基于波导设计软件的基片集成波导滤波器组的快速设计方法

杨书奎，刘 飞，吴团锋

（1.南京熊猫汉达科技有限公司，江苏 南京 210000；2.中国人民解放军32380部队，北京 100072；3.南京荧火泰讯信息科技有限公司，江苏 南京 210000）

0 引言

近年来，基片集成波导开始在无线通信和雷达体结构如方形、三角形比较常见，为了缩小设计面系统中扮演着越来越重要的角色，其中，滤波器类积，可以采用半模方案或者是折叠式结构。当对尺是重要的组成成分。通过对文献的调研发现，传统寸限制较小，可以用简单的感性窗耦合的腔体串联的微带短截线滤波器在 C波段以上的高频范围性能平面结构。较差，然而波导滤波器却能在这个频段提供较好的然而，实际的波导滤波器设计比理论计算要复性能。

对于波导滤波器的结构，近年来有很多种结构被提出。平面结构如微带结构、电磁带隙结构，腔体结构如方形、三角形比较常见，为了缩小设计面积，可以采用半模方案或者是折叠式结构。当对尺寸限制较小，可以用简单的感性窗耦合的腔体串联平面结构。

然而，实际的波导滤波器设计比理论计算要复杂得多。比如，即使板材厚度以及阶数给定，腔长、感性窗的位置和长度仍然要不断的调整以取得良好的性能。HFSS的计算量会非常大，导致调谐的过程会很长。而使用波导设计软件可以大大节省这一过程耗费的时间。

1 偏置圆柱耦合结构

本设计旨在产生3 GHz–12 GHz一系列的 SIW滤波器，要求阻带的衰减至少是 80 dB。

滤波器组由24个滤波器组成，通带覆盖整个波段，这里选取第12个滤波器，其中心频率为 5.08 GHz被选择来阐述这种快速设计的方法。其通带为4.89 GHz–5.27 GHz，阻带 0 GHz–4.47 GHz的衰减应该比 5.27 GHz的性能低80 dB。

有很多种波导滤波器结构，在本设计中，用两个比较大的圆孔执行腔体间耦合的偏置圆柱耦合模型。偏置圆柱耦合模型为滤波器的核心，在Wasp-Net中设计。整体的形状和单个感性窗的结构见图1。

图1 DOCPC滤波器的实体模型和单元的各系数

利用软件中的设计器来计算模型的各个尺寸和对性能进行优化。

由于在 HFSS中的计算时基于模型的边界条件和形状，因此，每次调整完模型后都要重新计算，

导致调谐的过程极其漫长，尤其是对于高阶滤波器而言更加漫长，而 Wasp-Net软件针对每个模型有自己的算法，所以耗时极短。

在本文中，双孔的取相同尺寸，在设计器中不断调整测试合适的直径值，在图 1众多的参数中，“id”、“b1”和“ a1”被设为常量，而双孔间距被调谐，一旦双孔的直径确定，整个过程只需要 1分钟就可以完成，如果性能不达标还需要进一步优化。

然后，模型的结果被导入到 HFSS中来创建一个新的 HFSS模型，并增长长度来实现更好的性能。从图 2可以看出来，波导滤波器可以实现要求的指标，证明这是个快速稳定的设计方法。

图2 波导模型的频率响应

2 实现对SIW完整模型的转换

为了实现完整的 SIW滤波器，波导滤波器应该在宽度方向上伸长并且在原边界上增加排孔，波导-微带转换线应该被设计以减少反射。

首先，从波导到 SIW的转换应该用下面的公式来计算：

式中，P是排孔的孔间距； d是排孔的直径； a是波导模型的宽度； a_RWG是SIW的宽度。计算之后，一个完整的 SIW模型就可以绘出，当仿真出现频偏的时候，可以调节 a_RWG直至频偏消失。

然后调节Wtaper和Ltaper直到空SIW模型在该频点的反射系数达到最小。这一步在HFSS中完成，Ltaper和Wtaper的初值为1/4λg或者是3/4λg，Wtaper应该是该频率下端口阻抗折算到的微带线宽。

一旦这段转接线的调谐完成，将空SIW结构、转接线、波导核心结合就可以合成整个SIW滤波器结构并与PCB板相接，且保持较好的效果。

图3 SIW基本模型

图4 HFSS建模仿真

图5 仿真结果

图6 制作实

图7 测试结果

3 实验结果

波导模型通带的衰减为1.5 dB，SIW模型通带衰减为2.4 dB，两个模型阻带的衰减大致相同，但是波导模型的输入反射系数更小。其中一组滤波器的实物图见图6，实验测试结果见图7，但是实测结果在通带上有6 dB的衰减，阻带的衰减有少了-10 dB。

实验误差的产生来源于两个方面：一是接头和线的损耗；二是组内滤波器之间的泄露问题。这样看来，实验误差还是可以接受的。

4 结束语

本文介绍了一种基于Wasp-Net的快速设计感性窗耦合的全模SIW滤波器。相对于仅使用HFSS而言，用这种方式工作量会被大大减轻，有效地加速了现代通信系统的设计。本设计的缺陷在于模型的尺寸过大，进一步改进可以通过小型化方案如半模、四分之一模或者是折叠式SIW来实现。