怎樣去設(shè)計一種基于基片集成波導(dǎo)的雙通帶濾波器？

引言

濾波器是射頻微波電路和系統(tǒng)的重要組成部分，在不降低性能的前提下，朝著成本低、重量輕、體積小、兼容性好的方向發(fā)展。雙模設(shè)計是基片集成波導(dǎo)（Substrate integrated waveguide，SIW）濾波器技術(shù)的一個重要發(fā)展方向，除空腔數(shù)明顯減少外，還可以提供靈活、高性能的響應(yīng)。但是雙模單頻帶已經(jīng)不能滿足無線通信的需求，在這種趨勢下，發(fā)展高度集成的多功能和多頻帶組件如天線和濾波器起到了關(guān)鍵作用，并可應(yīng)用于緊湊型、易于集成的微波器件。近年來，已經(jīng)研究和開發(fā)了許多拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實現(xiàn)具有雙通帶或多通帶的高質(zhì)量濾波器響應(yīng)。

實現(xiàn)多通帶濾波器有多種方法：（1）有學(xué)者提出運用頻率變換法，在K波段設(shè)計了一種SIW多通帶濾波器，但該方法僅僅適用于對稱的雙通帶濾波器的設(shè)計；（2）采用并聯(lián)兩個不同頻率的濾波器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對雙通帶濾波器的中心頻率和帶寬的靈活設(shè)計，但濾波器的選擇性和帶外抑制度差、尺寸較大；（3）設(shè)計了一種基于單層SIW腔體的新型耦合結(jié)構(gòu)，在諧振腔中間加載槽線擾動，調(diào)整耦合結(jié)構(gòu)的尺寸和槽線的長度獲得了寬阻帶和雙頻性能，但是兩個頻帶相對帶寬（Frac?tionalbandwidth，F(xiàn)BW）較小。

本文首先研究了一種在K波段工作的單腔雙模基片集成波導(dǎo)濾波器，在此基礎(chǔ)上提出一種新型結(jié)構(gòu)的雙通帶濾波器，即將兩個單層SIW諧振腔進(jìn)行非對稱級聯(lián)，通過調(diào)節(jié)濾波器結(jié)構(gòu)尺寸和磁耦合窗口長度，來調(diào)整第二通帶的中心頻率，但對第一通帶的影響很小。利用電磁仿真軟件HFSS對所提出的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了SIW腔的TE101模和TE102模的理想耦合，獲得了較好的寬阻帶和雙通帶的性能。該設(shè)計既減小了濾波器的尺寸，簡化了結(jié)構(gòu)復(fù)雜性，又增大了FBW，適用于雷達(dá)系統(tǒng)和多通道通信的應(yīng)用。

1、濾波器設(shè)計

1.1 單腔雙模SIW諧振腔的特性分析

單腔雙模SIW諧振腔采用厚度為h=0.508mm、相對介電常數(shù)為εr=2.2的Rogers 5880的介質(zhì)基板，介質(zhì)基板損耗角正切為tanθ=0.001。

SIW方形諧振腔的幾何圖形如圖1所示，紅色孔表示擾動微孔。諧振腔寬度為w=9 mm，對角線上兩個微擾通孔的半徑為r1=0.3 mm，SIW諧振腔的四周的金屬化通孔的直徑為d=0.3 mm，兩個相鄰?fù)椎闹行闹g的距離為p=0.6 mm，微擾通孔的中心到四周最近的金屬通孔中心的距離為ss_via=1.2 mm。

SIW結(jié)構(gòu)僅能夠傳輸TE模式，卻不能夠傳輸TM模式。由圖2的電場分布圖可知，微擾通孔處等效于電壁，擾動微孔處的電場為零，擾動微孔越靠近中心位置，兩個諧振模式分裂的程度就越明顯，可以看出，微擾通孔對TE101模式有影響，對簡并模式TE102和TE201中的一個模式有影響。

圖1 雙模SIW結(jié)構(gòu)

