基于半模基片集成波導的新型帶通濾波器研究

蔣 迪 徐躍杭 徐銳敏 林為干

(電子科技大學電子工程學院極高頻復雜系統國防重點實驗室，四川 成都 611731)

引 言

為適應電子與無線通信技術飛速發展的需要，微波毫米波集成電路及系統正在向高性能、低成本、高集成度和小型化方向快速發展.半?；刹▽?Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW)是一種新型的波導，可以廣泛應用于微波毫米波系統中，具有與傳統矩形波導相近的特性，諸如品質因數高、易于設計等，同時也具有體積小、重量輕、容易加工、造價低和易于集成等傳統矩形波導所沒有的優點.

1 理論分析

導波結構在微波系統中具有非常重要的作用.各種導波結構可以分為平面結構和非平面結構兩大類，平面結構包括微帶線、共面波導、槽線等，非平面結構包括矩形波導、同軸線、介質波導等.現代信息技術對系統的集成度、損耗等指標的要求越來越高，以使其易于批量生產.平面結構非常適合系統的混合集成，各種有源器件可以很容易地與微帶線或共面波導互連互接，從而達到很高的集成度，提高系統的整體性能.當然這種結構的缺陷也是顯而易見的，由于導體損耗、輻射損耗和介質損耗的存在，使得平面結構不適合工作在毫米波波段，也無法構成高Q值的器件，限制了其在微波領域的發揮.另一方面，矩形波導等非平面導波結構雖然可以構成性能很高的部件，但是由于體積過大以及集成加工上的難度，很難廣泛地應用到高集成度系統中.為了解決上述矛盾，更為緊湊和高效地集成微波、毫米波電路系統，由吳柯教授提出并率先成功應用的基片集成技術，用金屬通孔替代一些標準傳輸線的金屬側壁，從而構成基片集成波導，這種波導能夠很容易地被制作在介質基片中[1].基片集成波導作為一種介于平面結構和非平面結構之間的導波結構，對設計高性能、低損耗的微波集成電路具有重大意義.

1.1 基片集成波導與半?；刹▽Ы榻B

基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一種矩形波導的變形結構，利用了成熟的印制電路板制造工藝，在介質基板上加工兩排平行的金屬孔，以實現類似于矩形波導窄邊的結構.基片集成波導結構具有矩形波導和微帶線平面結構電路兩者的優點，如體積小，重量輕，具有較大的功率容量和較高的Q值.同時，通過簡單的變換就可實現和微帶等平面傳輸線連接，結構緊湊，易于集成，和單片微波集成電路具有良好的兼容性.這些特點決定了基片集成波導這種新型傳輸線技術具有廣泛的應用領域和前景.

如圖1(a)所示，基片集成波導的一個重要性質是其具有與傳統矩形波導相似的傳播特性，同時由于填充介質，又比傳統波導更為緊湊，具有容易集成，體積小，重量輕等優點.但是在頻率低的應用中，SIW體積小的優勢往往不能更好地體現，SIW的工作模式為TE10模，其電磁場分布和金屬矩形波導中的TE10模一樣，在電磁波的傳輸方向具有軸對稱性.根據這一特點，可以假設在SIW的中心面，即如圖1(a)所示沿A-A’軸的平面存在一磁壁，這一磁壁可將SIW分成對稱的兩部分，去掉其中的任何一半都不會對剩余腔體中TE10模的電磁場分布產生影響，在此基礎上可以得到HMSIW結構，其結構如圖1(b)所示.

(a) SIW

HMSIW保留了SIW的電磁場分布特性，其工作主模仍為TE10模，虛擬的磁壁僅僅用于分析及構建HMSIW，實際應用中并不需要.然而為了盡可能減小能量輻射和泄漏，通常在介質基片中沿平行于A-A′軸的方向額外設置一排金屬通孔以保證HMSIW的性能[2].

