雙膜基片集成波導(dǎo)（SIW）帶通濾波器的設(shè)計(jì)與HFSS仿真

　　根據(jù)多模激勵(lì)的單腔體諧振器原理以及基片集成波導(dǎo)(SIW)高Q值、低損耗、大功率容量的特點(diǎn)，提出了一種新的SIW方形腔體雙膜濾波器的設(shè)計(jì)方法。該方法通過在SIW腔體兩個(gè)對(duì)稱角上切角作為微擾來使簡并模式分離并產(chǎn)生耦合，從而形成了中心頻率在 4．95GHz的窄帶帶通濾波器，并最終采用直接過渡方式實(shí)現(xiàn)了SIW到微帶的轉(zhuǎn)換。

　　0 引言

　　濾波器在無線通信、軍事、科技等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。而微波毫米波電路技術(shù)的發(fā)展，更加要求這些濾波器應(yīng)具有低插入損耗、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、質(zhì)量輕、成本低的特點(diǎn)。傳統(tǒng)用來做濾波器的矩形波導(dǎo)和微帶線已經(jīng)很難達(dá)到這個(gè)要求。而基片集成波導(dǎo)(SIW)技術(shù)為設(shè)計(jì)這種濾波器提供了一種很好的選擇。

　　SIW的雙膜諧振器具有一對(duì)簡并模式，可以通過對(duì)諧振器加入微擾單元來使這兩個(gè)簡并模式分離，因此，經(jīng)過擾動(dòng)后的諧振器可以看作一個(gè)雙調(diào)諧電路。分離的簡并模式產(chǎn)生耦合后，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。所以，雙膜濾波器在減小尺寸的同時(shí)，也增加了阻帶衰減。而且還可以實(shí)現(xiàn)較窄的百分比帶寬?？墒牵p膜濾波器又有功率損耗高、插入損耗大的缺點(diǎn)。為此，本文提出了一種新型SIW腔體雙膜濾波器的設(shè)計(jì)方法。

　　該SIW的大功率容量、低插入損耗特性正好可以對(duì)雙膜濾波器的固有缺點(diǎn)起到補(bǔ)償作用。而且輸入／輸出采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，也減少了耦合縫隙的損耗。

　　l 雙膜諧振原理及頻率調(diào)節(jié)

　　SIW是一類新型的人工集成波導(dǎo)，它是通過在平面電路的介質(zhì)層中嵌入兩排金屬化孔構(gòu)成的，這兩排金屬化孔構(gòu)成了波導(dǎo)的窄壁，圖1所示是基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。這類平面波導(dǎo)不僅容易與微波集成電路(MIC)以及單片微波集成電路(MMIC)集成，而且，SIW還繼承了傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)的品質(zhì)因數(shù)高、輻射損耗小、便于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。

　　1．1 基片集成波導(dǎo)諧振腔

　　一般情況下，兩個(gè)電路的振蕩頻率越接近，這兩個(gè)電路之間的能量轉(zhuǎn)換需要的耦合就越小。由于諧振腔中的無數(shù)多個(gè)模式中存在著正交關(guān)系，故要讓這些模式耦合發(fā)生能量交換，必須對(duì)理想的結(jié)構(gòu)加擾動(dòng)。但是，為了保持場結(jié)構(gòu)的原有形式，這個(gè)擾動(dòng)要很小。所以，本文選擇了SIW的簡并主模TE102和 TE201，它們的電場分布圖如圖2所示。因?yàn)門M和TEmn(n10)不能夠在SIW中傳輸。因此，一方面可以保證在小擾動(dòng)時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)耦合，同時(shí)也可以保證場的原有結(jié)構(gòu)。

　　假設(shè)圖3所示的矩形腔體的長、寬、高分別為a、b、d。因?yàn)門Emn(n10)不能在SIW中傳輸，所以對(duì)于SIW諧振腔來說，其諧振頻率的計(jì)算公式如下：

　　對(duì)于具有相同諧振頻率的兩個(gè)模式來說，則有如下關(guān)系：

　　根據(jù)選定的工作簡并模式，利用公式(1)、(2)、 (3)來確定矩形波導(dǎo)諧振腔的初始尺寸，然后再結(jié)合有關(guān)文獻(xiàn)，就可以確定SIW腔體的尺寸。圖3所示是其金屬矩形諧振腔的基本結(jié)構(gòu)。

　　1．2 雙膜SIW諧振腔及其頻率調(diào)節(jié)

　　圓柱形波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和微帶線都可以用來做雙膜濾波器。然而，一些典型的雙膜設(shè)計(jì)方法(如加調(diào)節(jié)螺釘、內(nèi)角加工、在微帶貼片上加入十字槽等)并不適用于SIW腔體。有文獻(xiàn)提到采用切角、打孔、饋電擾動(dòng)等擾動(dòng)方式來應(yīng)用于SIW腔體。故此，本文選取了在SIW腔體對(duì)稱的角上切兩個(gè)相同的方形切角作為微擾方式。擾動(dòng)腔體的諧振頻率被分成f1和f2兩個(gè)高低不同的頻率，這兩個(gè)頻率的平均值(f1+f2)／2和原有腔體的諧振頻率f0往往不相等。類似地，輸入／輸出部分的耦合也會(huì)造成諧振頻率的平移。這樣就會(huì)造成兩種情況：一是(f1+f2)／2>f0；二是(f1+f2)／2< P>

