雙饋電結構的HMSIW外部零點設計

電子科技大學 張譯戈 謝小強 李雪鵬 閆卓偉 馬柱榮

隨著通信技術發展，當前頻譜資源愈發緊缺，為提高頻譜利用率這就要求通信系統中進行頻率選擇的濾波器具有更小的過渡帶寬。常規的切比雪夫型濾波器的過渡帶寬仍然較大為此發展出了通過設置帶外零點減小過渡帶寬的橢圓函數型濾波器。與切比雪夫型濾波器相比，其關鍵就在于帶外零點的引入。

半模基片集成波導技術（HMSIW）是利用等效磁壁的原理對SIW進行小型化得到的一類傳輸線，相對于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濾波器要實現交叉耦合產生帶外零點往往比較復雜。本文提出一種雙饋電結構，通過饋電等效的傳輸模式與HMSIW的傳輸模式不同，從而產生過模零點的結構。為此設計一款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帶外零點。

1 理論分析

雙饋電結構如圖1所示。

圖1 雙饋電結構

通過推導得到分界面上縱向電場分布為：

而對于單端饋電而言為：

通過對比式(1)與式(2)可知采用雙饋電結構，可視為傳輸模式為模的傳輸線饋電到HMSIW中激發其各個模式。因此濾波器中存在模轉換為模再轉化為模產生過模零點。

建立三階模型，從電場分布可以看出在分界面上存在三個電場最強處，正好對應TE20模以及TE10模的電場最強處，從而得到結論采用雙饋電結構可以實現TE20模與TE10模的轉換。此外，由于饋電模式與HMSIW傳輸模式不同，饋電位置不在TE10模的電場最大值處使得分界面對饋電級腔體而言可視為磁壁，因此這種雙饋電結構還具有一定的小型化特點。三階過模結構如圖2所示。三階過模仿真結果如圖3所示。

圖2 三階過模結構

圖3 三階過模仿真結果

從仿真結果來看，該結構在上下邊帶分別存在一個零點，改變饋電處微帶間距，帶外零點隨之移動。高端零點隨間距增大往通帶方向移動，過渡帶寬減小；低端零點隨微帶間距增大遠離通帶，過渡帶寬增大。其中36.6GHz的諧振為受第二級腔模影響產生。單端外部耦合模型如圖4所示。

圖4 單端外部耦合模型

通過單端外部耦合得到微帶間距對外部耦合系數影響如圖5所示。

圖5 微帶間距對外部耦合影響

2 Ka波段HMSIW四階濾波器

為驗證半腔耦合濾波器特性，本文設計一個Ka波段含4個諧振腔的半模基片集成波導濾波器。主要指標為：中心頻率31GHz，阻帶要求帶外1GHz衰減20dB。

設計好的濾波器結構圖6所示。

圖6 濾波器結構

HMSIW諧振腔之間通過微帶-HMSIW結構實現感性耦合，降低HMSIW濾波器的損耗提高帶寬，此外，由于是雙平行結構，使得濾波器中段也存在模式，可以額外產生一個帶外零點。其主要參數為：饋電處帶線間距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 加工實物

其仿真以及測試效果如圖8所示。

該濾波器中心頻率31.05GHz，帶內波損耗-26dB，中心處最小插入損耗0.46dB，1dB相對帶寬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。由于加工誤差導致波導轉微帶處匹配不好從而使得帶內回波損耗較差，但從效果上仍可以較為明顯看出濾波器帶外存在三個零點，下邊帶一個，上邊帶兩個。

結論：文章使用雙饋電結構代替傳統單端饋電設計的Ka波段HMSIW濾波器實現了三個帶外零點的引入，較好的提高了濾波器的通帶選擇性，并通過引入微帶-HMSIW結構改善了HMSIW濾波器損耗較大的問題。

與文獻3、4、5中同樣Ka波段的濾波器對比如表1所示。

表1 與文獻3、4、5中同樣Ka波段的濾波器對比

可見對于雙饋電結構可以在不提高工藝難度的情況下產生多個帶外零點，其零點個數以及相對帶寬等都有較為明顯的優勢與文獻中的疊層濾波器相比，本文所采用的結構無需通過疊層工藝，具有易加工的特點。