電子科技大學(xué) 張譯戈 謝小強 李雪鵬 閆卓偉 馬柱榮

隨著通信技術(shù)發(fā)展，當(dāng)前頻譜資源愈發(fā)緊缺，為提高頻譜利用率這就要求通信系統(tǒng)中進行頻率選擇的濾波器具有更小的過渡帶寬。常規(guī)的切比雪夫型濾波器的過渡帶寬仍然較大為此發(fā)展出了通過設(shè)置帶外零點減小過渡帶寬的橢圓函數(shù)型濾波器。與切比雪夫型濾波器相比，其關(guān)鍵就在于帶外零點的引入。

半?；刹▽?dǎo)技術(shù)（HMSIW）是利用等效磁壁的原理對SIW進行小型化得到的一類傳輸線，相對于SIW濾波器，HMSIW濾波器尺寸下降一半，極大的提高了濾波器的小型化程度，與SIW相同，由于采用平面PCB加工工藝，使得SIW/HMSIW濾波器要實現(xiàn)交叉耦合產(chǎn)生帶外零點往往比較復(fù)雜。本文提出一種雙饋電結(jié)構(gòu)，通過饋電等效的傳輸模式與HMSIW的傳輸模式不同，從而產(chǎn)生過模零點的結(jié)構(gòu)。為此設(shè)計一款Ka波段HMSIW四階濾波器，改變饋電方式使得濾波器帶外存在三個帶外零點。

1 理論分析

雙饋電結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 雙饋電結(jié)構(gòu)

通過推導(dǎo)得到分界面上縱向電場分布為：

而對于單端饋電而言為：

通過對比式(1)與式(2)可知采用雙饋電結(jié)構(gòu)，可視為傳輸模式為模的傳輸線饋電到HMSIW中激發(fā)其各個模式。因此濾波器中存在模轉(zhuǎn)換為模再轉(zhuǎn)化為模產(chǎn)生過模零點。

建立三階模型，從電場分布可以看出在分界面上存在三個電場最強處，正好對應(yīng)TE20模以及TE10模的電場最強處，從而得到結(jié)論采用雙饋電結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)TE20模與TE10模的轉(zhuǎn)換。此外，由于饋電模式與HMSIW傳輸模式不同，饋電位置不在TE10模的電場最大值處使得分界面對饋電級腔體而言可視為磁壁，因此這種雙饋電結(jié)構(gòu)還具有一定的小型化特點。三階過模結(jié)構(gòu)如圖2所示。三階過模仿真結(jié)果如圖3所示。

圖2 三階過模結(jié)構(gòu)

圖3 三階過模仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果來看，該結(jié)構(gòu)在上下邊帶分別存在一個零點，改變饋電處微帶間距，帶外零點隨之移動。高端零點隨間距增大往通帶方向移動，過渡帶寬減??；低端零點隨微帶間距增大遠離通帶，過渡帶寬增大。其中36.6GHz的諧振為受第二級腔模影響產(chǎn)生。單端外部耦合模型如圖4所示。

圖4 單端外部耦合模型

通過單端外部耦合得到微帶間距對外部耦合系數(shù)影響如圖5所示。

圖5 微帶間距對外部耦合影響

2 Ka波段HMSIW四階濾波器

為驗證半腔耦合濾波器特性，本文設(shè)計一個Ka波段含4個諧振腔的半模基片集成波導(dǎo)濾波器。主要指標(biāo)為：中心頻率31GHz，阻帶要求帶外1GHz衰減20dB。

設(shè)計好的濾波器結(jié)構(gòu)圖6所示。

圖6 濾波器結(jié)構(gòu)

HMSIW諧振腔之間通過微帶-HMSIW結(jié)構(gòu)實現(xiàn)感性耦合，降低HMSIW濾波器的損耗提高帶寬，此外，由于是雙平行結(jié)構(gòu)，使得濾波器中段也存在模式，可以額外產(chǎn)生一個帶外零點。其主要參數(shù)為：饋電處帶線間距4.97mm，窗口尺寸1.83mm，中段微帶間距4.9mm。

加工后的圖片如圖7所示。

圖7 加工實物

其仿真以及測試效果如圖8所示。

該濾波器中心頻率31.05GHz，帶內(nèi)波損耗-26dB，中心處最小插入損耗0.46dB，1dB相對帶寬12%，帶外抑制從3dB通帶下降到-20dB，左邊帶為0.7GHz，右邊帶為1.1GHz。由于加工誤差導(dǎo)致波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶處匹配不好從而使得帶內(nèi)回波損耗較差，但從效果上仍可以較為明顯看出濾波器帶外存在三個零點，下邊帶一個，上邊帶兩個。

結(jié)論：文章使用雙饋電結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)單端饋電設(shè)計的Ka波段HMSIW濾波器實現(xiàn)了三個帶外零點的引入，較好的提高了濾波器的通帶選擇性，并通過引入微帶-HMSIW結(jié)構(gòu)改善了HMSIW濾波器損耗較大的問題。

與文獻3、4、5中同樣Ka波段的濾波器對比如表1所示。

表1 與文獻3、4、5中同樣Ka波段的濾波器對比

可見對于雙饋電結(jié)構(gòu)可以在不提高工藝難度的情況下產(chǎn)生多個帶外零點，其零點個數(shù)以及相對帶寬等都有較為明顯的優(yōu)勢與文獻中的疊層濾波器相比，本文所采用的結(jié)構(gòu)無需通過疊層工藝，具有易加工的特點。