一種小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計分析

袁正昊

摘? 要：在無線通信系統(tǒng)高速發(fā)展過程中，微波濾波器有著較為重要的價值與作用。微分電路可以有效解決環(huán)境噪聲以及電磁干擾抑制性問題，微波差分濾波器是現(xiàn)階段研究的重點。基片集成波導(dǎo)具有較高的速度，加工也較為便捷，具有較大功率容量的優(yōu)勢，在濾波器設(shè)計中應(yīng)用相對較為廣泛。SIW在差分濾波器的設(shè)計中應(yīng)用效果更為顯著。基于此，文章主要對一種小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計分進行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：小型化微波寬帶帶通濾波器;工程設(shè)計;SIW

中圖分類號：TN713? ? ? ? 文獻標志碼：A

相對于傳統(tǒng)的差分濾波器來說，SIW的差分濾波器尺寸相對較小，具有低成本、低損耗、高品質(zhì)、小型化以及易集成化的優(yōu)勢，在應(yīng)用中有效地降低了輻射損耗性問題。SIW作為一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的波導(dǎo)具有相同的傳輸特征，具有較為顯著的易加工、集成化的特點。在保證其整體穩(wěn)定性基礎(chǔ)之上可以實現(xiàn)低成本、高集成性的目的。在小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計中應(yīng)用SIW可以有效地提升其整體性能，達到預(yù)期的目的與要求。

1 一種小型化微波寬帶帶通濾波器設(shè)計分析

微波濾波器是微波系統(tǒng)中較為重要的元器件，主要廣泛應(yīng)用在微波通信收發(fā)信機中。在移動通信的不斷發(fā)展過程中，通信網(wǎng)絡(luò)密度逐漸提升，也推動了小型化的微波中繼以及回傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高速發(fā)展。因此，為了有效地滿足其性能要求，就要探究合理的設(shè)備手段。

微帶電路工藝簡單、易于集成，但是隨著使用頻率累積增加，會導(dǎo)致其出現(xiàn)損耗以及泄漏與輻射等問題。傳統(tǒng)設(shè)備調(diào)試以及加工的成本費用相對較高，在實踐中集成效果較差。SIW差分濾波器在設(shè)計中首先要對單個SIW腔體的激勵位置進行調(diào)整優(yōu)化，達到激勵更多腔體諧振模式的目的。在腔體中模式的對稱面呈現(xiàn)奇對稱的時候可以進行傳輸;而在共模激勵之下，輸入信號以及腔體中內(nèi)部的電場方向則相反，則腔體則無法傳輸共模信號。

現(xiàn)階段，在SIW設(shè)計中也逐漸嘗試通過交叉耦合技術(shù)進行SIW差分濾波器的設(shè)計，通帶兩側(cè)中引入TZ的方式提升頻率選擇性;同時級聯(lián)2個具有共模抑制性的腔體，提升共模抑制性能。級聯(lián)多個具有抑制共模效果的腔體則可以達到提升濾波器共模抑制性能的目的，在級聯(lián)2個具有抑制共模效果的腔體基礎(chǔ)上通過提升共模抑制性能的方式進行優(yōu)化。

分析腔體表面上的共模電流分布，在適當?shù)奈恢每涛g槽線，在槽線切割波導(dǎo)壁上出現(xiàn)面電流的時候，可以實現(xiàn)對共模信號的抑制。

通過諧振腔體高次模的方式進行差分濾波器構(gòu)建雖然可以有效地提升整體的性能，但是其仍然是將完整的SIW腔體作為主要的濾波單元，并沒有改善其尺寸弊端問題。

濾波器在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，這也就決定了其對于系統(tǒng)小型化的要求更為迫切。基于半模SIW腔體結(jié)構(gòu)的濾波器減少一半的體積也具有良好的差模傳輸特性、共模抑制特性實現(xiàn)小型化的設(shè)計目的。SIW差分濾波器在結(jié)構(gòu)上以及性能上來說，具有高性能、小型化的特征，其有著巨大的發(fā)展空間。

2 一種小型化微波寬帶帶通濾波器小型化的方法

2.1 雙模諧振技術(shù)