1.2 左手材料介紹

新型人工電磁結構包括各種構成人工電磁媒質(如左手媒質、電等離子體、磁等離子體、漸變電磁媒質等)的基本單元以及由這些基本單元組成的周期/非周期結構，目前是近年來國際物理界、電磁界、材料界的研究前沿和熱點，其研究內容分別于2003年和2006年兩次被《科學》雜志評為年度十大科技進展之一.它在自然界中本身并不存在或者沒有被發現，而是人們根據電磁學理論所設計并制作出來的，具有非常規的電磁屬性.現有自然媒質其介電常數和磁導率通常是正的，電磁波在自然媒質中傳播時，電場、磁場及電磁波傳播方向滿足右手螺旋法則，因此此類媒質也稱為右手媒質.對于一些特殊的自然媒質，如鐵磁共振頻段附件的鐵磁體、等離子頻率以下金屬等，會表現出負磁導率或者負介電常數的特性.人工電磁材料觀點為微波工程提供了一種新的理論和設計角度，受此激發，人們開始使用這種方法來設計微波器件.其中一個領域就是人工電磁材料平面濾波結構[3].

最初，左手材料是通過開環諧振器(Split Ring Resonators,SRR)元組合排列而成，也可只包括一個基本單元.在某一頻段內與金屬導體(Rods)的組合周期排列產生同時具有負介電常數和負磁導率.由于其周期尺寸遠小于工作波長，因此可以將其視為均勻介質，并采用等效理論分析其介電常數與磁導率.大量的理論計算與實驗結果都證明了該結構在某一頻段的左手特性.隨著對左手材料的深入研究，更多實現左手材料的結構及方法被提出來.目前，左手媒質單元可由電諧振單元和磁諧振單元組成，使其在某個頻段內同時實現負的介電常數和負的磁導率.

1.3 濾波器設計

由于HMSIW和相對應的傳統矩形波導具有相似的傳輸特性和場分布，所以可以用普通矩形波導器件的設計方法來研究HMSIW.而SRR和互補開環諧振器(Complementary Split Ring Resonators,CSRR)的物理尺寸很小，基于同心圓之間的邊緣電容效應發生諧振，其尺寸和工作頻率波長相比很小，可以應用在小型化方面；同時由于SRR和CSRR具有良好的品質因數，諧振特性中下降沿和上升沿陡峭，這些優點也使得SRR和CSRR在濾波器的帶外抑制和高頻率選擇性方面有廣泛的應用.此外，開環諧振器和互補開環諧振器都是平面結構，也為設計平面微波電路器件提供了另一種途徑[4].

根據電磁場的巴比涅原理，作為SRR的對偶結構，CSRR應該也具有準靜態諧振特性.因此CSRR結構可以應用在新的傳輸線中制作小型化、實現窄帶范圍內的左手材料帶通濾波器[5].左手材料帶通濾波器的設計可采用集中參數濾波器的設計理論完成.HMSIW濾波器由諧振單元和四分之一波長傳輸線構成，圖2是其結構示意圖.其中的諧振單元是由帶接地金屬面的HMSIW上層金屬面開成CSRR電容性的縫隙而成.電容性縫隙和旁邊的金屬對應于傳輸線分支上的串聯電容和并聯電感.串聯電容和并聯電感又形成了諧振單元.

圖2 HMSIW-CSRR結構示意圖

1.4 HMSIW與微帶線的轉換

HMSIW主要由介質基片和金屬化通孔構成，雖然它也是一種平面結構，可是在實際應用中很難與其他平面電路直接相連.另外，常用測試微波毫米波電路的裝置不適合直接測試基片集成波導器件[6].所以必須設計一種輸入輸出轉換結構，以實現基片集成波導器件的測試以及和其它平面電路的集成.HMSIW一般是通過微帶與其他平面電路實現連接與集成的，因此，它與微帶線轉換結構的設計成為HMSIW技術推廣的重要前提.HMSIW端口轉換器的設計一般要能夠實現較寬的單模工作帶寬，具有較容易加工的結構，工作頻帶內具有較小的插入損耗和回波損耗.目前廣泛采用的HMSIW端口轉換器主要有：錐形HMSIW-微帶線轉換器，HMSIW-共面波導轉換器和階梯阻抗變換型HMSIW-微帶線轉換器.圖2給出了一種常用的HMSIW-微帶轉換器結構形式，它的主體為一段梯形的微帶漸變線，這一段梯形的微帶漸變線連接了HMSIW和50歐姆微帶線，可以直觀地發現微帶線所支持的電場結構與基片集成波導的主模TE10的場結構具有一種自然的相似性，因此有理由相信這是一種自然的過渡.

