一种结构新颖的双通带滤波器的仿真设计

申 凯，雷 坚，许 冰

(1.空军装备研究院防空所，北京 100085;2.空军93605部队，北京 102100;3.兰州军区68046部队，甘肃 张掖 734000)

0 引言

为满足用一个多模终端实现不同的业务需求，现代无线通信系统要求射频器件工作在多个分离的频段，这种收发信机需要使用双通带滤波器来抑制杂散的噪声信号。为了满足这种需求，很多研究者致力于双通带滤波器的设计，提出了许多的设计方法［1～6］。H.Miyake［1］等采用并联两个中心频率不同的带通滤波器实现了双通带滤波器。L.-C.Tsai［2］利用一个宽带带通滤波器串联一个窄带带阻滤波器也实现了双频段滤波器。J.T.Kuo［3］利用耦合谐振器的寄生通带，实现了双通带滤波器。S.Sun［4］应用耦合谐振器结构，将谐振器的基带谐振频率和它的第一个杂散响应频率通过合理的耦合设计，实现了双通带滤波器。H.C.Bell［5］利用 Zolo-tarev有理函数通过频率变换技术实现了双通带滤波器。Giuseppe Macchiarella 和 Stefano Tamiazzo［6］采用零点极点综合技术，通过在内部阻带内设置零点实现双通带滤波器的设计。综上所述，目前实现双通带滤波器主要途径有滤波器组合［1，2］、利用耦合谐振腔滤波器的寄生通带［3，4］、原型滤波器变换［5］和零点和极点综合［6］。采用零点和极点综合技术实现双通带滤波器的设计，首先抽取了滤波器的耦合矩阵，据此利用μWave-Wizard软件仿真设计了普通波导结构的双通带滤波器，最后借助普通波导结构与基片集成波导结构之间的等效公式，实现了一种结构新型的基片集成波导双通带滤波器设计，仿真结果显示滤波器具有良好的性能。

1 滤波器耦合矩阵的综合

假定滤波器设计指标为

通带一:9.71 GHz～9.81 GHz，插损小于 3 dB，回波损耗小于－15 dB;

通带二:9.97 GHz～ 10.07 GHz，插损小于3 dB，回波损耗小于－15 dB;

通带隔离:频率9.9 GHz，插损大于18 dB。

确定滤波器的耦合拓扑结构，如图1所示。

图1 六阶折叠型拓扑的耦合路径

利用文献［7］介绍的方法，首先得到归一化零点［－2j －0.1j 0.1j 2j］和归一化得极点［－0.92j－0.72j －0.54j 0.54j 0.72j 0.92j］。由零点和极点分布，选择目标函数［8］

式中，ωri为传输极点;ωpi为传输零点，后面两项用于确定带内回波损耗。当K=0，则满足目标，优化结束。优化得到的归一化输入输出端阻抗R1=Rn=0.6644，耦合矩阵 M 为

基于耦合矩阵M，可得滤波器归一化频响，如图2所示。

图2 滤波器理论频响曲线

2 等效矩形波导双通带滤波器的设计

利用普通耦合谐振腔滤波器的设计方法［9］可以得到等效波导滤波器的初始结构，然后借助μWave-Wizard软件进行优化，即可得到波导结构双通带滤波器的最终结构。

滤波器结构如图3所示，滤波器由6个谐振腔构成，分两层折叠放置，除了1腔和6腔之间为负耦合(电耦合)外，其余各腔之间均为正耦合(磁耦合)。1腔和2腔，2腔和3腔，4腔和5腔，5腔和6腔均采用金属膜片实现磁耦合，3腔与4腔，2腔与5腔分别在腔的边缘开窗，实现的也是磁耦合，2腔和6腔在宽边中心开窗实现了电耦合，即负耦合。

图3 滤波器的等效波导结构

波导宽边尺寸15.6 mm，厚度0.78 mm，填充介质介电常数2.2，目的是为了便于向基片集成波导的过渡。图3给出了最终得到的滤波器结构图。滤波器S参数的μWave-Wizard软件仿真结果如图4所示。相同结构的HFSS三维场仿真软件的仿真结果如图5所示，不难看出，二者一致性比较好。

3 基片集成波导双通带带通滤波器的设计与仿真

在普通波导滤波器结构参数的基础上，即可利用式(2)［10］实现向基片集成波导结构的等效和过渡。

式中，aeff为等效矩形波导的宽度;a为SIW的宽度;d为过孔的直径;p为过孔周期;SIW过孔直径、周期和宽度应满足:d ＜0.2λg，d ＜0.4a，p＜2d。

选用Rogers5880介质基板，介电常数2.2，厚度0.78 mm。由工作频段首先确定基片集成波导金属化过孔的直径和周期分别为0.5 mm和0.88 mm，则基片集成波导的宽度为15.9 mm。在设计基片集成波导滤波器的输入输出转换时，首先需要确定基片集成波导(SIW)等效普通波导的宽度和高度，从而获得基片集成波导的等效阻抗，求得基片转换器中靠近基片集成波导一侧微带的宽度，本例等效阻抗为28.9欧姆，对应的微带线宽为5.08mm;另一方面，转换器以50欧姆的微带线输出，由此可以知道输出微带线的宽度为2.4mm。基片集成波导双通带滤波器的结构图如图6所示。该结构的HFSS仿真结果如图7所示。

比较图4和图5，不难发现二者的主要区别在通带内部，基于模式匹配法的μWave-Wizard软件仿真的插损接近于0，而基于有限元法的HFSS仿真结果为1.5 dB左右，这是因为模式匹配法没有考虑导体的损耗所致。而图5和图7的不一致主要是由于经验公式的微小误差及基片集成波导与微带结构的转换匹配不理想所导致。由以上仿真分析可见，基于基片集成波导结构的双通道滤波器基本达到了设计指标要求。

4 结语

本文给出了一种新型基片集成波导双通带滤波器的设计。首先采用优化方法得到了传输零点和滤波器阶数，然后通过试探即可得到极点的分布;由零点、极点位置，利用优化技术，可得到满足指标要求的耦合矩阵。相对解析法抽取耦合矩阵，优化方法更加简单快捷;最后基于该耦合矩阵，采用耦合谐振腔滤波器的设计方法得到了等效波导结构滤波器的初始结构，并利用μWave-Wizard软件进了优化，得到了等效波导结构双通带滤波器的结构参数，最后借助基片集成波导结构与矩形波导之间的等效公式，获得了基片集成波导双通带滤波器。该滤波器具有成本低、重量轻、体积小和容易加工等优点，非常适合在无线通讯系统中使用。

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