基于波導(dǎo)設(shè)計(jì)軟件的基片集成波導(dǎo)濾波器組的快速設(shè)計(jì)方法

楊書(shū)奎，劉 飛，吳團(tuán)鋒

（1.南京熊貓漢達(dá)科技有限公司，江蘇 南京 210000；2.中國(guó)人民解放軍32380部隊(duì)，北京 100072；3.南京熒火泰訊信息科技有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

近年來(lái)，基片集成波導(dǎo)開(kāi)始在無(wú)線(xiàn)通信和雷達(dá)體結(jié)構(gòu)如方形、三角形比較常見(jiàn)，為了縮小設(shè)計(jì)面系統(tǒng)中扮演著越來(lái)越重要的角色，其中，濾波器類(lèi)積，可以采用半模方案或者是折疊式結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)尺是重要的組成成分。通過(guò)對(duì)文獻(xiàn)的調(diào)研發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)寸限制較小，可以用簡(jiǎn)單的感性窗耦合的腔體串聯(lián)的微帶短截線(xiàn)濾波器在 C波段以上的高頻范圍性能平面結(jié)構(gòu)。較差，然而波導(dǎo)濾波器卻能在這個(gè)頻段提供較好的然而，實(shí)際的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)比理論計(jì)算要復(fù)性能。

對(duì)于波導(dǎo)濾波器的結(jié)構(gòu)，近年來(lái)有很多種結(jié)構(gòu)被提出。平面結(jié)構(gòu)如微帶結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)，腔體結(jié)構(gòu)如方形、三角形比較常見(jiàn)，為了縮小設(shè)計(jì)面積，可以采用半模方案或者是折疊式結(jié)構(gòu)。當(dāng)對(duì)尺寸限制較小，可以用簡(jiǎn)單的感性窗耦合的腔體串聯(lián)平面結(jié)構(gòu)。

然而，實(shí)際的波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)比理論計(jì)算要復(fù)雜得多。比如，即使板材厚度以及階數(shù)給定，腔長(zhǎng)、感性窗的位置和長(zhǎng)度仍然要不斷的調(diào)整以取得良好的性能。HFSS的計(jì)算量會(huì)非常大，導(dǎo)致調(diào)諧的過(guò)程會(huì)很長(zhǎng)。而使用波導(dǎo)設(shè)計(jì)軟件可以大大節(jié)省這一過(guò)程耗費(fèi)的時(shí)間。

1 偏置圓柱耦合結(jié)構(gòu)

本設(shè)計(jì)旨在產(chǎn)生3 GHz–12 GHz一系列的 SIW濾波器，要求阻帶的衰減至少是 80 dB。

濾波器組由24個(gè)濾波器組成，通帶覆蓋整個(gè)波段，這里選取第12個(gè)濾波器，其中心頻率為 5.08 GHz被選擇來(lái)闡述這種快速設(shè)計(jì)的方法。其通帶為4.89 GHz–5.27 GHz，阻帶 0 GHz–4.47 GHz的衰減應(yīng)該比 5.27 GHz的性能低80 dB。

有很多種波導(dǎo)濾波器結(jié)構(gòu)，在本設(shè)計(jì)中，用兩個(gè)比較大的圓孔執(zhí)行腔體間耦合的偏置圓柱耦合模型。偏置圓柱耦合模型為濾波器的核心，在Wasp-Net中設(shè)計(jì)。整體的形狀和單個(gè)感性窗的結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 DOCPC濾波器的實(shí)體模型和單元的各系數(shù)

利用軟件中的設(shè)計(jì)器來(lái)計(jì)算模型的各個(gè)尺寸和對(duì)性能進(jìn)行優(yōu)化。

由于在 HFSS中的計(jì)算時(shí)基于模型的邊界條件和形狀，因此，每次調(diào)整完模型后都要重新計(jì)算，

導(dǎo)致調(diào)諧的過(guò)程極其漫長(zhǎng)，尤其是對(duì)于高階濾波器而言更加漫長(zhǎng)，而 Wasp-Net軟件針對(duì)每個(gè)模型有自己的算法，所以耗時(shí)極短。

