一種毫米波基片集成波導濾波器設計*

鐘麗，張先榮

一種毫米波基片集成波導濾波器設計*

鐘麗1，張先榮2

（1.成都職業技術學院，四川 成都 610041；2.中國西南電子技術研究所微系統中心，四川 成都 610036）

基于基片集成波導結構，設計并制作了一款小型化毫米波SIW帶通濾波器。對該濾波器的耦合結構參數進行了理論分析和計算，并使用三維電磁場仿真軟件HFSS對濾波器結構進行了仿真。該帶通濾波器中心頻率為30.7 GHz，在通帶29.8 GHz—31.6 GHz頻率范圍內，其插損低于2.75 dB，反射參數小于-13 dB；在通帶外35 GHz處，其抑制大于50 dB。測試結果表明，該毫米波濾波器性能良好，測試結果與仿真結果基本一致。

毫米波 基片集成波導 帶通濾波器

1 引言

近年來，無線通信和微波毫米波射頻技術都得到了快速發展。濾波器作為射頻系統中關鍵的無源器件之一，其結構的大小及性能指標的優劣一直都受到工業界和學術界的極大關注。

典型的波導濾波器由于具有高Q值、高功率容量、低插損等優點被大量地運用于各類地面、車載通信，雷達系統等平臺。然而波導濾波器因其體積大、成本高等，在機載、星載等體積和質量受到嚴格限制的平臺上的應用受到極大的限制[1-2]。

微帶濾波器具有體積小、易于與平面電路集成、加工精度高等優勢，在微波、毫米波等射頻電路中得到大量運用。但微帶濾波器Q值低，尤其是在毫米波及更高的頻段上，其產生的高輻射損耗會對系統指標造成較為嚴重的影響，故其在高頻段的運用受到了極大約束。

基片集成波導（SIW，Substrate IntegratedWaveguide）在結構上擁有與金屬波導相一致的電磁特性，并且還具有與微帶電路相似的體積小、重量輕、易與平面電路集成、適合大規模生產等獨特優勢，自提出以來便受到業界的極大關注，得到了快速發展[3-4]。利用SIW技術設計制作的濾波器、天線等產品，被迅速、廣泛地應用在了體積、質量等受到嚴格限制的機載、星載等射頻電路系統中[5-9]。

另外，毫米波自身具備波長短、頻帶寬，抗干擾性強等特點，故毫米波系統在電子對抗、雷達系統等方面都得到了很好地運用和發展[10]。

為了兼顧毫米波系統中濾波器功率容量高、體積小、易與平面集成等要求，本文從SIW結構出發，設計了一款毫米波SIW濾波器，并對其進行了測試。

2 SIW濾波器的設計

2.1 SIW濾波器結構介紹

SIW濾波器的結構示意圖如圖1所示，用兩排或更多的金屬通孔通過周期排列來代替金屬波導的側壁，上下兩層為金屬層，并通過金屬通孔相連，兩排金屬孔的間距為W，金屬孔的直徑為d，相鄰通孔之間的間距為s，介質層的厚度用h表示。

圖1 SIW濾波器結構示意圖

2.2 濾波器指標要求

本文所設計的毫米波SIW帶通濾波器指標要求如下：中心頻率f0=30.7 GHz，通帶帶寬BW=1.8 GHz，通帶外35 GHz處的帶外抑制大于50 dB，反射小于-15 dB，輸入和輸出阻抗均為50 Ω的傳輸線結構。

2.3 濾波器設計原理

根據2.2節中濾波器的技術指標要求，通過對濾波器的結構及后續加工難度等因素進行評估，最終選用Chebyshev型，整個濾波器結構需要5階才能滿足指標要求。根據文獻，利用耦合系數法，可得到濾波器的歸一化M耦合矩陣如公式(1)[11-12]：

僅獲得M矩陣還不能直接根據此耦合參數建立起濾波器的物理結構，還需將公式(1)中的M矩陣耦合系數轉換為可用物理結構具體實現的K系數，具體轉換對應關系如公式(2)所示：其中，Kij是相鄰諧振器之間的耦合系數，n代表濾波器的階數（本文中濾波器的階數為5），FBW為濾波器的相對帶寬，相對帶寬表達式如公式(3)所示：

