KA波导滤波器设计*

贾鹏程，王崇军，朱淇锐

（1.广州程星通信科技有限公司，广东 广州 510663；2.广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510663）

1 引言

随着现代毫米波集成电路的发展，对结构简单、性能高、易于大批量生产的带通滤波器提出了更高的要求。微带线、带状线等常见的滤波器形式无法满足低插入损耗和高带外抑制等性能要求，波导滤波器由于其具有高Q值、低损耗及功率容量大等优点，而被广泛应用于毫米波系统中。常见的波导带通滤波器有电杆膜片式、销钉式、小孔耦合式和E面膜片式。相比较而言，E面膜片式结构简单，易于大规模生产，并具有优良的滤波特性，近年来得到了广泛的应用。

现代高速计算机的出现允许工程人员用简单的方法解决复杂的电磁场问题，分析方法的改进使得E面滤波器的设计精度大为提高。这种E面结构滤波器的品质因数高，在Ka波段的空载Q值达到了2 000至2 500的数量级，插损低，无需调谐或仅需微调，很适合于大批量生产制作，因而一经提出便引起了人们的高度重视。这种新型的微波滤波器结构具有以往的结构所无法比拟的诸多优点，而且结构上也有了一些新的补充，除了全金属插入，还有介质基片制成的单侧鳍线、双侧鳍线以及双金属条带插入[1-2]、偏置膜片、变形波导[3]、高温超导[4]4种E面结构形式的滤波器。

本文从电磁场角度分析了波导E面膜片的电路特性，给出了矩形波导金属膜片带通滤波器的设计方法，设计出用于波导E面金属膜片带通滤波器的优化仿真程序，并通过实际加工的硬件测试验证该设计方法的准确性。本设计具有很强的鲁棒性，允许存在较大的硬件加工误差。

2 E面膜片矩形波导滤波器的设计原理

E面膜片波导滤波器结构如图1所示：

令t为插入金属膜片厚度，d为金属膜片间距，相邻膜片间谐振腔度为l，波导只能传输TE10模，其等效T型网络如图2所示：

图2 膜片等效T型网络

对于t=0或者厚度相对波长可忽略不计的膜片，在所设计的带通滤波器中，λg0、λg1、λg2、λg分别是在频率w0、w1、w2、w的波导波长，w1、w2分别是通带两端的频率。

选定低通原型滤波器，根据阻带响应选定低通原型滤波器阻带衰减特性曲线，曲线对应所需要的滤波器阶数为n，由n值查表可得原型值g0、g1、……、gn+1。低通到带通近似变换为：

滤波器阻抗变换公式为：

膜片电抗为：

各谐振器电长度：

谐振器长度：为矩形波导宽边长度，查矩形波导电感加载的等效电纳表可得出d/a比值，进而得到窗口宽度d。

在实际应用中，膜片厚度越大越便于加工，且由于空间限制需要做各种变形，故需通过仿真软件来修正谐振器长度l、窗口宽度d、膜片厚度t，以达到良好的匹配。

由上可计算出

3 两款改进型的E面膜片矩形波导滤波器设计方案

根据以上膜片波导滤波器的设计理论，本文采用横向对称膜片的设计结构，直接从膜片的电磁场来分析，设计并制作了两款改进型的E面膜片矩形波导滤波器。设计方案指标如下：

设计一：通带频率：29.5 GHz—30 GHz；带内驻波比＜1.3；带内损耗＜0.5 dB；27 GHz处抑制＞20 dB。

设计二：通带频率：27 GHz—29 GHz；带内驻波比＜1.3；带内损耗＜0.5 dB；33 GHz处抑制＞20 dB。

利用在矩形波导中插入与E面平行的金属膜片，两膜片之间形成通孔，相邻膜片组之间形成谐振腔，不断通过通孔将电磁波从一个谐振腔耦合到下一个谐振腔。整个滤波器可以看作有E面金属膜片的波导和没有E面金属膜片的空波导的交替级联。通孔的长度影响带内插损，腔体长度影响中心频率f。入射波从空波导到通孔必然会发生反射，反射波的大小和相位随通孔尺寸及位置不同而变化，利用通孔产生的反射波来抵消由于负载不匹配所产生的反射波，以达到良好的匹配。E面膜片使得波导中的TE10模的磁场在膜片集中处得以加强，呈现电感性，称之为电感性膜片。

4 滤波器的建模和仿真

传统E面膜片波导带通滤波器实现形式如图1所示，在长度方向上占据了极大空间。故本次所需设计方案均采用波导折弯的实现形式，这样能兼顾利用长度和宽度上的空间，即能在有限的空间尺寸内合理布局。设计一通带频率为29.5 GHz—30 GHz，设计二通带频率为27 GHz—29 GHz。设计一的HFSS设计模型如图3所示，设计二的HFSS设计模型如图4所示。

