基于波導設計軟件的基片集成波導濾波器組的快速設計方法

楊書奎，劉 飛，吳團鋒

（1.南京熊貓漢達科技有限公司，江蘇 南京 210000；2.中國人民解放軍32380部隊，北京 100072；3.南京熒火泰訊信息科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來，基片集成波導開始在無線通信和雷達體結構如方形、三角形比較常見，為了縮小設計面系統中扮演著越來越重要的角色，其中，濾波器類積，可以采用半模方案或者是折疊式結構。當對尺是重要的組成成分。通過對文獻的調研發現，傳統寸限制較小，可以用簡單的感性窗耦合的腔體串聯的微帶短截線濾波器在 C波段以上的高頻范圍性能平面結構。較差，然而波導濾波器卻能在這個頻段提供較好的然而，實際的波導濾波器設計比理論計算要復性能。

對于波導濾波器的結構，近年來有很多種結構被提出。平面結構如微帶結構、電磁帶隙結構，腔體結構如方形、三角形比較常見，為了縮小設計面積，可以采用半模方案或者是折疊式結構。當對尺寸限制較小，可以用簡單的感性窗耦合的腔體串聯平面結構。

然而，實際的波導濾波器設計比理論計算要復雜得多。比如，即使板材厚度以及階數給定，腔長、感性窗的位置和長度仍然要不斷的調整以取得良好的性能。HFSS的計算量會非常大，導致調諧的過程會很長。而使用波導設計軟件可以大大節省這一過程耗費的時間。

1 偏置圓柱耦合結構

本設計旨在產生3 GHz–12 GHz一系列的 SIW濾波器，要求阻帶的衰減至少是 80 dB。

濾波器組由24個濾波器組成，通帶覆蓋整個波段，這里選取第12個濾波器，其中心頻率為 5.08 GHz被選擇來闡述這種快速設計的方法。其通帶為4.89 GHz–5.27 GHz，阻帶 0 GHz–4.47 GHz的衰減應該比 5.27 GHz的性能低80 dB。

有很多種波導濾波器結構，在本設計中，用兩個比較大的圓孔執行腔體間耦合的偏置圓柱耦合模型。偏置圓柱耦合模型為濾波器的核心，在Wasp-Net中設計。整體的形狀和單個感性窗的結構見圖1。

圖1 DOCPC濾波器的實體模型和單元的各系數

利用軟件中的設計器來計算模型的各個尺寸和對性能進行優化。

由于在 HFSS中的計算時基于模型的邊界條件和形狀，因此，每次調整完模型后都要重新計算，

導致調諧的過程極其漫長，尤其是對于高階濾波器而言更加漫長，而 Wasp-Net軟件針對每個模型有自己的算法，所以耗時極短。

在本文中，雙孔的取相同尺寸，在設計器中不斷調整測試合適的直徑值，在圖 1眾多的參數中，“id”、“b1”和“ a1”被設為常量，而雙孔間距被調諧，一旦雙孔的直徑確定，整個過程只需要 1分鐘就可以完成，如果性能不達標還需要進一步優化。

然后，模型的結果被導入到 HFSS中來創建一個新的 HFSS模型，并增長長度來實現更好的性能。從圖 2可以看出來，波導濾波器可以實現要求的指標，證明這是個快速穩定的設計方法。

圖2 波導模型的頻率響應

2 實現對SIW完整模型的轉換

為了實現完整的 SIW濾波器，波導濾波器應該在寬度方向上伸長并且在原邊界上增加排孔，波導-微帶轉換線應該被設計以減少反射。

首先，從波導到 SIW的轉換應該用下面的公式來計算：

式中，P是排孔的孔間距； d是排孔的直徑； a是波導模型的寬度； a_RWG是SIW的寬度。計算之后，一個完整的 SIW模型就可以繪出，當仿真出現頻偏的時候，可以調節 a_RWG直至頻偏消失。

然后調節Wtaper和Ltaper直到空SIW模型在該頻點的反射系數達到最小。這一步在HFSS中完成，Ltaper和Wtaper的初值為1/4λg或者是3/4λg，Wtaper應該是該頻率下端口阻抗折算到的微帶線寬。

一旦這段轉接線的調諧完成，將空SIW結構、轉接線、波導核心結合就可以合成整個SIW濾波器結構并與PCB板相接，且保持較好的效果。

圖3 SIW基本模型

圖4 HFSS建模仿真

圖5 仿真結果

圖6 制作實

圖7 測試結果

3 實驗結果

波導模型通帶的衰減為1.5 dB，SIW模型通帶衰減為2.4 dB，兩個模型阻帶的衰減大致相同，但是波導模型的輸入反射系數更小。其中一組濾波器的實物圖見圖6，實驗測試結果見圖7，但是實測結果在通帶上有6 dB的衰減，阻帶的衰減有少了-10 dB。

實驗誤差的產生來源于兩個方面：一是接頭和線的損耗；二是組內濾波器之間的泄露問題。這樣看來，實驗誤差還是可以接受的。

4 結束語

本文介紹了一種基于Wasp-Net的快速設計感性窗耦合的全模SIW濾波器。相對于僅使用HFSS而言，用這種方式工作量會被大大減輕，有效地加速了現代通信系統的設計。本設計的缺陷在于模型的尺寸過大，進一步改進可以通過小型化方案如半模、四分之一?；蛘呤钦郫B式SIW來實現。