一種新型基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

倪國旗 倪 圍

（空軍空降兵學(xué)院，廣西 桂林541003）

引 言

基片集成波導(dǎo)技術(shù)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）是最近幾年提出的一種新型的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，它主要通過低損耗的介質(zhì)基片來實(shí)現(xiàn)，由上下底面金屬層、兩側(cè)金屬化通孔側(cè)壁組成，使傳輸?shù)奈⒉ㄏ拗圃谡麄€(gè)封閉區(qū)間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的良好功能.

近幾年來，國內(nèi)外許多學(xué)者對基片集成波導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用做了大量的研究工作，出現(xiàn)了一大批性能優(yōu)良的微波SIW器件，如濾波器［1-4］、功分器［5］、定向耦合器［6］、天線［7］等，使得SIW技術(shù)的發(fā)展向前邁了一大步.其中，濾波器作為通信系統(tǒng)中關(guān)鍵的部件之一，對它的研究近幾十年來一直是比較熱門的研究課題.一個(gè)具有低損耗、高選頻性能的濾波器，在一個(gè)微波毫米波系統(tǒng)中，可以較好地提高整個(gè)系統(tǒng)的性能.近年來，基片集成波導(dǎo)技術(shù)作為一種新型導(dǎo)波技術(shù)，由于具有低損耗、性能好、集成度高等優(yōu)點(diǎn)，得到了長足的發(fā)展［8］.

我們設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，即通過微帶線和基片集成波導(dǎo)這兩種平面結(jié)構(gòu)集成在一塊介質(zhì)板上，其中，微帶線部分實(shí)現(xiàn)了階躍阻抗低通濾波器的功能，基片集成波導(dǎo)部分實(shí)現(xiàn)了高通濾波器的功能，兩種串聯(lián)起來就構(gòu)成了一個(gè)帶通濾波器.通過仿真與實(shí)測結(jié)果表明，基片集成波導(dǎo)帶通濾波器實(shí)測的回波損耗在9～10.5GHz頻段范圍內(nèi)均小于-15dB，通帶內(nèi)的插入損耗均優(yōu)于1.5dB，仿真結(jié)果與測試結(jié)果基本吻合，滿足了設(shè)計(jì)的要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的正確性.

1 基片集成波導(dǎo)理論

基片集成波導(dǎo)具有一種近似封閉的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，主要由上下底面金屬層，中間的低損耗介質(zhì)層以及兩排周期性金屬化通孔或者金屬柱組成，如圖1所示.在圖中，w為基片集成波導(dǎo)的寬度，svp為兩排金屬化通孔或者金屬柱的間距，d為金屬化通孔或者金屬柱的直徑，h為介質(zhì)板的厚度.

圖1 基片集成波導(dǎo)的基本結(jié)構(gòu)

基片集成波導(dǎo)與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)具有相似的傳播特性，但是SIW兩排金屬化通孔的距離并不完全等于矩形波導(dǎo)寬邊的長度，其等效長度等效于w和（w-d）之間，而且SIW內(nèi)只能傳播（Transvers＇e Electric Field，TE）模，主模為TE10模，它的傳播特性只與d、svp和w密切相關(guān).因此，由前人的研究［9］可知，基片集成波導(dǎo)和矩形波導(dǎo)的等效關(guān)系為

根據(jù)以上公式，可以直接從SIW的結(jié)構(gòu)參數(shù)推出相應(yīng)的等效波導(dǎo)寬度wequ.由于金屬孔平行于窄邊的表面電流方向，沒有切斷窄邊的表面電流，因此TEm0模能在此結(jié)構(gòu)中傳輸.SIW與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)傳輸?shù)闹髂６紴門E10模.基片集成波導(dǎo)TE10模的等效阻抗可以用下式表示

式中：η0為空氣中的波阻抗；λ為空氣中的波長；εr為基片的相對介電常數(shù).

2 設(shè)計(jì)與制作

2.1 設(shè)計(jì)基本思路

設(shè)計(jì)的基片集成波導(dǎo)帶通濾波器主要由一個(gè)高通濾波器和一個(gè)低通濾波器級(jí)聯(lián)而成，主要設(shè)計(jì)過程如下：由于基片集成波導(dǎo)本身就是很好的高通濾波器，將帶通濾波的下限頻率當(dāng)做SIW的截止頻率，運(yùn)用式（1）和（2），就可以設(shè)計(jì)出需要的基片集成波導(dǎo)的尺寸.對微帶低通濾波器來說，利用帶通濾波器的下限截止頻率，就可以得到微帶線低通濾波器的各個(gè)參數(shù)值.把設(shè)計(jì)好的兩個(gè)濾波器集成在同一個(gè)介質(zhì)板上，通過對SIW和微帶線低通濾波器的截止頻率的調(diào)節(jié)，可以得到我們需要的帶寬和中心頻率，從而滿足工程要求.

