W波段鳍线带通滤波器设计

郭丽芳

(成都工业学院 网络与通信工程学院，成都 611730)

W波段鳍线带通滤波器设计

郭丽芳

(成都工业学院 网络与通信工程学院，成都 611730)

为了克服传统鳍线结构在高频段工艺无法实现的问题，采用改良版的鳍线结构设计了一种新型的鳍线结构W波段带通滤波器。利用HFSS进行电磁仿真设计，仿真结果显示在90～100 GHz频带内，插入损耗<0.5 dB，输入输出端口反射系数<-20 dB。实际测试结果与仿真存在一定的偏差，偏差在允许误差范围内，可以满足工程应用。

带通滤波器；W波段；鳍线结构

随着较高频段频谱研究的日益增多，鳍线技术也受到学者的广泛关注。在天线、开关、放大器、隔离器、环形器、定向耦合器等结构中都可以用鳍线结构来实现[1]。鳍线结构设计色散小、成本低、重复性好、损耗比微带线低[2]。传统的鳍线结构可以很好地用在低频段的滤波器中，但是当频段上升到W波段时，由于工艺限制，传统鳍线结构无法实现设计要求。本文将传统的鳍线结构进行了改进，增加了金属之间的强耦合，可以利用传统工艺加工制造W波段的滤波器。经过三维电磁仿真HFSS软件的仿真、优化，得到了良好的结果。

1 鳍线结构工作原理

1.1 结构简介

将矩形结构嵌在标准波导中的E面，即可构成鳍线带通滤波器，结构示意如图1所示。嵌入的矩形结构为双面对称附铜的基片，附铜的宽度以及相邻铜条中之间的距离可以调整，不同的铜条宽度或者不同的间距，将对应不同的通带宽度。为了耦合线之间更好地产生耦合，矩形基片的长度原则上应该为半波长，嵌入基片结构如图2所示。实际仿真和加工过程中，为了减小插入损耗，铜条的长度一般设计为波导端口窄边的长度[3]。

图1 鳍线带通滤波器结构

图2 嵌入基片形状

L.Q.Bui在1984年已提出了将鳍线结构用于Ka波段的E面带通滤波器中，给出了相对带宽为30%的宽带滤波器的准确参数情况[4]。但是对于中心频率更高的W波段带通滤波器，由于所有的耦合均为强耦合，中心频率的升高会导致输入输出端的距离很近，传统鳍线结构在物理尺寸上变得很小，基片的铜条将变得很细，加工工艺难以实现。

为了解决上述问题，本文提出了一种改良的鳍线滤波器结构，能够实现强耦合，同时也不会增加工艺难度。在简单分析该结构的基础上设计了一款中心频率为94 GHz，通带宽度为93.3-94.6 GHz的W波段鳍线滤波器。该结构先在三维电磁仿真软件(High Frequency Structure Simulator，HFSS)中进行仿真，然后进行加工测试。测试结果能够满足工程使用需求。

1.2 等效电路模型

改良的鳍线结构是在传统E面鳍线耦合结构的铜条中间刻蚀一段间隙，结构如图3所示。该结构可等效为一个T型网络，等效结构如图4所示[4]。

图3 改良鳍线结构

图4 新型结构等效电路

图5 阻抗变换器

T型网络阻抗变换器的参数可以由式(1)求出。

(1)

K=|tan(Φ/2+tan-1Xs)|

Φ=-tan-1(2Xp+Xs)-tan-1Xs

式中，S11和S12表示改良版鳍线结构在T参考平面的散射系数，可先在HFSS软件中对参数进行优化，然后再进行加工。

2 滤波器设计

在滤波器设计的过程中，为了方便加工需要遵循3个条件：1)谐振器高度一致，即基片的宽度和波导窄壁高度一致；2)基片须采用纯的聚四氟乙烯RT/duroid5880，εr=2.22，tanδ=4×10-4，基片厚度c和波导宽壁a的比值c/a<0.1；3)要采用双面接地鳍线结构，如图6所示，波导H面中间开槽，槽宽略小于基片厚度，以便将鳍线压紧，保持良好的接地效果[5-7]。

