基片集成波導雙模帶通濾波器級聯(lián)技術簡介

黃 鵬

（南京郵電大學 電子科學與工程學院，江蘇 南京210003）

1 基片集成波導簡介

SIW的結構[1]如圖1所示，主要由三部分組成：中間為厚度為h的介質層，上下表面為金屬層，以及介質層內間距為s的有序排列的金屬柱。SIW結構與傳統(tǒng)的矩形波導具有相似的結構[2]，上下表面的金屬層相當于傳統(tǒng)金屬波導的上下金屬面，兩排周期性金屬通孔則形成相當于矩形波導的兩個側壁，共同限制電磁波在所圍的區(qū)域內向前傳播。

圖1 SIW結構圖

2 基片集成波導級聯(lián)技術的研究現(xiàn)狀

自從單腔體雙模基片集成波導被人們廣泛研究以來，研究人員做了大量的研究[3]，例如通過改變單腔體的內部結構以獲得更廣泛的使用。再者就是對腔體進行級聯(lián)，多腔體的級聯(lián)分成平面和異面的級聯(lián)，顧名思義，平面級聯(lián)就是在同一個面上就行級聯(lián)，這樣的級聯(lián)的方式會使得濾波器的面積成倍的增大。異面級聯(lián)就是在不同的面上進行級聯(lián)，這樣做只是增加了厚度，濾波器的實際面積并未增加。在級聯(lián)技術上研究人員想出了各種辦法，在平面級聯(lián)中，比較典型的方式就是開窗和異面微帶級聯(lián)。對于開窗的級聯(lián)方式，因為本身已經破壞了腔體的完整性，所以就在腔體的兩側分別加一個微擾柱以平衡這種破壞作用。異面微帶級聯(lián)即在兩腔體間搭建一條傳輸微帶線，以實現(xiàn)能量的傳輸[4]，因為微帶級聯(lián)是在不同面上的，所以原來的腔體可保持較好的完整性。異面級聯(lián)，分為開窗和圓金屬柱直接傳導（探針）兩種方式，所得到的的效果也非常理想。無論是平面還是異面級聯(lián)，都是通過調整開窗的位置，窗口的大小，級聯(lián)微帶的長寬和位置，以及探針的半徑和位置以獲得較好的級聯(lián)效果。

人們也許會有疑問，單腔體的濾波效果已經很好，為什么還要級聯(lián)單個腔體，使得腔體的結構變得復雜。這里介紹一下級聯(lián)所帶來的好處[5]：首先 經過多次反射，中心頻率兩側的頻點會變大，這樣會使相對帶寬不斷變窄。對于密封腔體的濾波器而言，相對帶寬越小越好[6]。其次，多次濾波使得帶外插損保持在一個較小的數(shù)值，即帶外抑制效果很好，兩側零點翻倍減小，兩腔體級聯(lián)能達到-50dB甚至-60dB，這是一個很理想的效果。正是由于級聯(lián)有這樣的優(yōu)點，研究人員還研究了三腔甚至四腔的級聯(lián)。無論是平面還是異面的，效果都比較理想。

3 基片集成波導諧振腔之間的級聯(lián)結構

雖然雙模的實現(xiàn)相當于兩腔體的疊加，實際上減少了腔體的個數(shù)，以此為基礎，我們各異設計多模的結構，實現(xiàn)多腔體的重疊，但隨著模數(shù)的增加，設計難度必然大大的增加，SIW性能提升的空間越來越小。所以，只能通過腔體之間的級聯(lián)來實現(xiàn)SIW濾波性能的進一步提高。實際應用的級聯(lián)方式主要分為兩大類，一是腔體之間平面的級聯(lián)，另一類就是腔體之間異面的級聯(lián)，兩種方式各有優(yōu)劣。

平面級聯(lián)方式，優(yōu)點在于級聯(lián)設計和加工簡單，級聯(lián)性能較好，缺點在于面積成倍增加，限制了該類濾波器的使用。對于平面形式級聯(lián)主要分為以下兩種：

