一种小型化微波宽带带通滤波器及其工程设计

摘要：介绍了一种基于基片集成波导(SIW)结构的小型化微波宽带带通滤波器，采用紧凑型设计，同时提出了其工程设计方法及流程，通过11GHz和15GHz典型微波频段的四腔带通滤波器实例验证，达到对于偏离中心2GHz以上的频段抑制35dB以上的要求，且仿真与测试结果相对吻合较好，设计方法和流程合理、有效。

引言

微波滤波器是微波系统中的重要元件之一，尤其在微波通信收发信机中被广泛使用。随着移动通信的发展，通信网络密度越来越高，小型化的微波中继和回传网络设备也迅速发展，这就对收发信机及其微波器件的低成本、小型化、高集成性提出的要求。

微带电路具有小型化、工艺简单、易于集成的优点，但是随着频率的升高，尤其在10GHz以上频段工作时，其Q值变低、损耗变大，泄漏和辐射也随之而来。与之相比，在传统微波设备中广泛应用的波导器件，虽然性能可靠，但是其体积偏大，调试和加工成本较高，并且不易集成。基片集成波导(SIW)^[1-2]，作为一种新型的导波结构，具有与传统波导相似的传输特性，同时具有微带易于加工和集成的显著优点，是在保障良好和稳定性能的前提下，解决滤波器小型化、低成本、高集成性的有效途径。

国内外已经有不少将基片集成波导技术应用到滤波器设计的研究^[2-9]，较多的还是偏向理论分析和新工艺结构的探索，应用于工程实际的还是比较少见。本文立足于工程设计和优化，介绍了一种紧凑型腔体布局的微波带通滤波器的实例，并应用于实际工程产品。

1 基于SIW的带通滤波器的基本结构

基片集成波导(SIW)^[1-2]技术，其基本结构是以介质基片为载体，上下底面为金属层，传导路径的两侧采用金属化过孔，这样就实现了传统的金属波导传输特性，更有优势的是这种结构能通过传统的PCB工艺精确实现。

对于SIW滤波器或者腔体滤波器而言，其腔体的基本形状通常并无限制，形状对固有品质因数的影响差异不大，故腔体形状的选择应该从布局的灵活性和工艺的实现性等方面来考虑：SIW的侧壁由金属化过孔排列而成，相邻腔体间孔距要符合制板工艺的要求，正方形腔体^[3]、矩形腔体^[4]布局时相邻边可以完全重合，充分可共用邻边，尤其是矩形比正方形的灵活度更高;五边以上的正多边形腔体的灵活性次之，但设计复杂度略高;而圆腔在相邻腔体间始终存在缝隙，整体布局不紧凑、因工艺问题腔体易变形^[3]。综合考虑，本文选择矩形腔体为设计方案实现小型化结构。

所述的典型的小型化四腔带通滤波器的结构如图1所示，因为端口要尽量位于滤波器的中心，所以馈电的微带线向腔体一边偏置;考虑到小型化需求，馈电的微带线采用插入耦合的方式^[3-4]，这样的方式比低阻-高阻短微带线匹配^[6]或者传统的渐变线过渡方式^[7-9]更节省布局的空间;同时在端口所在腔体的公共侧壁形成微扰匹配结构。相对于非共侧壁的折叠式方案^[5]，共侧壁的布局尺寸的利用率更高，当然也对形成侧壁的金属化过孔直径φ及其之间的间距dp提出了要求：一般情况下，dp/φ<2且φ/a<0.2^[10]即可;考虑到工程常规PCB制版工艺可靠保证的前提，本文方案选择金属化过孔内直径φ为0.4mm且dp/φ=1.2~1.5。

2 工程设计流程

本文针对小型化微波宽带带通滤波器采用的工程设计流程，该流程也适用一般的带通滤波器设计。首先是根据设计指标确定滤波器原型函数及相关网络矩阵。

一般工程应用基本上都是采用广义切比雪夫函数原型，根据SIW谐振腔的估算公式^[5]，对于选定的介质基材，在TE101模谐振的腔体有：

根据理论计算出的初始值^[5-9]，通过建立单腔和双腔耦合的模型，利用商业仿真软件，如HFSS、CST等，通过模式匹配法(Eigenmode)来确定相关的一些关键设计参数，如图2所示，由此可以确定对应谐振频率的腔体的尺寸a和b，以及不同耦合量对应的开窗尺寸d。

根据初步确定的相关参数，可以在HFSS软件中整体建模进行全波仿真，考虑到工程设计有别于科研，可以充分利用成熟的参数优化算法进行设计优化以达到设计目的。针对滤波器的设计优化，比较高效的是遗传算法，采用群体搜索的方式，比较适合多变量、多优化目标的滤波器优化任务，尤其是当给定初始值和合理的优化区间后，工程设计的流程较为简单和便捷。

3 设计实例及测试结果

11GHz和15GHz频段为微波传输系统常用频段，按照国际通信联盟(ITU)的频段划分，其工作通带的相对带宽分别为8.93%和6.61%，全通带的滤波器属于宽带滤波器。因为小型化的需求，同时又要通过PCB工艺实现加工，所以选择介质基材要求其介电常数&epsilon;r尽可能高一些。本文的实例选择的