在本文中，雙孔的取相同尺寸，在設(shè)計(jì)器中不斷調(diào)整測(cè)試合適的直徑值，在圖 1眾多的參數(shù)中，“id”、“b1”和“ a1”被設(shè)為常量，而雙孔間距被調(diào)諧，一旦雙孔的直徑確定，整個(gè)過(guò)程只需要 1分鐘就可以完成，如果性能不達(dá)標(biāo)還需要進(jìn)一步優(yōu)化。

然后，模型的結(jié)果被導(dǎo)入到 HFSS中來(lái)創(chuàng)建一個(gè)新的 HFSS模型，并增長(zhǎng)長(zhǎng)度來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的性能。從圖 2可以看出來(lái)，波導(dǎo)濾波器可以實(shí)現(xiàn)要求的指標(biāo)，證明這是個(gè)快速穩(wěn)定的設(shè)計(jì)方法。

圖2 波導(dǎo)模型的頻率響應(yīng)

2 實(shí)現(xiàn)對(duì)SIW完整模型的轉(zhuǎn)換

為了實(shí)現(xiàn)完整的 SIW濾波器，波導(dǎo)濾波器應(yīng)該在寬度方向上伸長(zhǎng)并且在原邊界上增加排孔，波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換線(xiàn)應(yīng)該被設(shè)計(jì)以減少反射。

首先，從波導(dǎo)到 SIW的轉(zhuǎn)換應(yīng)該用下面的公式來(lái)計(jì)算：

式中，P是排孔的孔間距； d是排孔的直徑； a是波導(dǎo)模型的寬度； a_RWG是SIW的寬度。計(jì)算之后，一個(gè)完整的 SIW模型就可以繪出，當(dāng)仿真出現(xiàn)頻偏的時(shí)候，可以調(diào)節(jié) a_RWG直至頻偏消失。

然后調(diào)節(jié)Wtaper和Ltaper直到空SIW模型在該頻點(diǎn)的反射系數(shù)達(dá)到最小。這一步在HFSS中完成，Ltaper和Wtaper的初值為1/4λg或者是3/4λg，Wtaper應(yīng)該是該頻率下端口阻抗折算到的微帶線(xiàn)寬。

一旦這段轉(zhuǎn)接線(xiàn)的調(diào)諧完成，將空SIW結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)接線(xiàn)、波導(dǎo)核心結(jié)合就可以合成整個(gè)SIW濾波器結(jié)構(gòu)并與PCB板相接，且保持較好的效果。

圖3 SIW基本模型

圖4 HFSS建模仿真

圖5 仿真結(jié)果

圖6 制作實(shí)

圖7 測(cè)試結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

波導(dǎo)模型通帶的衰減為1.5 dB，SIW模型通帶衰減為2.4 dB，兩個(gè)模型阻帶的衰減大致相同，但是波導(dǎo)模型的輸入反射系數(shù)更小。其中一組濾波器的實(shí)物圖見(jiàn)圖6，實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖7，但是實(shí)測(cè)結(jié)果在通帶上有6 dB的衰減，阻帶的衰減有少了-10 dB。

實(shí)驗(yàn)誤差的產(chǎn)生來(lái)源于兩個(gè)方面：一是接頭和線(xiàn)的損耗；二是組內(nèi)濾波器之間的泄露問(wèn)題。這樣看來(lái)，實(shí)驗(yàn)誤差還是可以接受的。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于Wasp-Net的快速設(shè)計(jì)感性窗耦合的全模SIW濾波器。相對(duì)于僅使用HFSS而言，用這種方式工作量會(huì)被大大減輕，有效地加速了現(xiàn)代通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)的缺陷在于模型的尺寸過(guò)大，進(jìn)一步改進(jìn)可以通過(guò)小型化方案如半模、四分之一模或者是折疊式SIW來(lái)實(shí)現(xiàn)。