圖2給出了基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖示意圖.從圖中可以看出，帶通濾波器主要是由微帶部分和基片集成波導(dǎo)部分組成的，微帶部分構(gòu)成了低通濾波部分，基片集成波導(dǎo)部分構(gòu)成了高通濾波部分，當(dāng)兩者相串聯(lián)時(shí)，就剛好構(gòu)成了一種新型的基片集成波導(dǎo)帶 通濾波器.其中，L1、L2、L3、L4和L5為階躍阻抗低通濾波器的每個(gè)匹配枝節(jié)的長度，w1、w2為階躍阻抗低通濾波器的每個(gè)匹配枝節(jié)的寬度，Wc為共面波導(dǎo)段的寬度，Lc為共面波導(dǎo)段的長度，w50為50Ω微帶線的寬度，w為基片集成波導(dǎo)的寬度，svp為兩排金屬化通孔的間距，d為金屬化通孔的直徑，介質(zhì)板的厚度為h.這種濾波器具有體積小，重量輕，加工方便，易集成等優(yōu)點(diǎn)，文章中就是利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一個(gè)工作在X頻段的帶通濾波器.

圖2 基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖

2.2 高通濾波部分的設(shè)計(jì)

由于基片集成波導(dǎo)與微帶轉(zhuǎn)換器本身具有高通特性，對于SIW帶通濾波器的高通濾波部分可以采用SIW與微帶轉(zhuǎn)換器來替代，從而實(shí)現(xiàn)工程需要.在實(shí)際應(yīng)用中，當(dāng)完成了基片集成波導(dǎo)的設(shè)計(jì)和加工工作以后，也需要利用這種轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)來測試所設(shè)計(jì)的微波器件的實(shí)際效果.

按照以上方法，利用了一種新型結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的高通濾波部分功能，如圖3所示，不僅實(shí)現(xiàn)了50Ω微帶線與基片集成波導(dǎo)的過渡，而且也實(shí)現(xiàn)了高通濾波功能.

轉(zhuǎn)換器主要由微帶線、共面波導(dǎo)和基片集成波導(dǎo)三部分組成.共面波導(dǎo)部分與基片集成波導(dǎo)合為一體，一方面可以節(jié)省空間，減小整個(gè)轉(zhuǎn)換器的尺寸，另一方面，主要用來將微帶線的準(zhǔn)TEM模轉(zhuǎn)換成為基片集成波導(dǎo)的主模TE10模.微帶線部分可以將SIW器件與微帶線電路連接起來，易于與其他平面微波系統(tǒng)集成.

圖3 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)圖

使用三維電磁仿真軟件對基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了仿真，在仿真的過程中，發(fā)現(xiàn)匹配段的寬度wr對整個(gè)轉(zhuǎn)換器的性能影響很大.因此，在設(shè)計(jì)該轉(zhuǎn)換器的時(shí)候，可以選擇一個(gè)合適的值，然后逐漸增大.

2.3 低通濾波部分的設(shè)計(jì)

微帶線和基片集成波導(dǎo)作為兩種不同的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，雖然有很大的不同，但也有著很多相同的特點(diǎn).第一，它們的加工工藝相同.對SIW和微帶線，利用印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）成熟的加工工藝.第二，它們使用的材料相同.基片集成波導(dǎo)和微帶都是以介質(zhì)板為基礎(chǔ)，然后進(jìn)行各種加工而成.第三，它們的結(jié)構(gòu)相同.基片集成波導(dǎo)本質(zhì)上就是一種微帶線同屬于平面結(jié)構(gòu)，易于與其他微波器件集成在同一塊介質(zhì)板上.因此，文章中對帶通濾波器的低通濾波部分采用了微帶線階躍阻抗低通濾波器的結(jié)構(gòu).

根據(jù)電路理論可知，當(dāng)傳輸線的長度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于工作波長時(shí)，串聯(lián)電感和并聯(lián)電容可以用一段高低阻抗傳輸線來代替.因此，對微帶線低通濾波器的實(shí)現(xiàn)就有一種很簡單的方法，即交替使用高低阻抗的微帶線進(jìn)行級(jí)聯(lián)排列.圖4（a）給出了這種濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖.從圖中來看，高阻抗微帶線等效為串聯(lián)電感，低阻抗微帶線等效為串聯(lián)電感，圖4（a）完全可以構(gòu)成4（b）的電路結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)濾波器的功能.

圖4 微帶線階躍阻抗濾波器的電路等效圖

可以用下面的公式來確定微帶線阻抗階躍低通濾波器的初始尺寸，然后建立模型，使用電磁仿真軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到各個(gè)尺寸的最優(yōu)值.

