一种小型化微波宽带带通滤波器及其工程设计分析

    袁正昊

    摘? 要：在无线通信系统高速发展过程中，微波滤波器有着较为重要的价值与作用。微分电路可以有效解决环境噪声以及电磁干扰抑制性问题，微波差分滤波器是现阶段研究的重点。基片集成波导具有较高的速度，加工也较为便捷，具有较大功率容量的优势，在滤波器设计中应用相对较为广泛。SIW在差分滤波器的设计中应用效果更为显著。基于此，文章主要对一种小型化微波宽带带通滤波器及其工程设计分进行了简单的分析。

    关键词：小型化微波宽带带通滤波器;工程设计;SIW

    中图分类号：TN713? ? ? ? 文献标志码：A

    相对于传统的差分滤波器来说，SIW的差分滤波器尺寸相对较小，具有低成本、低损耗、高品质、小型化以及易集成化的优势，在应用中有效地降低了辐射损耗性问题。SIW作为一种新型的导波结构，与传统的波导具有相同的传输特征，具有较为显著的易加工、集成化的特点。在保证其整体稳定性基础之上可以实现低成本、高集成性的目的。在小型化微波宽带带通滤波器及其工程设计中应用SIW可以有效地提升其整体性能，达到预期的目的与要求。

    1 一种小型化微波宽带带通滤波器设计分析

    微波滤波器是微波系统中较为重要的元器件，主要广泛应用在微波通信收发信机中。在移动通信的不断发展过程中，通信网络密度逐渐提升，也推动了小型化的微波中继以及回传网络设备的高速发展。因此，为了有效地满足其性能要求，就要探究合理的设备手段。

    微带电路工艺简单、易于集成，但是随着使用频率累积增加，会导致其出现损耗以及泄漏与辐射等问题。传统设备调试以及加工的成本费用相对较高，在实践中集成效果较差。SIW差分滤波器在设计中首先要对单个SIW腔体的激励位置进行调整优化，达到激励更多腔体谐振模式的目的。在腔体中模式的对称面呈现奇对称的时候可以进行传输;而在共模激励之下，输入信号以及腔体中内部的电场方向则相反，则腔体则无法传输共模信号。

    现阶段，在SIW设计中也逐渐尝试通过交叉耦合技术进行SIW差分滤波器的设计，通带两侧中引入TZ的方式提升频率选择性;同时级联2个具有共模抑制性的腔体，提升共模抑制性能。级联多个具有抑制共模效果的腔体则可以达到提升滤波器共模抑制性能的目的，在级联2个具有抑制共模效果的腔体基础上通过提升共模抑制性能的方式进行优化。

    分析腔体表面上的共模电流分布，在适当的位置刻蚀槽线，在槽线切割波导壁上出现面电流的时候，可以实现对共模信号的抑制。

    通过谐振腔体高次模的方式进行差分滤波器构建虽然可以有效地提升整体的性能，但是其仍然是将完整的SIW腔体作为主要的滤波单元，并没有改善其尺寸弊端问题。

    滤波器在各个领域中广泛应用，这也就决定了其对于系统小型化的要求更为迫切。基于半模SIW腔体结构的滤波器减少一半的体积也具有良好的差模传输特性、共模抑制特性实现小型化的设计目的。SIW差分滤波器在结构上以及性能上来说，具有高性能、小型化的特征，其有着巨大的发展空间。

    2 一种小型化微波宽带带通滤波器小型化的方法

    2.1 双模谐振技术

    双模谐振器技术是一种实现微波器件小型化的最为有效的方式。其可以分为双模微带谐振环以及双模腔体谐振器。利用其在双模谐振器的特定位置中应用微扰，这样就会分离正交模式，加上二者之间具有耦合性的作用，就会产生滤波器的效果。该类谐振器可以将每个双模谐振器作为双调谐振，电路可以在滤波器谐振阶数不变的基础之上，达到减小滤波器谐振器的目的，进而缩小了滤波器的尺寸。

    2.2 半模SIW技术

    对SIW谐振器的对角线以及中心线进行切割，可以获得HMSIWR、四分之一SIW谐振腔以及八分之一的SIW。相对于方形的SIW分布来说，其边长分布并没有出现较大的变化。其可以保持与SIW谐振腔谐振特性的基础上，减少了原有尺寸，分别为50%、75%以及87.5%。因此，基于半模的SIW设计滤波器可以达到减小滤波器尺寸的目的。

    2.3 分形技术

    通过对SIWR进行缺陷分形结构的刻蚀，可以达到增加谐振器等效电长度的目的，达到降低谐振腔谐振频率的目的。要求2个谐振腔在具有相同的谐振频率技术上刻蚀分形结构尺寸，实现小型化的目的。

    同时，通过刻蚀分形缺陷结构，可以增大谐振腔的辐射损耗。因此，在进行缺陷结构刻蚀的过程中，要分析谐振腔中无载品质因数。

    3 一种小型化微波宽带带通滤波器工程设计分析

    3.1 结构框架

    SIW技术是基于介质基片作为载体，其上下底面均属于金属层，其传导路径的两侧通过金属化过孔进行处理，可以实现传统的金属波导传输特性。

    其腔体的基本形状没有规定的标准，形状对于固有的品质因数影响并不会产生较大的差异性。因此，腔体的形状选择要基于布局灵活性以及工艺实现性的角度进行分析。

    SIW侧壁主要是通过金属化过孔排列而形成的，在邻近的墙体之间的孔距要符合制版的工艺要求，在布局时要保证临边可以呈现完全的重合状态。矩形相对于正方形的灵活性更高;而五边以上的正多边形腔体的灵活性欠佳，其设计复杂度相对较高。圆腔体在邻近的墙体之间还是存在一些缝隙，整体上来说布局缺乏较为松散，受到工艺影响导致腔体出现变形等问题。综合各种问题，主要利用矩形腔体作为设计方案。

    3.2 工程设计流程

    在设计中首先要根据设计指标确定滤波器的原型函数以及相关的网络矩阵。一般状况之下工程主要就是通过广义的切比雪夫函数原型进行分析，综合SIW谐振腔估算公式进行分析，选定其介质的基本材料。

    根据理论计算分析初始值，构建单腔以及双腔的耦合模型，通过HFSS等仿真软件，利用模型匹配方法确定关键的设计参数信息。确定对应的谐振频率墙体尺寸，分析不同耦合量的对应尺寸。

    根据初步确定的参数信息，在软件中进行整体的建模分析，实现全波仿真处理，综合工程设计的要求通过成熟的参数优化算法实现设计优化，达到设计的主要目的。通过对滤波器的设计优化，运用遗传算法的群体搜索方式进行多变量、多优化目标的滤波器优化，处理给定的初始数值以及合理的优化区间，整个设计流程相对较为简单便捷。

    4 结语

    虽然传统的金属矩形波导在毫米滤波器设计中应用广泛，但是因为其体积相对较大，无法与其平面电路集成，在一定程度上制约其在现代通信系统中的应用。高品质因数、体积较小、便于集成以及较大功率容量的基片集成波导在滤波器的设计中应用实现了小型化的目的。

    参考文献

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