公式(3)中的f2、f1、f0分別是濾波器通帶高端、低端和通帶中心頻率。由公式(1)減去公式(3)計算得到的具體的M系數和K系數的數值如表1所示：

表1 M系數和K系數的關系表

表1中，MS1、KS1分別表示源與第1個諧振腔之間的M矩陣和K矩陣耦合系數；M5L、K5L表示負載與第5個諧振腔之間的M矩陣和K矩陣耦合系數。

獲得濾波器的K系數后，還需獲取端口與其相連的諧振腔的外部Q值。為了簡化整個濾波器的結構，便于具體設計，濾波器采用了對稱設計。因此，外部Q值可根據公式(4)進行計算，所以得到：

根據表1以及公式(3)和公式(4)，可得到QS1=Q5L=14.7。

2.4 濾波器的仿真

根據以上分析得到了諧振器之間的耦合系數，再利用電磁仿真軟件HFSS建立起SIW濾波器的初始模型，然后通過調整模型結構尺寸可獲得比較好的S參數，而后再進行仿真優化。考慮到實際生產過程中LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）產品的介電常數、損耗角正切等對濾波器體積、熱穩定性、損耗等指標的影響，選用一種適用于微波射頻電路的LTCC生胚介質材料Ferro A6M作為SIW濾波器的基板材料，其介電常數為5.9，損耗角正切0.001 5，基片厚度設置為0.254 mm，金屬層厚度設為0.018 mm。所有通孔均做金屬化處理，濾波器對外的輸出、輸入接口均設置為標準的50 Ω微帶線結構。

最后通過仿真優化，得到具體的濾波器物理尺寸：d=0.2 mm，s=0.38 mm，L1=2.61 mm，L2=3.01 mm，L3=3.08 mm，W0=0.95 mm，W1=1.62 mm，W2=1.54 mm，W3=1.51 mm，W=3.06 mm（如圖3所示，L表示孔間的距離）。

仿真的模型和結構參數含義如圖2和圖3所示，仿真得到的濾波器S參數如圖4所示。

圖2 SIW濾波器仿真模型

圖3 SIW濾波器結構參數

圖4 仿真得到的SIW濾波器S參數圖

3 濾波器的實物加工與測試

根據第2節仿真優化得到的物理尺寸，對濾波器進行了實物加工。具體通過LTCC工藝進行基板制作和打孔，再利用薄膜工藝完成基板上的金屬層圖形制作，最后得到的濾波器實物如圖5所示。整個濾波器結構長25 mm，寬3.3 mm。

圖5 SIW濾波器實物圖

對加工完成的濾波器實物進行了性能指標測試。整個測試在常溫環境下進行，測試時將濾波器背面粘接在一個金屬測試臺中，兩端通過金絲鍵合與一段50 Ω微帶傳輸線相連，再將測試臺上K接頭的探針焊接于微帶線上進行測試。作為整個測試用的輸入、輸出端口，K接頭再通過轉換接頭連接于矢量網絡分析儀的接口上。實物測試連接圖如圖6所示：

圖6 SIW濾波器實物測試圖

通過矢量網絡分析儀得到的SIW濾波器S參數測試結果如圖7和圖8所示，從測試結果可以看出，在濾波器通帶29.6 GHz—31.4 GHz范圍內，其最大插損為4.25 dB；反射參數除了在30 GHz附近稍差以外，在其余頻率下均小于-13 dB；在通帶外35 GHz處，其抑制大于50 dB。扣除測試時用于連接的微帶線、K接頭及金絲鍵合等帶來的損耗，實際濾波器在通帶內的插損約為2.75 dB，整體測試性能良好。從仿真和測試結果來看，整體的S參數性能吻合較好，但整個的頻率往低端偏移約200 MHz，帶內的反射參數也比仿真數據稍差一些。原因在于，在SIW濾波器加工過程中介質材料實際的介電常數偏差、基板實際厚度、孔間距的加工誤差以及測試采用的兩段微帶線及K接頭等都會對最終的測試結果造成不利的影響。下一步為減小測試誤差，可減小微帶線的長度，提高加工精度，并選用探針測試臺來進行測試。