開窗級聯(lián)[7]，即在兩個腔體連接處開一個感性窗，如圖2所示，實現(xiàn)感性耦合。

圖2 基片集成波導平面開窗兩腔體級聯(lián)

微帶級聯(lián)[9]，即在兩腔體之間通過微帶線實現(xiàn)能量傳輸，也是一種感性耦合，如下圖所示，與開窗級聯(lián)相比，這種結構不會破壞腔體結構，但加工實現(xiàn)起來有一定的難度。

圖3 基片集成波導平面微帶兩腔體級聯(lián)

異面級聯(lián)方式，優(yōu)點在于雖然腔體數(shù)增加，實際面積并未增加，只是增加了一點厚度。缺點在于設計和加工難度都不低，有些時候精度無法達到要求。對于異面形式級聯(lián)主要分為以下兩種：

開窗級聯(lián)，即在兩個腔體連接（共用的金屬面）處開一個感性窗，如圖4所示，實現(xiàn)感性耦合。

圖4 基片集成波導異面開窗兩腔體級聯(lián)

探針級聯(lián)[10]，即在兩腔體之間通過金屬探針實現(xiàn)能量傳輸，在兩腔體共用金屬面上打一個半徑稍大的孔即可。也是一種感性耦合，如圖5所示。 與開窗的結構相比，能量傳輸很直接，但是已經破壞了上下腔體本身的結構。

圖5 基片集成波導平面探針兩腔體級聯(lián)

4 SIW級聯(lián)技術研究工作的展望

未來該領域中，人們可以嘗試更多種類的級聯(lián)方式，使得腔體之間的耦合量不斷增大，不斷優(yōu)化頻率響應，改善其矩形系數(shù)和帶外插入損耗的平滑度。

另外，人們可以嘗試更多腔體的級聯(lián)，例如三腔體平面微帶級聯(lián)，三腔體異面開窗，探針級聯(lián)，四腔體的平面微帶級聯(lián)，異面開窗以及探針級聯(lián)，甚至可以嘗試混合級聯(lián)方式。級聯(lián)的結構雖然復雜，但是級聯(lián)的優(yōu)點依然值得我們去嘗試。

［1］Xiaoping Chen,Zhang-Cheng Hao,WeiHong,TieJun Cui,Planar Asymmetric Dual-Mode Filters Based on Substrate Integrated Waveguide(SIW)[C]//IEEE MTTS International Microwave Symposium,Long Beach,California,June 12-17,2005.

［2］Xiaoping Chen,Wei hong,Zhangcheng Hao,and Ke Wu.Substrate Integrated waveguide Ouasi-Elliptic Filter Using Extracted-Pole Technique[C]//APMC,Suzhou,2005.

［3］Ji-Xin Chen,Wei Hong,Zhang-Cheng Hao,Hao Li,Ke Wu,Development of a Low Cost Microwave Mixer Using a Broadband Substrate Integrated Wavegude(SIW)Coupler[J].accepted by IEEE Microwave and Wireless Compoments Letters.

［4］廖承恩.微波技術基礎[M].陜西：西安科技大學出版社，2005.

［5］周建梅.腔體濾波器耦合結構理論和關鍵技術的研究[D].電子科技大學，第3章.

［6］胡慧玲，程崇虎.一種共面波導結構雙模方形貼片帶通濾波器[J].微波學報，2007，23（2）：59-62.

［7］畢竟.基片集成波導技術的研究[D].南京郵電大學，第4章.

［8］甘本祓，吳萬春.現(xiàn)代微波濾波器的結構與設計[M].科學出版社，1973.

［9］張勝，王子華，肖建康，李英.基于基片集成波導（SIW）的雙模帶通濾波器[J].微波學報，2007，23（2）：55-58.

［10］鄧紹剛.基片集成波導雙模濾波器級聯(lián)技術研究[D].南京郵電大學，第3章.