當(dāng)方形諧振腔中的模式?jīng)]有受到微擾時，其TEm0n模的諧振頻率可由（1）式計算：

式中，c0 為光速，εr為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)，m、n是模式的下標(biāo)，Weff是方形諧振腔的等效寬度，可由（2）式得到。最終計算得出TE102（TE201）諧振頻率f0約為25.5 GHz。

圖2 電場分布圖：(a) TE101；(b) TE102；(c) TE201

加入微孔擾動時，腔體的諧振頻率被分成兩個高低不同的頻率f1 和f2，這兩個頻率的平均值（f1+f2）/2往往與諧振頻率f0不相等。這是由于加入微擾孔使簡并模式發(fā)生分離，造成諧振頻率發(fā)生頻偏。

SIW諧振腔的優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如圖3中實線所示。由圖3可知，該濾波器的中心頻率25.2 GHz，-3 dB帶寬為1.2GHz，帶內(nèi)回波損耗達(dá)到24 dB，插入損耗為0.87 dB，在22~23.7 GHz 和28.3~30.0 GHz這兩個頻段內(nèi)的抑制均大于24 dB，具有良好的帶外抑制性能。從圖3 中可以看出通帶的兩側(cè)各引入一個傳輸零點，兩個傳輸零點TZ1、TZ2 分別位于23.7 GHz 和28.3 GHz 處。由于在雙模諧振腔加入兩個微擾孔，經(jīng)過微擾后的諧振腔就可以等效為一個雙調(diào)諧電路。微擾孔激勵出兩個相互耦合的工作模式，并且分離這兩個簡并模式，當(dāng)這兩個模式幅度相同、相位相差180°就會引入傳輸零點。通過改變腔體的尺寸，可以控制TE102 和TE201這對簡并模式的耦合系數(shù)，進(jìn)而確定通帶左右兩側(cè)傳輸零點的位置，從而改善了濾波器阻帶的性能。

圖3 雙模SIW濾波器結(jié)果

為了驗證仿真設(shè)計結(jié)果，對濾波器進(jìn)行加工和測試。

測試結(jié)果如圖3中虛線所示，測得濾波器的中心頻率在25.4 GHz，通帶內(nèi)的插入損耗為1.1 dB，通帶內(nèi)的反射系數(shù)小于-20 dB。由于加工精度、測量線損耗以及焊接工藝所導(dǎo)致的誤差，使插入損耗略大于仿真結(jié)果，使仿真結(jié)果與加工實物的測試結(jié)果發(fā)生一定的頻偏。由圖3可知，實測結(jié)果與仿真設(shè)計結(jié)果基本吻合。

本文雙模SIW與相關(guān)文獻(xiàn)中的SIW濾波器的性能比較結(jié)果如表1所示。由表1可見，文獻(xiàn)提出了中心頻率分別在Ku波段和K波段的雙模濾波器，具有最大的可調(diào)傳輸零點數(shù)，但產(chǎn)生的帶外抑制較差。本文提出的SIW濾波器，在不增加設(shè)計復(fù)雜度的情況下保持SIW的完整性，消除了上述缺點，從而使所設(shè)計中心頻率在25.2 GHz的雙模濾波器的帶寬更寬，尺寸更小，回波損耗和帶外抑制更好。

表1 與文獻(xiàn)中雙模SIW濾波器比較

1.2 雙腔雙通帶SIW諧振腔特性分析

雙腔雙通帶SIW濾波器采用Rogers 5880的介質(zhì)基板，相對介電常數(shù)為εr=2.2，厚度h=0.508 mm。根據(jù)，單個矩形SIW諧振腔中心頻率可由式（3）計算得：

式中，c0為光速，εr為介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)，等效長度aeff和等效寬度beff 由SIW 諧振腔的長a 和寬b計算得到：