圖7 S12參數實測結果圖

圖8 S22參數實測結果圖

4 結論

采用基片集成波導結構，設計了一款毫米波帶通濾波器，本文對其實現原理進行了理論分析，并利用電磁仿真軟件HFSS進行了仿真優化，最后闡述了通過LTCC和薄膜等工藝技術進行實物加工的過程，并對濾波器實物進行了測試驗證。測試結果表明，整個SIW毫米波濾波器性能良好、結構緊湊、易于集成，可廣泛應用于毫米波電路與系統。

[1] Linsheng Wu, Xilang Zhou, Wenyan Yin. Evanescent-Mode Bandpass Filters Using Folder and Ridge Substrate Integrated Waveguide (SIW)[J]. IEEE Microwave and Wireless Components, 2009,19(3): 161-163.

[2] Xianrong Zhang, Qingyuan Wang, Wei Han, et al. A novel capacity loaded dual-mode band-pass filter[C]// Proceedings of 2012 International Workshop on Microwave and Millimeter Wave Circuits and System Technology. 2012: 65-67.

[3] H Uchimura, T Takenoshita, M Fujii. Development of a“Laminated Waveguide”[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1998,46(12): 2438-2443.

[4] Xu Feng, Wu Ke. Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2005,53(1): 66-73.

[5] M Bozzi, A Georgiadis, K Wu. Review of substrateintegrated waveguide circuits and antennas[J]. IET Microwave Antennas and Propagation, 2011,5(8): 909-920.

[6] Qiaoli Zhang, Wenyan Yin, Sailing He, et al. Compact substrate integrated waveguide (SIW) bandpass filter with complementary split-ring resonators[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2010,20(8): 426-428.

[7] 張勝,王子華,肖建康,等. 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.

[8] Gao Haoyang, Tang Zongxi, Cao Xin, et al. Dual-band SIW filter with CSRRS and complementary spiral resonators[J]. Microwave and Optical Technology Letters, 2016,58(1): 1-4.

[9] HUANG Fei, ZHOU Jianyi, HONG Wei. Ku Band Continuously Tunable Circular Cavity SIW Filter with One Parameter[J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2016,26(4): 270-272.

[10] 張先榮. 超寬帶毫米波接收前端設計[J]. 電訊技術, 2016,56(7): 799-803.

[11] Richard J Cameron. General coupling matrix synthesis methods for chebyshev filtering functions[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2002,47(4): 433-442.

[12] Richard J Cameron. Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003,51(1): 1-10. ★

Design of a Millimeter Wave Substrate Integrated Waveguide Filter

ZHONG Li1, ZHANG Xianrong2
(1. Chengdu Polytechnic, Chengdu 610041, China; 2. Microsystem Center, Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A miniaturized millimeter wave bandpass filter based on the substrate integrated waveguide (SIW) structure was designed and fabricated. The coupling structure parameters of the bandpass filter were analysed and calculated by coupling matrix synthesis techniques. The filter structure was simulated by 3D electromagnetic field analysis software HFSS. For the bandpass filter, the center frequency is 30.7 GHz, the pass band is from 29.8 GHz to 31.6 GHz, the insertion loss is below 2.75 dB, the reflection parameter is less than -13 dB and the suppression above 35 GHz is larger than 50 dB. Testing results show that the millimeter wave filter has good performance with the tested results in accordance with the simulation results.

millimeter wave substrate integrated waveguide (SIW) passband filter

鐘麗：碩士畢業于電子科技大學，現任成都職業技術學院電子信息工程系講師，主要研究方向為電子技術、微波電路。

張先榮：工程師，博士畢業于電子科技大學，現任職于中國西南電子技術研究所微系統中心，主要研究方向為毫米波電路與系統、微系統。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.008

TN713

A

1006-1010(2017)15-0040-04

鐘麗,張先榮. 一種毫米波基片集成波導濾波器設計[J]. 移動通信, 2017,41(15): 40-43.

四川省教育廳科研資助項目（17ZB0141）

2017-06-21

責任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn