基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器：原理、設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化研究一、引言1.1研究背景與意義在當(dāng)今信息時(shí)代，無線通信技術(shù)以前所未有的速度蓬勃發(fā)展，深刻地改變了人們的生活和工作方式。從早期的模擬通信到如今的5G乃至正在研發(fā)的6G通信，無線通信系統(tǒng)的性能不斷提升，應(yīng)用領(lǐng)域也日益廣泛，涵蓋了移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)、物聯(lián)網(wǎng)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。在這些復(fù)雜而精密的無線通信系統(tǒng)中，濾波器作為不可或缺的關(guān)鍵部件，其性能的優(yōu)劣直接關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量和穩(wěn)定性。濾波器的主要功能是對信號進(jìn)行頻率選擇，允許特定頻率范圍內(nèi)的信號順利通過，同時(shí)有效地抑制其他頻率的干擾信號，從而確保通信信號的準(zhǔn)確性和可靠性。在實(shí)際的無線通信環(huán)境中，信號往往會受到各種噪聲和干擾的影響，如鄰頻干擾、多徑衰落、電磁干擾等。這些干擾信號如果不加以有效濾除，將會嚴(yán)重影響通信質(zhì)量，導(dǎo)致信號失真、誤碼率增加，甚至使通信系統(tǒng)無法正常工作。因此，濾波器在無線通信系統(tǒng)中起著至關(guān)重要的作用，它是保障通信信號質(zhì)量的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。隨著無線通信技術(shù)的不斷演進(jìn)，對濾波器的性能提出了越來越高的要求。一方面，為了滿足日益增長的通信需求，濾波器需要具備更高的頻率選擇性，能夠更精確地分離出所需的信號頻段，同時(shí)提供更陡峭的過渡帶，以最大限度地抑制干擾信號。另一方面，隨著通信設(shè)備向小型化、輕量化和多功能化方向發(fā)展，濾波器也需要在尺寸上不斷減小，同時(shí)保持良好的性能。此外，濾波器還需要具備低插入損耗、高功率容量、良好的溫度穩(wěn)定性等特性，以適應(yīng)復(fù)雜多變的通信環(huán)境。在眾多濾波器類型中，帶通濾波器是無線通信系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的濾波器之一。它能夠有效地提取特定頻段的信號，同時(shí)抑制其他頻段的干擾，確保通信信號的準(zhǔn)確傳輸。而基于基片集成波導(dǎo)（SIW，SubstrateIntegratedWaveguide）結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)勢，近年來受到了廣泛的關(guān)注和研究。SIW結(jié)構(gòu)是一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，它巧妙地結(jié)合了傳統(tǒng)波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點(diǎn)，克服了兩者的一些局限性。與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比，SIW結(jié)構(gòu)具有更低的剖面高度，使其更易于集成到平面電路中，大大減小了整個(gè)通信系統(tǒng)的體積和重量。同時(shí)，SIW結(jié)構(gòu)的制作工藝相對簡單，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)。與微帶線相比，SIW結(jié)構(gòu)具有更高的品質(zhì)因數(shù)（Q值），這意味著它能夠在更窄的帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)更高的頻率選擇性，同時(shí)具有更低的傳輸損耗和更高的功率容量。這些優(yōu)勢使得SIW結(jié)構(gòu)在微波、毫米波電路中得到了廣泛的應(yīng)用，如天線饋線、濾波器、耦合器、振蕩器等?；赟IW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器在無線通信系統(tǒng)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。首先，它能夠在同一芯片上實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同頻段的信號濾波，有效地提高了頻譜利用率。在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中，頻譜資源日益緊張，如何高效地利用有限的頻譜資源成為了研究的熱點(diǎn)。雙通帶濾波器可以同時(shí)處理兩個(gè)不同頻段的信號，避免了多個(gè)濾波器的級聯(lián)使用，從而減少了電路的復(fù)雜度和成本。其次，SIW雙通帶濾波器的小型化和集成化特性，使其非常適合應(yīng)用于便攜式通信設(shè)備，如智能手機(jī)、平板電腦、物聯(lián)網(wǎng)終端等。這些設(shè)備對尺寸和重量有著嚴(yán)格的限制，而SIW雙通帶濾波器能夠在滿足性能要求的同時(shí)，有效地減小設(shè)備的體積和重量，提高設(shè)備的便攜性和集成度。此外，SIW雙通帶濾波器還具有良好的抗干擾能力和穩(wěn)定性，能夠在復(fù)雜的電磁環(huán)境中可靠地工作，為無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行提供了有力的保障。綜上所述，基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器在無線通信領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和重要的研究意義。對其進(jìn)行深入研究，不僅有助于推動(dòng)無線通信技術(shù)的發(fā)展，提高通信系統(tǒng)的性能和可靠性，還能夠滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對小型化、集成化和高性能的需求，為相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)支持。因此，開展基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器研究具有重要的理論和實(shí)際價(jià)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀近年來，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，對濾波器性能的要求日益提高，基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器成為了國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。國內(nèi)外學(xué)者在SIW結(jié)構(gòu)雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)方法、應(yīng)用領(lǐng)域等方面開展了大量的研究工作，并取得了一系列重要成果。在設(shè)計(jì)方法方面，國外研究起步較早，一些知名高校和科研機(jī)構(gòu)在該領(lǐng)域取得了顯著進(jìn)展。例如，美國的[具體高校名稱1]和[具體高校名稱2]的研究團(tuán)隊(duì)，通過對SIW諧振腔的結(jié)構(gòu)進(jìn)行巧妙設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了具有高選擇性和低插入損耗的雙通帶濾波器。他們利用電磁仿真軟件，深入研究了諧振腔的尺寸、形狀以及耦合結(jié)構(gòu)對濾波器性能的影響，提出了多種新穎的設(shè)計(jì)思路。其中，一種基于SIW腔體的交叉耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，通過在腔體間引入特定的交叉耦合路徑，有效地提高了濾波器的帶外抑制性能，使得濾波器在兩個(gè)通帶外的衰減達(dá)到了較高水平，滿足了一些對信號純凈度要求極高的通信系統(tǒng)的需求。此外，歐洲的[具體科研機(jī)構(gòu)名稱]則專注于探索新型的SIW材料和工藝，以進(jìn)一步提升濾波器的性能。他們研發(fā)出一種新型的低損耗介質(zhì)材料，并應(yīng)用于SIW雙通帶濾波器的制作中，顯著降低了濾波器的插入損耗，提高了信號傳輸效率。國內(nèi)在基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器研究方面也取得了豐碩的成果。眾多高校和科研院所積極投入研究，如清華大學(xué)、電子科技大學(xué)、西安電子科技大學(xué)等。清華大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS，DefectedGroundStructure）與SIW相結(jié)合的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)方法。通過在SIW的接地平面上引入特定形狀和尺寸的缺陷地結(jié)構(gòu)，改變了SIW的電磁場分布，從而實(shí)現(xiàn)了雙通帶特性。這種設(shè)計(jì)方法不僅增加了濾波器的設(shè)計(jì)自由度，還能通過調(diào)整DGS的參數(shù)來靈活控制通帶的中心頻率、帶寬和帶外抑制等性能指標(biāo)。電子科技大學(xué)的學(xué)者們則從優(yōu)化SIW的耦合結(jié)構(gòu)入手，提出了一種新型的感性耦合結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)能夠增強(qiáng)諧振腔之間的耦合強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)更寬的通帶帶寬。他們通過理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，詳細(xì)研究了該耦合結(jié)構(gòu)對濾波器性能的影響規(guī)律，為SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)提供了重要的參考依據(jù)。西安電子科技大學(xué)的研究人員致力于研究基于SIW的多模諧振器在雙通帶濾波器中的應(yīng)用。他們利用SIW多模諧振器能夠支持多種模式諧振的特性，通過合理設(shè)計(jì)諧振器的尺寸和激勵(lì)方式，實(shí)現(xiàn)了在不同頻率下的多個(gè)諧振模式，從而構(gòu)建出雙通帶濾波器。這種設(shè)計(jì)方法有效地減小了濾波器的尺寸，同時(shí)提高了濾波器的性能。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器在無線通信、雷達(dá)、衛(wèi)星通信等多個(gè)領(lǐng)域都展現(xiàn)出了廣闊的應(yīng)用前景。在無線通信領(lǐng)域，隨著5G和未來6G通信技術(shù)的發(fā)展，對通信系統(tǒng)的頻譜利用率和信號處理能力提出了更高的要求。SIW雙通帶濾波器能夠同時(shí)處理兩個(gè)不同頻段的信號，有效地提高了頻譜利用率，滿足了多頻段通信的需求。例如，在5G基站中，SIW雙通帶濾波器可以用于信號的收發(fā)模塊，實(shí)現(xiàn)對不同頻段信號的濾波和處理，提高基站的通信性能和覆蓋范圍。在雷達(dá)系統(tǒng)中，SIW雙通帶濾波器可用于雷達(dá)的發(fā)射和接收前端，能夠有效地抑制雜波和干擾信號，提高雷達(dá)的目標(biāo)檢測精度和抗干擾能力。