一種槽線擾動的基片集成波導(dǎo)雙模濾波器

李榮強 肖紹球

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一種槽線擾動的基片集成波導(dǎo)雙模濾波器

李榮強*①②肖紹球②

①(成都信息工程學(xué)院電子工程學(xué)院 成都 610225)②(電子科技大學(xué)物理電子學(xué)院 成都 610054)

該文提出一種新型小型化基片集成波導(dǎo)(SIW)雙模濾波器。通過使用正交的輸入輸出饋線，和一段傾斜的槽線來擾動腔體的兩個簡并模，濾波器能產(chǎn)生兩個傳輸零點(TZ)。采用該方法設(shè)計了一個中心頻率為15 GHz，帶寬為350 MHz的基片集成波導(dǎo)雙模濾波器。該濾波器結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，易于加工。測試結(jié)果和仿真結(jié)果吻合，較好地驗證了設(shè)計的可行性和有效性。

濾波器；基片集成波導(dǎo)(SIW)；雙模；傳輸零點

1 引言

現(xiàn)代無線通信系統(tǒng)要求濾波器具有高性能和緊湊的尺寸。金屬波導(dǎo)濾波器由于具有高Q值和高功率容量而具有極好的性能。然而，它們的體積偏大，不易與微波平面電路進行集成。金屬波導(dǎo)雙模濾波器通常利用對諧振腔體切角或添加調(diào)諧螺釘來實現(xiàn)模式擾動。文獻[1]提出一種矩形金屬波導(dǎo)雙模濾波器，該濾波器不使用擾動元件，而是通過輸入輸出激勵與腔體中心線的偏移來獲得雙模工作。通過調(diào)整諧振腔的邊長，它能在通帶任一邊產(chǎn)生一個傳輸零點(Transmission Zero, TZ)。

本文提出了一種利用傾斜槽線擾動的單層基片集成波導(dǎo)雙模濾波器，通過調(diào)整槽線的尺寸和位置參數(shù)，濾波器能產(chǎn)生兩個傳輸零點，它們分別位于通帶的兩邊。與已知文獻中報道的濾波器相比，提出的濾波器具一定的優(yōu)勢。例如，與利用金屬化通孔擾動的濾波器相比[11]，腔體的尺寸有明顯的減??；與文獻[12]提出的槽線濾波器相比，它有更好的頻率選擇性，而與文獻[13,14]中的濾波器相比，它具有更簡單的結(jié)構(gòu)。本文對提出的小型化基片集成波導(dǎo)濾波器進行了理論研究和實驗驗證。

2 濾波器分析和設(shè)計

2.1濾波器分析

其中和為雙模SIW腔體的有效寬度和長度，m, n, p, q為模式指數(shù)，為基片的相對介電常數(shù)，是自由空間中的光速。注意，在雙模工作條件下需滿足限制條件：。根據(jù)式(1)，對于正方形SIW諧振腔體，它的TE102和TE201模將諧振在同一頻率。

圖2為圖1中濾波器的耦合原理，圖中的諧振器1和諧振器2分別代表TE102和TE201模。低通等效原型具有式(2)形式的耦合矩陣。

圖2 SIW雙模濾波器的耦合原理

下面給出一個雙模SIW濾波器的設(shè)計實例，它的主要指標(biāo)為：中心頻率為15 GHz，回波損耗為22 dB，帶寬為350 MHz，在14.1 GHz和16.5 GHz分別產(chǎn)生兩個傳輸零點。根據(jù)文獻[15]給出的耦合矩陣提取方法，該濾波器可能的耦合矩陣如式(3)所示。由耦合矩陣得出的理想電路響應(yīng)如圖3所示。圖3中實線表示濾波器的11參數(shù)，虛線為21參數(shù)。它們均滿足濾波器的設(shè)計指標(biāo)。

2.2 濾波器設(shè)計

圖3 SIW雙模濾波器的理想電路響應(yīng)

圖4 SIW雙模濾波器關(guān)于不同Ls值的仿真頻率響應(yīng)

圖5 SIW雙模濾波器關(guān)于不同Sp值的仿真頻率響應(yīng)

3 實驗結(jié)果與討論

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果，加工了SIW雙模濾波器實物，如圖6所示。使用的基板為Rogerss 5880，該基板的相對介電常數(shù)為2.2，介質(zhì)損耗角正切為0.0009，厚度為0.508。采用羅德史瓦茲公司的ZVB20矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器的S參數(shù)進行了測量。與仿真結(jié)果對比，如圖7所示。實測的中心頻率為14.8 GHz，相對于仿真頻率15.0 GHz有一定的頻偏，可能是由基片的介質(zhì)參數(shù)容差和加工工藝引起的。測量的帶內(nèi)回波損耗大于15.6 dB，帶內(nèi)插入損耗大約為2.0 dB，與仿真的插入損耗1.0 dB有一定的差異，可能是由于導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗和輻射損耗引起的。此外，分別位于14.1 GHz和16.5 GHz附近的兩個傳輸零點能被明顯地識別出來。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種利用傾斜槽線擾動的新型小型化雙模基片集成波導(dǎo)濾波器。與金屬化通孔擾動簡并模的濾波器相比，它具有更小的尺寸。與已知的其它槽線擾動的濾波器相比，它有更好的性能或更簡單的結(jié)構(gòu)。由于提出的濾波器在通帶兩邊具有兩個可控的傳輸零點，因而具有良好的頻率選擇性。

圖6 SIW雙模濾波器的實物照片

圖7 SIW雙模濾波器仿真和測試結(jié)果

此外，該濾波器結(jié)構(gòu)簡單緊湊，成本低、便于構(gòu)造，易于與平面電路集成。

[1] Guglielmi M, Jarry P, Kerherve E,.. A new family of all-inductive dual-mode filters[J]., 2001, 49(10): 1764-1769.

