高次模抑制的基片集成波导滤波器设计

高次模抑制的基片集成波导滤波器设计
马亮;杜承阳;黄晓栋;郭睿;许海琦
【摘要】设计了一个四阶基片集成波导滤波器,采用HFSS软件优化谐振腔尺寸、耦合窗宽度,以获得良好的性能.为了抑制由高次模引起的寄生通带,提高阻带性能,腔与腔之间采用双耦合窗进行能量耦合,有效地抑制了TE301模式的传输.设计好的滤波器在单层PCB基片上进行制作.测试结果表明滤波器的中心频率为20 GHz,带宽为600 MHz,通带内最小插损为1.8dB,反射系数优于-15 dB.由于高次模被抑制,滤波器阻带内的第1次有效寄生通带出现在约38 GHz处.滤波器实测结果与仿真结果具有较高的吻合度.
【期刊名称】《雷达与对抗》
【年(卷),期】2017(037)004
【总页数】4页(P40-43)
【关键词】滤波器;基片集成波导;高次模抑制
【作者】马亮;杜承阳;黄晓栋;郭睿;许海琦
【作者单位】中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153;中国船舶重工集团公司第七二四研究所,南京211153
【正文语种】中文
【中图分类】TN713
滤波器是射频系统中关键器件之一，对提高系统灵敏度、抑制虚假电平等起到关键作用。

基片集成波导(SIW)滤波器是近年来备受关注的一项技术，得到了广泛的关注与研究。

它类似于传统矩形波导滤波器，具有低损耗、高Q值等优点。

同时，
基片集成波导滤波器尺寸小，成本低，易于制作，易于实现与其他平面器件互联，在一块PCB板上构成一个系统，实现系统的高集成度和小型化。

与其他类型滤波
器一样，由于高次模的存在，SIW滤波器频率响应的上边带会有多个寄生通带，
将会影响其阻带性能，限制滤波器的使用。

因此，需要采取措施对高次模加以抑制。

本文设计了一个工作于K波段的四阶基片集成波导滤波器，并采用双耦合窗的方
式对高次谐波进行了抑制，有效提高了上边带的带外抑制度。

经实测，其结果与仿真模型有较好的一致性。

图1所示为典型的单层SIW谐振腔。

它是由敷于介质基片上下的金属板和嵌入基
片的金属化通孔构成的封闭结构，金属通孔的直径为d，孔与孔之间的距离为p。

当通孔直径与孔间距满足d<0.2λg、d/p≥0.5时(λg为电磁场在介质中的波长)，
电磁场被束缚在其中，向外界泄露能量极低。

[1-2] 将单个SIW腔连接至输入/输
出端口，对其频率响应进行仿真，如图2所示。

SIW腔呈现出带通的特性，并且
带内插损很低。

SIW腔与传统矩形波导腔结构、特性都极为相似，最大不同之处在于SIW不支持TM模式传播。

这主要是因为SIW腔的金属通孔阵列不允许侧向电流传播，在腔
的侧面方向不可以等效为电壁。

已有的矩形波导的设计经验及方法可以直接应用于SIW的设计。

对于长为L、宽为W的SIW腔，可以将其等效为一矩形波导，等效出的矩形波导长为Leff，宽为Weff，两者的尺寸满足如下的关系[3]:
参考矩形波导相关理论[4]，则对于SIW腔中的TEm0n模式(m、n为整数)，其谐振频率为
其中，c0为真空中的光速，εr为介质的介电常数。

在实际设计滤波器时，腔体的
谐振频率可以用商用软件(如HFSS、CST等)，采用本征频率仿真获得。

现代滤波器设计常用的方法是耦合矩阵法，比较适用于带通滤波器的设计。

用这种方法需要知道各个腔的谐振频率、腔与腔之间的耦合系数以及外部品质因数。

[5]耦合系数是滤波器设计中的重要参数，它定义为耦合能量与存储能量之间的比值[6]：
k=+
在实际滤波器设计中采用成熟的商业软件提取耦合系数，在软件中建立双腔模型，利用软件的本征模分析，可得到电路频率响应中两个谐振峰所对应的两个频率，分别为f1和f2，则耦合系数可以由下式计算:
此种方法提取的耦合系数只能得出绝对数值，至于该耦合是负耦合还是正耦合，需要设计者通过腔的结构加以判断。

