利用HFSS分析Ka波段慢波微帶帶通濾波器

時晶晶

(合肥師范學院物理與電子工程系,安徽合肥 230061)

利用HFSS分析Ka波段慢波微帶帶通濾波器

時晶晶

(合肥師范學院物理與電子工程系,安徽合肥 230061)

介紹了一種新型的Ka波段微帶帶通濾波器。對這種濾波器進行了分析,推導了濾波器產生慢波效應的機理。該濾波器通過加載電容而出現慢波效應,使得在不改變電路性能的情況下,減小了電路尺寸。同時由于電路中加載電容形成的慢波效應而出現了帶阻效應,因此對諧波有很好的抑制作用。利用軟件 HFSS仿真分析并設計了這種新型的加載電容型Ka波段微帶帶通濾波器。

HFSS;帶通濾波器;慢波效應;Ka波段;加載電容

1 引 言

隨著毫米波技術在無線通訊和雷達系統中應用的不斷增多,對電路尺寸小、制作簡單的毫米波帶通濾波器的需求也日益增加。由于微帶在平面制圖和制版上的方便,且易于和別的電路集成,因此盡管微帶的損耗大,Q值低,結構不易調整,其某些指標(如通帶損耗和阻帶衰減)較低于其他形式的濾波器,但微帶帶通濾波器仍在毫米波頻段得到了廣泛的應用。常見的微帶帶通濾波器結構有平行耦合、端耦合、發夾式、梳狀型和交指型等,這些結構都是通過耦合線實現的。在以上各種結構的濾波器電路中,平行耦合結構由于其縱向長度大約只有端耦合長度的一半,且耦合縫更寬,在綜合設計得到所要求的原型濾波器參量時,有比較大的結構靈活度,適應的頻帶范圍也較寬,這些特點使得這種結構的濾波器有著較強的工程應用潛力。但傳統的平行耦合和端耦合結構尺寸太大,發夾式、梳狀型和交指型等結構對工藝要求高,因此迫切需要一種新結構[1]。本文提出了一種新型的微帶帶通濾波器結構,該濾波器通過加載電容而出現慢波效應,從而在不改變電路性能的情況下,減小了電路的尺寸。

2 設計原理

首先我們分析如圖1所示的電容負載無耗傳輸線諧振器電路,CL是負載電容,Zβ、βα和d是無負載線的特性阻抗、傳播常數和物理長度。電長度θα=βαd,圖1所示的電路圖可以表示為[2]

圖1 加載電容諧振器

A、B、C、D是傳輸矩陣的網絡參量,同時滿足A DB C=1的條件。

當I1=I2=0時,對于非零的V1和V2,

將(7)和(8)式代入(4)式,再根據(5)式得到的C=0得

上面兩式變形得

從(11),(12)式可以看到當CL=0時θα0=π和θα1=2π,這是無載半波長諧振器。當CL≠0時,諧振頻率隨著負載電容的增加而減小,于是產生了慢波效應。如果電容CL呈周期性的增大,不但可以減小電路尺寸,而且還具有帶阻特性,對一些頻率的抑制有很好的作用。

根據上述分析,我們設計了一種新型的Ka波段加載電容型微帶帶通濾波器。圖2是該濾波器的結構和尺寸,圖3是其諧振單元[3-5]。

圖2 慢波效應帶通濾波器結構和尺寸(單位:mm)

圖3 濾波器的諧振單元

3 H FSS仿真設計

在HFSS中建立一個微帶濾波器的三維模型:

第一步:建立HFSS模型

模型包括了如圖2結構的銅箔和厚度為0.254mm,相對介電常數為2.2的Rogers RT/duroid 5880(tm)介質基板,銅箔厚度:0.018mm。如圖4所示。

圖4 HFSS建模及波導端口的定義

圖5 掃描設置

第二步:定義端口、邊界條件

HFSS模型端口位置如圖4所示,端口定義為50歐姆的波導端口;微帶板的上層空間定義為空氣盒。

第三步:分析掃描設置

在Analysis中設置Steup1,將Solution的頻率設為33GHz,稍大于微帶中心頻率;將掃頻Sweep的范圍定為25-40GHz,步長0.1GHz,掃頻類型設為Discrete,設置截面如圖5所示。

仿真運行后得到圖6所示的結果,由圖可見,此濾波器的中心頻率為 32GHz,3dB相對帶寬22.67%,插入損耗0.45dB,帶內起伏0.22dB。

圖6 HFSS仿真結果

利用Agilent 8757D Scalar Network Analyzer測試濾波器結果如圖7所示,結果包括了兩個耦合探針微帶到波導的過渡。

圖7 實物測試圖

4 總結

在加載電容型毫米波微帶帶通濾波器的研究中,主要是應用 HFSS進行軟件仿真分析,在計算速度上大大得到提高。通過軟件仿真得到的技術參數和性能指標與實際測試結果吻合良好,說明了這種軟件的優越性和精確性,為系統研究和開創性探討提供了方向和指導[6]。

[1] 喻夢霞,徐軍,陳建新.新型毫米波微帶帶通濾波器[J].微波學報,2006,22(3):45-47.

[2] Jia-Sheng Hong,Michael J.Lancaster.End-coupled microstrip slow-wave resonator filter[J].Electronics Letters,1996, 32(16):1494-1496.

[3] Lung-Hwa Hsieh,Kai Chang.Slow-Wave Band-pass Filters Using Ring or Stepped-Impedance Hairpin Resonators[J]. IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques, 2002,50(7):1795-1880.

[4] Sheng-Yuan Lee,Chih-Ming Tsai.New Cross-Coupled Filter Design Using Improved Hairpin Resonators[J].IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,2000,48(12): 2482-2490.

[5] Jia-Sheng Hong,Michael J.Lancaster.Theory and Experiment of Novel Microstrip Slow-Wave Open-Loop Resonator Filters[J].IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,1997,45(12):2358-2365.

[6] Ralph levy,Richard V Snyder,George.Design of Microwave Filters[J].IEEE Transactions On Microwave Theory And Techniques,2002,50(3):783-792.

Analysis on Slow-w ave K a-band Microstrip Bandpass Filter with HFSS

SHI Jing-jing
(Department of Physics and Electronics Engineering,Hefei Normal University,Hefei230061,China)

A new Ka-band microstrip band-pass filter is introduced in this paper.The reasons of how the slow-wave effect is produced are also analyzed and deduced.The filter produces slow-wave effect through loading capacitance.The size of this filter is greatly reduced without changing the performance of the circuit.At the same time,the band-stop effect occurs in the filter owing to the slow-wave effect.Therefore it has good suppression for harmonic wave in the filter.This kind of new microstrip band-pass filter with loading capacitances is analyzed and designed by HFSS software.

HFSS;band-pass filter;slow-wave effect;Ka-Band;loading capacitance

TN713+.5

A

1674-2273(2010)06-0031-03

2010-08-20

國家自然科學基金資助項目(60371041;60671051)

時晶晶(1984-),女,合肥師范學院教師,碩士,主要研究方向為無線通信與電磁兼容。