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，由于衛(wèi)星通信系統(tǒng)對設(shè)備的體積、重量和性能要求極為嚴(yán)格，SIW雙通帶濾波器的小型化、輕量化和高性能特點(diǎn)使其成為衛(wèi)星通信設(shè)備中的理想選擇。它可以用于衛(wèi)星通信的射頻前端，實(shí)現(xiàn)對不同頻段通信信號的濾波和傳輸，保障衛(wèi)星通信的穩(wěn)定和可靠。盡管國內(nèi)外在基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器研究方面取得了眾多成果，但仍然存在一些問題和挑戰(zhàn)有待解決。例如，如何進(jìn)一步提高濾波器的性能，如提高帶外抑制、降低插入損耗、減小通帶內(nèi)的紋波等；如何實(shí)現(xiàn)濾波器的小型化和集成化，以滿足日益增長的便攜式通信設(shè)備的需求；如何優(yōu)化濾波器的設(shè)計(jì)方法和制作工藝，降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)效率等。針對這些問題，國內(nèi)外學(xué)者仍在不斷地進(jìn)行研究和探索，推動(dòng)基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。1.3研究內(nèi)容與創(chuàng)新點(diǎn)本文深入研究基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，旨在突破傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)的局限，為無線通信系統(tǒng)提供高性能、小型化且成本效益顯著的濾波解決方案。研究內(nèi)容涵蓋理論分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、性能優(yōu)化及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證多個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。在理論分析層面，深入剖析SIW結(jié)構(gòu)的基本原理與傳輸特性，包括電磁波在SIW中的傳播模式、截止頻率及損耗機(jī)制等關(guān)鍵理論，為后續(xù)濾波器設(shè)計(jì)筑牢理論根基。同時(shí)，系統(tǒng)研究雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)理論，涵蓋通帶中心頻率、帶寬、帶外抑制及插入損耗等關(guān)鍵參數(shù)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則與計(jì)算方法，為濾波器的精確設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是本研究的核心內(nèi)容之一。創(chuàng)新性地提出一種新型的SIW雙通帶濾波器結(jié)構(gòu)，通過巧妙設(shè)計(jì)SIW諧振腔與耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)通帶的獨(dú)立控制與優(yōu)化。具體而言，在SIW諧振腔中引入特定的擾動(dòng)結(jié)構(gòu)，如加載寄生貼片或開縫，以激發(fā)不同的諧振模式，從而產(chǎn)生兩個(gè)通帶。在耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，采用新型的交叉耦合或多模耦合方式，增強(qiáng)通帶的選擇性與帶外抑制能力。此外，還將探索SIW與其他新型結(jié)構(gòu)（如缺陷地結(jié)構(gòu)、電磁帶隙結(jié)構(gòu)）的融合設(shè)計(jì)，進(jìn)一步拓展濾波器的性能優(yōu)化空間。性能優(yōu)化貫穿于整個(gè)研究過程。運(yùn)用先進(jìn)的電磁仿真軟件（如HFSS、CST等）對設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行全面仿真分析，深入研究結(jié)構(gòu)參數(shù)對濾波器性能的影響規(guī)律，通過參數(shù)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)濾波器性能的最大化。針對濾波器的帶外抑制問題，研究并采用多種優(yōu)化技術(shù)，如增加諧振腔的階數(shù)、引入傳輸零點(diǎn)、優(yōu)化耦合結(jié)構(gòu)等，有效提高帶外抑制水平，減少干擾信號對通信系統(tǒng)的影響。同時(shí)，致力于降低濾波器的插入損耗，通過優(yōu)化SIW結(jié)構(gòu)的尺寸、選擇低損耗的介質(zhì)材料以及改進(jìn)制作工藝等措施，提高信號傳輸效率，降低信號衰減。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是檢驗(yàn)研究成果的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。根據(jù)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案，制作基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器實(shí)物樣品，并利用專業(yè)的微波測試設(shè)備（如矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀）對其性能進(jìn)行精確測試。將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行詳細(xì)對比分析，深入探究實(shí)驗(yàn)與仿真之間的差異原因，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，確保濾波器性能滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)濾波器設(shè)計(jì)相比，本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：一是提出了新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，打破了傳統(tǒng)SIW雙通帶濾波器結(jié)構(gòu)的局限性，通過獨(dú)特的諧振腔與耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)通帶的靈活調(diào)控，提高了濾波器的設(shè)計(jì)自由度與性能指標(biāo)。二是采用了創(chuàng)新的設(shè)計(jì)方法，將多種先進(jìn)技術(shù)（如多模諧振、交叉耦合、缺陷地結(jié)構(gòu)等）有機(jī)融合，為濾波器的性能優(yōu)化提供了新的思路與方法。三是在性能優(yōu)化方面取得了顯著突破，有效提高了濾波器的帶外抑制和降低了插入損耗，同時(shí)在一定程度上實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化，滿足了現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對濾波器高性能、小型化的嚴(yán)格要求。二、SIW結(jié)構(gòu)的基本原理與特性2.1SIW結(jié)構(gòu)的構(gòu)成與原理基片集成波導(dǎo)（SIW）是一種在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)傳輸電磁波的新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，它巧妙地融合了傳統(tǒng)波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點(diǎn)，克服了二者在某些方面的局限性，在現(xiàn)代微波、毫米波電路中展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢和廣泛的應(yīng)用前景。SIW結(jié)構(gòu)主要由介質(zhì)基板、位于基板上下表面的金屬層以及沿基板邊緣排列的兩排金屬化通孔組成。其中，介質(zhì)基板作為電磁波傳輸?shù)慕橘|(zhì)，通常選用具有低介電損耗和高介電常數(shù)的材料，如陶瓷（LTCC）、石英、聚合物等。這些材料能夠有效減少信號傳輸過程中的能量損耗，同時(shí)高介電常數(shù)有助于減小波導(dǎo)的尺寸，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的緊湊化。上下表面的金屬層如同傳統(tǒng)波導(dǎo)的金屬壁，起到限制電磁波能量在基片內(nèi)傳播的作用，形成金屬禁帶。而兩排金屬化通孔則模擬了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的側(cè)壁，通過緊密排列的通孔陣列，將電磁波約束在由金屬層和通孔所界定的區(qū)域內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)電磁波的有效傳輸。從原理上講，SIW結(jié)構(gòu)利用了金屬化通孔對電磁波的約束作用。當(dāng)電磁波在SIW中傳播時(shí)，由于金屬化通孔的存在，電場和磁場被限制在由金屬層和通孔圍成的矩形腔內(nèi)，如同在傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)中一樣。具體來說，在SIW結(jié)構(gòu)中，橫電波（TE）模式和橫磁波（TM）模式是電磁波傳播的兩種主要模式。然而，由于金屬化通孔的特殊排列方式以及電流分布特性，SIW結(jié)構(gòu)只能傳播TEn0波，而不能傳播TM波或TEmn（n≠0）波。在這些可傳播的模式中，TE10模是SIW傳輸?shù)闹髂?，其電場和磁場分布具有特定的?guī)律。以TE10模為例，其電場在波導(dǎo)寬邊方向呈正弦分布，在窄邊方向?yàn)榫鶆蚍植?，磁場則與電場相互垂直，且在波導(dǎo)橫截面上形成閉合的磁力線。這種場分布特性決定了TE10模在SIW結(jié)構(gòu)中的傳輸特性，如截止頻率、傳輸損耗等。SIW的截止頻率與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)類似，主要取決于波導(dǎo)的等效寬度和介質(zhì)基板的介電常數(shù)。通過合理設(shè)計(jì)波導(dǎo)的尺寸和選擇合適的介質(zhì)材料，可以靈活調(diào)整SIW的截止頻率，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。SIW結(jié)構(gòu)中的電磁波傳輸過程可以類比為在一個(gè)被金屬壁和金屬化通孔包圍的通道中傳播。金屬層和通孔就像堅(jiān)固的壁壘，將電磁波緊緊束縛在通道內(nèi)，使其能夠沿著特定的路徑高效傳輸。與傳統(tǒng)波導(dǎo)相比，SIW結(jié)構(gòu)通過在介質(zhì)基片上集成金屬化通孔的方式，大大減小了波導(dǎo)的體積和重量，同時(shí)保持了較低的傳輸損耗和較高的品質(zhì)因數(shù)；與微帶線相比，SIW結(jié)構(gòu)的輻射損耗更低，能夠有效減少信號的泄漏和干擾，提高信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性和可靠性。2.2SIW結(jié)構(gòu)的傳播特性SIW結(jié)構(gòu)中電磁波的傳播特性是其在微波、毫米波電路應(yīng)用中的重要基礎(chǔ)，深入研究這些特性對于優(yōu)化SIW器件設(shè)計(jì)、提高其性能具有關(guān)鍵意義。在SIW結(jié)構(gòu)中，電磁波主要以橫電波（TE）模式進(jìn)行傳播，其中TE10模是主模，也是實(shí)際應(yīng)用中最常利用的模式。TE模式的特點(diǎn)是電場矢量在傳播方向上沒有分量，僅存在橫向電場和縱向磁場。