-end1. 引言隨著無線通信技術的迅猛發展，系統工作頻率已經開始向毫米波波段延伸，毫米波設備的開發也越來越受重視，然而傳統的用于設計微波無源器件的電路結構(如金屬矩形波導、微帶線等)各有利弊1。金屬波導具有品質因數(Q)高、便于設計等優點，但體積大，造價高，不便用于現代微波集成電路(MIC)及單片微波集成電路(MMIC)的集成和封裝;微帶線等共面電路結構雖然可用于大規模的生產，但輻射損耗大，很難達到設計要求。而基片集成波導(SIW)技術結合了微帶線和金屬矩形波導的優點，

5、它能被集成在用于有源集成電路的同一塊基片上，因此正被廣泛應用于微波平面電路中。SIW是一種人工集成的波導結構由兩排線性排列的金屬通孔或者銷釘嵌入同一基片構成，也可由金屬壁集成在基片中構成2。本文用SIW設計了一種帶通濾波器，該濾波器在通帶內產生兩個傳輸極點，通帶左側出現了一個傳輸零點，從而改善了阻帶效果，增強了窄帶濾波器的實用性。2. 毫米波接收前端工作原理和一體化集成設計本文中的Ka波段接收前端方案如圖1所示，整個系統是基于混合集成技術由平面傳輸線制作而成的，把具有不同功能的單片器件（MMIC）集成在一個平面的傳輸線上，來組成滿足接收功能的子系統模塊，設計的關鍵技術包括Ka波段低損

6、耗波導-微帶探針過渡、收發隔離開關、低噪聲放大器、鏡頻抑制濾波器、諧波混頻器、本振放大器和功率分配器的一體化平面集成，整個前端組件具有體積小，重量輕，可靠性高的特點。該接收前端集成了三個接收通道，從天線接收到的三路頻率為的毫米波射頻信號由標準BJ320波導口進入Ka波段接收前端，首先經過波導-微帶轉換使毫米波信號從波導過渡到平面的微帶傳輸線上，再通過收發隔離開關后被低噪聲放大器放大，為了抑制鏡像頻率給接收系統帶來的干擾，要經鏡頻抑制濾波器，再經一級低噪放放大后，最后進入諧波混頻器；同時高穩定的頻率為的本振源信號經SMA接頭也進入Ka波段接收前端，由三路等分功分器分為三路本振信號再經放大器放大，

7、進入諧波混頻器與射頻信號進行下變頻，混頻產生的頻率為的中頻信號由SMA輸出。圖1Ka波段接收前端原理框圖在本方案中，由于選擇采用二次諧波混頻器來實現，優點有：1)可以省掉二倍頻器，節省電路空間；2)降低電源功耗，熱量下降，可靠性增加，結構簡單。本方案中的鏡頻抑制濾波器采用SIW帶通濾波器，優點有：品質因數高、易于設計、體積小、重量輕、容易加工、造價低和方便集成。3. SIW帶通濾波器的設計和仿真3.1SIW的理論計算SIW是由上下兩層金屬面、中間的填充介質以及左右兩排金屬化通孔構成3，如圖1所示。兩排金屬化通孔的中心間距為w，金屬化通孔的直徑和間距分別為d和p，介質基片的厚度和介電常

8、數分別為h和r。基片集成波導上下表面的金屬層構成了波導的兩個寬邊，兩排金屬孔構成了波導的窄邊，電磁波在介質基片上下金屬面和兩排金屬化通孔所圍成的矩形區域內以類似于介質填充矩形波導中的場模式傳輸。SIW具有與金屬矩形波導相似的傳輸特性，電磁波通過SIW時被限制在兩列孔間的區域，只能傳播TEn0模的電磁波，如圖2所示，因此可把矩形波導的相關理論運用到SIW中。在保證p，d足夠小的情況下，能量的輻射損耗非常小(可以忽略)，于是等效矩形波導寬度Weff可近似表示為4:(1)Weff還受到參數d/p的影響，并得到了更為精確的公式5:(2)但在保證p/d<3和d/w<0。2的情況下，公式(3)

9、和(4)計算出的數值非常接近，因此可以完全用式(3)簡化計算。圖1基片集成波導結構圖圖2電磁波在等效矩形波導中的俯視圖3.2濾波器指標濾波器的指標:通帶范圍為f0±2GHz，帶內回波損耗大于15dB插入損耗小于2dB，鏡像頻率抑制度為大于30dB。3.3SIW濾波器的優化設計等效波導結構濾波器優化設計的流程如圖3所示，根據所設計濾波器的指標，選定如圖3所示的結構，通過級聯采用模式匹配法推導出的各不連續單元的S參數，即可得到整個濾波器結構的散射參數。利用模式匹配法6我們得到了得到濾波器的特性是X=(x1，x2，xn)的函數，即:(3)(4)其中Ls和Lr分別為濾波器的插入損耗和回波損耗

10、xi(i=1，3，5)分別為各級膜片的長度，xi(i=2，4，6)分別為各級諧振腔長度，為頻率采樣點。對濾波器傳輸函數的帶內和帶外綜合考慮，選用常用的優化目標函數(5)式中M和N分別表示在濾波器通帶和阻帶內的取樣點數目。L1、L2分別表示通帶內的最大插入損耗以及阻帶內的最小衰減。通過求該目標函數的最小值可以實現對濾波器的優化。圖3設計流程在普通波導濾波器結構參數的基礎上，利用經驗公式(1)即可實現向SIW結構的等效和過渡。選定波導內填充介質介電常數2.2，厚度0.78mm。首先確定SIW金屬化過孔的直徑和周期分別為0.2mm和0.76mm，則基片集成波導的寬度為4.76mm。在設計SIW濾波器

11、的輸入輸出轉換時，首先需要確定基片集成波導(SIW)等效普通波導的寬度和高度，從而獲得基片集成波導的等效阻抗，求得基片轉換器中靠近基片集成波導一側微帶的寬度，最終優化得到的SIW濾波器的結構圖如圖4所示。圖4鏡頻抑制濾波器j結構模型3.4SIW濾波器仿真根據上述設計結果，應用CST軟件對這種結構的濾波器進行了仿真，仿真模型如圖4所示，仿真結果如圖5所示，該濾波器插入損耗小于1dB，鏡像頻率抑制度為大于25dB。圖5鏡頻抑制濾波器仿真結果4.結論本文介紹了一種SIW濾波器在Ka波段接收前端的應用，采用模式匹配法和等效經驗公式相結合完成了SIW濾波器的優化設計，具有很高的設計精度，并且該濾波器具有

12、品質因數高、易于設計、體積小、重量輕、容易加工、造價低和方便集成等優點。仿真結果表明該濾波器具有優良的特性。5.參考文獻1薛良金，毫米波工程基礎，哈爾濱工業大學出版社，20042張玉林。基片集成波導傳播特性及濾波器的理論與實驗研究D。東南大學博士論文，20053L.Gao,Y.Y.Huang.Extinctionpropertiesofacoatedspherecontainingaleft-handedmaterial.OpticsCommunications,2004,239(1-3):25-314CASSIVIY,WUK.DispersionCharacteristicsofSubstrateIntegratedRectangularWaveguideJ.IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2002,12(9):33323355XuFeng,WuKe,HongWei.DomainDecompositionFDTDAlgorithmCombinedWithNumericalTLCalibrationTec