雙模諧振器技術(shù)是一種實現(xiàn)微波器件小型化的最為有效的方式。其可以分為雙模微帶諧振環(huán)以及雙模腔體諧振器。利用其在雙模諧振器的特定位置中應(yīng)用微擾，這樣就會分離正交模式，加上二者之間具有耦合性的作用，就會產(chǎn)生濾波器的效果。該類諧振器可以將每個雙模諧振器作為雙調(diào)諧振，電路可以在濾波器諧振階數(shù)不變的基礎(chǔ)之上，達到減小濾波器諧振器的目的，進而縮小了濾波器的尺寸。

2.2 半模SIW技術(shù)

對SIW諧振器的對角線以及中心線進行切割，可以獲得HMSIWR、四分之一SIW諧振腔以及八分之一的SIW。相對于方形的SIW分布來說，其邊長分布并沒有出現(xiàn)較大的變化。其可以保持與SIW諧振腔諧振特性的基礎(chǔ)上，減少了原有尺寸，分別為50%、75%以及87.5%。因此，基于半模的SIW設(shè)計濾波器可以達到減小濾波器尺寸的目的。

2.3 分形技術(shù)

通過對SIWR進行缺陷分形結(jié)構(gòu)的刻蝕，可以達到增加諧振器等效電長度的目的，達到降低諧振腔諧振頻率的目的。要求2個諧振腔在具有相同的諧振頻率技術(shù)上刻蝕分形結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)小型化的目的。

同時，通過刻蝕分形缺陷結(jié)構(gòu)，可以增大諧振腔的輻射損耗。因此，在進行缺陷結(jié)構(gòu)刻蝕的過程中，要分析諧振腔中無載品質(zhì)因數(shù)。

3 一種小型化微波寬帶帶通濾波器工程設(shè)計分析

3.1 結(jié)構(gòu)框架

SIW技術(shù)是基于介質(zhì)基片作為載體，其上下底面均屬于金屬層，其傳導(dǎo)路徑的兩側(cè)通過金屬化過孔進行處理，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)傳輸特性。

其腔體的基本形狀沒有規(guī)定的標準，形狀對于固有的品質(zhì)因數(shù)影響并不會產(chǎn)生較大的差異性。因此，腔體的形狀選擇要基于布局靈活性以及工藝實現(xiàn)性的角度進行分析。

SIW側(cè)壁主要是通過金屬化過孔排列而形成的，在鄰近的墻體之間的孔距要符合制版的工藝要求，在布局時要保證臨邊可以呈現(xiàn)完全的重合狀態(tài)。矩形相對于正方形的靈活性更高;而五邊以上的正多邊形腔體的靈活性欠佳，其設(shè)計復(fù)雜度相對較高。圓腔體在鄰近的墻體之間還是存在一些縫隙，整體上來說布局缺乏較為松散，受到工藝影響導(dǎo)致腔體出現(xiàn)變形等問題。綜合各種問題，主要利用矩形腔體作為設(shè)計方案。

3.2 工程設(shè)計流程

在設(shè)計中首先要根據(jù)設(shè)計指標確定濾波器的原型函數(shù)以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)矩陣。一般狀況之下工程主要就是通過廣義的切比雪夫函數(shù)原型進行分析，綜合SIW諧振腔估算公式進行分析，選定其介質(zhì)的基本材料。

根據(jù)理論計算分析初始值，構(gòu)建單腔以及雙腔的耦合模型，通過HFSS等仿真軟件，利用模型匹配方法確定關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)信息。確定對應(yīng)的諧振頻率墻體尺寸，分析不同耦合量的對應(yīng)尺寸。

根據(jù)初步確定的參數(shù)信息，在軟件中進行整體的建模分析，實現(xiàn)全波仿真處理，綜合工程設(shè)計的要求通過成熟的參數(shù)優(yōu)化算法實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化，達到設(shè)計的主要目的。通過對濾波器的設(shè)計優(yōu)化，運用遺傳算法的群體搜索方式進行多變量、多優(yōu)化目標的濾波器優(yōu)化，處理給定的初始數(shù)值以及合理的優(yōu)化區(qū)間，整個設(shè)計流程相對較為簡單便捷。

4 結(jié)語

雖然傳統(tǒng)的金屬矩形波導(dǎo)在毫米濾波器設(shè)計中應(yīng)用廣泛，但是因為其體積相對較大，無法與其平面電路集成，在一定程度上制約其在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。高品質(zhì)因數(shù)、體積較小、便于集成以及較大功率容量的基片集成波導(dǎo)在濾波器的設(shè)計中應(yīng)用實現(xiàn)了小型化的目的。

參考文獻

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