一種小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計(jì)

　　摘要：介紹了一種基于基片集成波導(dǎo)(SIW)結(jié)構(gòu)的小型化微波寬帶帶通濾波器，采用緊湊型設(shè)計(jì)，同時(shí)提出了其工程設(shè)計(jì)方法及流程，通過(guò)11GHz和15GHz典型微波頻段的四腔帶通濾波器實(shí)例驗(yàn)證，達(dá)到對(duì)于偏離中心2GHz以上的頻段抑制35dB以上的要求，且仿真與測(cè)試結(jié)果相對(duì)吻合較好，設(shè)計(jì)方法和流程合理、有效。

　　引言

　　微波濾波器是微波系統(tǒng)中的重要元件之一，尤其在微波通信收發(fā)信機(jī)中被廣泛使用。隨著移動(dòng)通信的發(fā)展，通信網(wǎng)絡(luò)密度越來(lái)越高，小型化的微波中繼和回傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也迅速發(fā)展，這就對(duì)收發(fā)信機(jī)及其微波器件的低成本、小型化、高集成性提出的要求。

　　微帶電路具有小型化、工藝簡(jiǎn)單、易于集成的優(yōu)點(diǎn)，但是隨著頻率的升高，尤其在10GHz以上頻段工作時(shí)，其Q值變低、損耗變大，泄漏和輻射也隨之而來(lái)。與之相比，在傳統(tǒng)微波設(shè)備中廣泛應(yīng)用的波導(dǎo)器件，雖然性能可靠，但是其體積偏大，調(diào)試和加工成本較高，并且不易集成。基片集成波導(dǎo)(SIW)^[1-2]，作為一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，具有與傳統(tǒng)波導(dǎo)相似的傳輸特性，同時(shí)具有微帶易于加工和集成的顯著優(yōu)點(diǎn)，是在保障良好和穩(wěn)定性能的前提下，解決濾波器小型化、低成本、高集成性的有效途徑。

　　國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有不少將基片集成波導(dǎo)技術(shù)應(yīng)用到濾波器設(shè)計(jì)的研究^[2-9]，較多的還是偏向理論分析和新工藝結(jié)構(gòu)的探索，應(yīng)用于工程實(shí)際的還是比較少見(jiàn)。本文立足于工程設(shè)計(jì)和優(yōu)化，介紹了一種緊湊型腔體布局的微波帶通濾波器的實(shí)例，并應(yīng)用于實(shí)際工程產(chǎn)品。

　　1 基于SIW的帶通濾波器的基本結(jié)構(gòu)

　　基片集成波導(dǎo)(SIW)^[1-2]技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)是以介質(zhì)基片為載體，上下底面為金屬層，傳導(dǎo)路徑的兩側(cè)采用金屬化過(guò)孔，這樣就實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)傳輸特性，更有優(yōu)勢(shì)的是這種結(jié)構(gòu)能通過(guò)傳統(tǒng)的PCB工藝精確實(shí)現(xiàn)。

　　對(duì)于SIW濾波器或者腔體濾波器而言，其腔體的基本形狀通常并無(wú)限制，形狀對(duì)固有品質(zhì)因數(shù)的影響差異不大，故腔體形狀的選擇應(yīng)該從布局的靈活性和工藝的實(shí)現(xiàn)性等方面來(lái)考慮：SIW的側(cè)壁由金屬化過(guò)孔排列而成，相鄰腔體間孔距要符合制板工藝的要求，正方形腔體^[3]、矩形腔體^[4]布局時(shí)相鄰邊可以完全重合，充分可共用鄰邊，尤其是矩形比正方形的靈活度更高;五邊以上的正多邊形腔體的靈活性次之，但設(shè)計(jì)復(fù)雜度略高;而圓腔在相鄰腔體間始終存在縫隙，整體布局不緊湊、因工藝問(wèn)題腔體易變形^[3]。綜合考慮，本文選擇矩形腔體為設(shè)計(jì)方案實(shí)現(xiàn)小型化結(jié)構(gòu)。

　　所述的典型的小型化四腔帶通濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，因?yàn)槎丝谝M量位于濾波器的中心，所以饋電的微帶線向腔體一邊偏置;考慮到小型化需求，饋電的微帶線采用插入耦合的方式^[3-4]，這樣的方式比低阻-高阻短微帶線匹配^[6]或者傳統(tǒng)的漸變線過(guò)渡方式^[7-9]更節(jié)省布局的空間;同時(shí)在端口所在腔體的公共側(cè)壁形成微擾匹配結(jié)構(gòu)。相對(duì)于非共側(cè)壁的折疊式方案^[5]，共側(cè)壁的布局尺寸的利用率更高，當(dāng)然也對(duì)形成側(cè)壁的金屬化過(guò)孔直徑φ及其之間的間距dp提出了要求：一般情況下，dp/φ<2且φ/a<0.2^[10]即可;考慮到工程常規(guī)PCB制版工藝可靠保證的前提，本文方案選擇金屬化過(guò)孔內(nèi)直徑φ為0.4mm且dp/φ=1.2~1.5。