一種加載F型電磁帶隙的多層SIW帶通濾波器*

楊 君，許林青，張仕順，徐 娟，趙建平

（曲阜師范大學，山東 曲阜 273165）

0 引 言

電磁帶隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）結構是一種周期性慢波結構。它的帶阻特性能夠使特定阻抗頻段內的電磁波完全不能在其中傳輸，具有明顯的禁帶特性。它的制作簡單、體積小、便于集成等優點，使其得到了廣泛應用，尤其是在天線、濾波器等方面[1]。

隨著無線通信技術的迅猛發展，微波電路和射頻無源器件在無線電系統中扮演著越來越重要的角色。由于頻率資源日漸緊張，實際應用對微波、毫米波系統工作質量和頻帶的要求越來越苛刻。所以，在保證器件性能的前提下，實現產品小型化是一種必然趨勢。為了滿足無線通信技術的要求，提出了一種新型導波結構——基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）[2]。它具備了損耗低、品質因數高、功率容量大、體積小、易于與其他元器件集成的優點。SIW自身的優異性能使其被廣泛應用到了微波、毫米波電路的各個領域，尤其是在衛星通信和無線基站等方面應用[3]。

如圖1所示，基片集成波導是將傳統波導結構集成在介質基片中，上下兩層金屬片，中間填充介質。與矩形波導不同的是，它采用雙排平行的周期金屬通孔限制電磁波的傳輸，將電磁波限制在壁內空間傳播，起到電壁的作用。

圖1 SIW基本結構

然而，SIW濾波器的兩側是金屬通孔，而金屬通孔之間存在間隙，使得SIW濾波器具有一定的能量泄露。根據經驗公式，當金屬通孔直徑d，金屬通孔圓心間距p，SIW的寬度wa和波長λg滿足式（1）～式（3）時，能量泄露將足夠小，可以忽略不計[4]。

本文設計的濾波器中心頻率為24 GHz，相對帶寬約40%，回波損耗小于-10 dB，插入損耗小于-25 dB。在HFSS中建立模型仿真，介質基片是介電常數為2.94的羅杰斯6002，高度h為0.508 mm。

1 雙層SIW帶通濾波器

相對于微帶線濾波器，SIW濾波器的尺寸仍然不夠小。為了減小濾波器的尺寸，SIW濾波器引入了雙層概念[5]。雙層SIW濾波器的電磁耦合拓撲結構如圖2所示，位于同一層諧振腔之間的磁耦合是通過諧振腔之間的電感窗口實現的，而兩層介質基板之間的電耦合則是通過蝕刻在中間層上的圓型通孔實現的。

圖2 雙層SIW濾波器耦合拓撲結構

圖3是兩層SIW帶通濾波器的結構圖，尺寸如下：W=8.4 mm，d=0.4 mm，wa=6.07 mm，w50=1.27 mm，b=3.83 mm，b1=1.9 mm，b2=2.4 mm，L=14 mm，L1=11.2 mm，p=0.22 mm，p1=0.18 mm。 圖 4是HFSS的仿真結果圖。從插入損耗看，該濾波器的高頻具有較好的帶外截止性能，但是低頻端的帶外截止性能相對較差。

圖3 雙層SIW帶通濾波器結構

圖4 HFSS仿真結果

2 加載F-EBG雙層SIW帶通濾波器

2.1 F-EBG結構的性能分析

EBG結構是周期性結構，其周期性引發散射波相位的周期分布，各單元的散射波造成反相疊加而相互抵消，形成頻率帶隙。EBG結構的應用是基于帶隙的存在，因此電磁帶隙可以起到對電磁波的阻帶作用。所以，將EBG結構應用到SIW中，可以實現濾波作用。EBG是一種高等效性結構，圖5為單個F-EBG的相位變化。由相位變化可知，F-EBG結構在39 GHz處出現-90°的相位反轉，因此可以將其等效為諧振腔加載電感結構。圖6為它的等效電路。

圖5 F-EBG結構的相位變化

圖6 F-EBG的等效電路

圖7是單個F-EBG的阻抗特性圖。

圖7 F-EBG阻抗特性

對比圖5和圖7可以看到，在相位反轉處，F-EBG出現高阻特性。鑒于F-EBG的帶阻特性和高等效性，將F-EBG引入SIW帶通濾波器中，利用其使特定阻抗頻段內的電磁波完全不能在其中傳輸的特性，將F-EBG利用到SIW帶通濾波器的低頻端，提高低頻端的頻帶選擇性。

2.2 加載F-EBG雙層SIW帶通濾波器

為了提高雙層SIW濾波器低頻端的帶外截止性能，本文提出了加載F-EBG結構的雙層SIW帶通濾波器[6]。在雙層SIW濾波器的上下兩層金屬上，分別加載相同的F-EBG，通過調節F-EBG的大小和個數，對SIW濾波器進行優化得到最終的結果。圖8是上下金屬貼片分別加載單個F-EBG的SIW帶通濾波器結構圖。

圖8 加載單個F-EBG的SIW濾波器結構

圖9為加載不同個數F-EBG的SIW帶通濾波器的差值損耗仿真結果。可以看到，通過加載F-EBG，提高了高頻處的頻率截止性；隨著F-EBG個數的增加，低頻段處產生一個明顯的傳輸零點，明顯提高了通帶選擇性。當分別加載3個F-EBG結構時，SIW的帶外截止性能最好。

圖9 加載不同個數F-EBG仿真結果

圖10是上下分別加載3個F-EBG的SIW濾波器結構圖。該濾波器尺寸如下：W=8.3 mm，wa=0.4 mm，wa=6.07 mm，w50=1.27 mm，b=3.83 mm，b1=1.9 mm，b2=2.4 mm，L=15.7 mm，L1=11.17 mm，p=0.21 mm，p1=0.18 mm。

圖10 加載3個F-EBG的SIW濾波器結構

圖11是上下金屬貼片分別加載3個F-EBG的仿真結果圖。可以看到，該濾波器實現了中心頻率是24 GHz，保持了40%的帶寬，且通帶內相對平滑，最小通帶插入損耗為30.9 dB，而回波損耗大于10 dB。通過加載F-EBG，分別在17.4 GHz和31.2 GHz處產生兩個傳輸零點，通過引入傳輸零點，提高了該濾波器的截至特性，從而改進該濾波器的通帶選擇性和帶外抑制性。可見，該過濾器具有體積小、一體化程度高的特點，同時保持了很好的通帶選擇性和帶外截止性。

圖11 加載3個F-EBG仿真結果

3 結 語

本文提出了一個四階雙層SIW帶通濾波器，為了提高低頻端的帶外抑制性能，分別在上下兩層金屬貼片上加載F型電磁帶隙，通過對F-EBG不同方向的調整，證明了加載F-EBG可以有效提高雙層SIW的通帶選擇性，使得濾波器的實現形式更加靈活。

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