隨著毫米波技術(shù)在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對(duì)各種高性能毫米波集成電路的需求也日益增長(zhǎng)。微帶線是現(xiàn)有毫米波集成電路中十分重要的傳輸線形式，各個(gè)MMIC單片主要采用微帶線相連接。而濾波器則是現(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中的一個(gè)必不可少的環(huán)節(jié)——選頻網(wǎng)絡(luò)。其中，波導(dǎo)濾波器因具有損耗低、高Q值的優(yōu)點(diǎn)而廣泛用于微波中繼通信、雷達(dá)、天饋系統(tǒng)等。
在波導(dǎo)和微帶中傳輸射頻信號(hào)必須通過波導(dǎo)-微帶的過渡裝置來完成。因此，設(shè)計(jì)寬頻帶、低損耗的波導(dǎo)-微帶的轉(zhuǎn)換裝置，是十分必要的，具體的轉(zhuǎn)換方式主要為以下三種形式：脊鰭轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；波導(dǎo)-同軸-微帶線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)；波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。對(duì)于前兩種轉(zhuǎn)換方式，波導(dǎo)和微帶處于同一方向，所占空間較大；而對(duì)于第三種轉(zhuǎn)換方式，波導(dǎo)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(yōu)點(diǎn)，從而成為MMIC電路設(shè)計(jì)中常用的一種方式。
本文通過電感膜片耦合的方式構(gòu)成寬帶帶通波導(dǎo)濾波器，然后設(shè)計(jì)了波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換裝置，將兩者組成一個(gè)整體，在HFSS仿真軟件中得到了較理想的參數(shù)。
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(dǎo)(a×b)縱截面的兩側(cè)，其厚度為t，窗口面積為bxd。
本文利用模式匹配法對(duì)電感膜片波導(dǎo)濾波器進(jìn)行了分析，將分析結(jié)果應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)綜合過程中，可直接得到電感膜片的尺寸和腔體的長(zhǎng)度。然后利用網(wǎng)絡(luò)變換公式，可以計(jì)算S21的理論參考值：
式中K21j,j+1為傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)綜合方法計(jì)算出的阻抗變換器的參數(shù)。
當(dāng)電感膜片的厚度t固定不變，膜片的寬度a變化時(shí)，由模式匹配法計(jì)算出中心頻率處S21的值，當(dāng)S21和理論相值匹配時(shí)，所對(duì)應(yīng)的膜片寬度a就確定了。
波導(dǎo)諧振器長(zhǎng)度的計(jì)算：
式中θ1和θ2是諧振器兩邊膜片在中心頻率處S11的相位。
1．2 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器
E面探針方式的波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器如圖2所示。探針通過在波導(dǎo)面的開窗(Wc×h)深入波導(dǎo)內(nèi)，開窗尺寸既要利于裝配又要盡量小，以減少對(duì)波導(dǎo)傳輸性能的影響，同時(shí)形成的波導(dǎo)截止頻率應(yīng)在工作頻率之外。本文采用兩段寬帶分別為W3和W2的探針，探針與50 Ω微帶線之間引入一段長(zhǎng)度L1約為λ／4的匹配段。
2 系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)
2．1 波導(dǎo)濾波器
中心頻率：19 GHz；帶寬：3 GHz；帶內(nèi)損耗：0．5 dB；帶外抑制：30 dB；端口反射參數(shù)：小于-15 dB。
2．2 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器
工作帶寬：要求大于波導(dǎo)濾波器的工作帶寬；帶內(nèi)損耗：0．5 dB；端口反射參數(shù)：小于-20 dB。
2．3 組合裝置
中心頻率：19 GHz；帶寬：2 GHz；帶內(nèi)損耗：0.5 dB；帶外抑制：20 dB；端口反射參數(shù)：小于-15 dB。
3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3．1 波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)
根據(jù)帶外抑制參數(shù)要求，本文將波導(dǎo)濾波器的階數(shù)設(shè)計(jì)為7階，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。根據(jù)要求的工作帶寬，選取標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)WR42(10．668 mm×4．318 mm)。
利用網(wǎng)絡(luò)匹配方法可以給出設(shè)計(jì)尺寸，然后利用HFSS仿真軟件進(jìn)行模擬優(yōu)化，經(jīng)過大量的計(jì)算得到最終優(yōu)化尺寸，如表1所示。
模擬計(jì)算結(jié)果如圖4所示，圖中工作帶寬為17．5～20．5 GHz，帶內(nèi)損耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB。優(yōu)化后計(jì)算結(jié)果達(dá)到了技術(shù)要求。
3．2 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)
本文在仿真軟件HFSS中對(duì)轉(zhuǎn)換器建模，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。波導(dǎo)的尺寸同樣采用WR42標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，介質(zhì)基板選用介電常數(shù)為3．48的Rogers 4350B材料，其厚度為0．76 mm，微帶線的厚度為0．035 mm。利用ADS2009軟件中的LineCalc工具，可以計(jì)算出50 Ω微帶線在中心頻率為19 GHz的寬度約為1．79 mm。軟件優(yōu)化后的尺寸如表2所示，優(yōu)化結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出在16～20．8 GHz的帶寬內(nèi)，端口反射參數(shù)小于-20 dB，帶內(nèi)損耗小于0．1 dB，完全符合技術(shù)要求。
3．3 組合裝置的設(shè)計(jì)
將上述設(shè)計(jì)的波導(dǎo)濾波器和波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)接器組合在一起，其HFSS模型如圖6所示，對(duì)波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)接器與最近的電感膜片的距離進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)距離為6 mm時(shí)，模擬計(jì)算結(jié)果最佳，如圖7所示，其中心頻率為19 GHz，工作帶寬為17．5～20．5 GHz，帶內(nèi)損耗為0．3 dB，端口
反射小于-15 dB，帶外抑制小于-25 dB。
4 結(jié)論
本文利用仿真軟件分別設(shè)計(jì)了K波段波導(dǎo)濾波器，以及波導(dǎo)一微帶轉(zhuǎn)換裝置，兩者都具有損耗小，端口反射小等優(yōu)點(diǎn)，最后將兩者有效組合在一起。組合裝置經(jīng)優(yōu)化后得到了較小的損耗系數(shù)與端口反射系數(shù)，同時(shí)具有選頻特性，很好地滿足了實(shí)際應(yīng)用需求。