一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器及设计方法

摘要

本发明涉及基片集成波导滤波器技术领域，具体的说是一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器及设计方法，通过本技术方案进行设计的滤波器，在带内(27.5‑31GHz)回波均小于20dB，插损小于1dB，带外1.5GHz抑制大于24db，基片集成波导本身的低频截止特性，在左侧抑制远高于同阶数的微带滤波器，适合工作在Ka地轨卫星波段的发射机射频通道使用，且在当前板厂的加工精度下，滤波器频率误差不明显，基片集成波导滤波器对制作公差的容忍度更大，便于进行快速研发和生产，降低研发成本和缩短研发周期。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器及设计方法，属于基片集成波导滤波器技术领域。

背景技术

微带滤波器因为技术成熟、易于和印刷电路板(PCB)结合、加工难度低，广泛应用在微波射频电路中。在各种形式的微带滤波器中，带通滤波器占大半江山，而带通滤波器的形式主要分为：平行耦合线滤波器、发夹线滤波器、交指滤波器等。这些滤波器虽然形式各有区别，但原理大同小异，都是通过耦合线实现谐振器之间的相互耦合。从实际加工来看，耦合线之间的缝隙S误差是影响滤波器性能的主要因素，同时参与耦合的谐振器越多，误差越明显，所以实际加工中，最多使用五阶带通滤波器，以常见的五阶平行耦合线滤波器为例：2.5GHz以下影响尚不明显，超过4GHz频率误差大约在50MHz，超过12GHz频率误差大约在150MHz，若频率超过30GHz，误差则超过500MHz。对于工作在Ka卫星发射波段(27.5-31GHz)的带通滤波器，要么增加通带宽度，牺牲滤波器的抑制性能，要么使用Q值更高的腔体滤波器。

如公开号为：CN110071349A，超宽带SIW带通滤波器，其包括介质板，介质板的上表面印刷有第一金属层、连接第一金属层两侧的过渡渐变线以及与过渡渐变线连接的馈电微带线，介质板的下表面印刷有第二金属层，第一金属层的两侧边缘设有周期性排列的第一金属过孔，第一金属层的中部设有周期性排列的第二金属过孔，第一金属过孔和第二金属过孔的排列方向为介质板的长度方向，第一金属层上设有沿介质板的长度方向间隔设置的两对形状相同的T型缝隙，每一对T型缝隙均关于第二金属过孔的排列方向对称，两对T型缝隙沿介质板长度方向的两侧分别设有形状相同的矩形缝隙；其中，过渡渐变线的宽度从与馈电微带线连接的一侧到另一侧逐渐变大。本发明能够增加通带带宽。

再如公开号为：CN109326859B，一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三。介质基板一和介质基板三上均设有微带线，金属板一上开设沿逆时针旋转38℃的矩形缝隙一；介质基板二上设有金属通孔阵列和两个微扰金属孔；金属板二上开设沿顺时针旋转38℃的矩形缝隙二。本发明不仅在通带内产生两个极点，且在通带两侧各产生一个传输零点，具有高选择性。此外，通过对耦合缝隙的位置及尺寸的设计，TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制，实现良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下，由于微带线中间形成了磁壁，磁流无法通过耦合缝隙进入谐振腔，从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。

多年来印刷电路板是实现微波射频电路的主要载体，未来仍将占据主要地位。印制板加工厂缝隙加工精度极限为±0.03mm，随着工作频率上升，特别是Ka卫星发射波段，在目前加工精度下，传统的微带滤波器已经不能满足带外抑制要求，如何设计出一款抑制高、加工精度要求低的滤波器，成为本行业的难题，且考虑到板厂加工能力短时间无法提升，需要寻找一种不以缝隙耦合为主的滤波器。近些年出现的基片集成波导滤波器满足要求。它的原理是在印制板上通过钻两排金属通孔接地的方式，模拟金属波导，可以与印制板电路兼容。由于电磁波在波导中四分之一波长比微带线长，尺寸也比微带滤波器大,这在低频段是极大的缺点，它比同类型的耦合线滤波器尺寸大太多，不适合小型化。但在Ka卫星发射波段却恰是极大的优点，频率高则波长短，整体尺寸已经缩小到可以接受，正因为比传统微带滤波器大，加工精度不需要太高。虽然基片集成波导滤波器出现已有十余年时间，但设计方法往往较为复杂。