[2] 翟國華, 洪偉, 吳柯, 等. 集成寬帶折疊半?；刹▽?dǎo)帶通濾波器[J]. 電子學(xué)報, 2010, 38(4): 825-829.

Zhai Guo-hua, Hong Wei, Wu Ke,.. Compact wideband folded half mode substrate integrated waveguide bandpass filters[J]., 2010, 38(4): 825-829.

[3] 張忠海, 管伯然. 采用新型介質(zhì)集成波導(dǎo)的小型雙頻濾波器[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2012, 27(2): 321-325.

Zhang Zhong-hai and Guan Bo-ran. Novel compact dual- band bandpass filter adopting SIW cavity[J]., 2012, 27(2): 321-325.

[4] Wei Q F, Li Z F, and Shen H G. Dual-mode filters based on substrate integrated waveguide by multilayer LTCC technology[J]., 2008, 50(11): 2788-2790.

[5] Liu X X, Yu X, Cheng F,.. Double-layer dual-mode SIW filters using via perturbation[C]. IEEE International Workshop on Electromagnetics; Applications and Student Innovation (iWEM), Chengdu, China, 2012: 1-4.

[6] Chen X P, Hong W, Cui T J,.. Symmetric dual-mode filter based on substrate integrated waveguide (SIW)[J]., 2006, 89(1): 67-70.

[7] 張勝, 王子華, 肖建康, 等. 基于基片集成波導(dǎo)(SIW)的雙模帶通濾波器[J]. 微波學(xué)報, 2007, 23(2): 55-59.

Zhang Sheng, Wang Zi-hua, Xiao Jian-kang,.. Dual-mode bandpass filters based on substrate integrated waveguide (SIW)[J]., 2007, 23(2): 55-59.

[8] 秦培元, 石小林, 梁昌洪, 等. 一種新型X波段基片集成波導(dǎo)雙模帶通濾波器[J]. 西安電子科技大學(xué)學(xué)報, 2009, 36(5): 831-834.

Qin Pei-yuan, Shi Xiao-lin, Liang Chang-hong,.. Novel X-band dual-mode bandpass filter based on the substrate integrated waveguide[J]., 2009, 36(5): 831-834.

[9] Chang C Y and Hsu W C. Novel planar, square-shaped, dielectric-waveguide, single-, and dual-mode filters[J]., 2002, 50(11): 2527-2536.

[10] Huang T H, Chang C S, Chen H J,.. Simple method for a K-band SIW filter with dual-mode quasi-elliptic function response[J]., 2007, 49(6): 1246-1249.

[11] Li R Q, Tang X H, and Xiao F. A novel substrate integrated waveguide square cavity dual-mode filter[J]., 2009, 23(17/18): 2523-2529.

[12] Guan X H, Wang B, Liu H W,.. Design of a dual-mode substrate integrated waveguide filter with slot line perturbation[C]. International Conference on Microwave and Millimeter Wave Technology (ICMMT), Chengdu, China, 2012: 1-4.

[13] Chen L N, Jiao Y C, Zhang Z,.. Miniaturized substrate integrated waveguide dual-mode filters loaded by a series of cross-slot structures[J]., 2012, 29: 29-39.

[14] Xu Z Q, Shi Y, Xu C Y,.. A novel dual mode substrate integrated waveguide filter with mixed source-load coupling(MSLC)[J].., 2013, 136: 595-606.

[15] Amari S, Rosenberg U, and Bornemann J. Adaptive synthesis and design of resonator filters with source/load-multi- resonator coupling[J]., 2002, 50(8): 1969-1978.

[16] Hong J S and Lancaster M J. Microstrip Filters for RF/ Microwave Applications[M]. New York: Wiley, 2001: 235-271.

李榮強： 男，1977年生，副教授，研究方向為微波無源器件和天線理論與技術(shù).

肖紹球： 男，1975年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向為天線理論與技術(shù)、超寬帶電磁學(xué)及其應(yīng)用、計算電磁學(xué)等.

A Substrate Integrated Waveguide Dual-mode Filter with a Slot Line Perturbation

Li Rong-qiang①②Xiao Shao-qiu②

①(,,610225,)②(,,610054,)

In this paper, a novel miniaturized Substrate Integrated Waveguide (SIW) dual-mode filter is presented. By adopting an orthogonal input and output feed line, and an inclined slot line for disturbing two degenerate modes, two Transmission Zeros (TZs) are created. A 15 GHz SIW dual-mode filter with 350 MHz bandwidth is designed and fabricated using the proposed method. The filter has a very simple structure, low cost and is easily fabricated. The measured results are in good agreement with the simulated results, which show that the design of the proposed filter is correct and effective.

Filter; Substrate Integrated Waveguide (SIW); Dual-mode; Transmission Zero (TZ)

TN713

A

1009-5896(2014)11-2791-04

10.3724/SP.J.1146.2013.01665

李榮強 liyq2011@cuit.edu.cn

2013-10-29收到，2014-05-15改回

中國博士后科學(xué)基金(2014M562292)和四川省教育廳科研項目(13ZB0078)資助課題