双膜基片集成波导（SIW）带通滤波器的设计与仿真

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                    　　摘要：根据多模激励的单腔体谐振器原理以及基片集成波导(SIW)高Q值、低损耗、大功率容量的特点，提出了一种新的SIW方形腔体双膜滤波器的设计方法。该方法通过在SIW腔体两个对称角上切角作为微扰来使简并模式分离并产生耦合，从而形成了中心频率在4．95GHz的窄带带通滤波器，并最终采用直接过渡方式实现了SIW到微带的转换。
　　0 引言
　　滤波器在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用。而微波毫米波电路技术的发展，更加要求这些滤波器应具有低插入损耗、结构紧凑、体积小、质量轻、成本低的特点。传统用来做滤波器的矩形波导和微带线已经很难达到这个要求。而基片集成波导(SIW)技术为设计这种滤波器提供了一种很好的选择。
　　SIW的双膜谐振器具有一对简并模式，可以通过对谐振器加入微扰单元来使这两个简并模式分离，因此，经过扰动后的谐振器可以看作一个双调谐电路。分离的简并模式产生耦合后，会产生两个极点和一个零点。所以，双膜滤波器在减小尺寸的同时，也增加了阻带衰减。而且还可以实现较窄的百分比带宽。可是，双膜滤波器又有功率损耗高、插入损耗大的缺点。为此，本文提出了一种新型SIW腔体双膜滤波器的设计方法。
　　该SIW的大功率容量、低插入损耗特性正好可以对双膜滤波器的固有缺点起到补偿作用。而且输入／输出采用直接过渡的转换结构，也减少了耦合缝隙的损耗。
　　l 双膜谐振原理及频率调节
　　SIW是一类新型的人工集成波导，它是通过在平面电路的介质层中嵌入两排金属化孔构成的，这两排金属化孔构成了波导的窄壁，图1所示是基片集成波导的结构示意图。这类平面波导不仅容易与微波集成电路(MIC)以及单片微波集成电路(MMIC)集成，而且，SIW还继承了传统矩形波导的品质因数高、辐射损耗小、便于设计等优点。







　　对于具有相同谐振频率的两个模式来说，则有如下关系：





　　3 仿真结果分析
　　仿真可采用电磁仿真商业软件HFSS来完成。通过仿真介质谐振腔滤波器(滤波器源型)可以发现，不同的耦合输入／输出窗口宽度影响着滤波器中心频率的位置，同时也影响耦合强度和带内插入损耗。从图5中看出，随着耦合窗宽度的增大，滤波器的中心频率会上移，耦合减弱，带内插入损耗变大，也就是滤波器的匹配性能变差。






　　从以上结果可以看出，通过改变微扰大小可调节滤波器的带宽，而改变耦合输入／输出窗口的宽度则可调节滤波器的中心频率和匹配性能。
　　综合以上仿真研究并结合公式(1)、(2)，可先计算出SIW的相关尺寸。然后通过HFSS仿真对滤波器性能进行优化，最终所得出的设计电路具体尺寸为h=O．5 mm，εr=10．2，tan d=0．0035，a=b=21．5 mm，d=0．8 mm，s=1．2 mm，cw=2．2 mm，tw=0．72 mm，cw=8．4 mm，ba=2 mm。






　　图7所示是本设计的双膜SIW腔体滤波器S参数的响应曲线。从图7中可以看出，采用本设计实现的滤波器的中心频率fo=4．95 GHz，3 dB相对带宽FBW=4．36％，通带内插入损耗为0．9 dB，反射损耗S11小于-22 dB，阻带右侧5．45 GHz处会形成一个传输零点，损耗接近-40 dB。
　　4 结束语
　　本文应用SIW技术设计了一种具有良好性能的双膜窄带带通滤波器。该滤波器设计原理简单、尺寸小、重量轻、带内插损小、阻带衰减性
　　能好；而且采用直接过渡的转换结构，从而减少了耦合输入／输出损耗。故在无线通信、军事、科技等领域有着广泛的应用前景。