以TE10模為例，其電場在SIW的寬邊方向上呈正弦分布，最大值位于寬邊的中心位置，而在窄邊方向上電場均勻分布；磁場則與電場相互垂直，在橫截面上形成閉合的磁力線，且在寬邊中心處磁場強(qiáng)度為零，在寬邊邊緣處達(dá)到最大值。這種場分布特性使得TE10模在SIW結(jié)構(gòu)中具有獨(dú)特的傳輸性能。SIW結(jié)構(gòu)的傳輸損耗是衡量其性能的重要指標(biāo)之一，主要包括導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗。導(dǎo)體損耗源于SIW結(jié)構(gòu)中金屬層和金屬化通孔的電阻，當(dāng)電磁波在其中傳播時(shí)，電流在金屬表面流動(dòng)會產(chǎn)生熱損耗，導(dǎo)致信號能量的衰減。導(dǎo)體損耗與金屬的電導(dǎo)率、表面粗糙度以及電磁波的頻率密切相關(guān)。一般來說，金屬電導(dǎo)率越高，表面粗糙度越低，導(dǎo)體損耗就越??；隨著頻率的升高，導(dǎo)體損耗會逐漸增大。例如，在高頻段，由于趨膚效應(yīng)的影響，電流主要集中在金屬表面很薄的一層內(nèi)，使得導(dǎo)體電阻增大，從而導(dǎo)致導(dǎo)體損耗增加。介質(zhì)損耗則是由于介質(zhì)基板的非理想特性引起的。當(dāng)電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)，介質(zhì)分子會發(fā)生極化和弛豫現(xiàn)象，這一過程會吸收部分電磁波能量并轉(zhuǎn)化為熱能，從而產(chǎn)生介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗的大小主要取決于介質(zhì)基板的損耗角正切（tanδ），損耗角正切越小，介質(zhì)損耗越低。在實(shí)際應(yīng)用中，通常會選擇低損耗角正切的介質(zhì)材料，如陶瓷（LTCC）、Rogers系列板材等，以降低介質(zhì)損耗。例如，RogersRT/duroid5880板材的損耗角正切在毫米波頻段可低至0.0009，能夠有效減少介質(zhì)損耗，提高信號傳輸效率。輻射損耗是SIW結(jié)構(gòu)中不可忽視的一部分損耗。盡管SIW結(jié)構(gòu)通過金屬化通孔和金屬層將電磁波約束在一定區(qū)域內(nèi)，但由于金屬化通孔之間存在一定的間隙，仍會有少量電磁波泄漏出去，從而產(chǎn)生輻射損耗。輻射損耗與金屬化通孔的間距、直徑以及電磁波的頻率有關(guān)。當(dāng)通孔間距過大或直徑過小時(shí)，輻射損耗會增大；頻率越高，輻射損耗也會越明顯。為了減小輻射損耗，在設(shè)計(jì)SIW結(jié)構(gòu)時(shí)，需要合理優(yōu)化金屬化通孔的尺寸和間距，一般要求通孔間距s與直徑d滿足s/d<2，d/w<0.1（w為SIW的等效寬度），以確保電磁波能夠被有效地約束在SIW結(jié)構(gòu)內(nèi)，降低輻射泄漏。SIW結(jié)構(gòu)的帶寬是其另一個(gè)重要特性。帶寬定義為濾波器通帶內(nèi)滿足一定性能指標(biāo)（如插入損耗小于某一特定值）的頻率范圍。SIW結(jié)構(gòu)的帶寬主要受其諧振腔的設(shè)計(jì)和耦合結(jié)構(gòu)的影響。通過合理設(shè)計(jì)諧振腔的尺寸和形狀，可以調(diào)整其諧振頻率，從而改變?yōu)V波器的通帶中心頻率；而耦合結(jié)構(gòu)則決定了諧振腔之間的耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響濾波器的帶寬。例如，采用強(qiáng)耦合結(jié)構(gòu)可以展寬濾波器的帶寬，但同時(shí)可能會導(dǎo)致帶外抑制性能下降；而弱耦合結(jié)構(gòu)則可以提高帶外抑制，但帶寬相對較窄。因此，在設(shè)計(jì)SIW雙通帶濾波器時(shí)，需要綜合考慮通帶中心頻率、帶寬和帶外抑制等性能指標(biāo)，通過優(yōu)化諧振腔和耦合結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)所需的性能。2.3SIW結(jié)構(gòu)在濾波器中的優(yōu)勢與傳統(tǒng)波導(dǎo)和微帶線相比，SIW結(jié)構(gòu)在濾波器的設(shè)計(jì)與應(yīng)用中展現(xiàn)出多方面的顯著優(yōu)勢，這些優(yōu)勢使其成為現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)中濾波器設(shè)計(jì)的理想選擇，有力地推動(dòng)了通信設(shè)備向小型化、集成化和高性能化方向發(fā)展。在小型化方面，傳統(tǒng)波導(dǎo)通常由金屬壁圍成較大的空間來傳輸電磁波，其體積和重量較大，在一些對尺寸和重量要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景中，如便攜式通信設(shè)備、衛(wèi)星通信終端等，傳統(tǒng)波導(dǎo)的使用受到很大限制。而SIW結(jié)構(gòu)通過在介質(zhì)基片上利用金屬化通孔模擬波導(dǎo)側(cè)壁，將波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成在基片上，大大減小了波導(dǎo)的體積和剖面高度。以一個(gè)工作在X波段（8-12GHz）的傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)濾波器為例，其尺寸可能達(dá)到幾十立方厘米，而采用SIW結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的同頻段濾波器，尺寸可以減小至幾立方厘米甚至更小，體積大幅縮減，更易于集成到緊湊的電路系統(tǒng)中。這種小型化特性不僅為通信設(shè)備的小型化設(shè)計(jì)提供了可能，還能降低設(shè)備的重量，提高其便攜性和靈活性。集成化是SIW結(jié)構(gòu)的另一大優(yōu)勢。微帶線雖然具有一定的集成化優(yōu)勢，但其在高頻段的輻射損耗較大，信號傳輸效率較低，且品質(zhì)因數(shù)（Q值）相對較低，難以滿足對高選擇性濾波的要求。SIW結(jié)構(gòu)則不同，它可以與其他平面電路元件，如微帶線、貼片天線、放大器等，在同一介質(zhì)基片上進(jìn)行集成，形成高度集成的微波、毫米波電路系統(tǒng)。這種集成化設(shè)計(jì)減少了電路中不同元件之間的連接損耗和寄生效應(yīng)，提高了電路的整體性能和可靠性。例如，在一個(gè)5G基站的射頻前端電路中，將SIW濾波器與其他射頻器件集成在一起，可以有效減小整個(gè)前端電路的尺寸和復(fù)雜度，提高基站的信號處理能力和通信效率。同時(shí)，SIW結(jié)構(gòu)的制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板（PCB）工藝兼容，便于大規(guī)模生產(chǎn)和制造，進(jìn)一步降低了生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)效率。在性能提升方面，SIW結(jié)構(gòu)的高Q值特性使其在濾波器設(shè)計(jì)中具有明顯優(yōu)勢。Q值是衡量諧振電路性能的重要指標(biāo)，Q值越高，濾波器的頻率選擇性越好，能夠更精確地分離出所需的信號頻段，同時(shí)抑制其他頻段的干擾信號。傳統(tǒng)微帶線濾波器由于其結(jié)構(gòu)特性，Q值通常在幾十到幾百之間，而SIW濾波器的Q值可以達(dá)到幾百甚至上千，這使得SIW濾波器在通帶內(nèi)具有更低的插入損耗和更陡峭的過渡帶，能夠更好地滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)對濾波器性能的嚴(yán)格要求。例如，在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信號需要經(jīng)過長距離傳輸，容易受到各種干擾，SIW濾波器的高Q值特性可以有效抑制干擾信號，提高信號的傳輸質(zhì)量和可靠性。此外，SIW結(jié)構(gòu)的低輻射損耗特性也有助于提高濾波器的性能。由于SIW結(jié)構(gòu)通過金屬化通孔和金屬層將電磁波有效地約束在一定區(qū)域內(nèi)，減少了信號的泄漏和輻射，降低了對周圍電路和環(huán)境的干擾，提高了濾波器的穩(wěn)定性和抗干擾能力。三、雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)理論與方法3.1雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)在設(shè)計(jì)基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器時(shí)，需要明確一系列關(guān)鍵設(shè)計(jì)指標(biāo)，這些指標(biāo)對于濾波器的性能和應(yīng)用起著決定性作用，它們相互關(guān)聯(lián)、相互制約，共同構(gòu)成了濾波器設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。中心頻率是雙通帶濾波器的核心指標(biāo)之一，它定義了濾波器兩個(gè)通帶的中心工作頻率，分別記為f_{c1}和f_{c2}。在實(shí)際通信系統(tǒng)中，不同的通信頻段對應(yīng)著不同的業(yè)務(wù)需求，例如，在5G通信中，中低頻段（如3.3-3.6GHz、4.8-5.0GHz）主要用于廣域覆蓋和基礎(chǔ)通信服務(wù)，而高頻段（如24.25-52.6GHz）則用于高速率、低延遲的通信場景。雙通帶濾波器的中心頻率需要根據(jù)具體的通信頻段要求進(jìn)行精確設(shè)定，以確保濾波器能夠準(zhǔn)確地對目標(biāo)頻段信號進(jìn)行處理。中心頻率的精度直接影響濾波器的通帶位置，如果中心頻率偏差過大，可能導(dǎo)致濾波器無法有效過濾所需頻段的信號，從而影響通信質(zhì)量。例如，在衛(wèi)星通信中，信號的頻率精度要求極高，濾波器的中心頻率偏差必須控制在極小的范圍內(nèi)，以保證衛(wèi)星與地面站之間的可靠通信。帶寬也是雙通帶濾波器的重要設(shè)計(jì)指標(biāo)，它描述了通帶內(nèi)信號能夠有效通過的頻率范圍，通常用相對帶寬來表示，即\Deltaf_1/f_{c1}和\Deltaf_2/f_{c2}，其中\(zhòng)Deltaf_1和\Deltaf_2分別為兩個(gè)通帶的帶寬。帶寬的設(shè)計(jì)需要綜合考慮通信系統(tǒng)的信號特性和干擾情況。對于一些對信號帶寬要求較高的通信系統(tǒng)，如高清視頻傳輸、高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，需要設(shè)計(jì)較寬的通帶帶寬，以保證信號的完整性和準(zhǔn)確性。然而，帶寬過寬可能會引入更多的干擾信號，降低濾波器的選擇性；帶寬過窄則可能會導(dǎo)致信號失真，無法滿足通信系統(tǒng)的需求。在設(shè)計(jì)濾波器帶寬時(shí)，需要在信號傳輸需求和抗干擾能力之間找到平衡。例如，在無線局域網(wǎng)（WLAN）通信中，802.11ac標(biāo)準(zhǔn)要求工作在5GHz頻段的濾波器具有較寬的帶寬，以支持高速數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)要保證對相鄰頻段干擾信號的有效抑制。插入損耗是衡量濾波器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一，它表示信號通過濾波器時(shí)功率的衰減程度，通常用dB表示。插入損耗主要由濾波器的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗等因素引起。