波導(dǎo)帶通濾波器與微帶轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)

摘要：利用三維仿真軟件HFSS首先設(shè)計(jì)了K波段7階電感E面帶通波導(dǎo)濾波器，以及波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器，其中波導(dǎo)濾波器的中心頻率為19 GHz，帶寬為3 GHz，帶內(nèi)損耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB；而波導(dǎo)-微帶的轉(zhuǎn)換器在1 6～20．8 GHz的帶寬內(nèi)端口反射小于-20 dB，帶內(nèi)損耗小于0．1 dB。然后將兩者有效結(jié)合為一體，其工作帶寬為1 7．5～20．5 GHz，帶內(nèi)損耗為0．3 dB，端口反射小于-1 5 dB，帶外抑制小于-30 dB，可以滿足實(shí)際系統(tǒng)應(yīng)用的需求。
關(guān)鍵詞：波導(dǎo)；帶通濾波器；微帶；波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器

0 引言
隨著毫米波技術(shù)在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)各種高性能毫米波集成電路的需求也日益增長(zhǎng)。微帶線是現(xiàn)有毫米波集成電路中十分重要的傳輸線形式，各個(gè)MMIC單片主要采用微帶線相連接。而濾波器則是現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)——選頻網(wǎng)絡(luò)。其中，波導(dǎo)濾波器因具有損耗低、高Q值的優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于微波中繼通信、雷達(dá)、天饋系統(tǒng)等。
在波導(dǎo)和微帶中傳輸射頻信號(hào)必須通過波導(dǎo)-微帶的過渡裝置來完成。因此，設(shè)計(jì)寬頻帶、低損耗的波導(dǎo)-微帶的轉(zhuǎn)換裝置，是十分必要的，具體的轉(zhuǎn)換方式主要為以下三種形式：脊鰭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；波導(dǎo)-同軸-微帶線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。對(duì)于前兩種轉(zhuǎn)換方式，波導(dǎo)和微帶處于同一方向，所占空間較大；而對(duì)于第三種轉(zhuǎn)換方式，波導(dǎo)與微帶相互正交，具有無需焊接，安裝方便，而且所占空間較小的優(yōu)點(diǎn)，從而成為MMIC電路設(shè)計(jì)中常用的一種方式。
本文通過電感膜片耦合的方式構(gòu)成寬帶帶通波導(dǎo)濾波器，然后設(shè)計(jì)了波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換裝置，將兩者組成一個(gè)整體，在HFSS仿真軟件中得到了較理想的參數(shù)。

1 理論分析
1．1 電感膜片濾波器
薄電感窗的示意圖如圖1所示，兩塊金屬膜片分別置于矩形波導(dǎo)(a×b)縱截面的兩側(cè)，其厚度為t，窗口面積為bxd。

本文利用模式匹配法對(duì)電感膜片波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了分析，將分析結(jié)果應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)綜合過程中，可直接得到電感膜片的尺寸和腔體的長(zhǎng)度。然后利用網(wǎng)絡(luò)變換公式，可以計(jì)算S21的理論參考值：

式中K21j,j+1為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)綜合方法計(jì)算出的阻抗變換器的參數(shù)。
當(dāng)電感膜片的厚度t固定不變，膜片的寬度a變化時(shí)，由模式匹配法計(jì)算出中心頻率處S21的值，當(dāng)S21和理論相值匹配時(shí)，所對(duì)應(yīng)的膜片寬度a就確定了。
波導(dǎo)諧振器長(zhǎng)度的計(jì)算：

式中θ1和θ2是諧振器兩邊膜片在中心頻率處S11的相位。