一種小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設計

摘要：介紹了一種基于基片集成波導（SIW）結構的小型化微波寬帶帶通濾波器，采用緊湊型設計，同時提出了其工程設計方法及流程，通過11CJHz和15GHz典型微波頻段的四腔帶通濾波器實例驗證，達到對于偏離中心2GHz以上的頻段抑制35dB以上的要求，且仿真與測試結果相對吻合較好，設計方法和流程合理、有效。本文網絡版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/271650.htm

關鍵詞：帶通濾波器；小型化；基片集成波導；工程設計

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.015

引言

微波濾波器是微波系統中的重要元件之一，尤其在微波通信收發信機中被廣泛使用。隨著移動通信的發展，通信網絡密度越來越高，小型化的微波中繼和回傳網絡設備也迅速發展，這就對收發信機及其微波器件的低成本、小型化、高集成性提出的要求。

微帶電路具有小型化、工藝簡單、易于集成的優點，但是隨著頻率的升高，尤其在10GHz以上頻段工作時，其Q直變低、損耗變大，泄漏和輻射也隨之而來。與之相比，在傳統微波設備中廣泛應用的波導器件，雖然性能可靠，但是其體積偏大，調試和加工成本較高，并且不易集成。基片集成波導（SIW），作為一種新型的導波結構，具有與傳統波導相似的傳輸特性，同時具有微帶易于加工和集成的顯著優點，是在保障良好和穩定性能的前提下，解決濾波器小型化、低成本、高集成性的有效途徑。

國內外已經有不少將基片集成波導技術應用到濾波器設計的研究，較多的還是偏向理論分析和新工藝結構的探索，應用于工程實際的還是比較少見。本文立足于工程設計和優化，介紹了一種緊湊型腔體布局的微波帶通濾波器的實例，并應用于實際工程產品。

1 基于SIWWJ帶通濾波器的基本結構

基片集成波導（SIW）技術，其基本結構是以介質基片為載體，上下底面為金屬層，傳導路徑的兩側采用金屬化過孔，這樣就實現了傳統的金屬波導傳輸特性，更有優勢的是這種結構能通過傳統的PCB工藝精確實現。

對于SIW濾波器或者腔體濾波器而言，其腔體的基本形狀通常并無限制，形狀對固有品質因數的影響差異不大，故腔體形狀的選擇應該從布局的靈活性和工藝的實現性等方面來考慮：SIW的側壁由金屬化過孔排列而成，相鄰腔體間孔距要符合制板工藝的要求，正方形腔體、矩形腔體布局時相鄰邊可以完全重合，充分可共用鄰邊，尤其是矩形比正方形的靈活度更高；五邊以上的正多邊形腔體的靈活性次之，但設計復雜度略高；而圓腔在相鄰腔體間始終存在縫隙，整體布局不緊湊、因工藝問題腔體易變形。綜合考慮，本文選擇矩形腔體為設計方案實現小型化結構。2工程設計流程

本文針對小型化微波寬帶帶通濾波器采用的工程設計流程，該流程也適用一般的帶通濾波器設計。首先是根據設計指標確定濾波器原型函數及相關網絡矩陣。

根據理論計算出的初始值，通過建立單腔和雙腔耦合的模型，利用商業仿真軟件，如HFSS、CST等，通過模式匹配法（Eigenmode）來確定相關的一些關鍵設計參數，如圖2所示，由此可以確定對應諧振頻率的腔體的尺寸a和b，以及不同耦合量對應的開窗尺寸d。

根據初步確定的相關參數，可以在HFSS軟件中整體建模進行全波仿真，考慮到工程設計有別于科研，可以充分利用成熟的參數優化算法進行設計優化以達到設計目的。針對濾波器的設計優化，比較高效的是遺傳算法，采用群體搜索的方式，比較適合多變量、多優化目標的濾波器優化任務，尤其是當給定初始值和合理的優化區間后，工程設計的流程較為簡單和便捷。3設計實例及測試結果

11GHz和15GHz頻段為微波傳輸系統常用頻段，按照國際通信聯盟（ITU）的頻段劃分，其工作通帶的相對帶寬分別為8.93%和6.61%，全通帶的濾波器屬于寬帶濾波器。因為小型化的需求，同時又要通過PCB工藝實現加工，所以選擇介質基材要求其介電常數ar盡可能高一些。本文的實例選擇的是0.635mm厚的ARLONAD1000板材，其標稱的相對介電常數為10.2：兩側的端口（插入式微帶線饋電）匹配50Ω的阻抗，以便于整個射頻系統相匹配。圖4為11GHz和15GHz頻段的小型化微波帶通濾波器的實物，其最終的具體尺寸參數如表1所示。

入損耗（即S12）測試曲線包含兩端額外的SMA接頭的損耗，未作任何扣除。通過比較，實際測試曲線與仿真曲線存在略微的頻率偏移，除制版加工的偏差外，主要的原因是介質基板的相對介電常數的偏差所致，所以在設計過程中會留有一定的頻帶余量以保證指標的達成。

4 結語

本文介紹了基于SIW結構的小型化微波寬帶帶通濾波器結構以及改善匹配的調節方式，并總結了此類結構在工程上的設計優化流程。在此流程基礎上，通過11GHz和15GHz兩個典型的微波通信頻段的實例表明，仿真和測試曲線一致性相對較好，滿足工程設計需求，同時也驗證了設計方法、流程的合理性和有效性。該小型化濾波器不僅整體結構緊湊，易于集成，而且生產工藝成熟、且成本較優。