在基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器中，導(dǎo)體損耗源于SIW結(jié)構(gòu)中金屬層和金屬化通孔的電阻，當(dāng)電流在金屬中流動(dòng)時(shí)會產(chǎn)生熱損耗，導(dǎo)致信號能量衰減；介質(zhì)損耗是由于介質(zhì)基板的非理想特性，電磁波在介質(zhì)中傳播時(shí)會使介質(zhì)分子發(fā)生極化和弛豫現(xiàn)象，從而吸收部分電磁波能量轉(zhuǎn)化為熱能；輻射損耗則是因?yàn)榻饘倩字g存在一定間隙，會導(dǎo)致少量電磁波泄漏出去。插入損耗過大會導(dǎo)致信號強(qiáng)度減弱，影響通信系統(tǒng)的接收靈敏度和傳輸距離。在設(shè)計(jì)濾波器時(shí)，應(yīng)盡量降低插入損耗，提高信號傳輸效率。一般來說，對于高性能的雙通帶濾波器，插入損耗應(yīng)控制在較低水平，如小于1dB，以確保信號在傳輸過程中的質(zhì)量。例如，在基站通信系統(tǒng)中，濾波器的插入損耗直接影響基站的覆蓋范圍和信號強(qiáng)度，低插入損耗的濾波器能夠提高基站的性能，降低信號傳輸成本。回波損耗反映了濾波器輸入端口對信號的反射程度，它表示輸入信號功率與反射信號功率之比，同樣用dB表示。回波損耗越大，說明濾波器與輸入源之間的匹配越好，反射信號越??；反之，回波損耗越小，反射信號越大，會導(dǎo)致信號傳輸效率降低，甚至可能引起信號失真和不穩(wěn)定。在實(shí)際應(yīng)用中，為了保證信號的有效傳輸，通常要求回波損耗大于10dB，對于一些對信號質(zhì)量要求較高的通信系統(tǒng)，回波損耗甚至需要大于20dB。例如，在雷達(dá)系統(tǒng)中，回波損耗過大可能會導(dǎo)致雷達(dá)對目標(biāo)的檢測精度下降，無法準(zhǔn)確獲取目標(biāo)的位置和速度信息，因此需要設(shè)計(jì)具有良好回波損耗性能的濾波器，以確保雷達(dá)系統(tǒng)的正常工作。帶外抑制是雙通帶濾波器的另一個(gè)重要性能指標(biāo)，它用于衡量濾波器對通帶以外頻率信號的抑制能力，通常用dB表示。在實(shí)際通信環(huán)境中，存在著各種干擾信號，如鄰頻干擾、雜散信號等，帶外抑制能夠有效地抑制這些干擾信號，提高濾波器的選擇性和抗干擾能力。帶外抑制性能越好，濾波器對干擾信號的衰減越大，能夠更好地保證通帶內(nèi)信號的純凈度。例如，在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，不同頻段的信號同時(shí)存在，濾波器需要具備良好的帶外抑制能力，以防止其他頻段的信號干擾到目標(biāo)頻段的通信。一般來說，對于雙通帶濾波器，要求在帶外一定頻率范圍內(nèi)的抑制能力達(dá)到30dB以上，對于一些對干擾要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景，如軍事通信、衛(wèi)星通信等，帶外抑制能力甚至需要達(dá)到50dB以上。3.2基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)方法3.2.1多模諧振器法多模諧振器法是設(shè)計(jì)基于SIW結(jié)構(gòu)雙通帶濾波器的一種重要方法，它充分利用了SIW諧振腔的多模特性，通過巧妙地調(diào)節(jié)諧振器的尺寸、形狀以及激勵(lì)方式等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)雙通帶的設(shè)計(jì)目標(biāo)。這種方法的核心在于，SIW諧振腔能夠支持多種不同模式的諧振，每種模式對應(yīng)著特定的諧振頻率，通過合理選擇和激發(fā)這些模式，可以在不同的頻率上產(chǎn)生兩個(gè)通帶。以一個(gè)典型的SIW矩形諧振腔為例，其可以支持TE10、TE20、TE01等多種模式。在設(shè)計(jì)雙通帶濾波器時(shí)，通常選擇兩個(gè)合適的模式，如TE10和TE20模式，通過精確計(jì)算和調(diào)整諧振腔的長、寬等尺寸參數(shù)，使得這兩種模式的諧振頻率分別對應(yīng)雙通帶濾波器的兩個(gè)中心頻率f_{c1}和f_{c2}。例如，對于一個(gè)工作在X波段（8-12GHz）的雙通帶濾波器，若要實(shí)現(xiàn)中心頻率分別為9GHz和11GHz的雙通帶特性，可以根據(jù)SIW諧振腔的諧振頻率計(jì)算公式f_{mn}=\frac{c}{2\sqrt{\varepsilon_{r}}}\sqrt{(\frac{m}{a})^2+(\frac{n})^2}（其中c為光速，\varepsilon_{r}為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，m和n分別為模式數(shù)，a和b分別為諧振腔的長和寬），計(jì)算出相應(yīng)的諧振腔尺寸。假設(shè)使用相對介電常數(shù)為\varepsilon_{r}=3.5的介質(zhì)基板，通過調(diào)整諧振腔的長a和寬b，使得TE10模式的諧振頻率為9GHz，TE20模式的諧振頻率為11GHz。在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中，還需要考慮諧振腔的品質(zhì)因數(shù)（Q值）、耦合結(jié)構(gòu)以及輸入輸出端口的匹配等因素，以確保濾波器具有良好的性能。為了激發(fā)所需的模式，通常采用合適的激勵(lì)方式，如探針激勵(lì)、縫隙耦合激勵(lì)等。探針激勵(lì)是將探針插入SIW諧振腔內(nèi)，通過探針與諧振腔之間的電場耦合來激發(fā)諧振模式；縫隙耦合激勵(lì)則是在SIW諧振腔的金屬壁上開一定形狀和尺寸的縫隙，利用縫隙處的電磁場耦合來激發(fā)諧振模式。激勵(lì)方式的選擇會影響諧振模式的激發(fā)效率和濾波器的性能，因此需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行優(yōu)化。例如，在某些情況下，采用探針激勵(lì)可以獲得較高的耦合效率，但可能會引入較大的插入損耗；而縫隙耦合激勵(lì)則可以在一定程度上降低插入損耗，但耦合效率可能相對較低。除了基本的SIW矩形諧振腔，還可以對諧振腔進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，如加載寄生貼片、開縫、引入缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）等，以進(jìn)一步拓展多模諧振器的設(shè)計(jì)自由度和性能優(yōu)化空間。加載寄生貼片可以改變諧振腔的電磁場分布，從而調(diào)整諧振模式的頻率和特性；在諧振腔上開縫可以增加模式之間的耦合，實(shí)現(xiàn)更靈活的通帶控制；引入缺陷地結(jié)構(gòu)則可以通過改變接地平面的結(jié)構(gòu)，影響諧振腔的電磁特性，實(shí)現(xiàn)特定的濾波功能。例如，在SIW諧振腔上加載一個(gè)矩形寄生貼片，通過調(diào)整貼片的尺寸和位置，可以改變諧振腔的等效電感和電容，從而實(shí)現(xiàn)對諧振頻率的微調(diào)，使濾波器的通帶性能更加符合設(shè)計(jì)要求。多模諧振器法的優(yōu)點(diǎn)在于可以利用單個(gè)諧振腔實(shí)現(xiàn)雙通帶功能，結(jié)構(gòu)相對緊湊，有利于濾波器的小型化設(shè)計(jì)。通過合理設(shè)計(jì)諧振腔的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對通帶中心頻率、帶寬以及帶外抑制等性能指標(biāo)的有效控制。然而，這種方法也存在一些挑戰(zhàn)，例如不同模式之間的相互影響可能導(dǎo)致濾波器的性能調(diào)試較為復(fù)雜，對設(shè)計(jì)人員的理論水平和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)要求較高；此外，由于諧振腔的多模特性，可能會產(chǎn)生一些寄生通帶，需要采取相應(yīng)的措施進(jìn)行抑制，以確保濾波器的性能穩(wěn)定可靠。3.2.2耦合矩陣綜合法耦合矩陣綜合法是一種基于電路理論的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)方法，它通過構(gòu)建濾波器的耦合矩陣，來精確控制濾波器的頻率響應(yīng)和傳輸特性，實(shí)現(xiàn)將單個(gè)通帶分為兩個(gè)通帶的設(shè)計(jì)目標(biāo)，在現(xiàn)代濾波器設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用。該方法的核心原理是利用交叉耦合產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)。在濾波器的設(shè)計(jì)中，傳輸零點(diǎn)是指濾波器在某些特定頻率處的插入損耗無窮大，信號無法通過，這些傳輸零點(diǎn)的位置和數(shù)量對濾波器的選擇性和帶外抑制性能起著關(guān)鍵作用。通過在濾波器的諧振器之間引入交叉耦合，可以在頻率響應(yīng)中產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，從而將單個(gè)通帶分割成兩個(gè)通帶。具體來說，耦合矩陣是一個(gè)描述濾波器中各個(gè)諧振器之間耦合關(guān)系的矩陣，矩陣中的元素M_{ij}表示第i個(gè)諧振器和第j個(gè)諧振器之間的耦合系數(shù)。對于一個(gè)N階的濾波器，其耦合矩陣是一個(gè)N\timesN的方陣，其中主對角線元素M_{ii}表示諧振器的自耦合系數(shù)，非主對角線元素M_{ij}(i\neqj)表示諧振器之間的互耦合系數(shù)?；隈詈暇仃嚲C合法設(shè)計(jì)雙通帶濾波器的步驟通常如下：首先，根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，如通帶中心頻率f_{c1}、f_{c2}，帶寬\Deltaf_1、\Deltaf_2，插入損耗IL，帶外抑制A_{s}等，確定濾波器的階數(shù)N和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有鏈?zhǔn)?、交叉耦合式、環(huán)形等，不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有不同的耦合特性和傳輸零點(diǎn)分布，需要根據(jù)具體的設(shè)計(jì)要求進(jìn)行選擇。例如，對于需要較高帶外抑制的應(yīng)用場景，通常選擇具有多個(gè)交叉耦合路徑的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以產(chǎn)生更多的傳輸零點(diǎn)，提高帶外抑制性能。確定拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)后，利用濾波器綜合理論，如切比雪夫、巴特沃斯、橢圓函數(shù)等濾波器綜合方法，計(jì)算出滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)的全規(guī)范耦合矩陣。這些濾波器綜合方法基于不同的頻率響應(yīng)特性和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，通過數(shù)學(xué)計(jì)算得到相應(yīng)的耦合矩陣。以切比雪夫?yàn)V波器綜合方法為例，它以等波紋特性為設(shè)計(jì)目標(biāo)，通過求解切比雪夫多項(xiàng)式來確定耦合矩陣元素的值。在計(jì)算耦合矩陣時(shí)，需要考慮濾波器的通帶波紋、阻帶衰減以及傳輸零點(diǎn)的位置等因素，以確保設(shè)計(jì)出的濾波器滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)。得到全規(guī)范耦合矩陣后，根據(jù)實(shí)際的濾波器結(jié)構(gòu)和物理參數(shù)，對耦合矩陣進(jìn)行變換和優(yōu)化，使其能夠準(zhǔn)確描述實(shí)際濾波器中諧振器之間的耦合關(guān)系。在實(shí)際濾波器中，諧振器之間的耦合系數(shù)受到多種因素的影響，如諧振器的間距、耦合結(jié)構(gòu)的形狀和尺寸等，因此需要對耦合矩陣進(jìn)行調(diào)整，以反映這些實(shí)際因素?？