基於SIW的X波段窄帶濾波器設計

摘要：基於基片集成波導設計了一種小型化X波段的超窄帶廣義切比雪夫濾波器。濾波器響應函數為廣義切比雪夫函數，引入四個傳輸零點以實現高選擇性能；結構設計為上下對稱的兩層，以減小調試的參數數量；以相對介電常數為25和電損耗角正切為0.000 1的陶瓷材料作為基片。模擬結果表明，設計的濾波器實現了中心頻率為11.673 GHz、相對帶寬為0.24%、通帶內插入損耗小於-1.5 dB、回波損耗-20 dB的性能指標。

正文內容：

0 引言

隨著無線通信的發展，頻譜資源越來越緊張，頻譜被劃分為更小的區間來使用。同時，頻率使用範圍不斷向更高頻段發展，超窄帶濾波器的需求越來越大。

超窄帶濾波器要求Q 值高，而微帶等易於平面集成的結構不滿足此要求。傳統的波導Q 值高，但結構體積龐大不易集成。SIW技術將波導元件和平面傳輸線集成在同一襯底上，具有Q 值高、損耗小、小型化、易集成等優點，得到了廣泛應用。

廣義切比雪夫函數可引入N-2 個傳輸零點。傳輸零點的位置可調，能有效提高濾波器的帶外抑制，適用於窄帶濾波器的設計。

1　SIW結構的設計

SIW的結構，如圖1所示。設置於介質內的且貫穿於上下兩層金屬板的兩排金屬化通孔，等效於標準金屬波導的側壁，傳輸特性與矩形波導極為相似。標準波導的TM模的電流在側壁沿電磁波傳播方向傳導，用金屬化通孔所模擬的波導側壁破壞該電流的連續性，因此SIW中不能傳播TM模式。

2　廣義切比雪夫濾波器耦合矩陣的綜合

腔體交叉耦合濾波器的等效電路如圖2所示。它是由N 個諧振器構成的諧振網路，諧振器之間存在耦合，濾波器的濾波性能由諧振器的諧振頻率及其之間的耦合係數決定。廣義切比雪夫函數可引入N-2 個傳輸零點，根據給定的傳輸零點位置、中心頻率、通帶帶寬、通帶插入損耗和通帶回波損耗，利用零點遞推法[2]可綜合出滿足需求的濾波器響應函數。

根據電路理論，可推導出S11 、S21 與耦合矩陣陣元的關係[3-4]，綜合出耦合矩陣。

上述所得的耦合矩陣得出的拓撲結構往往不易於實現，需要通過一系列相似變換[5]化簡耦合矩陣，從而得到易於物理實現的拓撲結構[6]。

本文所設計的濾波器指標為：中心頻率11.673 GHz，帶寬28 MHz，插入損耗小於-1.5 dB，回波損耗小於-20 dB。根據指標綜合出的耦合係數如表1所示。

根據綜合的耦合係數，得出濾波器的拓撲結構，如圖3（a）所示。注意，耦合係數K15 、K24 很小，使其等於0仍能滿足指標要求。為獲得更簡單、易於實現的拓撲結構，本文採用的拓撲結構如圖3（b）所示。該結構具有對稱性，使調試參數減少一半。

3　腔體與耦合結構的設計

基於上述拓撲結構，計算單個腔體的無載品質因數 與中心頻率處的插入耗損的關係，如圖4所示，由此確定單個腔體的品質因數需要大於10 000。

所設計的濾波器是雙層結構，根據上述綜合的耦合係數，建立的模擬提取模型如圖5所示。根據式（3），計算得到對應的耦合係數與耦合結構尺寸的關係如圖6所示。

根據上述的耦合矩陣，計算得最大群時延為1.69×10-8 s。在HFSS的模式驅動下，建立的外部Q 值的提取模型[8]如圖7（a）所示。調整輸入/輸出耦合孔尺寸和腔體尺寸，得到的結果如圖7（b）所示。

4　模擬結果與分析

得到濾波器的所有初始參數後，在HFSS建立整體模型，如圖8（a）所示。經過調整，最終的模擬結果如圖8（b）所示，而最終的尺寸如表2所示。

5　結　語

本文設計了一種基於基片集成波導的6階廣義切比雪夫窄帶帶通濾波器，通過HFSS模擬，實現了相對帶寬為0.24%、通帶插入損耗優於1.5 dB、回波損耗優於20 dB的性能指標，同時結構緊湊、體積小、易與其他微波器件集成，能廣泛應用於各種微波電路與系統。

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[8] 徐興福.HFSS射頻模擬設計實例大全[M].北京:電子工業出版社,2005.

作者：方健成，汪曉光

單位：電子科技大學，四川 成都 611731

作者簡介：方健成，男，碩士，主要研究方向為微波器件；

汪曉光，男，學士，副教授，主要研究方向為微波器件。

本文刊登在《通信技術》2018年第2期（轉載請註明出處，否則禁止轉載）

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