K波段高選擇性基片集成波導(dǎo)濾波器設(shè)計?

張博林 陳 明

（西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院 西安 710121）

1 引言

近代以來，微波射頻領(lǐng)域的各種技術(shù)都在不斷地發(fā)展，各種電路結(jié)構(gòu)的研究正在不斷進(jìn)行，現(xiàn)代通信的不斷的更新?lián)Q代，同時對微波器件的要求越來越高，如小型化、集成度高、低損耗等，而傳統(tǒng)的無源器件結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能完全滿足這些需求［1］，通過研究，在上世紀(jì)末，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一種新的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)——基片集成波導(dǎo)（Substrate Intergrated Waveguide，SIW）。

基片集成波導(dǎo)是一種新型平面類導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，在20世紀(jì)末90年代由東南大學(xué)的洪偉教授等發(fā)現(xiàn)［2］。基片集成波導(dǎo)是在介質(zhì)基板的基礎(chǔ)上，在電路兩側(cè)開一排金屬通孔，當(dāng)金屬通孔之間的距離小于工作波長的十分之一時，那么泄露的電磁波就會少到忽略不計［3］，該結(jié)構(gòu)內(nèi)電磁波傳播特性與在金屬波導(dǎo)中傳播的特性幾乎相同，這樣就可以完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)的波導(dǎo)，這也是其名字由來的原因。基片集成波導(dǎo)與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相比具有很多優(yōu)點，例如品質(zhì)因數(shù)高、低剖面、尺寸小、易于集成等。而且可以便捷地利用PCB技術(shù)與LTCC技術(shù)制作［4］。由于基片集成波導(dǎo)具有許多優(yōu)勢，目前被廣泛應(yīng)用于微波無源器件的設(shè)計，如濾波器、功分器、耦合器、天線等，已經(jīng)成為微波領(lǐng)域的研究熱點。

2 基本理論

圖1 基片集成波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)

如圖1是基片集成波導(dǎo)的一種基本結(jié)構(gòu)，在介質(zhì)基片兩側(cè)開一排金屬化使得通孔，通孔的直徑為d，通孔的間距為S，SIW的寬度為W。SIW的等效傳輸寬度Weff可用式（1）來計算。

一種較復(fù)雜和精確的等效公式被Xu F.等提出［5］，如式（2）：

Che W.等對等效公式做了改進(jìn)，提出了更進(jìn)一步的等效公式［6］，如式（3）：

在傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)中，能夠傳輸?shù)哪Ｊ接蠺E模和TM模，但在基片集成波導(dǎo)中，能夠傳輸僅有TE模。因為金屬化通孔雖然可等效為矩形波導(dǎo)的壁，但金屬化通孔并不是連續(xù)的，通孔的間距會影響到表面電流。TM模的磁場是橫向的，這意味著在兩側(cè)表面電流方向與通孔的高是垂直的，但相鄰?fù)组g距的存在切割了表面電流，在這種情況下就會產(chǎn)生位移電流并引發(fā)電磁輻射泄露，那么TM模的能量被輻射出去，在基片集成波導(dǎo)的傳輸方向上就無法存在，所以SIW中只能存在TE模，而不存在TM模［7］。與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)諧振腔相同的是，用腔體設(shè)計濾波器的主要問題就是在同一個波導(dǎo)諧振腔內(nèi)存在的不同的傳播模式之間的相互干擾。

3 SIW方形諧振腔的設(shè)計

如圖2是一個正方形的SIW腔體，介質(zhì)基板材料為Rogers5880，介電常數(shù)εr=2.2，損耗角正切0.0009，基板厚度H=0.508mm，將波端口設(shè)置在相鄰兩個邊上，就形成一個基礎(chǔ)的SIW傳輸結(jié)構(gòu)。