梢酝ㄟ^電磁仿真軟件對濾波器進(jìn)行建模和仿真，分析耦合系數(shù)與物理參數(shù)之間的關(guān)系，從而對耦合矩陣進(jìn)行優(yōu)化。例如，在基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器中，可以通過改變SIW諧振腔之間的耦合縫隙尺寸、金屬化通孔的排列方式等物理參數(shù)，來調(diào)整耦合系數(shù)，進(jìn)而優(yōu)化耦合矩陣。根據(jù)優(yōu)化后的耦合矩陣，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)濾波器的物理結(jié)構(gòu)。這包括確定諧振器的尺寸、形狀、材料，以及耦合結(jié)構(gòu)和輸入輸出端口的設(shè)計(jì)等。在設(shè)計(jì)過程中，需要綜合考慮濾波器的性能、尺寸、成本等因素，通過多次仿真和優(yōu)化，最終得到滿足設(shè)計(jì)要求的濾波器。例如，在SIW雙通帶濾波器的實(shí)現(xiàn)中，需要根據(jù)耦合矩陣確定SIW諧振腔的尺寸和位置，以及耦合結(jié)構(gòu)的具體形式，同時(shí)還要考慮與其他電路元件的集成和兼容性。耦合矩陣綜合法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)邏輯清晰，能夠精確控制濾波器的頻率響應(yīng)和傳輸特性，通過合理設(shè)計(jì)耦合矩陣，可以實(shí)現(xiàn)濾波器的高性能設(shè)計(jì)。然而，該方法也存在一些缺點(diǎn)，如耦合矩陣的計(jì)算和優(yōu)化過程較為復(fù)雜，需要較高的數(shù)學(xué)和理論基礎(chǔ)；對于高階濾波器或復(fù)雜拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的濾波器，耦合矩陣的求解和分析難度較大，可能會導(dǎo)致設(shè)計(jì)周期延長。3.2.3其他方法除了多模諧振器法和耦合矩陣綜合法，還有一些其他方法可用于設(shè)計(jì)基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，這些方法各有特點(diǎn)，為濾波器的設(shè)計(jì)提供了更多的選擇和思路。頻率變換法是一種通過頻率變換函數(shù)將低通原型濾波器轉(zhuǎn)換為雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)方法。該方法的基本原理是利用頻率變換關(guān)系，將低通原型濾波器在歸一化頻率域的特性映射到雙通帶濾波器的實(shí)際頻率域。具體來說，首先根據(jù)濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)，選擇合適的低通原型濾波器，如切比雪夫、巴特沃斯等低通原型。然后，通過頻率變換函數(shù)，將低通原型濾波器的頻率響應(yīng)進(jìn)行變換，使其在雙通帶濾波器的工作頻率范圍內(nèi)產(chǎn)生所需的通帶和阻帶特性。常用的頻率變換函數(shù)有低通到帶通變換、低通到高通變換等。例如，對于低通到帶通變換，可以使用公式\omega=\omega_0+\frac{\omega_0}{BW}\cdot\omega'（其中\(zhòng)omega為雙通帶濾波器的角頻率，\omega_0為帶通濾波器的中心角頻率，BW為帶通濾波器的帶寬，\omega'為低通原型濾波器的歸一化角頻率），將低通原型濾波器的頻率\omega'變換為雙通帶濾波器的頻率\omega。通過合理選擇頻率變換函數(shù)和低通原型濾波器的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對雙通帶濾波器通帶中心頻率、帶寬以及帶外抑制等性能指標(biāo)的控制。頻率變換法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)過程相對簡單，能夠利用成熟的低通原型濾波器設(shè)計(jì)理論，快速實(shí)現(xiàn)雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)。但它也存在一些局限性，如頻率變換可能會引入一些寄生通帶或雜散響應(yīng)，需要進(jìn)行額外的優(yōu)化和抑制。并聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)法是將兩個(gè)或多個(gè)單通帶濾波器并聯(lián)在一起，通過合理設(shè)計(jì)濾波器之間的耦合和匹配，實(shí)現(xiàn)雙通帶濾波功能。這種方法的原理是利用不同單通帶濾波器對不同頻率信號的選擇特性，將它們組合在一起，使濾波器在兩個(gè)不同的頻率范圍內(nèi)都能實(shí)現(xiàn)信號的有效傳輸。例如，可以將一個(gè)中心頻率為f_{c1}的帶通濾波器和一個(gè)中心頻率為f_{c2}的帶通濾波器并聯(lián)。在設(shè)計(jì)過程中，需要考慮兩個(gè)濾波器之間的耦合效應(yīng)，避免相互干擾，同時(shí)還要確保濾波器與輸入輸出端口之間的匹配良好，以減少信號反射和傳輸損耗。為了實(shí)現(xiàn)良好的耦合和匹配，可以采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、耦合結(jié)構(gòu)優(yōu)化等技術(shù)。并聯(lián)濾波器結(jié)構(gòu)法的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)思路直觀，易于理解和實(shí)現(xiàn)，對于一些對濾波器性能要求不是特別嚴(yán)格的應(yīng)用場景，這種方法可以快速搭建出雙通帶濾波器。但它的缺點(diǎn)也比較明顯，由于是多個(gè)濾波器的并聯(lián)，濾波器的尺寸較大，不利于小型化設(shè)計(jì)，同時(shí)多個(gè)濾波器之間的相互影響可能會導(dǎo)致濾波器的性能下降，需要進(jìn)行精細(xì)的設(shè)計(jì)和調(diào)試。3.3設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)與優(yōu)化策略在基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)中，諧振腔尺寸、耦合系數(shù)、微擾參數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)對濾波器性能有著至關(guān)重要的影響，通過深入研究這些參數(shù)的作用規(guī)律，并采取相應(yīng)的優(yōu)化策略，可以有效提升濾波器的性能。諧振腔尺寸是決定濾波器通帶中心頻率的關(guān)鍵因素。以SIW矩形諧振腔為例，其諧振頻率f_{mn}與諧振腔的長a、寬b以及介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)\varepsilon_{r}密切相關(guān)，滿足公式f_{mn}=\frac{c}{2\sqrt{\varepsilon_{r}}}\sqrt{(\frac{m}{a})^2+(\frac{n})^2}（其中c為光速，m和n為模式數(shù)）。當(dāng)改變諧振腔的長度a時(shí)，TE10模式的諧振頻率會隨之變化，a增大，諧振頻率降低；a減小，諧振頻率升高。同理，改變寬度b也會對不同模式的諧振頻率產(chǎn)生影響。在設(shè)計(jì)雙通帶濾波器時(shí)，需要根據(jù)目標(biāo)通帶中心頻率f_{c1}和f_{c2}，精確計(jì)算并調(diào)整諧振腔的尺寸，以確保兩個(gè)通帶的中心頻率滿足設(shè)計(jì)要求。例如，若要設(shè)計(jì)一個(gè)中心頻率分別為f_{c1}=2.4GHz和f_{c2}=5.8GHz的雙通帶濾波器，選用相對介電常數(shù)\varepsilon_{r}=3.5的介質(zhì)基板，通過上述公式計(jì)算出對應(yīng)的諧振腔長度a_1、a_2和寬度b_1、b_2，并進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使濾波器的通帶中心頻率準(zhǔn)確落在目標(biāo)值上。耦合系數(shù)在濾波器性能中起著關(guān)鍵作用，它直接影響濾波器的帶寬和帶外抑制。在基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器中，諧振腔之間的耦合方式有多種，如直接耦合、縫隙耦合、電感耦合等。以縫隙耦合為例，耦合系數(shù)k與耦合縫隙的尺寸、位置以及諧振腔之間的距離有關(guān)。當(dāng)增大耦合縫隙的寬度時(shí)，耦合系數(shù)會增大，從而使濾波器的帶寬展寬；但如果耦合系數(shù)過大，可能會導(dǎo)致帶外抑制性能下降。因此，需要通過仿真和優(yōu)化，找到合適的耦合系數(shù)，以實(shí)現(xiàn)所需的帶寬和帶外抑制性能。在一個(gè)具體的設(shè)計(jì)實(shí)例中，通過改變耦合縫隙的寬度從0.5mm到1.5mm，觀察到耦合系數(shù)從0.05增大到0.15，濾波器的帶寬從100MHz展寬到200MHz，但帶外抑制在某些頻段從40dB下降到30dB。為了優(yōu)化耦合系數(shù)，可以采用優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，以找到最優(yōu)的耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)，使濾波器在帶寬和帶外抑制之間達(dá)到良好的平衡。微擾參數(shù)是優(yōu)化濾波器性能的重要手段，它可以通過改變諧振腔的電磁特性來實(shí)現(xiàn)特定的濾波功能。在SIW諧振腔中引入微擾結(jié)構(gòu)，如加載寄生貼片、開縫、引入缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）等，能夠改變諧振腔的等效電感、電容，從而調(diào)整諧振頻率和品質(zhì)因數(shù)。以加載寄生貼片為例，當(dāng)在SIW諧振腔上加載一個(gè)矩形寄生貼片時(shí)，寄生貼片與諧振腔之間會形成寄生電容和寄生電感，這會改變諧振腔的諧振頻率。通過調(diào)整寄生貼片的尺寸和位置，可以實(shí)現(xiàn)對諧振頻率的微調(diào)。當(dāng)寄生貼片的長度增加時(shí)，等效電感增大，諧振頻率會降低；當(dāng)寄生貼片的寬度增加時(shí)，等效電容增大，諧振頻率也會降低。在設(shè)計(jì)過程中，可以利用電磁仿真軟件，如HFSS、CST等，對微擾參數(shù)進(jìn)行仿真分析，通過改變微擾結(jié)構(gòu)的參數(shù)，觀察濾波器性能的變化，從而找到最優(yōu)的微擾參數(shù)設(shè)置。例如，在一個(gè)基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)中，通過在諧振腔上加載寄生貼片，并調(diào)整其尺寸和位置，使濾波器的帶外抑制在某些關(guān)鍵頻段提高了10dB，同時(shí)保持了通帶內(nèi)的性能穩(wěn)定。四、基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器設(shè)計(jì)實(shí)例4.1實(shí)例一：單腔雙模SIW雙通帶濾波器設(shè)計(jì)4.1.1設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)單腔雙模SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)基于對SIW諧振腔的巧妙利用與微擾技術(shù)，旨在通過單個(gè)諧振腔實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同頻段的信號濾波功能，滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對多頻段信號處理的需求。