有鉴于此特提出本发明，缩短研发周期，降低研发成本。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器及设计方法，便于进行快速设计，降低研发周期和成本。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器及设计方法，包括板材，且所述板材的上表面形成等效金属波导，且所述等效金属波导上两侧均匀分布电感膜片，且所述电感膜片在所述等效金属波导上左右和前后均为对称结构，所述板材的两侧均开设有过孔，所述等效金属波导的两端形成一段波导-微带过滤转换，所述过孔4的直径为0.381毫米，且所述过孔在所述板材上成对称分布，且两排所述过孔之间的宽度为5.281毫米，相邻的所述过孔之间的距离为1毫米，一侧所述电感膜片的数量为六个，且所述电感膜片之间的距离从左到右分别为3.406毫米、3.89毫米和4.022毫米，且从左到右的所述电感膜片的高度分别为0.792毫米、1.182毫米和1.303毫米，所述波导-微带过度转换的长度和宽度分别为1.457毫米和1.219毫米。

一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：

步骤一、基片宽度确认，通过截取频率进行仿真，确定板材的宽度；

步骤二、计算理论电感膜片波导滤波器的初始值，通过场仿真模型，建立波导滤波器的半仿真模型；

步骤三、建立基片集成滤波器的半仿真模型，并进行优化，确定过孔的孔径和电感膜片的距离以及所述电感膜片的开窗宽度；

步骤四、对基片集成波导-微带过度转换进行仿真；

步骤五、建立全仿真模型，并加上过度转换，然后进行小范围优化，得到结果，完成设计。

进一步的，在步骤一中，确定通带频率为27.5-31GHz，5阶，等效模型为电感膜片波导滤波器，选用介电常数2.2、厚度0.254毫米的板材，过孔直径选用0.381毫米，首先对波导截止频率进行仿真，用场仿真软件计算不同宽度时波导端口阻抗，确保在通带内阻抗变化不大的基础上，减小宽度，最终确定基片宽度为4.9毫米，将通带、抑制度、介电常数输入仿真软件直接计算出初始值，在步骤二中，先将第一步得到的初始值填入场仿真模型，由于波导中电磁场传播的对称性，先建立一个波导滤波器的半模仿真模型，将模型沿着中间切开，切面边界条件设置为perfectH，达到减少一半计算量的效果，填入初值后进行优化，优化后电感膜片之间距离分别为3.184毫米、3.669毫米、3.777毫米,电感开窗宽度分别为3.392毫米、2.669毫米、2.466毫米，在步骤三中，建立基片集成滤波器的半模仿真模型，参照步骤二，将得到的优化值填入模型，其中，介质基片的等效宽度要加上孔径，变为0.9+0.381＝5.281毫米，电感开窗宽度加上孔径，电感膜片距离则保持不变，按步骤二的方法进行仿真,大概半天得到结果，优化后电感膜片之间距离分别为3.056毫米、3.539毫米、4.034毫米,电感开窗宽度分别为3.71毫米、2.905毫米、2.658毫米，在步骤三中，对基片集成波导-微带过渡转换进行仿真，通过用四分之一波长的高低阻抗变换枝节转换，建立过渡转换仿真模型，得到的过渡段长宽分别为1.457毫米、1.219毫米。

本发明的技术效果和优点：在带内(27.5-31GHz)回波均小于20dB，插损小于1dB，带外1.5GHz抑制大于24db，基片集成波导本身的低频截止特性，在左侧抑制远高于同阶数的微带滤波器，适合工作在Ka地轨卫星波段的发射机射频通道使用，且在当前板厂的加工精度下，滤波器频率误差不明显，基片集成波导滤波器对制作公差的容忍度更大，便于进行快速研发和生产，降低研发成本和缩短研发周期。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中印制板的结构示意图；

