基于HMSIW的寬帶帶通濾波器設計分析

李曉麗

摘 要：目前基片集成波導（SIW）廣泛應用于微波毫米波成形。整流波導具有質量系數高、容量大、體積更小也更容易實現等優點。HFSS模擬結果表明，缺陷的微裂結構不僅可以降低插入損耗，而且可以引入傳輸零點，提高帶阻性能，廣泛應用于衛星和C波段雷達領域。

關鍵詞：HMSIW;寬帶帶通濾波器;缺陷微帶結構;傳輸零點

0 引言

伴隨著微波通信技術的迅速發展，對微型濾波器的需求越來越大。傳統的濾波結構，如金屬棉導線或微裂線，成本高，體積大，不能滿足微型濾波器的要求，因此開發了基片集成波導（SIW）傳輸結構，其性能好、功耗低、損耗小、成本低、易于加工和集成等[1]?；刹▽В⊿IW）傳輸結構空腔由介質基片組成，基片上、下兩層金屬表面線性排列，形成了基片上、下兩層金屬化的孔洞。為降低SIW襯底的漏失率，導軸通過切削成半個導軸來降低漏失率。本文提出了一種融合缺陷微裂結構（DMS）和散射結構的新型緊湊寬帶通信濾波器，介紹了高模整流波導腔的工作原理，并分別介紹了單腔和多腔波導腔，分析了不同DMS單元的引入對濾波器插入損耗、帶寬和阻滯性能的影響。

1 理論分析

構建高模集成波導腔，首先要確定同一頻率范圍內硅波導的寬度。在此基礎上，采用水平中心切削法，將SIW的寬度控制在相應SIW結構的一半左右。

一輸入多輸出結構，只傳播TE模式，不傳播TM模式。在構建該腔體的基本結構時，必須考慮到金屬通孔直徑D、兩孔間距、W孔寬度和等值寬度等重要參數。隨著鉆距的減小，相鄰孔之間的能量泄漏量減小。SIFF的當量寬度可按下列比例確定：

其中，C是真空和組合區域中的光速;εr是介質基底的相對容許性。按公式（1）和公式（2）計算了硅鋼腔的結構尺寸和關閉頻率，形成高集成度硅鋼腔基本結構，提高了其性能。

2 研究背景及意義

隨著無線通信技術的發展，中長波通信的應用越來越廣泛，已成為實現遠程、大規模通信的重要手段。伴隨著人類社會無線電通信和信息技術的迅速發展，人們對信息傳輸的速度和質量要求越來越高，同時也期待著F3型能有更舒適、快速、多樣的信息傳輸方式。與此同時，由于頻譜資源固有的不可再生性，使得頻譜資源與無線通信網絡不斷擴張的矛盾日益突出。所以有效地利用頻譜資源是科技工作者面臨的重要課題。超短脈沖（UWB）是20世紀60年代發展起來的一種用于寬帶通信的超短脈沖技術，又稱基帶通信，主要應用于軍事雷達、成像。近年來，UWB技術的最高數據傳輸速率已經達到幾百兆位/秒，人們對此做了大量的研究，FCC已經提出了UWB的新定義。這是無線電領域的一次革命，它會成為未來短海航運的主流技術，在短海航運和高速無線通信領域中得到廣泛應用，并且迅速發展。其技術解決方案有兩種：一種是以MB-OFDM-UWB（OFDM）為基礎的多頻段UWB（DS-UWB），采用直接分布的頻譜作為多址接入;另一種是以MB-OFDM-UWB為基礎的多頻段UWB通信系統。

3? ? HMSIW濾波器設計

HMSIW適用厚度h=0.254 mm，相對介電常數εr=2.2，損耗角切線數tanθ=0.001d的Rog-ers5880介質基底。HMSIW濾波器的結構如圖1（a）所示。微分裂向結構提供能量，微分裂線和孔隙之間存在過渡過程。采用圓錐線形過渡結構產生波導，模擬結果如圖1（b）所示[2]。

如圖1（b）所示，該濾波器具有6 GHz的關斷頻率，在6～10 GHz的整個頻帶上都能得到穩定的響應，且插入損耗低。DMS縫諧振器是HM-SIW濾波器的一部分，一面短，一面長，其插損率和肋片性能由QE外部質量因子控制。