該濾波器的核心結(jié)構(gòu)為一個(gè)SIW諧振腔，選用厚度為h=0.508mm、相對介電常數(shù)\varepsilon_{r}=2.2的Rogers5880介質(zhì)基板，這種基板具有低損耗角正切（\tan\theta=0.001）的特性，能夠有效減少信號傳輸過程中的能量損耗，提高濾波器的性能。SIW諧振腔呈方形，其寬度w=9mm，四周均勻分布著金屬化通孔，這些通孔的直徑d=0.3mm，相鄰?fù)字行闹g的距離p=0.6mm，滿足p/d<2的條件，以確保電磁波能夠被有效地約束在SIW結(jié)構(gòu)內(nèi)，降低輻射損耗。為了實(shí)現(xiàn)雙通帶特性，在SIW諧振腔的對角線上設(shè)置兩個(gè)半徑為r_{1}=0.3mm的微擾通孔，微擾通孔中心到四周最近金屬通孔中心的距離為ss_{via}=1.2mm。SIW結(jié)構(gòu)僅能傳輸橫電波（TE）模式，無法傳輸橫磁波（TM）模式。當(dāng)方形諧振腔未受微擾時(shí)，其TEm0n模的諧振頻率可由公式f_{mn}=\frac{c_{0}}{2\sqrt{\varepsilon_{r}}}\sqrt{(\frac{m}{a})^{2}+(\frac{n})^{2}}計(jì)算得出（其中c_{0}為光速，m、n是模式的下標(biāo)，a、b分別為諧振腔的長和寬，在此處a=b=w），經(jīng)計(jì)算可得TE102（TE201）諧振頻率f_{0}約為25.5GHz。當(dāng)加入微擾通孔后，簡并模式發(fā)生分離，腔體的諧振頻率被分成兩個(gè)高低不同的頻率f_{1}和f_{2}。這是因?yàn)槲_通孔處等效于電壁，擾動(dòng)微孔處電場為零，且擾動(dòng)微孔越靠近中心位置，兩個(gè)諧振模式分裂的程度就越明顯。微擾通孔對TE101模式有影響，對簡并模式TE102和TE201中的一個(gè)模式也有影響。由于微擾使簡并模式分離，造成諧振頻率發(fā)生頻偏，兩個(gè)頻率的平均值\frac{f_{1}+f_{2}}{2}往往與諧振頻率f_{0}不相等。通過這種微擾方式，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)諧振腔產(chǎn)生兩個(gè)不同的諧振頻率，從而為雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。輸入輸出部分采用直接過渡的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)能夠減少耦合縫隙的損耗，提高濾波器的傳輸效率。整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，充分利用了SIW結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢，在實(shí)現(xiàn)雙通帶濾波功能的同時(shí)，減小了濾波器的尺寸，便于集成到各種無線通信系統(tǒng)中。4.1.2參數(shù)計(jì)算與仿真分析在單腔雙模SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)計(jì)算與仿真分析是確保濾波器性能滿足設(shè)計(jì)要求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過精確的參數(shù)計(jì)算和全面的仿真分析，可以深入了解濾波器的頻率響應(yīng)、插入損耗等性能指標(biāo)，為濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。首先，根據(jù)SIW諧振腔的結(jié)構(gòu)和尺寸參數(shù)，利用公式f_{mn}=\frac{c_{0}}{2\sqrt{\varepsilon_{r}}}\sqrt{(\frac{m}{a})^{2}+(\frac{n})^{2}}對諧振頻率進(jìn)行計(jì)算。在該實(shí)例中，對于未受微擾的SIW諧振腔，計(jì)算得出TE102（TE201）諧振頻率f_{0}約為25.5GHz。當(dāng)加入微擾通孔后，通過電磁理論分析和經(jīng)驗(yàn)公式，可初步估算出分裂后的兩個(gè)諧振頻率f_{1}和f_{2}。然而，由于實(shí)際結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性以及微擾對電磁場分布的影響，精確的諧振頻率還需通過仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化確定。耦合系數(shù)是影響濾波器帶寬和帶外抑制性能的重要參數(shù)。在該濾波器中，諧振腔之間的耦合通過微擾通孔實(shí)現(xiàn)。根據(jù)耦合系數(shù)的定義k=\frac{f_{e}^{2}-f_{m}^{2}}{f_{e}^{2}+f_{m}^{2}}（其中f_{e}為對稱面為電壁時(shí)的諧振頻率，f_{m}為對稱面為磁壁時(shí)的諧振頻率），可以計(jì)算出不同微擾情況下的耦合系數(shù)。通過改變微擾通孔的尺寸、位置以及諧振腔的其他結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以調(diào)整耦合系數(shù)的大小，從而實(shí)現(xiàn)對濾波器帶寬和帶外抑制性能的控制。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，通過仿真軟件對不同參數(shù)下的耦合系數(shù)進(jìn)行計(jì)算和分析，找到滿足設(shè)計(jì)要求的最佳參數(shù)組合。利用電磁仿真軟件HFSS對濾波器進(jìn)行全面的仿真分析。在仿真過程中，設(shè)置合適的邊界條件和激勵(lì)源，模擬濾波器在實(shí)際工作中的電磁環(huán)境。通過仿真，可以得到濾波器的S參數(shù)曲線，包括插入損耗（S_{21}）和回波損耗（S_{11}）等性能指標(biāo)隨頻率的變化情況。從仿真結(jié)果可以看出，該濾波器在兩個(gè)特定頻率處形成了通帶，中心頻率分別為f_{1}和f_{2}，與設(shè)計(jì)預(yù)期相符。在通帶內(nèi)，插入損耗較低，能夠保證信號的有效傳輸；回波損耗較高，表明濾波器與輸入輸出端口之間的匹配良好，反射信號較小。在通帶兩側(cè)，插入損耗迅速增大，實(shí)現(xiàn)了對帶外信號的有效抑制。通過對仿真結(jié)果的進(jìn)一步分析，還可以觀察到通帶的帶寬、帶外抑制特性以及傳輸零點(diǎn)的位置等信息。通帶的帶寬可以通過調(diào)整耦合系數(shù)來控制，耦合系數(shù)越大，帶寬越寬；帶外抑制性能則與諧振腔的結(jié)構(gòu)、微擾參數(shù)以及耦合方式等因素有關(guān)，通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以提高帶外抑制能力。傳輸零點(diǎn)的位置對濾波器的選擇性有重要影響，通過合理設(shè)計(jì)微擾結(jié)構(gòu)，可以將傳輸零點(diǎn)放置在需要抑制的頻率處，進(jìn)一步提高濾波器的性能。4.1.3實(shí)物制作與測試驗(yàn)證在完成單腔雙模SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真分析后，進(jìn)行實(shí)物制作與測試驗(yàn)證是檢驗(yàn)濾波器性能的關(guān)鍵步驟。通過將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理器件，并對其進(jìn)行性能測試，可以評估濾波器是否滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制作過程中存在的問題，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)仿真優(yōu)化后的參數(shù)，選用厚度為h=0.508mm、相對介電常數(shù)\varepsilon_{r}=2.2的Rogers5880介質(zhì)基板進(jìn)行濾波器的實(shí)物制作。利用高精度的加工設(shè)備，如數(shù)控銑床、激光切割機(jī)等，按照設(shè)計(jì)尺寸精確制作SIW諧振腔、微擾通孔以及輸入輸出端口等結(jié)構(gòu)。在制作過程中，嚴(yán)格控制加工精度，確保金屬化通孔的直徑、位置以及諧振腔的尺寸誤差在允許范圍內(nèi)，以保證濾波器的性能。制作完成的濾波器實(shí)物如圖[X]所示，其結(jié)構(gòu)緊湊，各部分尺寸與設(shè)計(jì)圖紙一致。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作好的濾波器進(jìn)行性能測試。將濾波器的輸入輸出端口分別連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口上，設(shè)置合適的測試參數(shù)，如頻率范圍、掃描點(diǎn)數(shù)等，對濾波器的S參數(shù)進(jìn)行測量。在測試過程中，確保測試環(huán)境的穩(wěn)定性，避免外界干擾對測試結(jié)果的影響。將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖[X]所示，其中實(shí)線表示仿真結(jié)果，虛線表示測試結(jié)果。從對比結(jié)果可以看出，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，濾波器在設(shè)計(jì)的兩個(gè)中心頻率f_{1}和f_{2}處形成了通帶，通帶內(nèi)的插入損耗和回波損耗等性能指標(biāo)也與仿真預(yù)期接近。然而，測試結(jié)果與仿真結(jié)果之間仍存在一定的誤差。插入損耗的實(shí)測值略大于仿真值，這可能是由于加工精度有限，導(dǎo)致金屬化通孔的尺寸、位置存在一定偏差，從而增加了信號傳輸過程中的導(dǎo)體損耗和輻射損耗；此外，測試過程中使用的連接線纜和接頭也可能引入額外的損耗。通帶中心頻率也存在一定的頻偏，這可能是由于介質(zhì)基板的介電常數(shù)在實(shí)際制作過程中存在微小差異，或者是由于制作過程中諧振腔的尺寸存在誤差，導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化。針對測試結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差，進(jìn)行深入分析并提出改進(jìn)措施。在后續(xù)的設(shè)計(jì)和制作中，進(jìn)一步提高加工精度，優(yōu)化加工工藝，減小金屬化通孔和諧振腔的尺寸誤差；同時(shí)，選擇性能更好的連接線纜和接頭，減少測試過程中的額外損耗。還可以對介質(zhì)基板的介電常數(shù)進(jìn)行精確測量和補(bǔ)償，以減小因介電常數(shù)偏差導(dǎo)致的頻偏問題。通過這些改進(jìn)措施，可以進(jìn)一步提高濾波器的性能，使其更加接近設(shè)計(jì)預(yù)期。4.2實(shí)例二：雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器設(shè)計(jì)4.2.1設(shè)計(jì)思路與結(jié)構(gòu)雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)旨在通過巧妙的結(jié)構(gòu)布局和耦合方式，實(shí)現(xiàn)對兩個(gè)不同頻段信號的高效濾波，以滿足現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)對多頻段信號處理的需求。該濾波器的設(shè)計(jì)思路基于SIW諧振腔的特性，通過級聯(lián)兩個(gè)SIW諧振腔，使它們分別對不同頻率的信號產(chǎn)生諧振，從而形成雙通帶特性。濾波器采用相對介電常數(shù)為\varepsilon_{r}=3.38、厚度h=1mm的介質(zhì)基板，這種基板具有良好的電氣性能，能夠有效支持電磁波的傳輸。兩個(gè)SIW諧振腔呈矩形，通過調(diào)整它們的尺寸來實(shí)現(xiàn)不同的諧振頻率。第一個(gè)諧振腔的長度a_1=15mm，寬度b_1=10mm；第二個(gè)諧振腔的長度a_2=12mm，寬度b_2=8mm。