其中d為金通孔的直徑，p為通孔間距。該SIW諧振腔寬為a=b=w=9.6mm，由式（3）計算可得TE101諧振頻率f1 約為15.5 GHz，TE102（TE201）諧振頻率f2約為24.6 GHz，受到微擾影響，頻率有偏移。利用ANSYS HFSS電磁仿真軟件，優(yōu)化仿真的參數(shù)如表2所示。

表2 參數(shù)設(shè)置

濾波器結(jié)構(gòu)如圖5所示，它是由對角線上有金屬微孔的兩個非對稱SIW諧振腔組成。濾波器的饋電方式選擇開槽過渡饋電，即在共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和SIW結(jié)構(gòu)連接處開縫隙，調(diào)節(jié)縫隙的尺寸和微帶線的寬度來達(dá)到匹配。每個SIW諧振腔體之間是最直接的電感耦合窗口，通過調(diào)整TE101和TE102模式的耦合系數(shù)來實現(xiàn)雙通帶。

圖5 雙通帶SIW結(jié)構(gòu)

參數(shù)ss_via是微擾通孔距離邊界的距離，主要調(diào)節(jié)濾波器的帶寬。由圖6仿真結(jié)果可知，調(diào)節(jié)ss_via對第一通帶幾乎不產(chǎn)生影響，但對第二通帶中心頻率產(chǎn)生影響。隨著對角線上的兩個金屬通孔到邊界的距離ss_via越大，第二通帶帶寬越寬。

該濾波器的傳輸零點主要由高次模耦合產(chǎn)生，如圖6所示，在20~30 GHz的頻率之間產(chǎn)生三個傳輸零點TZ1、TZ2 和TZ3，ss_via距離影響著傳輸零點的位置，這是由于ss_via的變化會改變磁耦合系數(shù)。隨著ss_via距離的增大，三個傳輸零點位置遠(yuǎn)離通帶，拓寬了帶寬，但使阻帶特性變差。

圖6 ss_via參數(shù)曲線

由圖7 仿真結(jié)果可知，兩個通帶的中心頻率分別在15.1 GHz 和24.4GHz，插入損耗分別是0.5 dB和0.88 dB，回波損耗分別達(dá)到17.9 dB 和21.1 dB，TE101模式在16.3~21.7 GHz頻段內(nèi)的阻帶被抑制在-20 dB以下。

為了驗證仿真結(jié)果，對所提出濾波器制作了實物如圖8所示，使用微波矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖7中虛線所示。測得兩個通帶的中心頻率在15.3 GHz和24.6 GHz的相對帶寬分別是4 %和3.9 %，插入損耗分別為0.89 dB 和1.27 dB，回波損耗分別為17.2 dB和15.1 dB。由圖7可知，第一通帶的仿真結(jié)果與測試結(jié)果符合得較好；由于高次諧波的產(chǎn)生，導(dǎo)致第二通帶的測試結(jié)果與仿真結(jié)果有一定的偏差。

圖7 雙通帶SIW濾波器結(jié)果

進(jìn)一步將本文的設(shè)計結(jié)果與之前的文獻(xiàn)結(jié)果相比較，如表3所示，可見本文的設(shè)計結(jié)果具有一定的優(yōu)越性。

表3 與文獻(xiàn)中雙通帶SIW濾波器比較

2、結(jié)論

首先對單腔雙模SIW濾波器進(jìn)行研究，取得了良好的阻帶特性和帶外抑制性能。進(jìn)一步將兩個單腔SIW諧振腔非對稱級聯(lián)，通過調(diào)節(jié)SIW腔的TE101模和TE102模耦合系數(shù)，實現(xiàn)了雙通帶和寬阻帶的性能。然后進(jìn)行實物加工測試，測試結(jié)果與用電磁仿真軟件HFSS優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果基本吻合。該濾波器尺寸是13.4 mm × 22.4 mm，具有尺寸小、低損耗、低成本、寬阻帶和雙頻響應(yīng)。該濾波器可用于K波段無線通信系統(tǒng)。

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