根據多模激勵的單腔體諧振器原理以及基片集成波導(SIW)高Q值、低損耗、大功率容量的特點，提出了一種新的SIW方形腔體雙膜濾波器的設計方法。該方法 通過在SIW腔體兩個對稱角上切角作為微擾來使簡並模式分離並產生耦合
，從而形成了中心頻率在 4．95GHz的窄帶帶通濾波器，並最終采用直接過渡方式實現了SIW到微帶的轉換。

SIWdeshuangmoxiezhenqijuyouyiduijianbingmoshi，keyitongguoduixiezhenqijiaruweiraodanyuanlaishizhelianggejianbingmoshifenli，yinci，jingguoraodonghoudexiezhenqikeyikanzuoyigeshuangtiaoxiedianlu。fenlide 簡(jian)並(bing)模(mo)式(shi)產(chan)生(sheng)耦(ou)合(he)後(hou)，會(hui)產(chan)生(sheng)兩(liang)個(ge)極(ji)點(dian)和(he)一(yi)個(ge)零(ling)點(dian)。所(suo)以(yi)，雙(shuang)膜(mo)濾(lv)波(bo)器(qi)在(zai)減(jian)小(xiao)尺(chi)寸(cun)的(de)同(tong)時(shi)，也(ye)增(zeng)加(jia)了(le)阻(zu)帶(dai)衰(shuai)減(jian)。而(er)且(qie)還(hai)可(ke)以(yi)實(shi)現(xian)較(jiao)窄(zhai)的(de)百(bai)分(fen)比(bi)帶(dai)寬(kuan)。可(ke)是(shi)，雙(shuang)膜(mo)濾(lv)波(bo) 器又有功率損耗高、插入損耗大的缺點。為此

，本文提出了一種新型SIW腔體雙膜濾波器的設計方法。

該SIW的大功率容量、低插入損耗特性正好可以對雙膜濾波器的固有缺點起到補償作用。而且輸入／輸出采用直接過渡的轉換結構，也減少了耦合縫隙的損耗。l 雙膜諧振原理及頻率調節

SIW是一類新型的人工集成波導

，它是通過在平麵電路的介質層中嵌入兩排金屬化孔構成的
，這兩排金屬化孔構成了波導的窄壁，圖1所示是基片集成波導的結 構示意圖。這類平麵波導不僅容易與微波集成電路(MIC)以及單片微波集成電路(MMIC)集成，而且
，SIW還繼承了傳統矩形波導的品質因數高、輻射損 耗小、便於設計等優點。


1．基片集成波導諧振腔

1．一(yi)般(ban)情(qing)況(kuang)下(xia)
，兩(liang)個(ge)電(dian)路(lu)的(de)振(zhen)蕩(dang)頻(pin)率(lv)越(yue)接(jie)近(jin)
，這(zhe)兩(liang)個(ge)電(dian)路(lu)之(zhi)間(jian)的(de)能(neng)量(liang)轉(zhuan)換(huan)需(xu)要(yao)的(de)耦(ou)合(he)就(jiu)越(yue)小(xiao)。由(you)於(yu)諧(xie)振(zhen)腔(qiang)中(zhong)的(de)無(wu)數(shu)多(duo)個(ge)模(mo)式(shi)中(zhong)存(cun)在(zai)著(zhe)正(zheng)交(jiao)關(guan)係(xi)，故(gu)要(yao)讓(rang)這(zhe)些(xie)模(mo)式(shi)耦(ou)合(he) 發生能量交換，必須對理想的結構加擾動。但是，為了保持場結構的原有形式
，這個擾動要很小。所以
，本文選擇了SIW的簡並主模TE102和 TE201，它們的電場分布圖如圖2所示。因為TM和TEmn(n10)不能夠在SIW中傳輸。因此，一方麵可以保證在小擾動時就可以實現耦合，同時也可 以保證場的原有結構。



假設圖3所示的矩形腔體的長、寬、高分別為a、b、d。因為TEmn(n10)不能在SIW中傳輸，所以對於SIW諧振腔來說，其諧振頻率的計算公式如下：

對於具有相同諧振頻率的兩個模式來說
，則有如下關係：

根據選定的工作簡並模式，利用公式(1)
、(2)
、 (3)來確定矩形波導諧振腔的初始尺寸，然後再結合有關文獻，就可以確定SIW腔體的尺寸。圖3所示是其金屬矩形諧振腔的基本結構。

 雙膜SIW諧振腔及其頻率調節

圓柱形波導、矩形波導和微帶線都可以用來做雙膜濾波器。然而，一些典型的雙膜設計方法(如加調節螺釘
、內角加工
、在微帶貼片上加入十字槽等)並不適用於 SIW腔體。有文獻提到采用切角、打孔
、饋電擾動等擾動方式來應用於SIW腔體。故此，本文選取了在SIW腔體對稱的角上切兩個相同的方形切角作為微擾方 式。

