K波段基片集成波导带通滤波器的设计

李尚生，陈佳林，于 晶，杜 磊，陈如山

（1.海军航空工程学院 电子信息工程系，山东 烟台 264001；2.南京理工大学 通信工程系，南京210094）

微波滤波器是微波系统中的重要元件之一，是用来分离或组合各种不同频率信号的重要元件[1]。用传统的金属波导设计滤波器具有体积大、价格昂贵、制作难度高等缺点。基片集成波导，作为一种新型的导波结构，具有与传统波导相似的传输特性，同时具有低插损、低辐射、高品质因素、易于加工和集成等显著优点[2-3]。本文基于基片集成波导设计的K波段带通滤波器，仿真结果显示了其优良特性。

1 基片集成波导理论

基片集成波导是由两排金属通孔和介质基片的上下金属面构成的类似普通矩形波导的结构[4-5]，如图1所示，金属通孔的直径为d，孔间距为S，两排金属通孔的中心距离为w，介质基片的厚度为h，介电常数为rε。

图1 基片集成波导结构

在满足S/d＜2、d/w＜1/8 下，基片集成波导的能量辐射损耗非常小，将基片集成波导等效为传统的矩形金属波导，其等效宽度可用下式近似表示[6]：

大量仿真实验表明，基片集成波导仅传播TEn0模式的电磁波[4，7]。

2 带通滤波器的设计

在微波系统中，电抗元件的基本结构都是利用微波传输线中结构尺寸的不连续性组成的。传统的金属矩形波导的不连续性通过电容膜片、电感膜片、谐振窗、销钉、螺钉等来实现。随着基片集成波导技术的发展，对基片集成波导不连续性问题的研究也在深入。基片集成波导滤波器的设计是基片集成波导的不连续性研究的一部分。可以通过在基片集成波导中加载金属通孔、金属膜片、介质通孔来实现滤波器的设计[8-10]。

本文设计的带通滤波器是通过在SIW 上加载金属通孔实现的，基本结构和等效电路如图2所示。

图2 金属通孔结构及其等效电路

2.1 带通滤波器的设计过程

和传统的金属矩形波导带通滤波器的设计方法类似，根据设计指标要求，需要把带通滤波器转化到低通等效模型来设计。整个设计方法分为[11]：

1）带通滤波器模型到低通等效原型的转换

式中：λg0、λg1、λg2、gλ是频率在0ω、1ω、2ω、ω 上的波导波长，Wλ是滤波器的相对带宽，

2）阻抗变换器的计算

将带通滤波器的模型转换为低通等效原型以后，可以求出该滤波器的归一化阻抗变换器的大小。

3）通孔结构尺寸的计算

得到阻抗变换器的值以后，通过下列计算式可以求出基片集成波导中的金属通孔的尺寸。

由于一定尺寸的金属通孔对应着固定的Xa和Xb的值，因此在求得归一化阻抗变换器的值后，可很方便地计算出金属通孔的尺寸和谐振腔的长度。

各谐振腔的长度为

4）利用仿真软件对设计结果作进一步的优化。

2.2 设计实例

设计目标：中心频率为19.4 GHz，相对带宽为7.48%，插入损耗小于1 dB。

材料选择：介质基片选用聚四氟乙烯材料（介电常数 εr=2.55，其损耗角正切为0.001，介质厚度h=0.5mm）。

根据基片集成波导和滤波器的设计原则，按上述步骤设计并优化，得到设计参数：w=7.2mm，S=2.0mm，d=1.2mm，l1=6.34mm，l2=7.08mm，o1=2.0mm，o2=1.2mm，如图3所示。

图3 基片集成波导带通滤波器结构

根据以上设计的滤波器的尺寸，用Ansoft 公司的HFSS11 软件进行数值计算，得到带通滤波器的S参数，如图4所示。

图4 带通滤波器的S参数

从仿真结果可知，中心频率为19.4 GHz；在18.9 GHz 到19.6 GHz 频率范围内，回波损耗均小于−26 dB；在18.9 GHz 到19.7 GHz 频率范围内，插损均小于1dB。滤波器的计算结果与设计目标吻合良好。

3 结束语

将金属通孔加载到基片集成波导所设计的K波段带通滤波器，具有体积小、重量轻，易于加工和集成等优点。仿真结果说明了这种设计滤波器的方法是可行的，在实际应用中，要想得到更理想的结果，除了设计的精确以外，还要保证加工的精度。

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