图6 鳍线腔体结构

根据上述改良结构及公式计算，设计了一个5阶的W波段鳍线带通滤波器。设计中选择的波导为WR-10标准矩形波导，尺寸为2.54 mm×1.27 mm，介质基片采用RT/duroid5880基片，厚度为0.127 mm。设计的93.3～94.6 GHz带通滤波器基片具体形状及尺寸(单位为mm)如图7所示，图8为该带通滤波器在三维电磁仿真软件HFSS环境下的仿真结果。

图7 90～100 GHz鳍线带通滤波器的基片结构及尺寸

图8 鳍线带通滤波器的S参数特性仿真图

根据最佳仿真结果的尺寸对该93.3～94.6 GHz带通滤波器进行加工，图9为93.3～94.6 GHz鳍线带通滤波器的实物图，图10为用Agilent 8757D Scalar Network Analyzer对滤波器进行测试的实际测试平台环境，图11为实际测试93.3～94.6 GHz滤波器测试结果。

图9 93.3～94.6 GHz鳍线带通滤波器的实物图

图10 93.3～94.6 GHz鳍线带通滤波器的实测环境

图11 93.3～94.6 GHz鳍线带通滤波器的S参数特性实测

从实测结果可知：该W波段鳍线结构带通滤波器通带范围为93.5～94.8 GHz；通带内插入损耗小于5 dB；反射系数小于-17 dB；对92.3 GHz的抑制优于-21 dB，对95.8 GHz的抑制优于-20 dB；满足工程应用要求。比较仿真和实测结果可得，实测滤波器通带中心频率比仿真结果往高端偏移0.2 GHz，带内插入损耗与仿真相比恶化较多，此损耗可以通过后续电路增加放大器来弥补功率，反射系数较仿真结果也有少许恶化，但是足以满足工程需求。针对测试结果较仿真结果的误差，再次经仿真分析发现，波导宽边尺寸误差对中心频率有一定的影响，宽边尺寸变大则通带中心频率向低端偏移，反之亦然。同时，加工误差也是导致S参数恶化的主要原因。

3 结语

本文在对传统鳍线结构的进行综合分析和研究的基础上，通过采用一种改良的鳍线结构设计实现了通带宽度为93.3～94.6 GHz的W波段带通滤波器，结合三维电磁仿真软件进行了电路仿真，对最优仿真结果进行加工测试，经过分析实际测试结果和仿真结果证实了新的结果的可行性。最终测试结果虽然较仿真有些许误差，但足以满足工程需求。

[1]波扎.微波工程[M].3版.张肇仪，周乐柱，吴德明，等，译.北京：电子工业出版社，2006.

[2]戎敖生. 毫米波鳍线带通滤波器的精确设计[J]. 电子测量技术， 1988(2)：32-37.

[3] TAJIMA Y，SAWAYAMA Y.Design and analysis of a waveguide-sandwich microwave filter (short papers)[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques， 1974， 22(9)：839-841.

[4] BUI L Q，BALL D， ITOH T. Broad-band millimeter-wave E-plane bandpass filters[J]. IEEE Transactions on Microwave Theorys&stechniques， 1984.

[5] 倪国旗，倪围.一种新型基片集成波导带通滤波器的设计[J].电波科学学报，2014，29(3)：42-45.

[6] 刘炜.基于基片集成波导的宽带带通滤波器和Fabry-Perot谐振天线研究[D].北京：中国科学技术大学，2014.

[7] 韩文海.Ka波段鳍线带通滤波器[J].系统工程与电子技术学报，1992(3)：22-26.

DesignofW-BandFin-lineBand-passFilter

GUO Lifang

(School of Network & Communication Engineering, Chengdu Technological University, Chengdu 611730, China)

In order to overcome the problem on high-frequency process of traditional structure of fin-line can’t been achieved, a new type of W-band fin-line band-pass filters whose pass bands is 93.3-94.6 GHz has been designed. The filters were simulated and optimized by using HFSS electromagnetic simulator. Simulation results show that, in the band 90-100 GHz, the insertion loss is less than 0.5 dB and the reflection coefficients of input and output port are less than-20 dB. There is a certain deviation between the actual test results and simulation results, but this deviation is within the allowable range and can meet the demand of engineering needs.

band-pass filter；W-band；fin line structure

10.13542/j.cnki.51-1747/tn.2017.03.003

2017-07-28

郭丽芳(1989—)，女，助教，硕士，研究方向：微波毫米波电路与系统，电子邮箱：lfguo0416@foxmail.com。

TN713.5

：A

：2095-5383(2017)03-0011-03