摘要：利用三維仿真軟件HFSS首先設計了K波段7階電感E面帶通波導濾波器，以及波導微帶轉換器，其中波導濾波器的中心頻率為19 GHz，帶寬為3 GHz，帶內損耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB；而波導-微帶的轉換器在1 6～20．8 GHz的帶寬內端口反射小于-20 dB，帶內損耗小于0．1 dB。然后將兩者有效結合為一體，其工作帶寬為1 7．5～20．5 GHz，帶內損耗為0．3 dB，端口反射小于-1 5 dB，帶外抑制小于-30 dB，可以滿足實際系統(tǒng)應用的需求。
關鍵詞：波導；帶通濾波器；微帶；波導微帶轉換器
0 引言
隨著毫米波技術在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的廣泛應用，對各種高性能毫米波集成電路的需求也日益增長。微帶線是現(xiàn)有毫米波集成電路中十分重要的傳輸線形式，各個MMIC單片主要采用微帶線相連接。而濾波器則是現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中的一個必不可少的環(huán)節(jié)——選頻網絡。其中，波導濾波器因具有損耗低、高Q值的優(yōu)點而廣泛用于微波中繼通信、雷達、天饋系統(tǒng)等。
在波導和微帶中傳輸射頻信號必須通過波導-微帶的過渡裝置來完成。因此，設計寬頻帶、低損耗的波導-微帶的轉換裝置，是十分必要的，具體的轉換方式主要為以下三種形式：脊鰭轉換結構；波導-同軸-微帶線轉換結構；波導-微帶探針轉換結構。對于前兩種轉換方式，波導和微帶處于同一方向，所占空間較大；而對于第三種轉換方式，波導與微帶相互正交，具有無需焊接，安裝方便，而且所占空間較小的優(yōu)點，從而成為MMIC電路設計中常用的一種方式。
本文通過電感膜片耦合的方式構成寬帶帶通波導濾波器，然后設計了波導一微帶轉換裝置，將兩者組成一個整體，在HFSS仿真軟件中得到了較理想的參數(shù)。
1 理論分析
1．1 電感膜片濾波器
薄電感窗的示意圖如圖1所示，兩塊金屬膜片分別置于矩形波導(a×b)縱截面的兩側，其厚度為t，窗口面積為bxd。
本文利用模式匹配法對電感膜片波導濾波器進行了分析，將分析結果應用到網絡綜合過程中，可直接得到電感膜片的尺寸和腔體的長度。然后利用網絡變換公式，可以計算S21的理論參考值：
式中K21j,j+1為傳統(tǒng)網絡綜合方法計算出的阻抗變換器的參數(shù)。
當電感膜片的厚度t固定不變，膜片的寬度a變化時，由模式匹配法計算出中心頻率處S21的值，當S21和理論相值匹配時，所對應的膜片寬度a就確定了。
波導諧振器長度的計算：
式中θ1和θ2是諧振器兩邊膜片在中心頻率處S11的相位。
1．2 波導-微帶轉換器
E面探針方式的波導-微帶轉換器如圖2所示。探針通過在波導面的開窗(Wc×h)深入波導內，開窗尺寸既要利于裝配又要盡量小，以減少對波導傳輸性能的影響，同時形成的波導截止頻率應在工作頻率之外。本文采用兩段寬帶分別為W3和W2的探針，探針與50 Ω微帶線之間引入一段長度L1約為λ／4的匹配段。
2 系統(tǒng)技術參數(shù)
2．1 波導濾波器
中心頻率：19 GHz；帶寬：3 GHz；帶內損耗：0．5 dB；帶外抑制：30 dB；端口反射參數(shù)：小于-15 dB。
2．2 波導-微帶轉換器
工作帶寬：要求大于波導濾波器的工作帶寬；帶內損耗：0．5 dB；端口反射參數(shù)：小于-20 dB。
2．3 組合裝置
中心頻率：19 GHz；帶寬：2 GHz；帶內損耗：0.5 dB；帶外抑制：20 dB；端口反射參數(shù)：小于-15 dB。
3 系統(tǒng)設計
3．1 波導濾波器的設計
根據帶外抑制參數(shù)要求，本文將波導濾波器的階數(shù)設計為7階，其結構如圖3所示。根據要求的工作帶寬，選取標準波導WR42(10．668 mm×4．318 mm)。
利用網絡匹配方法可以給出設計尺寸，然后利用HFSS仿真軟件進行模擬優(yōu)化，經過大量的計算得到最終優(yōu)化尺寸，如表1所示。
模擬計算結果如圖4所示，圖中工作帶寬為17．5～20．5 GHz，帶內損耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB。優(yōu)化后計算結果達到了技術要求。
3．2 波導-微帶轉換器的設計
本文在仿真軟件HFSS中對轉換器建模，并對參數(shù)進行了優(yōu)化分析。波導的尺寸同樣采用WR42標準波導，介質基板選用介電常數(shù)為3．48的Rogers 4350B材料，其厚度為0．76 mm，微帶線的厚度為0．035 mm。利用ADS2009軟件中的LineCalc工具，可以計算出50 Ω微帶線在中心頻率為19 GHz的寬度約為1．79 mm。軟件優(yōu)化后的尺寸如表2所示，優(yōu)化結果如圖5所示。從圖5中可以看出在16～20．8 GHz的帶寬內，端口反射參數(shù)小于-20 dB，帶內損耗小于0．1 dB，完全符合技術要求。
3．3 組合裝置的設計
將上述設計的波導濾波器和波導-微帶轉接器組合在一起，其HFSS模型如圖6所示，對波導-微帶轉接器與最近的電感膜片的距離進行優(yōu)化。當距離為6 mm時，模擬計算結果最佳，如圖7所示，其中心頻率為19 GHz，工作帶寬為17．5～20．5 GHz，帶內損耗為0．3 dB，端口
反射小于-15 dB，帶外抑制小于-25 dB。
4 結論
本文利用仿真軟件分別設計了K波段波導濾波器，以及波導一微帶轉換裝置，兩者都具有損耗小，端口反射小等優(yōu)點，最后將兩者有效組合在一起。組合裝置經優(yōu)化后得到了較小的損耗系數(shù)與端口反射系數(shù)，同時具有選頻特性，很好地滿足了實際應用需求。
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