2 實驗結果分析

為了驗證這種HMSIW的理論分析，設計了一個工作在S波段的HMSIW[7].通帶中心頻率為2.75 GHz，選取RT5880介質基片(介電常數2.2，厚0.508 mm)，金屬通孔的直徑為0.5 mm，相鄰通孔間距為0.8 mm，最終通過優化，得到HMSIW諧振腔體的尺寸為W×L=9.6 mm×20 mm，如圖3所示．

采用商業軟件HFSS對該濾波器結構進行電磁仿真，濾波器的插入損耗、回波損耗仿真結果如圖4所示[8].從圖5可以看出外環半徑對S參數影響比較大，當外環半徑為5.7 mm時，濾波器的中心頻率為2.75 GHz，工作帶寬大約為20 MHz，最大插入損耗小于0.3 dB，分數帶寬小于1%，具有非常好的選頻特性[9].

圖3 加工實物圖

圖4 帶通濾波器的S參數仿真結果

圖5 環半徑對S參數的影響

3 結 論

在HMSIW信號層上刻蝕一定規律矩形槽構建了一種窄帶HMSIW帶通濾波器.仿真結果表明：該濾波器具有小于1%的分數帶寬，通帶內插入損耗小，阻帶較深.該類型的濾波器結構簡單、生產成本低、易于加工，對于微波HMSIW窄帶濾波器設計具有一定的參考價值.

參考文獻

[1] 張忠海,官伯然.采用新型介質集成波導腔的小型雙頻濾波器.電波科學學報[J].2012,27(2)：321-325.

ZHANG Zhonghai, GUAN Boran. Novel compact dual-band bandpass filter adopting SIW cavity[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(2)：321-325.(in Chinese)

[2] 欒秀珍,房少軍.基片集成脊波導傳輸特性的研究[J].電波科學學報,2012,27(1)：101-105.

LUAN Xiuzhen, FANG Shaojun. Propagation characteristics of ridge substrate integrated waveguide[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(1)：101-105. (in Chinese)

[3] 張安學,范世毅,蔣延生,等.基于左右手復合傳輸線的威爾金森功分器[J].電波科學學報,2009,24(1)：99-103.

ZHANG Anxue, FAN Shiyi, JIANG Yansheng, et al. Wilkinson power divider based on composite right/left-hand transmission line[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(1)：99-103. (in Chinese)

[4] CALOZ C, ITOH T. Electromagnetic Met Materials Transmission Line Theory and Microwave Applications[M]. New York: Wiley, 2005

[5] BAENA J D, BONACHE J, MARTIN F, et al. Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines[J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 2005, 53(4): 1451-1461.

[6] 付淑洪,童創明,李西敏．一種新穎的開口環地面缺陷結構低通濾波器[J]．電波科學學報,2009,24(6):1115-1118.

FU Shuhong, TONG Chuangming, LI Ximin. A novel split ring resonator defected ground structure lowpass filter[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(6): 1115-1118.(in Chinese)

[7] GARCIA J J, MARTIN F, BAENA J D, et al. On the resonances and polariz abilities of split rings resonators[J]. J Appl Phys, 2005, 98, 033103.

[8] BONACHE J, GIL M, GIL I, et al. On the electrical characteristics of complementary metamaterial resonators[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett, 2006, 16(10): 543-545.

[9] GARCIA J, MARTIN F, FALCONE F, et al. Spurious passband suppression in microstrip coupled line band pass filters by means of split ring resonators[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett, 2004, 14(9): 416-418.