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。

SIW的(de)雙(shuang)膜(mo)諧(xie)振(zhen)器(qi)具(ju)有(you)一(yi)對(dui)簡(jian)並(bing)模(mo)式(shi)
，可(ke)以(yi)通(tong)過(guo)對(dui)諧(xie)振(zhen)器(qi)加(jia)入(ru)微(wei)擾(rao)單(dan)元(yuan)來(lai)使(shi)這(zhe)兩(liang)個(ge)簡(jian)並(bing)模(mo)式(shi)分(fen)離(li)，因(yin)此(ci)，經(jing)過(guo)擾(rao)動(dong)後(hou)的(de)諧(xie)振(zhen)器(qi)可(ke)以(yi)看(kan)作(zuo)一(yi)個(ge)雙(shuang)調(tiao)諧(xie)電(dian)路(lu)。分(fen)離(li)的(de) 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。
[page]

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。

相關閱讀：

TDK推出帶EMI濾波器功能BGA壓敏電阻器
TDK TCE1210：TDK開發出薄膜共模濾波器新品
怎樣選擇EMI濾波器