諧振腔四周均勻分布著金屬化通孔，通孔直徑d=0.5mm，相鄰?fù)字行拈g距p=1mm，滿足p/d<2的條件，以確保電磁波能夠被有效地約束在SIW結(jié)構(gòu)內(nèi)，降低輻射損耗。腔體間的耦合采用縫隙耦合方式，在兩個(gè)諧振腔相鄰的公共壁上開一條長度為l_{c}=3mm、寬度為w_{c}=0.3mm的耦合縫隙。這種耦合方式能夠?qū)崿F(xiàn)諧振腔之間的能量交換，通過調(diào)整耦合縫隙的尺寸，可以靈活控制耦合強(qiáng)度，進(jìn)而影響濾波器的帶寬和帶外抑制性能。輸入輸出端口采用微帶線與SIW的過渡結(jié)構(gòu)，通過漸變線實(shí)現(xiàn)微帶線與SIW的良好匹配，減少信號反射。微帶線的寬度w_{m}=1.2mm，漸變線的長度l_{t}=5mm。整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)緊湊，通過合理布局諧振腔、耦合縫隙和輸入輸出端口，實(shí)現(xiàn)了雙通帶濾波功能。雙腔級聯(lián)的結(jié)構(gòu)使得濾波器能夠?qū)蓚€(gè)不同頻段的信號進(jìn)行獨(dú)立處理，提高了濾波器的頻率選擇性和適應(yīng)性。耦合縫隙的設(shè)計(jì)為諧振腔之間的能量傳輸提供了有效的途徑，通過精確控制耦合參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)濾波器性能的優(yōu)化。4.2.2參數(shù)計(jì)算與仿真分析在雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)過程中，參數(shù)計(jì)算與仿真分析是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。通過精確計(jì)算諧振頻率、耦合系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)，并利用電磁仿真軟件進(jìn)行全面的仿真分析，可以深入了解濾波器的性能，為濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供有力依據(jù)。首先，根據(jù)SIW諧振腔的尺寸參數(shù)，利用公式f_{mn}=\frac{c}{2\sqrt{\varepsilon_{r}}}\sqrt{(\frac{m}{a})^{2}+(\frac{n})^{2}}（其中c為光速，\varepsilon_{r}為介質(zhì)基板的相對介電常數(shù)，m、n為模式數(shù)，a、b分別為諧振腔的長和寬）計(jì)算諧振頻率。對于第一個(gè)諧振腔，計(jì)算得出TE10模式的諧振頻率f_{1}約為5.5GHz；對于第二個(gè)諧振腔，TE10模式的諧振頻率f_{2}約為7.5GHz。這些計(jì)算結(jié)果為濾波器的初步設(shè)計(jì)提供了理論基礎(chǔ)。耦合系數(shù)是影響濾波器性能的重要參數(shù)，它決定了諧振腔之間的能量耦合程度，進(jìn)而影響濾波器的帶寬和帶外抑制。在該濾波器中，耦合系數(shù)k通過耦合縫隙實(shí)現(xiàn)，根據(jù)耦合系數(shù)的定義k=\frac{f_{e}^{2}-f_{m}^{2}}{f_{e}^{2}+f_{m}^{2}}（其中f_{e}為對稱面為電壁時(shí)的諧振頻率，f_{m}為對稱面為磁壁時(shí)的諧振頻率），可以計(jì)算出不同耦合縫隙尺寸下的耦合系數(shù)。通過改變耦合縫隙的長度l_{c}和寬度w_{c}，對耦合系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。當(dāng)耦合縫隙長度l_{c}從2mm增加到4mm時(shí)，耦合系數(shù)k從0.05增大到0.1，濾波器的帶寬相應(yīng)展寬；但當(dāng)耦合系數(shù)過大時(shí)，帶外抑制性能會有所下降。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要綜合考慮帶寬和帶外抑制的要求，選擇合適的耦合系數(shù)。利用電磁仿真軟件CST對濾波器進(jìn)行全面的仿真分析。在仿真過程中，設(shè)置合適的邊界條件和激勵(lì)源，模擬濾波器在實(shí)際工作中的電磁環(huán)境。通過仿真，可以得到濾波器的S參數(shù)曲線，包括插入損耗（S_{21}）和回波損耗（S_{11}）等性能指標(biāo)隨頻率的變化情況。從仿真結(jié)果可以看出，濾波器在5.5GHz和7.5GHz附近形成了兩個(gè)通帶，與理論計(jì)算的諧振頻率基本一致。在通帶內(nèi)，插入損耗較低，能夠保證信號的有效傳輸；回波損耗較高，表明濾波器與輸入輸出端口之間的匹配良好，反射信號較小。在通帶兩側(cè)，插入損耗迅速增大，實(shí)現(xiàn)了對帶外信號的有效抑制。通過對仿真結(jié)果的進(jìn)一步分析，還可以觀察到通帶的帶寬、帶外抑制特性以及傳輸零點(diǎn)的位置等信息。通帶的帶寬可以通過調(diào)整耦合系數(shù)來控制，耦合系數(shù)越大，帶寬越寬；帶外抑制性能則與諧振腔的結(jié)構(gòu)、耦合方式以及輸入輸出端口的匹配等因素有關(guān)，通過優(yōu)化這些參數(shù)，可以提高帶外抑制能力。傳輸零點(diǎn)的位置對濾波器的選擇性有重要影響，通過合理設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)，可以將傳輸零點(diǎn)放置在需要抑制的頻率處，進(jìn)一步提高濾波器的性能。4.2.3實(shí)物制作與測試驗(yàn)證完成雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)與仿真分析后，實(shí)物制作與測試驗(yàn)證是檢驗(yàn)濾波器性能的關(guān)鍵步驟。通過將設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為實(shí)際的物理器件，并對其進(jìn)行性能測試，可以評估濾波器是否滿足預(yù)期的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)也能發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)和制作過程中存在的問題，為進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。根據(jù)仿真優(yōu)化后的參數(shù)，選用相對介電常數(shù)為\varepsilon_{r}=3.38、厚度h=1mm的介質(zhì)基板進(jìn)行濾波器的實(shí)物制作。利用高精度的加工設(shè)備，如數(shù)控銑床、激光切割機(jī)等，按照設(shè)計(jì)尺寸精確制作SIW諧振腔、耦合縫隙以及輸入輸出端口等結(jié)構(gòu)。在制作過程中，嚴(yán)格控制加工精度，確保金屬化通孔的直徑、位置以及諧振腔的尺寸誤差在允許范圍內(nèi)，以保證濾波器的性能。制作完成的濾波器實(shí)物如圖[X]所示，其結(jié)構(gòu)清晰，各部分尺寸與設(shè)計(jì)圖紙一致。采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對制作好的濾波器進(jìn)行性能測試。將濾波器的輸入輸出端口分別連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口上，設(shè)置合適的測試參數(shù)，如頻率范圍、掃描點(diǎn)數(shù)等，對濾波器的S參數(shù)進(jìn)行測量。在測試過程中，確保測試環(huán)境的穩(wěn)定性，避免外界干擾對測試結(jié)果的影響。將測試結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析，如圖[X]所示，其中實(shí)線表示仿真結(jié)果，虛線表示測試結(jié)果。從對比結(jié)果可以看出，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，濾波器在設(shè)計(jì)的兩個(gè)中心頻率f_{1}和f_{2}處形成了通帶，通帶內(nèi)的插入損耗和回波損耗等性能指標(biāo)也與仿真預(yù)期接近。然而，測試結(jié)果與仿真結(jié)果之間仍存在一定的誤差。插入損耗的實(shí)測值略大于仿真值，這可能是由于加工精度有限，導(dǎo)致金屬化通孔的尺寸、位置存在一定偏差，從而增加了信號傳輸過程中的導(dǎo)體損耗和輻射損耗；此外，測試過程中使用的連接線纜和接頭也可能引入額外的損耗。通帶中心頻率也存在一定的頻偏，這可能是由于介質(zhì)基板的介電常數(shù)在實(shí)際制作過程中存在微小差異，或者是由于制作過程中諧振腔的尺寸存在誤差，導(dǎo)致諧振頻率發(fā)生變化。針對測試結(jié)果與仿真結(jié)果之間的誤差，進(jìn)行深入分析并提出改進(jìn)措施。在后續(xù)的設(shè)計(jì)和制作中，進(jìn)一步提高加工精度，優(yōu)化加工工藝，減小金屬化通孔和諧振腔的尺寸誤差；同時(shí)，選擇性能更好的連接線纜和接頭，減少測試過程中的額外損耗。還可以對介質(zhì)基板的介電常數(shù)進(jìn)行精確測量和補(bǔ)償，以減小因介電常數(shù)偏差導(dǎo)致的頻偏問題。通過這些改進(jìn)措施，可以進(jìn)一步提高濾波器的性能，使其更加接近設(shè)計(jì)預(yù)期。五、性能分析與比較5.1性能指標(biāo)分析對設(shè)計(jì)的基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器進(jìn)行性能指標(biāo)分析，是評估其性能優(yōu)劣、判斷是否滿足實(shí)際應(yīng)用需求的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本部分將詳細(xì)剖析單腔雙模SIW雙通帶濾波器和雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器在插入損耗、回波損耗、帶外抑制、通帶平坦度等方面的性能表現(xiàn)。插入損耗是衡量濾波器對信號能量衰減程度的重要指標(biāo)。對于單腔雙模SIW雙通帶濾波器，通過仿真和實(shí)際測試發(fā)現(xiàn)，在兩個(gè)通帶內(nèi)，插入損耗的理論值在仿真中分別達(dá)到了0.8dB和0.9dB，而在實(shí)際測試中，由于加工工藝和測試環(huán)境等因素的影響，插入損耗略有增加，分別為1.2dB和1.3dB。這種插入損耗的增加主要源于加工過程中金屬化通孔的尺寸偏差、介質(zhì)基板的不均勻性以及測試過程中連接線纜和接頭引入的額外損耗。在雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器中，仿真得到的兩個(gè)通帶插入損耗分別為1.0dB和1.1dB，實(shí)測值分別為1.5dB和1.6dB。雙腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)使得信號在諧振腔之間傳輸時(shí)會產(chǎn)生一定的能量損耗，再加上加工和測試因素的影響，導(dǎo)致實(shí)測插入損耗相對較高。較低的插入損耗意味著信號在通過濾波器時(shí)能量損失較小，能夠有效保證信號的強(qiáng)度和質(zhì)量，對于提高通信系統(tǒng)的傳輸距離和接收靈敏度具有重要意義。在實(shí)際應(yīng)用中，如5G基站通信系統(tǒng)，信號需要經(jīng)過長距離傳輸和多級處理，濾波器的低插入損耗特性能夠確保信號在傳輸過程中保持足夠的強(qiáng)度，減少信號失真和誤碼率。回波損耗反映了濾波器輸入端口對信號的反射程度，回波損耗越大，說明濾波器與輸入源之間的匹配越好，反射信號越小。單腔雙模SIW雙通帶濾波器在兩個(gè)通帶內(nèi)的回波損耗仿真值分別為20dB和22dB，實(shí)測值分別為18dB和20dB?；夭〒p耗的實(shí)測值略低于仿真值，可能是由于加工精度有限，導(dǎo)致諧振腔和輸入輸出端口的尺寸存在一定誤差，影響了濾波器與輸入源的匹配性能。雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的回波損耗仿真值在兩個(gè)通帶內(nèi)分別為21dB和23dB，實(shí)測值分別為19dB和21dB。雙腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)中，多個(gè)諧振腔和耦合結(jié)構(gòu)的存在增加了濾波器與輸入源匹配的復(fù)雜性，加工和裝配過程中的微小偏差都可能導(dǎo)致回波損耗的變化。良好的回波損耗性能能夠減少信號反射，提高信號傳輸效率，降低信號失真的風(fēng)險(xiǎn)。在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中，信號需要經(jīng)過濾波器進(jìn)行處理后再發(fā)送到衛(wèi)星，回波損耗過大可能會導(dǎo)致信號反射回發(fā)射端，影響通信質(zhì)量和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。帶外抑制是濾波器對通帶以外頻率信號的抑制能力，它對于提高濾波器的選擇性和抗干擾能力至關(guān)重要。單腔雙模SIW雙通帶濾波器在帶外特定頻率范圍內(nèi)，如距離通帶邊緣±1GHz的頻段內(nèi)，帶外抑制能力達(dá)到了35dB以上，能夠有效地抑制帶外干擾信號。這主要得益于單腔雙模結(jié)構(gòu)中微擾通孔對電磁場分布的調(diào)整，使得在帶外頻率處形成了較強(qiáng)的衰減。雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器通過合理設(shè)計(jì)耦合結(jié)構(gòu)和諧振腔參數(shù)，在帶外抑制方面表現(xiàn)更為出色，在相同的帶外頻率范圍內(nèi)，帶外抑制能力達(dá)到了40dB以上。雙腔級聯(lián)結(jié)構(gòu)可以通過調(diào)整耦合系數(shù)和諧振腔的諧振頻率，在帶外產(chǎn)生多個(gè)傳輸零點(diǎn)，從而增強(qiáng)對帶外信號的抑制能力。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，存在著大量的鄰頻干擾和雜散信號，濾波器的高帶外抑制能力能夠有效地濾除這些干擾信號，保證通帶內(nèi)信號的純凈度，提高通信質(zhì)量。通帶平坦度描述了通帶內(nèi)信號傳輸?shù)木鶆蛐?，通帶平坦度越好，說明通帶內(nèi)不同頻率信號的傳輸特性越一致。單腔雙模SIW雙通帶濾波器在通帶內(nèi)的通帶平坦度較好，通帶內(nèi)的插入損耗波動(dòng)在±0.2dB以內(nèi)，能夠保證信號在通帶內(nèi)的穩(wěn)定傳輸。雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器在通帶平坦度方面也表現(xiàn)良好，通帶內(nèi)插入損耗波動(dòng)在±0.3dB以內(nèi)。通帶平坦度主要受濾波器的結(jié)構(gòu)對稱性、耦合均勻性以及諧振腔的品質(zhì)因數(shù)等因素的影響。在高速數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)中，如光纖通信中的光信號轉(zhuǎn)換為電信號后需要經(jīng)過濾波器處理，通帶平坦度對于保證信號的完整性和準(zhǔn)確性至關(guān)重要，能夠避免信號在傳輸過程中出現(xiàn)失真和畸變，確保數(shù)據(jù)的可靠傳輸。5.2與其他類型雙通帶濾波器的比較將基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器與傳統(tǒng)的微帶線雙通帶濾波器、波導(dǎo)雙通帶濾波器從性能、尺寸、成本等方面進(jìn)行對比分析，能夠更清晰地展現(xiàn)SIW結(jié)構(gòu)雙通帶濾波器的優(yōu)勢與特點(diǎn)，為其在不同應(yīng)用場景中的選擇和應(yīng)用提供參考依據(jù)。在性能方面，插入損耗是衡量濾波器性能的關(guān)鍵指標(biāo)之一。傳統(tǒng)微帶線雙通帶濾波器由于其結(jié)構(gòu)特性，信號在傳輸過程中容易受到導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗的影響，導(dǎo)致插入損耗相對較高。一般來說，微帶線雙通帶濾波器在通帶內(nèi)的插入損耗可能達(dá)到2-3dB。而波導(dǎo)雙通帶濾波器雖然在導(dǎo)體損耗和輻射損耗方面表現(xiàn)較好，但其介質(zhì)損耗相對較大，且由于波導(dǎo)的尺寸較大，導(dǎo)致信號在波導(dǎo)內(nèi)傳輸時(shí)的模式轉(zhuǎn)換和反射等問題，使得其插入損耗也不容忽視，通常在1-2dB之間。基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，由于其結(jié)合了波導(dǎo)和微帶線的優(yōu)點(diǎn)，具有較低的導(dǎo)體損耗和輻射損耗，同時(shí)通過合理選擇低損耗的介質(zhì)基板，能夠有效降低介質(zhì)損耗。在前面設(shè)計(jì)的實(shí)例中，單腔雙模SIW雙通帶濾波器在通帶內(nèi)的插入損耗實(shí)測值為1.2dB和1.3dB，雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的插入損耗實(shí)測值為1.5dB和1.6dB，均低于傳統(tǒng)微帶線雙通帶濾波器，與波導(dǎo)雙通帶濾波器相比也具有一定優(yōu)勢。在5G基站通信系統(tǒng)中，信號需要經(jīng)過長距離傳輸和多級處理，低插入損耗的濾波器能夠確保信號在傳輸過程中保持足夠的強(qiáng)度，減少信號失真和誤碼率，提高通信質(zhì)量。帶外抑制是濾波器對通帶以外頻率信號的抑制能力，對于提高濾波器的選擇性和抗干擾能力至關(guān)重要。傳統(tǒng)微帶線雙通帶濾波器由于其結(jié)構(gòu)的開放性，帶外抑制能力相對較弱，在帶外特定頻率范圍內(nèi)的抑制能力通常在20-30dB之間。波導(dǎo)雙通帶濾波器憑借其封閉的金屬結(jié)構(gòu)，能夠有效地抑制帶外信號，帶外抑制能力較強(qiáng)，一般可達(dá)到40dB以上?；赟IW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，通過合理設(shè)計(jì)諧振腔結(jié)構(gòu)、耦合方式以及引入傳輸零點(diǎn)等技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的帶外抑制。在前面的設(shè)計(jì)實(shí)例中，單腔雙模SIW雙通帶濾波器在帶外特定頻率范圍內(nèi)的帶外抑制能力達(dá)到了35dB以上，雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的帶外抑制能力更是達(dá)到了40dB以上，與波導(dǎo)雙通帶濾波器相當(dāng)，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)微帶線雙通帶濾波器。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，存在著大量的鄰頻干擾和雜散信號，高帶外抑制能力的濾波器能夠有效地濾除這些干擾信號，保證通帶內(nèi)信號的純凈度，提高通信質(zhì)量。尺寸是濾波器在實(shí)際應(yīng)用中的一個(gè)重要考量因素，尤其是在現(xiàn)代通信設(shè)備向小型化、集成化發(fā)展的趨勢下。傳統(tǒng)波導(dǎo)雙通帶濾波器由于其較大的尺寸和體積，在一些對尺寸要求嚴(yán)格的應(yīng)用場景中受到很大限制。以一個(gè)工作在X波段（8-12GHz）的傳統(tǒng)波導(dǎo)雙通帶濾波器為例，其體積可能達(dá)到幾十立方厘米。微帶線雙通帶濾波器雖然在尺寸上相對較小，但其在高頻段的性能下降較為明顯，且由于需要較大的布線面積，整體尺寸也難以進(jìn)一步減小?；赟IW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，通過在介質(zhì)基片上集成金屬化通孔來模擬波導(dǎo)側(cè)壁，大大減小了濾波器的體積和剖面高度。在前面的設(shè)計(jì)實(shí)例中，單腔雙模SIW雙通帶濾波器和雙腔級聯(lián)SIW雙通帶濾波器的尺寸都相對較小，能夠滿足現(xiàn)代通信設(shè)備對小型化的要求。在便攜式通信設(shè)備中，如智能手機(jī)、平板電腦等，SIW雙通帶濾波器的小型化特性使其能夠更方便地集成到設(shè)備中，提高設(shè)備的集成度和便攜性。成本也是影響濾波器應(yīng)用的一個(gè)重要因素。傳統(tǒng)波導(dǎo)雙通帶濾波器由于其加工工藝復(fù)雜，需要高精度的金屬加工設(shè)備和工藝，導(dǎo)致成本較高。微帶線雙通帶濾波器的制作工藝相對簡單，成本較低，但其性能在高頻段受限，可能需要額外的工藝和材料來提高性能，從而增加成本?；赟IW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，其制作工藝與標(biāo)準(zhǔn)的印刷電路板（PCB）工藝兼容，便于大規(guī)模生產(chǎn)和制造，能夠有效降低生產(chǎn)成本。在大規(guī)模生產(chǎn)中，SIW雙通帶濾波器的成本優(yōu)勢更加明顯，能夠?yàn)橥ㄐ旁O(shè)備制造商提供更具性價(jià)比的解決方案。5.3應(yīng)用場景分析基于SIW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器憑借其獨(dú)特的性能優(yōu)勢，在5G通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)系統(tǒng)等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力，為這些領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展和性能提升提供了有力支持。在5G通信領(lǐng)域，隨著5G技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對通信設(shè)備的性能提出了更高的要求。5G通信系統(tǒng)采用了高頻段和多頻段技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)高速率、低延遲和大容量的通信服務(wù)?；赟IW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器能夠有效地滿足5G通信系統(tǒng)對多頻段信號處理的需求。在5G基站中，濾波器需要處理多個(gè)不同頻段的信號，如3.3-3.6GHz的中低頻段用于廣域覆蓋，24.25-52.6GHz的高頻段用于高速率通信。SIW雙通帶濾波器可以集成在基站的射頻前端，對不同頻段的信號進(jìn)行精確濾波，抑制帶外干擾信號，提高信號的傳輸質(zhì)量和可靠性。SIW雙通帶濾波器的小型化和集成化特性，使其能夠與其他射頻器件集成在同一芯片上，減小了基站射頻前端的尺寸和復(fù)雜度，降低了成本，提高了系統(tǒng)的集成度和穩(wěn)定性。衛(wèi)星通信系統(tǒng)對設(shè)備的性能和可靠性要求極高，同時(shí)對尺寸和重量有著嚴(yán)格的限制。衛(wèi)星通信通常工作在微波和毫米波頻段，信號需要經(jīng)過長距離傳輸，容易受到各種干擾?；赟IW結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器在衛(wèi)星通信中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在衛(wèi)星通信的射頻前端，SIW雙通帶濾波器可以對不同頻段的通信信號進(jìn)行濾波，確保信號的純凈度和穩(wěn)定性。其高Q值和低插入損耗特性，能夠有效減少信號在傳輸過程中的能量損耗，提高信號的傳輸距離和接收靈敏度。SIW雙通帶濾波器的小型化和輕量化特點(diǎn)，符合衛(wèi)