一種小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計分析

袁正昊

摘? 要：在無線通信系統(tǒng)高速發(fā)展過程中，微波濾波器有著較為重要的價值與作用。微分電路可以有效解決環(huán)境噪聲以及電磁干擾抑制性問題，微波差分濾波器是現(xiàn)階段研究的重點?；刹▽?dǎo)具有較高的速度，加工也較為便捷，具有較大功率容量的優(yōu)勢，在濾波器設(shè)計中應(yīng)用相對較為廣泛。SIW在差分濾波器的設(shè)計中應(yīng)用效果更為顯著?；诖?，文章主要對一種小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計分進(jìn)行了簡單的分析。

關(guān)鍵詞：小型化微波寬帶帶通濾波器;工程設(shè)計;SIW

中圖分類號：TN713? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

相對于傳統(tǒng)的差分濾波器來說，SIW的差分濾波器尺寸相對較小，具有低成本、低損耗、高品質(zhì)、小型化以及易集成化的優(yōu)勢，在應(yīng)用中有效地降低了輻射損耗性問題。SIW作為一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，與傳統(tǒng)的波導(dǎo)具有相同的傳輸特征，具有較為顯著的易加工、集成化的特點。在保證其整體穩(wěn)定性基礎(chǔ)之上可以實現(xiàn)低成本、高集成性的目的。在小型化微波寬帶帶通濾波器及其工程設(shè)計中應(yīng)用SIW可以有效地提升其整體性能，達(dá)到預(yù)期的目的與要求。

1 一種小型化微波寬帶帶通濾波器設(shè)計分析

微波濾波器是微波系統(tǒng)中較為重要的元器件，主要廣泛應(yīng)用在微波通信收發(fā)信機(jī)中。在移動通信的不斷發(fā)展過程中，通信網(wǎng)絡(luò)密度逐漸提升，也推動了小型化的微波中繼以及回傳網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的高速發(fā)展。因此，為了有效地滿足其性能要求，就要探究合理的設(shè)備手段。

微帶電路工藝簡單、易于集成，但是隨著使用頻率累積增加，會導(dǎo)致其出現(xiàn)損耗以及泄漏與輻射等問題。傳統(tǒng)設(shè)備調(diào)試以及加工的成本費(fèi)用相對較高，在實踐中集成效果較差。SIW差分濾波器在設(shè)計中首先要對單個SIW腔體的激勵位置進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，達(dá)到激勵更多腔體諧振模式的目的。在腔體中模式的對稱面呈現(xiàn)奇對稱的時候可以進(jìn)行傳輸;而在共模激勵之下，輸入信號以及腔體中內(nèi)部的電場方向則相反，則腔體則無法傳輸共模信號。

現(xiàn)階段，在SIW設(shè)計中也逐漸嘗試通過交叉耦合技術(shù)進(jìn)行SIW差分濾波器的設(shè)計，通帶兩側(cè)中引入TZ的方式提升頻率選擇性;同時級聯(lián)2個具有共模抑制性的腔體，提升共模抑制性能。級聯(lián)多個具有抑制共模效果的腔體則可以達(dá)到提升濾波器共模抑制性能的目的，在級聯(lián)2個具有抑制共模效果的腔體基礎(chǔ)上通過提升共模抑制性能的方式進(jìn)行優(yōu)化。

分析腔體表面上的共模電流分布，在適當(dāng)?shù)奈恢每涛g槽線，在槽線切割波導(dǎo)壁上出現(xiàn)面電流的時候，可以實現(xiàn)對共模信號的抑制。

通過諧振腔體高次模的方式進(jìn)行差分濾波器構(gòu)建雖然可以有效地提升整體的性能，但是其仍然是將完整的SIW腔體作為主要的濾波單元，并沒有改善其尺寸弊端問題。

濾波器在各個領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用，這也就決定了其對于系統(tǒng)小型化的要求更為迫切?；诎肽IW腔體結(jié)構(gòu)的濾波器減少一半的體積也具有良好的差模傳輸特性、共模抑制特性實現(xiàn)小型化的設(shè)計目的。SIW差分濾波器在結(jié)構(gòu)上以及性能上來說，具有高性能、小型化的特征，其有著巨大的發(fā)展空間。

2 一種小型化微波寬帶帶通濾波器小型化的方法

2.1 雙模諧振技術(shù)

