1 引言

在現代微波無線通信系統中，濾波器和雙工器等無源器件有著十分重要的作用。如果采用傳統的金屬波導、微帶線或者共面波導來設計，不是造價昂貴就是很難達到所要求的技術指標。另一方面，隨著微波毫米波集成電路的迅速發展， 這些傳統的微波電路結構已經不能適應現代無線通信對微波元器件小型化、集成化的要求。基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide）通過周期性金屬通孔實現了的類波導結構，繼承了傳統波導器件高品質因數和大功率容量等優良特性，被廣泛應用于設計各種微波和毫米波器件，同時基片集成波導還具有易于加工、造價低和容易集成的優點。

為了產生傳輸零點，目前很多濾波器的設計采用交叉耦合的形式，極點提取技術與其相比，優勢主要體現在衰減極點頻率的可控性，簡化了濾波器的結構，降低了復雜結構帶來的敏感性，而且降低了濾波器調諧和加工的難度。本文利用極點提取技術和耦合矩陣方法，提出了一種新型結構的基片集成波導雙通帶濾波器。該濾波器采用單一諧振腔提取衰減極點，利用一個濾波器結構實現雙通帶響應，仿真結果顯示兩個通帶形成很高的隔離度，通帶內回波損耗很小。該濾波器諧振腔采用三角形SIW諧振腔，整個濾波器構成一個六邊形，結構緊湊，有效的減小了濾波器的尺寸。

2 等效電路分析

以六腔濾波器為例，等效電路如圖1所示，，第二腔和第六腔作為吸收回路提取衰減極點，衰減極點的位置就是第二、六腔諧振的位置，因此衰減極點的位置可任意確定，這使極點提取技術的應用有了很大的靈活性，利用一個濾波器結構，就可以實現兩種不同響應類型的濾波器：其一，衰減極點在通帶外，可以設計帶外有傳輸零點的帶通濾波器，以增強帶外抑制；其二，衰減極點在通帶內部，可以設計雙通帶濾波器。本文提出的濾波器第一、三、四、五腔構成一個帶通濾波器結構，而第二、六腔提取的衰減極點在通帶內部，由此形成一個雙通帶結構。

圖1 雙通帶濾波器等效電路

為了驗證該設計方法的可行性，設計了一個雙通帶濾波器。設計指標為：兩個通帶為9.6-9.85GHz和10.15-10.4GHz，通帶插損小于0.5dB，回波損耗小于-15dB，兩通帶隔離小于-20dB。原理電路如圖1所示。由文獻［7］給出的方法計算出各腔之間的耦合系數和外部Q值，數據如下。在microwave office中進行電路級仿真，結果如圖2所示，得到了預想中的波形，驗證了該設計方法的可行性。

3 濾波器設計

3.1 三角形SIW腔體的研究

與長方形SIW腔體比較，等邊三角形SIW腔體具有其自身的特點與性質。本文提出的濾波器與中介紹的濾波器同樣由六個諧振腔構成，與中采用長方形SIW腔體不同的是，本文所介紹的濾波器采用等邊三角形SIW腔體，由于這一變化，占空比明顯減小，有效的利用了空間，實現了濾波器的小型化。

圖2 電路級仿真結果

等邊三角形SIW腔體磁場分布如圖3所示，磁場是環繞三角形中心的封閉曲線。文獻［9］給出了計算正方形和圓形SIW腔體主模諧振頻率的公式，而等邊三角形SIW腔體主模頻率表可由式（1）得到：

（1）

公式（1）中，F為三角形諧振腔主模諧振頻率，c為真空中的光速，為介質相對介電常數，L為等邊三角形邊長。

圖3 等邊三角形SIW腔體磁場分布

為驗證計算公式，我們選取一組不同邊長的等邊三角形SIW腔體進行試驗。表1為應用公式（1）求得的頻率與應用CST MICROWAVE STUDIO仿真得到的頻率的比較。結果顯示，公式計算得到的頻率與仿真得到的頻率吻合較好，驗證了等邊三角形SIW腔體主模頻率計算公式的正確性。

表1

L/mm/ GHz/GHz

1022.5722.56

2011.2911.11

307.527.25

3.2 濾波器仿真與測試結果

圖4 濾波器結構圖

表2 濾波器物理結構尺寸（單位：mm）

a2.76S134.9

b3.16S344.95

c1.8L120.05

d4.8L221.22

S124.3L320.45

為了驗證設計方法的有效性，設計了一個x波段基片集成波導雙通帶濾波器。采用相對介電常數為2.65和厚度1mm的介質板，金屬通孔直徑0.5mm，孔間距1mm，圖4為濾波器結構圖。其中a為50歐姆導帶寬度，b、c、d決定了濾波器的外部Q值， L1、L2、L3分別為第一、二、三腔的邊長，決定各腔體的諧振頻率，S12、S13、S34分別為相鄰2腔耦合孔的大小，決定相鄰兩腔耦合的強弱。最后經過CST MICROWAVE STUDIO仿真優化后，可得到濾波器的物理尺寸，如表2所示，濾波器結構左右對稱。仿真結果如圖5所示。

圖5 CST仿真結果

4 結論

本文提出了一種新型的基片集成波導雙通帶濾波器，并給出了具體的設計步驟。著重研究了等邊三角形SIW腔體的特性，給出了等邊三角形SIW腔體主模頻率計算公式，經過仿真驗證計算結果較為準確。仿真了一個基于三角形SIW腔體的雙通帶濾波器，該濾波器兩個通帶之間有很高的隔離度，帶內插損較小，仿真結果良好。這種濾波器結構緊湊，有效的利用了空間，實現了濾波器的小型化。