隨著毫米波技術在現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)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(xiàn)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(xiàn)代電子通信系統(tǒng)中的一個必不可少的環(huán)節(jié)——選頻網(wǎng)絡,。其中，波導濾波器因具有損耗低,、高Q值的優(yōu)點而廣泛用于微波中繼通信,、雷達、天饋系統(tǒng)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(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)換結構,；波導-同軸-微帶線轉(zhuǎn)換結構,；波導-微帶探針轉(zhuǎn)換結構。對于前兩種轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(yōu)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(zhuǎn)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(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(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(wǎng)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(wǎng)絡變換公式,，可以計算S21的理論參考值：
式中K21j,j+1為傳統(tǒng)網(wǎng)絡綜合方法計算出的阻抗變換器的參數(shù)。
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,。
1．2 波導-微帶轉(zhuǎn)換器
E面探針方式的波導-微帶轉(zhuǎn)換器如圖2所示,。探針通過在波導面的開窗(Wc×h)深入波導內(nèi)，開窗尺寸既要利于裝配又要盡量小,，以減少對波導傳輸性能的影響,，同時形成的波導截止頻率應在工作頻率之外。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度L1約為λ／4的匹配段,。
2 系統(tǒng)技術參數(shù)
2．1 波導濾波器
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-微帶轉(zhuǎn)換器
工作帶寬：要求大于波導濾波器的工作帶寬,；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)設計
3．1 波導濾波器的設計
根據(jù)帶外抑制參數(shù)要求，本文將波導濾波器的階數(shù)設計為7階,，其結構如圖3所示,。根據(jù)要求的工作帶寬，選取標準波導WR42(10．668 mm×4．318 mm),。
利用網(wǎng)絡匹配方法可以給出設計尺寸,，然后利用HFSS仿真軟件進行模擬優(yōu)化，經(jīng)過大量的計算得到最終優(yōu)化尺寸,，如表1所示,。
模擬計算結果如圖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)化后計算結果達到了技術要求,。
3．2 波導-微帶轉(zhuǎn)換器的設計
本文在仿真軟件HFSS中對轉(zhuǎn)換器建模,，并對參數(shù)進行了優(yōu)化分析。波導的尺寸同樣采用WR42標準波導,，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,，完全符合技術要求。
3．3 組合裝置的設計
將上述設計的波導濾波器和波導-微帶轉(zhuǎn)接器組合在一起,，其HFSS模型如圖6所示,，對波導-微帶轉(zhuǎn)接器與最近的電感膜片的距離進行優(yōu)化。當距離為6 mm時,，模擬計算結果最佳,，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 結論
本文利用仿真軟件分別設計了K波段波導濾波器,，以及波導一微帶轉(zhuǎn)換裝置，兩者都具有損耗小,，端口反射小等優(yōu)點,，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),，同時具有選頻特性,，很好地滿足了實際應用需求。