本文采用HFSS软件进行仿真，图5、图6为基于HFSS软件建立的E面膜片波导滤波器的仿真结构模型。波导滤波器的端口采用Ka波段的标准波导，尺寸为3.556 mm×7.112 mm，滤波器内部的E面膜片的厚度约为0.5 mm，整个滤波器的长度约为25 mm×25 mm。

图5是设计一E面膜片波导滤波器（29.5 GHz—30 GHz）的仿真结果，可以看出：带内驻波比＜1.1；带内损耗＜0.1 dB；27 GHz处抑制＞25 dB。

图6是设计二E面膜片波导滤波器（27 GHz—29 GHz）的仿真结果，可以看出：带内驻波比＜1.1；带内损耗＜0.1 dB；32 GHz处抑制＞20 dB。

图4 设计二的HFSS设计模型

图5 设计一HFSS仿真结果

图6 设计二HFSS仿真结果

由以上仿真结果可知，两种设计均满足指标要求。

5 样品实测结果

本文根据仿真模型，加工制作出样品，设计一、设计二的加工样品如图7、图8所示。使用安捷伦矢量网络分析仪对实物样品进行测试，设计一、设计二的样品测试结果分别如图9、图10所示。

图7 设计一加工样品

图8 设计二加工图

可以得出：

设计一样品测试结果：带内驻波比＜1.2；带内损耗＜0.47 dB；27 GHz处抑制＞31 dB。

设计二样品测试结果：带内驻波比＜1.34；带内损耗＜0.5dB；33 GHz处抑制＞24 dB。

测试结果与仿真结果基本吻合，本次使用铝材加工，存在加工误差，且未镀银。如对插损要求高，可通过采用表面镀银以及控制加工误差来改善。

6 结论

本次通过低通原型滤波器到带通滤波器的理论分析与变换，给出了滤波器尺寸的数值计算，再结合实际加工与应用的需求，利用仿真软件对滤波器进行修正和优化，设计了两款Ka波段波导E面膜片带通滤波器，在有限空间内设计出所需方案，并加工出实物样品，在加工误差较大的情况下测试结果仍然满足预期指标，说明了本文设计的滤波器具有良好的实用性和鲁棒性。该方案的E面结构滤波器的品质因数高，插损低，无需调谐或仅需微调，很适合于大批量生产制作。

图9 设计一的样品测试结果

图10 设计二的样品测试结果

[1] Fritz Amdt. E-Plane Lntegrated Circuit Filters with ImprovedStopband Attenuation[J]. IEEE Trans. MTT,1984,32(10): 1391-1394.

[2] 尹雷,陈忆元. 阻带性能优良的E面双条带波导滤波器[J]. 微波学报, 1997(9): 204-209.

[3] Ruediger Vahldieck. Finline and Metal Insert Filters with ImprovedPassband Separation and Increased Stopband Attenuation[J]. IEEE Trans. MTT, 1985,33(12): 1333-1338.

[4] Liang Ban, Yiyuan Chen. Desing And Performance of Waveguide E-PlaneHTSC insert Filters[J]. IEEE MTT-S Digest, 1992: 913-915.

[5] 吴阶平,曹卫平. Ka波段E面膜片窄带带通滤波器的设计[J]. 大众科技, 2008(12): 65-69.

[6] 李胜先,傅君眉,吴须大. 星载高功率微波滤波器的精确设计[J]. 西安交通大学学报, 2006(40): 195-200.

[7] 廖承恩. 微波技术基础[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1994: 274-275.

[8] 南雪莉,张斌珍,赵龙,等. 毫米波腔体滤波器谐振腔平整度误差研究[J]. 压电与声光, 2016,38(2): 341-344.

[9] 彭胜春,阳皓,周哲,等. 高可靠性、高基频及小延时晶体滤波器[J]. 压电与声光, 2015,37(3): 365-367.

[10] 孟欣,邱召运,方旭超,等. 基于带通滤波器的幅频特性调节光电开关灵敏度[J]. 传感器与微系统, 2017,36(10): 20-22.

[11] 李元元,蒙庆华,陈四海,等. 基于MEMS技术的F-P腔滤波器分析与设计[J]. 传感器与微系统, 2017,36(8): 69-71.

[12] 姜晶,张宪,于云选,等. 基于MD5算法的物联网传输模块设计[J]. 传感器与微系统, 2017,36(7): 124-126.★