波导带通滤波器与微带转换装置的设计

摘要：利用三维仿真软件HFSS首先设计了K波段7阶电感E面带通波导滤波器，以及波导微带转换器，其中波导滤波器的中心频率为19 GHz，带宽为3 GHz，带内损耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB；而波导-微带的转换器在1 6～20．8 GHz的带宽内端口反射小于-20 dB，带内损耗小于0．1 dB。然后将两者有效结合为一体，其工作带宽为1 7．5～20．5 GHz，带内损耗为0．3 dB，端口反射小于-1 5 dB，带外抑制小于-30 dB，可以满足实际系统应用的需求。
关键词：波导；带通滤波器；微带；波导微带转换器

0 引言
    随着毫米波技术在现代无线通信系统中的广泛应用，对各种高性能毫米波集成电路的需求也日益增长。微带线是现有毫米波集成电路中十分重要的传输线形式，各个MMIC单片主要采用微带线相连接。而滤波器则是现代电子通信系统中的一个必不可少的环节——选频网络。其中，波导滤波器因具有损耗低、高Q值的优点而广泛用于微波中继通信、雷达、天馈系统等。
    在波导和微带中传输射频信号必须通过波导-微带的过渡装置来完成。因此，设计宽频带、低损耗的波导-微带的转换装置，是十分必要的，具体的转换方式主要为以下三种形式：脊鳍转换结构；波导-同轴-微带线转换结构；波导-微带探针转换结构。对于前两种转换方式，波导和微带处于同一方向，所占空间较大；而对于第三种转换方式，波导与微带相互正交，具有无需焊接，安装方便，而且所占空间较小的优点，从而成为MMIC电路设计中常用的一种方式。
    本文通过电感膜片耦合的方式构成宽带带通波导滤波器，然后设计了波导一微带转换装置，将两者组成一个整体，在HFSS仿真软件中得到了较理想的参数。

1 理论分析
1．1 电感膜片滤波器
    薄电感窗的示意图如图1所示，两块金属膜片分别置于矩形波导(a×b)纵截面的两侧，其厚度为t，窗口面积为bxd。

    本文利用模式匹配法对电感膜片波导滤波器进行了分析，将分析结果应用到网络综合过程中，可直接得到电感膜片的尺寸和腔体的长度。然后利用网络变换公式，可以计算S21的理论参考值：
   
    式中K21j,j+1为传统网络综合方法计算出的阻抗变换器的参数。
    当电感膜片的厚度t固定不变，膜片的宽度a变化时，由模式匹配法计算出中心频率处S21的值，当S21和理论相值匹配时，所对应的膜片宽度a就确定了。
    波导谐振器长度的计算：
   
    式中θ1和θ2是谐振器两边膜片在中心频率处S11的相位。
1．2 波导-微带转换器
    E面探针方式的波导-微带转换器如图2所示。探针通过在波导面的开窗(Wc×h)深入波导内，开窗尺寸既要利于装配又要尽量小，以减少对波导传输性能的影响，同时形成的波导截止频率应在工作频率之外。本文采用两段宽带分别为W3和W2的探针，探针与50 Ω微带线之间引入一段长度L1约为λ／4的匹配段。

2 系统技术参数
2．1 波导滤波器
    中心频率：19 GHz；带宽：3 GHz；带内损耗：0．5 dB；带外抑制：30 dB；端口反射参数：小于-15 dB。
2．2 波导-微带转换器
    工作带宽：要求大于波导滤波器的工作带宽；带内损耗：0．5 dB；端口反射参数：小于-20 dB。
2．3 组合装置
    中心频率：19 GHz；带宽：2 GHz；带内损耗：0.5 dB；带外抑制：20 dB；端口反射参数：小于-15 dB。

3 系统设计
3．1 波导滤波器的设计
    根据带外抑制参数要求，本文将波导滤波器的阶数设计为7阶，其结构如图3所示。根据要求的工作带宽，选取标准波导WR42(10．668 mm×4．318 mm)。
    利用网络匹配方法可以给出设计尺寸，然后利用HFSS仿真软件进行模拟优化，经过大量的计算得到最终优化尺寸，如表1所示。

    模拟计算结果如图4所示，图中工作带宽为17．5～20．5 GHz，带内损耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB。优化后计算结果达到了技术要求。

3．2 波导-微带转换器的设计
    本文在仿真软件HFSS中对转换器建模，并对参数进行了优化分析。波导的尺寸同样采用WR42标准波导，介质基板选用介电常数为3．48的Rogers 4350B材料，其厚度为0．76 mm，微带线的厚度为0．035 mm。利用ADS2009软件中的LineCalc工具，可以计算出50 Ω微带线在中心频率为19 GHz的宽度约为1．79 mm。软件优化后的尺寸如表2所示，优化结果如图5所示。从图5中可以看出在16～20．8 GHz的带宽内，端口反射参数小于-20 dB，带内损耗小于0．1 dB，完全符合技术要求。

3．3 组合装置的设计
    将上述设计的波导滤波器和波导-微带转接器组合在一起，其HFSS模型如图6所示，对波导-微带转接器与最近的电感膜片的距离进行优化。当距离为6 mm时，模拟计算结果最佳，如图7所示，其中心频率为19 GHz，工作带宽为17．5～20．5 GHz，带内损耗为0．3 dB，端口
反射小于-15 dB，带外抑制小于-25 dB。

4 结论
    本文利用仿真软件分别设计了K波段波导滤波器，以及波导一微带转换装置，两者都具有损耗小，端口反射小等优点，最后将两者有效组合在一起。组合装置经优化后得到了较小的损耗系数与端口反射系数，同时具有选频特性，很好地满足了实际应用需求。