擾動腔體的諧振頻率被分成f1和f2兩個高低不同的頻率
，這兩個頻率的平均值(f1+f2)／2和原有腔體的諧振頻率f0往往不相等。類似地，輸入／ 輸出部分的耦合也會造成諧振頻率的平移。這樣就會造成兩種情況：一是(f1+f2)／2>f0
；二是(f1+f2)／2< P>

是大於還是小於取決於耦合結構。對於第一種情況，可以通過加大諧振腔尺寸來調節頻率移動；而對於第二種情況，則可以通過減小諧振器尺寸或者在諧振腔上開 個縫來減少諧振腔等效尺寸等方法來調節。當然也可以不調節
，分別針對這兩種情況加以利用。

在實際的工程應用中。要求 s<λ／20，當SIW工作在高頻段時，為了滿足上述條件
，往往要求金屬柱半徑以及它們之間的間距很小
，以至於加工非常困難。而此時就可以利用第一 種情況，以較大的尺寸在較高頻率處實現良好的濾波性能，降低加工難度；而對於第二種情況
，可以以更小的尺寸在較低的諧振頻率處實現良好的濾波性能，從而實 現濾波器的小型化。本文就是有效地利用了第二種情況
，從而設計出性能好、尺寸小的濾波器。
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2 雙膜濾波器的實現與仿真

圖4所示是雙膜SIW腔體帶通濾波器的結構示意 圖。在諧振腔的對角線上挖去兩個相同的立方體，輸入／輸出采用直接過渡的轉換結構。濾波器選用 Rogers RO3010作為介質基板
，其相對介電常數εr=10．2，損耗角正切tan d為0．0035；諧振腔長度a為21．5 mm，寬b為21．5 mm
，高h為0．5mm；切去的立方體邊長cw為2．2 mm；中心饋線的寬度tw為0．72 mm。輸入／輸出采用無縫耦合的直接轉換結構，這樣可減少輸入／輸出結構的耦合損耗。


3 仿真結果分析

仿真可采用電磁仿真商業軟件HFSS來完成。通過仿真介質諧振腔濾波器(濾波器源型)可以發現，不同的耦合輸入／輸出窗口寬度影響著濾波器中心頻率的位 置，同時也影響耦合強度和帶內插入損耗。從圖5中看出，隨著耦合窗寬度的增大，濾波器的中心頻率會上移，耦合減弱，帶內插入損耗變大，也就是濾波器的匹配性能變差。


針(zhen)對(dui)切(qie)去(qu)的(de)立(li)方(fang)體(ti)尺(chi)寸(cun)對(dui)濾(lv)波(bo)器(qi)性(xing)能(neng)的(de)影(ying)響(xiang)。從(cong)方(fang)便(bian)的(de)角(jiao)度(du)考(kao)慮(lv)
，應(ying)先(xian)保(bao)證(zheng)一(yi)個(ge)角(jiao)上(shang)的(de)正(zheng)方(fang)體(ti)尺(chi)寸(cun)不(bu)變(bian)，而(er)改(gai)變(bian)另(ling)一(yi)個(ge)切(qie)去(qu)的(de)立(li)方(fang)體(ti)尺(chi)寸(cun)，然(ran)後(hou)觀(guan)察(cha)微(wei)擾(rao)變(bian)化(hua)對(dui)S 參數的影響。從圖6所示的曲線可以看出，微擾尺寸幾乎不改變S參數曲線的形狀
，對中心頻點的影響不大，微擾越大，帶寬越寬
，相應的高阻帶傳輸零點會往高頻點移動。


從以上結果可以看出，通過改變微擾大小可調節濾波器的帶寬，而改變耦合輸入／輸出窗口的寬度則可調節濾波器的中心頻率和匹配性能。 綜合以上仿真研究並結合公式(1)、(2)
，可先計算出SIW的相關尺寸。然後通過HFSS仿真對濾波器性能進行優化，最終所得出的設計電路具體尺寸為 h=O．5 mm，εr=10．2，tan d="0"．0035，a=b=21．5 mm
，d=0．8 mm
，s=1．2 mm，cw=2．2 mm
，tw=0．72 mm，cw=8．4 mm
，ba=2 mm。


圖7所示是本設計的雙膜SIW腔體濾波器S參數的響應曲線。從圖7中可以看出，采用本設計實現的濾波器的中心頻率fo=4．95 GHz，3 dB相對帶寬FBW=4．36％，通帶內插入損耗為0.9 dB，反射損耗S11小於-22 dB
，阻帶右側5．45 GHz處會形成一個傳輸零點，損耗接近-40 dB。

4 結束語

可以看出
，通過應用SIW技術可以設計出具有良好性能的雙膜窄帶帶通濾波器。其原理簡單、尺寸小、重量輕、帶內插損小
、阻帶衰減性能好；並且采用直接過渡的轉換結構
，從而減少了耦合輸入／輸出損耗。相信會在許多地方有非常廣闊的前景。

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