　　是大于還是小于取決于耦合結(jié)構(gòu)。對(duì)于第一種情況，可以通過加大諧振腔尺寸來調(diào)節(jié)頻率移動(dòng)；而對(duì)于第二種情況，則可以通過減小諧振器尺寸或者在諧振腔上開個(gè)縫來減少諧振腔等效尺寸等方法來調(diào)節(jié)。當(dāng)然也可以不調(diào)節(jié)，分別針對(duì)這兩種情況加以利用。在實(shí)際的工程應(yīng)用中。要求 s<λ／20，當(dāng)SIW工作在高頻段時(shí)，為了滿足上述條件，往往要求金屬柱半徑以及它們之間的間距很小，以至于加工非常困難。而此時(shí)就可以利用第一種情況，以較大的尺寸在較高頻率處實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能，降低加工難度；而對(duì)于第二種情況，可以以更小的尺寸在較低的諧振頻率處實(shí)現(xiàn)良好的濾波性能，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化。本文就是有效地利用了第二種情況，從而設(shè)計(jì)出性能好、尺寸小的濾波器。

　　2 雙膜濾波器的實(shí)現(xiàn)與仿真

　　圖4所示是雙膜SIW腔體帶通濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖。在諧振腔的對(duì)角線上挖去兩個(gè)相同的立方體，輸入／輸出采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。濾波器選用 Rogers RO3010作為介質(zhì)基板，其相對(duì)介電常數(shù)εr=10．2，損耗角正切tan d為0．0035；諧振腔長度a為21．5 mm，寬b為21．5 mm，高h(yuǎn)為0．5mm；切去的立方體邊長cw為2．2 mm；中心饋線的寬度tw為0．72 mm。輸入／輸出采用無縫耦合的直接轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這樣可減少輸入／輸出結(jié)構(gòu)的耦合損耗。

　　3 仿真結(jié)果分析

　　仿真可采用電磁仿真商業(yè)軟件HFSS來完成。通過仿真介質(zhì)諧振腔濾波器(濾波器源型)可以發(fā)現(xiàn)，不同的耦合輸入／輸出窗口寬度影響著濾波器中心頻率的位置，同時(shí)也影響耦合強(qiáng)度和帶內(nèi)插入損耗。從圖5中看出，隨著耦合窗寬度的增大，濾波器的中心頻率會(huì)上移，耦合減弱，帶內(nèi)插入損耗變大，也就是濾波器的匹配性能變差。

　　針對(duì)切去的立方體尺寸對(duì)濾波器性能的影響。從方便的角度考慮，應(yīng)先保證一個(gè)角上的正方體尺寸不變，而改變另一個(gè)切去的立方體尺寸，然后觀察微擾變化對(duì)S參數(shù)的影響。從圖6所示的曲線可以看出，微擾尺寸幾乎不改變S參數(shù)曲線的形狀，對(duì)中心頻點(diǎn)的影響不大，微擾越大，帶寬越寬，相應(yīng)的高阻帶傳輸零點(diǎn)會(huì)往高頻點(diǎn)移動(dòng)。

　　從以上結(jié)果可以看出，通過改變微擾大小可調(diào)節(jié)濾波器的帶寬，而改變耦合輸入／輸出窗口的寬度則可調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率和匹配性能。

　　綜合以上仿真研究并結(jié)合公式(1)、(2)，可先計(jì)算出SIW的相關(guān)尺寸。然后通過HFSS仿真對(duì)濾波器性能進(jìn)行優(yōu)化，最終所得出的設(shè)計(jì)電路具體尺寸為h=O．5 mm，εr=10．2，tan d="0"．0035，a=b=21．5 mm，d=0．8 mm，s=1．2 mm，cw=2．2 mm，tw=0．72 mm，cw=8．4 mm，ba=2 mm。

　　圖7所示是本設(shè)計(jì)的雙膜SIW腔體濾波器S參數(shù)的響應(yīng)曲線。從圖7中可以看出，采用本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的濾波器的中心頻率fo=4．95 GHz，3 dB相對(duì)帶寬FBW=4．36％，通帶內(nèi)插入損耗為0．9 dB，反射損耗S11小于-22 dB，阻帶右側(cè)5．45 GHz處會(huì)形成一個(gè)傳輸零點(diǎn)，損耗接近-40 dB。

　　4 結(jié)束語

　　本文應(yīng)用SIW技術(shù)設(shè)計(jì)了一種具有良好性能的雙膜窄帶帶通濾波器。該濾波器設(shè)計(jì)原理簡單、尺寸小、重量輕、帶內(nèi)插損小、阻帶衰減性能好；而且采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，從而減少了耦合輸入／輸出損耗。故在無線通信、軍事、科技等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。