波導帶通濾波器與微帶轉換裝置的設計

摘要：利用三維仿真軟件HFSS首先設計了K波段7階電感E面帶通波導濾波器，以及波導微帶轉換器，其中波導濾波器的中心頻率為19 GHz，帶寬為3 GHz，帶內損耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB；而波導-微帶的轉換器在1 6～20．8 GHz的帶寬內端口反射小于-20 dB，帶內損耗小于0．1 dB。然后將兩者有效結合為一體，其工作帶寬為1 7．5～20．5 GHz，帶內損耗為0．3 dB，端口反射小于-1 5 dB，帶外抑制小于-30 dB，可以滿足實際系統應用的需求。
關鍵詞：波導；帶通濾波器；微帶；波導微帶轉換器

0 引言
隨著毫米波技術在現代無線通信系統中的廣泛應用，對各種高性能毫米波集成電路的需求也日益增長。微帶線是現有毫米波集成電路中十分重要的傳輸線形式，各個MMIC單片主要采用微帶線相連接。而濾波器則是現代電子通信系統中的一個必不可少的環節——選頻網絡。其中，波導濾波器因具有損耗低、高Q值的優點而廣泛用于微波中繼通信、雷達、天饋系統等。
在波導和微帶中傳輸射頻信號必須通過波導-微帶的過渡裝置來完成。因此，設計寬頻帶、低損耗的波導-微帶的轉換裝置，是十分必要的，具體的轉換方式主要為以下三種形式：脊鰭轉換結構；波導-同軸-微帶線轉換結構；波導-微帶探針轉換結構。對于前兩種轉換方式，波導和微帶處于同一方向，所占空間較大；而對于第三種轉換方式，波導與微帶相互正交，具有無需焊接，安裝方便，而且所占空間較小的優點，從而成為MMIC電路設計中常用的一種方式。
本文通過電感膜片耦合的方式構成寬帶帶通波導濾波器，然后設計了波導一微帶轉換裝置，將兩者組成一個整體，在HFSS仿真軟件中得到了較理想的參數。

1 理論分析
1．1 電感膜片濾波器
薄電感窗的示意圖如圖1所示，兩塊金屬膜片分別置于矩形波導(a×b)縱截面的兩側，其厚度為t，窗口面積為bxd。

本文利用模式匹配法對電感膜片波導濾波器進行了分析，將分析結果應用到網絡綜合過程中，可直接得到電感膜片的尺寸和腔體的長度。然后利用網絡變換公式，可以計算S21的理論參考值：

式中K21j,j+1為傳統網絡綜合方法計算出的阻抗變換器的參數。
當電感膜片的厚度t固定不變，膜片的寬度a變化時，由模式匹配法計算出中心頻率處S21的值，當S21和理論相值匹配時，所對應的膜片寬度a就確定了。
波導諧振器長度的計算：

式中θ1和θ2是諧振器兩邊膜片在中心頻率處S11的相位。