双馈电结构的HMSIW外部零点设计

2021-07-29电子科技大学张译戈谢小强李雪鹏闫卓伟马柱荣

电子世界 2021年12期

电子科技大学张译戈谢小强李雪鹏闫卓伟马柱荣

随着通信技术发展，当前频谱资源愈发紧缺，为提高频谱利用率这就要求通信系统中进行频率选择的滤波器具有更小的过渡带宽。常规的切比雪夫型滤波器的过渡带宽仍然较大为此发展出了通过设置带外零点减小过渡带宽的椭圆函数型滤波器。与切比雪夫型滤波器相比，其关键就在于带外零点的引入。

半模基片集成波导技术（HMSIW）是利用等效磁壁的原理对SIW进行小型化得到的一类传输线，相对于SIW滤波器，HMSIW滤波器尺寸下降一半，极大的提高了滤波器的小型化程度，与SIW相同，由于采用平面PCB加工工艺，使得SIW/HMSIW滤波器要实现交叉耦合产生带外零点往往比较复杂。本文提出一种双馈电结构，通过馈电等效的传输模式与HMSIW的传输模式不同，从而产生过模零点的结构。为此设计一款Ka波段HMSIW四阶滤波器，改变馈电方式使得滤波器带外存在三个带外零点。

1 理论分析

双馈电结构如图1所示。

图1 双馈电结构

通过推导得到分界面上纵向电场分布为：

而对于单端馈电而言为：

通过对比式(1)与式(2)可知采用双馈电结构，可视为传输模式为模的传输线馈电到HMSIW中激发其各个模式。因此滤波器中存在模转换为模再转化为模产生过模零点。

建立三阶模型，从电场分布可以看出在分界面上存在三个电场最强处，正好对应TE20模以及TE10模的电场最强处，从而得到结论采用双馈电结构可以实现TE20模与TE10模的转换。此外，由于馈电模式与HMSIW传输模式不同，馈电位置不在TE10模的电场最大值处使得分界面对馈电级腔体而言可视为磁壁，因此这种双馈电结构还具有一定的小型化特点。三阶过模结构如图2所示。三阶过模仿真结果如图3所示。

图2 三阶过模结构

图3 三阶过模仿真结果

从仿真结果来看，该结构在上下边带分别存在一个零点，改变馈电处微带间距，带外零点随之移动。高端零点随间距增大往通带方向移动，过渡带宽减小；低端零点随微带间距增大远离通带，过渡带宽增大。其中36.6GHz的谐振为受第二级腔模影响产生。单端外部耦合模型如图4所示。

图4 单端外部耦合模型

通过单端外部耦合得到微带间距对外部耦合系数影响如图5所示。

图5 微带间距对外部耦合影响

2 Ka波段HMSIW四阶滤波器

为验证半腔耦合滤波器特性，本文设计一个Ka波段含4个谐振腔的半模基片集成波导滤波器。主要指标为：中心频率31GHz，阻带要求带外1GHz衰减20dB。

设计好的滤波器结构图6所示。

图6 滤波器结构

HMSIW谐振腔之间通过微带-HMSIW结构实现感性耦合，降低HMSIW滤波器的损耗提高带宽，此外，由于是双平行结构，使得滤波器中段也存在模式，可以额外产生一个带外零点。其主要参数为：馈电处带线间距4.97mm，窗口尺寸1.83mm，中段微带间距4.9mm。

加工后的图片如图7所示。

图7 加工实物

其仿真以及测试效果如图8所示。

该滤波器中心频率31.05GHz，带内波损耗-26dB，中心处最小插入损耗0.46dB，1dB相对带宽12%，带外抑制从3dB通带下降到-20dB，左边带为0.7GHz，右边带为1.1GHz。由于加工误差导致波导转微带处匹配不好从而使得带内回波损耗较差，但从效果上仍可以较为明显看出滤波器带外存在三个零点，下边带一个，上边带两个。

结论：文章使用双馈电结构代替传统单端馈电设计的Ka波段HMSIW滤波器实现了三个带外零点的引入，较好的提高了滤波器的通带选择性，并通过引入微带-HMSIW结构改善了HMSIW滤波器损耗较大的问题。

与文献3、4、5中同样Ka波段的滤波器对比如表1所示。