新型SIW腔體雙膜濾波器的設計方法介紹

濾波器在無線通信、軍事、科技等領域有著廣泛的應用。而微波毫米波電路技術的發(fā)展，更加要求這些濾波器應具有低插入損耗、結構緊湊、體積小、質(zhì)量輕、成本低的特點。傳統(tǒng)用來做濾波器的矩形波導和微帶線已經(jīng)很難達到這個要求。而基片集成波導（SIW）技術為設計這種濾波器提供了一種很好的選擇。

SIW的雙膜諧振器具有一對簡并模式，可以通過對諧振器加入微擾單元來使這兩個簡并模式分離，因此，經(jīng)過擾動后的諧振器可以看作一個雙調(diào)諧電路。分離的簡并模式產(chǎn)生耦合后，會產(chǎn)生兩個極點和一個零點。所以，雙膜濾波器在減小尺寸的同時，也增加了阻帶衰減。而且還可以實現(xiàn)較窄的百分比帶寬?？墒牵p膜濾波器又有功率損耗高、插入損耗大的缺點。為此，本文提出了一種新型SIW腔體雙膜濾波器的設計方法。

該SIW的大功率容量、低插入損耗特性正好可以對雙膜濾波器的固有缺點起到補償作用。而且輸入／輸出采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結構，也減少了耦合縫隙的損耗。

l 雙膜諧振原理及頻率調(diào)節(jié)

SIW是一類新型的人工集成波導，它是通過在平面電路的介質(zhì)層中嵌入兩排金屬化孔構成的，這兩排金屬化孔構成了波導的窄壁，圖1所示是基片集成波導的結構示意圖。這類平面波導不僅容易與微波集成電路（MIC）以及單片微波集成電路（MMIC）集成，而且，SIW還繼承了傳統(tǒng)矩形波導的品質(zhì)因數(shù)高、輻射損耗小、便于設計等優(yōu)點。

1．1 基片集成波導諧振腔

一般情況下，兩個電路的振蕩頻率越接近，這兩個電路之間的能量轉(zhuǎn)換需要的耦合就越小。由于諧振腔中的無數(shù)多個模式中存在著正交關系，故要讓這些模式耦合發(fā)生能量交換，必須對理想的結構加擾動。但是，為了保持場結構的原有形式，這個擾動要很小。所以，本文選擇了SIW的簡并主模TE102和 TE201，它們的電場分布圖如圖2所示。因為TM和TEmn（n10）不能夠在SIW中傳輸。因此，一方面可以保證在小擾動時就可以實現(xiàn)耦合，同時也可以保證場的原有結構。

假設圖3所示的矩形腔體的長、寬、高分別為a、b、d。因為TEmn（n10）不能在SIW中傳輸，所以對于SIW諧振腔來說，其諧振頻率的計算公

式如下：　　

對于具有相同諧振頻率的兩個模式來說，則有如下關系：

選定的工作簡并模式，利用公式（1）、（2）、 （3）來確定矩形波導諧振腔的初始尺寸，然后再結合有關文獻，就可以確定SIW腔體的尺寸。圖3所示是其金屬矩形諧振腔的基本結構。

1．2 雙膜SIW諧振腔及其頻率調(diào)節(jié)

圓柱形波導、矩形波導和微帶線都可以用來做雙膜濾波器。然而，一些典型的雙膜設計方法（如加調(diào)節(jié)螺釘、內(nèi)角加工、在微帶貼片上加入十字槽等）并不適用于SIW腔體。有文獻提到采用切角、打孔、饋電擾動等擾動方式來應用于SIW腔體。故此，本文選取了在SIW腔體對稱的角上切兩個相同的方形切角作為微擾方式。擾動腔體的諧振頻率被分成f1和f2兩個高低不同的頻率，這兩個頻率的平均值（f1+f2）／2和原有腔體的諧振頻率f0往往不相等。類似地，輸入／輸出部分的耦合也會造成諧振頻率的平移。這樣就會造成兩種情況：一是（f1+f2）／2》f0；二是（f1+f2）／2《 P》

是大于還是小于取決于耦合結構。對于第一種情況，可以通過加大諧振腔尺寸來調(diào)節(jié)頻率移動；而對于第二種情況，則可以通過減小諧振器尺寸或者在諧振腔上開個縫來減少諧振腔等效尺寸等方法來調(diào)節(jié)。當然也可以不調(diào)節(jié)，分別針對這兩種情況加以利用。在實際的工程應用中。要求 s《λ／20，當SIW工作在高頻段時，為了滿足上述條件，往往要求金屬柱半徑以及它們之間的間距很小，以至于加工非常困難。而此時就可以利用第一種情況，以較大的尺寸在較高頻率處實現(xiàn)良好的濾波性能，降低加工難度；而對于第二種情況，可以以更小的尺寸在較低的諧振頻率處實現(xiàn)良好的濾波性能，從而實現(xiàn)濾波器的小型化。本文就是有效地利用了第二種情況，從而設計出性能好、尺寸小的濾波器。

2 雙膜濾波器的實現(xiàn)與仿真