一種緊縮結(jié)構(gòu)的基片集成波導雙通帶濾波器

　　1 引言

　　在現(xiàn)代微波無線通信系統(tǒng)中，濾波器和雙工器等無源器件有著十分重要的作用。如果采用傳統(tǒng)的金屬波導、微帶線或者共面波導來設(shè)計，不是造價昂貴就是很難達到所要求的技術(shù)指標。另一方面，隨著微波毫米波集成電路的迅速發(fā)展， 這些傳統(tǒng)的微波電路結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能適應(yīng)現(xiàn)代無線通信對微波元器件小型化、集成化的要求?；刹▽?Substrate Integrated Waveguide)通過周期性金屬通孔實現(xiàn)了的類波導結(jié)構(gòu)，繼承了傳統(tǒng)波導器件高品質(zhì)因數(shù)和大功率容量等優(yōu)良特性，被廣泛應(yīng)用于設(shè)計各種微波和毫米波器件，同時基片集成波導還具有易于加工、造價低和容易集成的優(yōu)點。

　　為了產(chǎn)生傳輸零點，目前很多濾波器的設(shè)計采用交叉耦合的形式，極點提取技術(shù)與其相比，優(yōu)勢主要體現(xiàn)在衰減極點頻率的可控性，簡化了濾波器的結(jié)構(gòu)，降低了復(fù)雜結(jié)構(gòu)帶來的敏感性，而且降低了濾波器調(diào)諧和加工的難度。本文利用極點提取技術(shù)和耦合矩陣方法，提出了一種新型結(jié)構(gòu)的基片集成波導雙通帶濾波器。該濾波器采用單一諧振腔提取衰減極點，利用一個濾波器結(jié)構(gòu)實現(xiàn)雙通帶響應(yīng)，仿真結(jié)果顯示兩個通帶形成很高的隔離度，通帶內(nèi)回波損耗很小。該濾波器諧振腔采用三角形SIW諧振腔，整個濾波器構(gòu)成一個六邊形，結(jié)構(gòu)緊湊，有效的減小了濾波器的尺寸。

　　2 等效電路分析

　　以六腔濾波器為例，等效電路如圖1所示，第二腔和第六腔作為吸收回路提取衰減極點，衰減極點的位置就是第二、六腔諧振的位置，因此衰減極點的位置可任意確定，這使極點提取技術(shù)的應(yīng)用有了很大的靈活性，利用一個濾波器結(jié)構(gòu)，就可以實現(xiàn)兩種不同響應(yīng)類型的濾波器：其一，衰減極點在通帶外，可以設(shè)計帶外有傳輸零點的帶通濾波器，以增強帶外抑制;其二，衰減極點在通帶內(nèi)部，可以設(shè)計雙通帶濾波器。本文提出的濾波器第一、三、四、五腔構(gòu)成一個帶通濾波器結(jié)構(gòu)，而第二、六腔提取的衰減極點在通帶內(nèi)部，由此形成一個雙通帶結(jié)構(gòu)。

　　圖1 雙通帶濾波器等效電路

　　為了驗證該設(shè)計方法的可行性，設(shè)計了一個雙通帶濾波器。設(shè)計指標為：兩個通帶為9.6-9.85GHz和10.15-10.4GHz,通帶插損小于0.5dB，回波損耗小于-15dB，兩通帶隔離小于-20dB。原理電路如圖1所示。由文獻[7]給出的方法計算出各腔之間的耦合系數(shù)和外部Q值，數(shù)據(jù)如下。在microwave office中進行電路級仿真，結(jié)果如圖2所示，得到了預(yù)想中的波形，驗證了該設(shè)計方法的可行性。

　　3 濾波器設(shè)計

　　3.1 三角形SIW腔體的研究

　　與長方形SIW腔體比較，等邊三角形SIW腔體具有其自身的特點與性質(zhì)。本文提出的濾波器與中介紹的濾波器同樣由六個諧振腔構(gòu)成，與中采用長方形SIW腔體不同的是，本文所介紹的濾波器采用等邊三角形SIW腔體，由于這一變化，占空比明顯減小，有效的利用了空間，實現(xiàn)了濾波器的小型化。

　　圖2 電路級仿真結(jié)果

　　等邊三角形SIW腔體磁場分布如圖3所示，磁場是環(huán)繞三角形中心的封閉曲線。文獻[9]給出了計算正方形和圓形SIW腔體主模諧振頻率的公式，而等邊三角形SIW腔體主模頻率表可由式(1)得到：

(1)

　　公式(1)中，F(xiàn)為三角形諧振腔主模諧振頻率，c為真空中的光速，為介質(zhì)相對介電常數(shù)，L為等邊三角形邊長。

　　圖3 等邊三角形SIW腔體磁場分布

　　為驗證計算公式，我們選取一組不同邊長的等邊三角形SIW腔體進行試驗。表1為應(yīng)用公式(1)求得的頻率與應(yīng)用CST MICROWAVE STUDIO仿真得到的頻率的比較。結(jié)果顯示，公式計算得到的頻率與仿真得到的頻率吻合較好，驗證了等邊三角形SIW腔體主模頻率計算公式的正確性。

　　表1

　　3.2 濾波器仿真與測試結(jié)果

　　圖4 濾波器結(jié)構(gòu)圖

　　表2 濾波器物理結(jié)構(gòu)尺寸(單位：mm)

　　為了驗證設(shè)計方法的有效性，設(shè)計了一個x波段基片集成波導雙通帶濾波器。采用相對介電常數(shù)為2.65和厚度1mm的介質(zhì)板，金屬通孔直徑0.5mm，孔間距1mm，圖4為濾波器結(jié)構(gòu)圖。其中a為50歐姆導帶寬度，b、c、d決定了濾波器的外部Q值， L1、L2、L3分別為第一、二、三腔的邊長，決定各腔體的諧振頻率，S12、S13、S34分別為相鄰2腔耦合孔的大小，決定相鄰兩腔耦合的強弱。最后經(jīng)過CST MICROWAVE STUDIO仿真優(yōu)化后，可得到濾波器的物理尺寸，如表2所示，濾波器結(jié)構(gòu)左右對稱。仿真結(jié)果如圖5所示。

　　圖5 CST仿真結(jié)果

　　4 結(jié)論

　　本文提出了一種新型的基片集成波導雙通帶濾波器，并給出了具體的設(shè)計步驟。著重研究了等邊三角形SIW腔體的特性，給出了等邊三角形SIW腔體主模頻率計算公式，經(jīng)過仿真驗證計算結(jié)果較為準確。仿真了一個基于三角形SIW腔體的雙通帶濾波器，該濾波器兩個通帶之間有很高的隔離度，帶內(nèi)插損較小，仿真結(jié)果良好。這種濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，有效的利用了空間，實現(xiàn)了濾波器的小型化。