与其他类型滤波器一样，由于高次模的存在，滤波器频率响应的上边带会有多个寄生通带，如果寄生通带距离工作频段太近则将限制滤波器的使用。

因此，需要对高次模加以抑制，以改善带外的抑制效果。

图3所示是一个三阶SIW滤波器的频率响应曲线，腔与腔之间通过单个感性耦合窗进行耦合。

除了位于20 GHz附近的主通带外，29 GHz附近有一个不需要的寄生通带。

通过仿真此处的电场分布可以得知，这是TE301的谐振频率。

为了获得更好的阻带性能，需要对这个谐振模式进行抑制。

由图3可知，当腔体谐振在TE301模式时，在侧壁上有两处电场分布极弱，若将耦合窗移到此处，则TE301模式不能被有效激励，会起到抑制寄生通带的作用。

在原有三阶滤波器的基础上，将单耦合窗改成双耦合窗，仿真得到频率响应曲线，如图4所示。

对比图3，原有位于29 GHz处的寄生通带被有效地抑制。

本次设计的四阶SIW滤波器的几何结构如图5所示。

该滤波器由4个SIW谐振腔级联构成，腔与腔之间采用双窗耦合。

d12和d11用于调节耦合窗的位置，以实
现对于TE301模式良好的抑制效果。

滤波器的中心频率为20 GHz，带宽600 MHz，带内反射系数小于-20 dB。

根据以上指标，可综合出所需的耦合矩阵[7]，其中一个可能的解是：
M=
耦合矩阵M意味着各个腔体的谐振频率如下：
以及各个腔体之间的耦合系数：
由于滤波器采用了双耦合窗结构，TE301模式被有效抑制，且滤波器输入/输出端口在侧壁的中央，TE201模式不能被有效激励(同理，TE401不能被激励)，所以离通带最近的谐振模式为TE102或者TE501。

为了使第1个出现的寄生通带尽可能地远离工作频段，则TE102模式的谐振频率应该与TE501模式的谐振频率相等，即f102=f501，结合式(3)可得
=
解上式可得
由此可计算第1寄生通带的谐振频率与工作频率的比值：
===1.915
根据式(10)及(3)选择腔体的初始尺寸，在HFSS建立模型，金属通孔的直径选为0.5 mm，孔与孔之间的间距为0.85 mm。

通过仿真优化，最终得到的尺寸如表1所示。

设计好的滤波器在单层Rogers RT/Duroid 5880基片上进行制作，介质的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度选为0.508 mm。

制作完成的滤波器如图6所示。

所设计的滤波器测量结果如图7所示。

图7(a)所示为通带附近窄带情况下的频率响应，滤波器中心
频率为20 GHz，带宽为600 MHz，通带内最小插损为1.8 dB，反射系数优于-
15 dB。

实测结果与仿真结果吻合度较高。

图7(b)为观察频率范围增大的频率响应，阻带内的有效寄生通带位于约38 GHz处，这与式(11)得出的理论值十分接近。

滤波器对原有28.5 GHz处的寄生通带起到较好的抑制效果。

本文设计了一个中心频率为20 GHz、带宽600 MHz的四阶SIW滤波器，采用双耦合窗的方式抑制了带外TE301高次模，并通过合理选择谐振腔长宽比使得寄生
通带距离工作频率尽可能的远，提高了阻带内的性能。

实测结果与HFSS仿真结果具有较好的一致性。

有效寄生通带位于约38 GHz处，阻带性能有较大改善。

【相关文献】
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