按照上述經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的初值及初步仿真結(jié)果，再進(jìn)行仿真和優(yōu)化，得到尺寸如下：L1＝2mm，L2＝1.5mm，L3＝3.4mm，L4＝2mm，L5＝3.5 mm，w1＝0.54mm，w2＝5.5mm，w50＝3mm，w＝12mm，svp＝1mm，d＝0.6mm，Wc＝5mm，Lc＝3mm，h＝1mm，wr＝10mm.

2.4 實(shí)物制作

根據(jù)最終優(yōu)化結(jié)果，制作了濾波器實(shí)物如圖5所示.使用的介質(zhì)板的材料是Arlon Di880，它的相對介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)板的厚度為1mm.

圖5 基片集成波導(dǎo)帶通濾波器加工實(shí)物圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

按照以上要求，在微帶線與基片集成波導(dǎo)帶通濾波器焊接上了SMA（Sub-Miniature-A）接頭，并用萬用電表檢查了焊接的效果以后，采用安捷倫公司生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對它進(jìn)行了測試，仿真結(jié)果與實(shí)測結(jié)果的比較如圖6所示.

圖6 基片集成波導(dǎo)帶通濾波器仿真與實(shí)測對比

從圖6中可以看出，基片集成波導(dǎo)帶通濾波器實(shí)測的回波損耗在9～10.5GHz頻段范圍內(nèi)均小于-15dB，通帶內(nèi)的插入損耗均優(yōu)于1.5dB，可以用于工程應(yīng)用.比較實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果，基片集成波導(dǎo)帶通濾波器的工作帶寬減少了，主要是實(shí)測的結(jié)果向高頻段偏移了，具體性能如表1.

表1 仿真與實(shí)測性能對比

造成誤差的主要原因可能有以下幾個(gè)：

第一，加工精度因素.整個(gè)加工工藝采用現(xiàn)在非常成熟的PCB工藝，而加工精度特別是小孔的孔徑大小對濾波器的濾波特性影響很大.當(dāng)介質(zhì)板的厚度較薄時(shí)，加工的平整度不太好保證，特別是在給介質(zhì)板打孔時(shí)，介質(zhì)板更容易發(fā)生形變.另外，由于人工操作的原因，當(dāng)?shù)谝粋€(gè)孔的定位不準(zhǔn)確時(shí)，其他孔都會(huì)整體偏移，使得整個(gè)基片集成波導(dǎo)表面微微突起，會(huì)增大SIW器件的插入損耗，從而影響了濾波器的正常工作.

第二，測試的損耗因素.一般來說，當(dāng)頻段較高時(shí)，SMA接頭或者測試時(shí)的一個(gè)焊點(diǎn)對結(jié)果都會(huì)有很大的影響，因此，測試基片集成波導(dǎo)器件裝置包括SMA測試接頭、測試安裝底座、定位螺釘和基片集成波導(dǎo)器件組成.因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室條件有限，文章中的測試結(jié)果是直接接上SMA接頭測試的，并沒有加上其他的裝置，根據(jù)實(shí)際研究可知，加裝這些外在裝置比未加裝的微波器件的插入損耗小2～3dB［10］.

當(dāng)然，由矩形波導(dǎo)理論知，對于該濾波器的高通濾波部分影響最大的是兩排金屬通孔的距離，當(dāng)加工時(shí)小孔的直徑精度不夠或者位置不對時(shí)，這個(gè)距離偏小，會(huì)直接導(dǎo)致頻點(diǎn)向高頻段偏移.因此，在加工時(shí)一定要多做幾個(gè)樣板做比較或者加上外置屏蔽盒，從而獲得更好的濾波特性.與下限截止頻率相比，上限頻率處陡峭度不夠，要想提高陡峭度，必須增加低通濾波部分的階數(shù).

但是，從總體上來說，實(shí)測的濾波器在工作頻段內(nèi)的回波損耗和插入損耗效果均表現(xiàn)良好，滿足了設(shè)計(jì)的要求.從實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果的比較來看，兩者基本吻合，從而驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性.

4 結(jié) 論

文中利用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并制作出了一種X波段中心頻率是9.75GHz，相對帶寬是15.4%的微帶線與基片集成波導(dǎo)級(jí)聯(lián)的帶通濾波器.該濾波器在9～10.5GHz的通帶范圍內(nèi)表現(xiàn)出了良好的性能.這種濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單，生產(chǎn)成本低，易于加工的特點(diǎn)，對于微波基片集成波導(dǎo)濾波器的設(shè)計(jì)具有一定的參考價(jià)值.要想獲得更理想的結(jié)果，除了保證仿真模型和測試方法的準(zhǔn)確外，更需要進(jìn)一步提高加工精度，減小加工誤差.

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