图3为本发明电磁场仿真结果图；

图4为本发明实测曲线图；

图5为本发明mWaveWizard计算初始值图；

图6为本发明电感膜片波导滤波器半模仿真模型示意图；

图7为本发明基片集成波导滤波器半模仿真模型示意图；

图8为本发明基片集成波导-微带的过渡转换模型示意图；

图中：1、板材；2、等效金属波导；3、电感膜片；4、过孔；5、波导-微带过滤转换。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-8所示，一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器及设计方法，包括板材1，且板材1的上表面形成等效金属波导2，且等效金属波导2上两侧均匀分布电感膜片3，并采用离散金属过孔形成电感膜孔3，且电感膜片3在等效金属波导2上左右和前后均为对称结构，板材1的两侧均开设有过孔4，等效金属波导2的两端形成一段波导-微带过滤转换5，且波导-微带过滤转换5采用阻抗变换枝节作为波导-微带过渡转换5，过孔4的直径为0.381毫米，且过孔4在板材1上成对称分布，且两排过孔4之间的宽度为5.281毫米，相邻的过孔4之间的距离为1毫米，一侧电感膜片3的数量为六个，且电感膜片3之间的距离从左到右分别为3.406毫米、3.89毫米和4.022毫米，且从左到右的电感膜片3的高度分别为0.792毫米、1.182毫米和1.303毫米，波导-微带过度转换5的长度和宽度分别为1.457毫米和1.219毫米。

一种Ka卫星发射波段宽带SIW带通滤波器的设计方法包括以下步骤，步骤一、基片宽度确认，通过截取频率进行仿真，确定板材的宽度，步骤二、计算理论电感膜片波导滤波器的初始值，通过场仿真模型，建立波导滤波器的半仿真模型。步骤三、建立基片集成滤波器的半仿真模型，并进行优化，确定过孔的孔径和电感膜片的距离以及电感膜片的开窗宽度，步骤四、对基片集成波导-微带过度转换进行仿真，步骤五、建立全仿真模型，并加上过度转换，然后进行小范围优化，得到结果，完成设计。

在步骤一中，确定通带频率为27.5-31GHz，5阶，等效模型为电感膜片波导滤波器，选用介电常数2.2、厚度0.254毫米的板材，过孔直径选用0.381毫米，首先对波导截止频率进行仿真，用场仿真软件计算不同宽度时波导端口阻抗，确保在通带内阻抗变化不大的基础上，减小宽度，最终确定基片宽度为4.9毫米，将通带、抑制度、介电常数输入仿真软件直接计算出初始值，在步骤二中，先将第一步得到的初始值填入场仿真模型，由于波导中电磁场传播的对称性，先建立一个波导滤波器的半模仿真模型，将模型沿着中间切开，切面边界条件设置为perfectH，达到减少一半计算量的效果，填入初值后进行优化，优化后电感膜片之间距离分别为3.184毫米、3.669毫米、3.777毫米,电感开窗宽度分别为3.392毫米、2.669毫米、2.466毫米，在步骤三中，建立基片集成滤波器的半模仿真模型，参照步骤二，将得到的优化值填入模型，其中，介质基片的等效宽度要加上孔径，变为0.9+0.381＝5.281毫米，电感开窗宽度加上孔径，电感膜片距离则保持不变，按步骤二的方法进行仿真,大概半天得到结果，优化后电感膜片之间距离分别为3.056毫米、3.539毫米、4.034毫米,电感开窗宽度分别为3.71毫米、2.905毫米、2.658毫米，在步骤三中，对基片集成波导-微带过渡转换进行仿真，通过用四分之一波长的高低阻抗变换枝节转换，建立过渡转换仿真模型，得到的过渡段长宽分别为1.457毫米、1.219毫米。

在进行测试时，如图3所示，电磁场仿真结果为27.5-31GHz带内回波小于-20dB,带内插损小于1dB,带外抑制分别为24.4dBc@26GHz,34.2dBc@25.475GHz,13.1dBc@33.2GHz，图4中所示，27.5-31GHz带内回波小于-18.6dB,带内插损小于2.5dB带外抑制分别为26.6dBc@26GH z,36.4dBc@25.475GHz,13.2dBc@33.2GHz。

图5中所示，初始值电感膜片之间距离分别为3.899毫米、3.884毫米、3.927毫米,电感开窗宽度分别为2.234毫米、2.348毫米、2.266毫米。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。