雙模諧振器技術(shù)是一種實現(xiàn)微波器件小型化的最為有效的方式。其可以分為雙模微帶諧振環(huán)以及雙模腔體諧振器。利用其在雙模諧振器的特定位置中應(yīng)用微擾，這樣就會分離正交模式，加上二者之間具有耦合性的作用，就會產(chǎn)生濾波器的效果。該類諧振器可以將每個雙模諧振器作為雙調(diào)諧振，電路可以在濾波器諧振階數(shù)不變的基礎(chǔ)之上，達(dá)到減小濾波器諧振器的目的，進(jìn)而縮小了濾波器的尺寸。

2.2 半模SIW技術(shù)

對SIW諧振器的對角線以及中心線進(jìn)行切割，可以獲得HMSIWR、四分之一SIW諧振腔以及八分之一的SIW。相對于方形的SIW分布來說，其邊長分布并沒有出現(xiàn)較大的變化。其可以保持與SIW諧振腔諧振特性的基礎(chǔ)上，減少了原有尺寸，分別為50%、75%以及87.5%。因此，基于半模的SIW設(shè)計濾波器可以達(dá)到減小濾波器尺寸的目的。

2.3 分形技術(shù)

通過對SIWR進(jìn)行缺陷分形結(jié)構(gòu)的刻蝕，可以達(dá)到增加諧振器等效電長度的目的，達(dá)到降低諧振腔諧振頻率的目的。要求2個諧振腔在具有相同的諧振頻率技術(shù)上刻蝕分形結(jié)構(gòu)尺寸，實現(xiàn)小型化的目的。

同時，通過刻蝕分形缺陷結(jié)構(gòu)，可以增大諧振腔的輻射損耗。因此，在進(jìn)行缺陷結(jié)構(gòu)刻蝕的過程中，要分析諧振腔中無載品質(zhì)因數(shù)。

3 一種小型化微波寬帶帶通濾波器工程設(shè)計分析

3.1 結(jié)構(gòu)框架

SIW技術(shù)是基于介質(zhì)基片作為載體，其上下底面均屬于金屬層，其傳導(dǎo)路徑的兩側(cè)通過金屬化過孔進(jìn)行處理，可以實現(xiàn)傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)傳輸特性。

其腔體的基本形狀沒有規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)，形狀對于固有的品質(zhì)因數(shù)影響并不會產(chǎn)生較大的差異性。因此，腔體的形狀選擇要基于布局靈活性以及工藝實現(xiàn)性的角度進(jìn)行分析。

SIW側(cè)壁主要是通過金屬化過孔排列而形成的，在鄰近的墻體之間的孔距要符合制版的工藝要求，在布局時要保證臨邊可以呈現(xiàn)完全的重合狀態(tài)。矩形相對于正方形的靈活性更高;而五邊以上的正多邊形腔體的靈活性欠佳，其設(shè)計復(fù)雜度相對較高。圓腔體在鄰近的墻體之間還是存在一些縫隙，整體上來說布局缺乏較為松散，受到工藝影響導(dǎo)致腔體出現(xiàn)變形等問題。綜合各種問題，主要利用矩形腔體作為設(shè)計方案。

3.2 工程設(shè)計流程

在設(shè)計中首先要根據(jù)設(shè)計指標(biāo)確定濾波器的原型函數(shù)以及相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)矩陣。一般狀況之下工程主要就是通過廣義的切比雪夫函數(shù)原型進(jìn)行分析，綜合SIW諧振腔估算公式進(jìn)行分析，選定其介質(zhì)的基本材料。

根據(jù)理論計算分析初始值，構(gòu)建單腔以及雙腔的耦合模型，通過HFSS等仿真軟件，利用模型匹配方法確定關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)信息。確定對應(yīng)的諧振頻率墻體尺寸，分析不同耦合量的對應(yīng)尺寸。

根據(jù)初步確定的參數(shù)信息，在軟件中進(jìn)行整體的建模分析，實現(xiàn)全波仿真處理，綜合工程設(shè)計的要求通過成熟的參數(shù)優(yōu)化算法實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化，達(dá)到設(shè)計的主要目的。通過對濾波器的設(shè)計優(yōu)化，運(yùn)用遺傳算法的群體搜索方式進(jìn)行多變量、多優(yōu)化目標(biāo)的濾波器優(yōu)化，處理給定的初始數(shù)值以及合理的優(yōu)化區(qū)間，整個設(shè)計流程相對較為簡單便捷。

4 結(jié)語

雖然傳統(tǒng)的金屬矩形波導(dǎo)在毫米濾波器設(shè)計中應(yīng)用廣泛，但是因為其體積相對較大，無法與其平面電路集成，在一定程度上制約其在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中的應(yīng)用。高品質(zhì)因數(shù)、體積較小、便于集成以及較大功率容量的基片集成波導(dǎo)在濾波器的設(shè)計中應(yīng)用實現(xiàn)了小型化的目的。

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