基于逆散射合成的紧凑型高性能三维微带滤波器严格设计方法研究

《IEEE Microwave and Wireless Technology Letters》：Rigorous Design of Compact High-Performance 3-D Microstrip Filters Using Inverse Scattering

本刊推荐一项创新性研究：为解决传统微带滤波器因阻抗实现范围受限导致的阻带窄、尺寸大等问题，研究团队开展基于逆散射合成技术的三维微带滤波器设计方法研究。通过同步优化基板高度与导带宽度实现平滑阻抗剖面，在Ku波段成功研制出截止频率11.8 GHz、阻带覆盖至36 GHz的低通滤波器，长度仅10.66 mm。该工作为5G/6G通信系统提供了高性能小型化滤波解决方案，凸显了增材制造在微波器件领域的应用潜力。

　　

随着5G/6G网络和下一代卫星通信技术的迅猛发展，微波器件对高性能、小型化提出迫切需求。微带技术因其平面化、易集成等优势成为首选方案，但传统微带滤波器受限于制造工艺，特征阻抗变化范围窄，导致阻带宽度和抑制深度不足。为解决这一瓶颈，研究人员将目光投向三维非均匀结构设计，通过同步调控基板高度与导带宽度突破阻抗实现极限。

本研究提出一种基于逆散射合成的三维微带滤波器严格设计方法。该方法首先通过积分层剥离（ILP）技术合成平滑的特征阻抗剖面，再通过电磁仿真软件（如LineCalc和CST）将阻抗映射为可制造的导带宽度与基板高度三维轮廓。关键技术包括：1. 基于耦合模理论（CMT）的阻抗剖面合成；2. 考虑有效介电常数（ε_eff）频率特性的传播轴去归一化处理；3. 针对增材制造工艺的基板高度（h）与导带宽度（w）协同优化策略。

设计方法论

研究团队以11阶切比雪夫低通滤波器为例，设定通带（10.7–11.8 GHz）回波损耗（RL）优于20 dB，阻带（15.7–36 GHz）抑制大于30 dB。通过逆散射合成得到阻抗剖面（Z_0,min=13.21 Ω, Z_0,max=172.97 Ω），并利用LineCalc建立阻抗与三维参数的映射关系（图1b）。最终设计的滤波器通过基板高度（h_min=250 μm至h_max=1.07 mm）与导带宽度（w_min=100 μm至w_max=1.84 mm）的连续变化实现阻抗调控（图1c）。

0(χ)的合成结果；(b) 阻抗-结构参数映射图表；(c) 三维微带滤波器的导带宽度与基板高度剖面'>

仿真与性能验证

全波仿真（CST）显示滤波器长度仅10.66 mm（约1.08λ_g），通带内RL优于20 dB，阻带抑制超过30 dB（图2）。与单模耦合模理论仿真对比表明，高频偏差源于基板高度变化引起的有效介电常数频散效应，但整体性能满足设计指标。

制备与测试

滤波器采用氧化铝陶瓷（ε_r=9.45）通过立体光刻（SLA）技术制备基板，银纳米粒子喷印技术形成导带。实测结果（图3）与仿真高度吻合：通带截止频率11.88 GHz，插入损耗（IL）0.96 dB；阻带（15–36.75 GHz）抑制优于30 dB，验证了方法的可靠性。与同类工作对比（表1），本设计在阻抗范围、阻带宽度和尺寸紧凑性方面均具优势。

结论与意义

该研究首次将逆散射合成技术应用于三维微带滤波器设计，实现了阻抗剖面的严格解析控制。通过增材制造工艺突破传统阻抗实现限制，显著拓展了阻带宽度与抑制深度。所研制的Ku波段滤波器在10.66 mm长度内实现36 GHz阻带覆盖，为未来高频通信系统提供了高性能、小型化器件解决方案，彰显了三维集成与先进制造技术在微波工程中的巨大潜力。