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。