在基片集成波導(dǎo)中，傳輸?shù)哪門Em0n模［3］（m，n ≥ 1），根據(jù)式（4），隨著m、n的增大，其對應(yīng)的頻率會不斷升高。為了實現(xiàn)小型化，設(shè)計中主要利用存在的TE101模，TE102模，TE201模，TE202模進(jìn)行設(shè)計［8～9］。根據(jù)式（4）當(dāng)SIW腔體的寬度W等于長度L時，TE102模的頻率等于TE201模的頻率。本文設(shè)計的基片集成波導(dǎo)濾波器在帶寬內(nèi)傳輸?shù)哪門E102模和TE201模。雖然兩個正方形SIW腔體傳輸?shù)哪Ｊ讲煌钱?dāng)邊長相同時，它們的工作頻率也是相同的。

4 濾波器的結(jié)構(gòu)

用一個SIW腔體設(shè)計濾波器，由于多種模式共存的干擾，存在一定的難度，本文采用兩個SIW腔體分別對通帶的上邊帶和下邊帶進(jìn)行抑制，分別用HFSS軟件進(jìn)行仿真，分別實現(xiàn)預(yù)想的抑制效果之后，再將兩個腔體進(jìn)行連接，再對整體性能進(jìn)行軟件仿真和優(yōu)化［10］。分析圖2可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)兩個端口都處于中間位置時，對于TE102模和TE201模，總有一個端口處于場分布最弱的位置，不利于模式的傳輸。可以考慮通過移動端口位置來改善其性能［11］。

圖2 SIW方形諧振腔

圖3 SIW諧振腔的幾種傳輸模式

將圖2的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在port2端口位置不變的情況下，將port1端口向左移動W_P1，使得兩個端口處于TE102模場分布最強的位置。并在右下角加入微擾孔，對通帶的下邊帶的抑制增加，最終得到的仿真結(jié)果，W_P1對S21的影響如圖4（a）。在圖2的基礎(chǔ)上將port1與port2向右下角同時移動W_P2，傳輸TE201模和TE201模的同時對通帶的上阻帶進(jìn)行了抑制，W_P2對上阻帶抑制的效果進(jìn)行軟件仿真優(yōu)化，W_P2對上邊帶抑制的效果如圖5。

圖4 兩種SIW腔的結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的兩種腔體如圖4所示，兩個正方形腔體的介質(zhì)基板與基片大小完全一樣，正方形介質(zhì)基板邊長P=20mm，正方形SIW諧振腔邊長L=16.5mm，端口微帶線寬度W=2.1mm，通孔直徑d=0.5mm，通孔間距 S=0.2mm，S_via=1.6mm，W_P1=1.5mm，W_P2=1.4mm。兩個諧振腔工作在TE102和TE201模式，根據(jù)式（4），兩個腔體的工作頻率一致。

圖5 兩種SIW方形腔的仿真效果

將仿真優(yōu)化后的兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行連接，連接后的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。經(jīng)過HFSS軟件優(yōu)化，得到微帶線的最佳傳輸長度。SIW濾波器的仿真結(jié)果如圖6所示，濾波器中心頻率?0=16GHz，3dB帶寬BW=0.9GHz，相對帶寬5.6%，帶寬內(nèi)回波損耗S11小于-15dB，插入損耗S21大于-1.2dB，同時對兩側(cè)阻帶的帶外抑制小于-40dB，同時矩形系數(shù)良好，在左側(cè)形成一個傳輸零點，位于13.8GHz，右側(cè)形成兩個傳輸零點，分別位于17GHz與19.5GHz。該濾波器具有體積小，易于集成等優(yōu)點。

圖5 濾波器的結(jié)構(gòu)圖

圖6 濾波器的仿真結(jié)果

5 結(jié)語

本文首先對基片集成波導(dǎo)基本理論和方形諧振腔的傳播模式進(jìn)行研究，利用TE102模和TE201模在SIW方形諧振腔的傳播特性，設(shè)計兩個可以分別對通帶的低阻帶和高阻帶進(jìn)行抑制的SIW方形諧振腔，利用HFSS軟件進(jìn)行優(yōu)化仿真，得到理想結(jié)果后，通過微帶線將兩個諧振腔進(jìn)行連接，得到一個高選擇性的SIW濾波器。濾波器可利用PCB技術(shù)加工，具有小型化，可集成度高等優(yōu)點。