模擬結果表明，在10.8 GHz的頻率下，一個DMS單元可以實現零傳輸。濾波頻率為7.3 GHz，插入損耗為0.54 dB，帶寬為2.6 GHz。這個系統有3個單元，以獲得更好的停止和損耗特性。在圖2（a）中，HMSIW濾波器包含三個DMS單元，其模擬結果如圖2（b）所示。基于該模型，設計了3個2 mm的仿真單元。根據圖2（b）中的模擬結果，在9 GHz和11.2 GHz之間引入了傳輸零點，停止帶分為8.7-11.5 GHz和-20 dB。該濾波器的損耗值為0.51 dB，平均頻率為7.1 GHz，其相對帶寬為36.6%。為進一步提高濾波性能，需要增加5個DMS單元。

基于模擬結果，HMSIW濾波器平均頻率為7.15GHz，插入損耗為0.33dB，帶寬為2.4GHz，采用頻率8.9，9.2和11.5 GHz兩種方式實現零傳輸，不僅可以提高站帶性能，而且可以將帶寬提高到55dB，增加5個DMS單元來提高系統性能。

槽形諧振腔之間的耦合取決于空隙的長度和寬度。在這種情況下，每個諧振器都相互連接，每個諧振器的諧振頻率變成兩個不同的頻率，Fu和F1被分開。用鄰近兩個諧振腔的散射計算耦合系數：

其中fu和fL是狹縫諧振器的上下共振頻率。

以水平段電流有效長度L2和長度L1對輸送帶的影響為參數，研究了濾波器的插入損耗和阻帶性能。為了檢驗模擬的效果，設計了微波逆變分析器，并通過實驗驗證了它的有效性。最終的試驗表明，該濾波器的平均頻帶為8 GHz，通帶為5.90～10.02 GHz，平均帶寬為51.5%，內插損耗為0.57 dB，阻尼抑制值在10.1～13.8 GHz范圍內均小于-20 dB，截止帶寬3.7 GHz，阻尼抑制值為48dB。該濾波器具有良好的性能和超專用性。焊接過程中的線損及加工精度引起的誤差，比模擬結果稍大。顯然，模擬結果與處理對象的試驗結果相吻合。HMSIW濾波器結構與5個DMS單元的性能進行了比較。在頻率近似相同的情況下，所提濾波器的插入損耗、帶寬均有明顯提高，且均有較寬的帶寬[3]。

4 結語

UWB濾波器目前的設計理論尚未形成與傳統濾波器一樣的完整體系，希望本研究能對超寬帶濾波器的研究與設計有所幫助[4]。

本文首先研究了HMSIW諧振器，同時分析了加入多種DMS對HMSIW濾波效果的影響，并提出了相應的改進措施。隨著DMS用量的增加，DMS的寬度和長度增大，各DMS間的耦合系數增大;在濾波時引入多個傳輸零，可改善磁帶性能，同時降低插入損耗[5]。它的平均頻率是8 GHz，相對帶寬是51.5%，插入損耗是0.57 dB。濾波具有超寬帶、體積小、成本低、帶阻好等優點。該設計方法可以應用于C波段無線通信系統，也可以應用于其他微波波段濾波器設計[6]。

[參考文獻]

[1]邢瓊，陳明，苗倩，等.基于HMSIW的寬帶帶通濾波器設計[J].固體電子學研究與進展，2020（1）：27-31.

[2]吳陽，喻夢霞.基于雙節半模基片集成波導的超寬帶濾波器設計[C].//中國電子學會.2013年全國微波毫米波會議論文集.2013：1115-1118.

[3]劉煒.基于基片集成波導的寬帶帶通濾波器和Fabry-Perot諧振天線研究[D].合肥：中國科學技術大學，2014.

[4]秦偉，洪偉，湯紅軍，等.具有陷波特性的HMSIW超寬帶濾波器的設計與實現[C].//中國電子學會.2009年全國微波毫米波會議論文集.2009：497-500.

[5]康宏毅.慢波半模基片集成波導帶通濾波器的研究與設計[D].西安：西安電子科技大學，2017.

[6]馮文杰.基于信號干擾技術和新型諧振器的平面寬帶濾波器及平衡電路的研究[D].南京：南京理工大學，2013.

（編輯 王雪芬）