雙饋電結(jié)構(gòu)的HMSIW外部零點(diǎn)設(shè)計(jì)

電子科技大學(xué) 張譯戈 謝小強(qiáng) 李雪鵬 閆卓偉 馬柱榮

隨著通信技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前頻譜資源愈發(fā)緊缺，為提高頻譜利用率這就要求通信系統(tǒng)中進(jìn)行頻率選擇的濾波器具有更小的過(guò)渡帶寬。常規(guī)的切比雪夫型濾波器的過(guò)渡帶寬仍然較大為此發(fā)展出了通過(guò)設(shè)置帶外零點(diǎn)減小過(guò)渡帶寬的橢圓函數(shù)型濾波器。與切比雪夫型濾波器相比，其關(guān)鍵就在于帶外零點(diǎn)的引入。

半模基片集成波導(dǎo)技術(shù)（HMSIW）是利用等效磁壁的原理對(duì)SIW進(jìn)行小型化得到的一類(lèi)傳輸線(xiàn)，相對(duì)于SIW濾波器，HMSIW濾波器尺寸下降一半，極大的提高了濾波器的小型化程度，與SIW相同，由于采用平面PCB加工工藝，使得SIW/HMSIW濾波器要實(shí)現(xiàn)交叉耦合產(chǎn)生帶外零點(diǎn)往往比較復(fù)雜。本文提出一種雙饋電結(jié)構(gòu)，通過(guò)饋電等效的傳輸模式與HMSIW的傳輸模式不同，從而產(chǎn)生過(guò)模零點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。為此設(shè)計(jì)一款Ka波段HMSIW四階濾波器，改變饋電方式使得濾波器帶外存在三個(gè)帶外零點(diǎn)。

1 理論分析

雙饋電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋電結(jié)構(gòu)

通過(guò)推導(dǎo)得到分界面上縱向電場(chǎng)分布為：

而對(duì)于單端饋電而言為：

通過(guò)對(duì)比式(1)與式(2)可知采用雙饋電結(jié)構(gòu)，可視為傳輸模式為模的傳輸線(xiàn)饋電到HMSIW中激發(fā)其各個(gè)模式。因此濾波器中存在模轉(zhuǎn)換為模再轉(zhuǎn)化為模產(chǎn)生過(guò)模零點(diǎn)。

建立三階模型，從電場(chǎng)分布可以看出在分界面上存在三個(gè)電場(chǎng)最強(qiáng)處，正好對(duì)應(yīng)TE20模以及TE10模的電場(chǎng)最強(qiáng)處，從而得到結(jié)論采用雙饋電結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)TE20模與TE10模的轉(zhuǎn)換。此外，由于饋電模式與HMSIW傳輸模式不同，饋電位置不在TE10模的電場(chǎng)最大值處使得分界面對(duì)饋電級(jí)腔體而言可視為磁壁，因此這種雙饋電結(jié)構(gòu)還具有一定的小型化特點(diǎn)。三階過(guò)模結(jié)構(gòu)如圖2所示。三階過(guò)模仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 三階過(guò)模結(jié)構(gòu)

圖3 三階過(guò)模仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果來(lái)看，該結(jié)構(gòu)在上下邊帶分別存在一個(gè)零點(diǎn)，改變饋電處微帶間距，帶外零點(diǎn)隨之移動(dòng)。高端零點(diǎn)隨間距增大往通帶方向移動(dòng)，過(guò)渡帶寬減小；低端零點(diǎn)隨微帶間距增大遠(yuǎn)離通帶，過(guò)渡帶寬增大。其中36.6GHz的諧振為受第二級(jí)腔模影響產(chǎn)生。單端外部耦合模型如圖4所示。

圖4 單端外部耦合模型

通過(guò)單端外部耦合得到微帶間距對(duì)外部耦合系數(shù)影響如圖5所示。

圖5 微帶間距對(duì)外部耦合影響

2 Ka波段HMSIW四階濾波器

為驗(yàn)證半腔耦合濾波器特性，本文設(shè)計(jì)一個(gè)Ka波段含4個(gè)諧振腔的半模基片集成波導(dǎo)濾波器。主要指標(biāo)為：中心頻率31GHz，阻帶要求帶外1GHz衰減20dB。

設(shè)計(jì)好的濾波器結(jié)構(gòu)圖6所示。

圖6 濾波器結(jié)構(gòu)

HMSIW諧振腔之間通過(guò)微帶-HMSIW結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)感性耦合，降低HMSIW濾波器的損耗提高帶寬，此外，由于是雙平行結(jié)構(gòu)，使得濾波器中段也存在模式，可以額外產(chǎn)生一個(gè)帶外零點(diǎn)。其主要參數(shù)為：饋電處帶線(xiàn)間距4.97mm，窗口尺寸1.83mm，中段微帶間距4.9mm。

加工后的圖片如圖7所示。

圖7 加工實(shí)物

其仿真以及測(cè)試效果如圖8所示。

該濾波器中心頻率31.05GHz，帶內(nèi)波損耗-26dB，中心處最小插入損耗0.46dB，1dB相對(duì)帶寬12%，帶外抑制從3dB通帶下降到-20dB，左邊帶為0.7GHz，右邊帶為1.1GHz。由于加工誤差導(dǎo)致波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶處匹配不好從而使得帶內(nèi)回波損耗較差，但從效果上仍可以較為明顯看出濾波器帶外存在三個(gè)零點(diǎn)，下邊帶一個(gè)，上邊帶兩個(gè)。

結(jié)論：文章使用雙饋電結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單端饋電設(shè)計(jì)的Ka波段HMSIW濾波器實(shí)現(xiàn)了三個(gè)帶外零點(diǎn)的引入，較好的提高了濾波器的通帶選擇性，并通過(guò)引入微帶-HMSIW結(jié)構(gòu)改善了HMSIW濾波器損耗較大的問(wèn)題。

與文獻(xiàn)3、4、5中同樣Ka波段的濾波器對(duì)比如表1所示。

表1 與文獻(xiàn)3、4、5中同樣Ka波段的濾波器對(duì)比

可見(jiàn)對(duì)于雙饋電結(jié)構(gòu)可以在不提高工藝難度的情況下產(chǎn)生多個(gè)帶外零點(diǎn)，其零點(diǎn)個(gè)數(shù)以及相對(duì)帶寬等都有較為明顯的優(yōu)勢(shì)與文獻(xiàn)中的疊層濾波器相比，本文所采用的結(jié)構(gòu)無(wú)需通過(guò)疊層工藝，具有易加工的特點(diǎn)。