SIW可調(diào)濾波器研究進展

武警工程大學(xué) 周 建 謝文宣

SIW可調(diào)濾波器研究進展

武警工程大學(xué) 周 建 謝文宣

隨著加工工藝不斷發(fā)展提高和一系列新材料在微波濾波器設(shè)計制作的應(yīng)用，可調(diào)濾波器的設(shè)計和研制迎來一個非常好的發(fā)展時期，結(jié)合近十年來可調(diào)濾波器的相關(guān)研究成果，立足前人智慧，綜述了國內(nèi)外SIW可調(diào)濾波器研究現(xiàn)狀。

濾波器；可調(diào)；基片集成波導(dǎo)；MEMS

0　引言

為了提高頻譜資源的利用率，擴頻、跳頻和動態(tài)頻率分配等技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用。這些技術(shù)的廣泛應(yīng)用希望射頻器件尤其是濾波器能滿足快速可調(diào)或可重構(gòu)的需要，因此可調(diào)濾波器的研究越來越受到關(guān)注。隨著一系列半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，已經(jīng)有晶片組已經(jīng)可以工作在60GHz甚至更高頻率，對濾波器的性能也提出了更高要求[1]。

1　研究背景與意義

無論是軍事通信系統(tǒng)還是民用通信系統(tǒng)，都要求通信設(shè)備小型化和通用化[2]。在軍事通信系統(tǒng)中，軍用短波電臺和超短波電臺都廣泛應(yīng)用跳頻擴頻技術(shù)以保障通信質(zhì)量和信息保密性。在民用通信系統(tǒng)中，由于多種通信標(biāo)準(zhǔn)并存的現(xiàn)狀，現(xiàn)在的便攜設(shè)備需要能夠適應(yīng)不同頻段的移動通信，傳統(tǒng)的做法是設(shè)計多個接收機，但是這樣不利于設(shè)備小型化。利用可調(diào)濾波器設(shè)計多功能接收機提供了一種解決方案。實現(xiàn)能夠軟件控制的可編程微波收發(fā)系統(tǒng)是現(xiàn)代通信系統(tǒng)的重要發(fā)展方向，能根據(jù)需求調(diào)節(jié)頻率選擇范圍的微波濾波器是微波系統(tǒng)具有重構(gòu)性的基礎(chǔ)，因此，可調(diào)濾波器的研究在解決通信設(shè)備小型化和通用化方面具有十分重要的意義。

2　可調(diào)濾波器的分類

可調(diào)濾波器可分為兩種，有源和無源。

有源可調(diào)濾波器一般由場效應(yīng)管構(gòu)成，具有調(diào)諧速度快，插入損耗小，帶外隔離好等優(yōu)點。但是有源可調(diào)濾波器工作的截止頻率低，功率容量受有源器件的制約，并且噪聲系數(shù)比較大。

最常用的是無源可調(diào)濾波器。按調(diào)諧方式可分為機械調(diào)諧和電調(diào)諧；按使用材料可分為∶ 半導(dǎo)體、鐵電薄膜、鐵氧體、MEMS等；按濾波特性可分為：低通、高通、帶通、帶阻、窄帶、寬帶、超寬帶；按功能可分為：中心頻率可調(diào)、帶寬可調(diào)、帶外傳輸零點可調(diào)；按濾波器結(jié)構(gòu)可分為：微帶線、共面波導(dǎo)、同軸腔、矩形波導(dǎo)等。

3　SIW可調(diào)濾波器研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的濾波器多采用微帶線結(jié)構(gòu)。微帶線濾波器可以做成平面電路，具有結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，造價低的特點，并且微帶線結(jié)構(gòu)有利于連接和安裝微波有源器件。但是微帶電路介質(zhì)基片帶來的損耗是不可避免的，同時微帶結(jié)構(gòu)全開放的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致能量的泄漏和輻射也很嚴(yán)重。

矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)很早就被應(yīng)用到高性能濾波器的設(shè)計中，但是由于其三維的立體結(jié)構(gòu)，難以與平面電路集成[3]。另外，在更低的毫米波頻段，矩形波導(dǎo)體積較大。基片集成波導(dǎo)（Substrate-Integrated-Waveguide，SIW）結(jié)構(gòu)應(yīng)運而生。

2001年加拿大蒙特利爾大學(xué)的吳柯教授正式提出具有低損耗、高Q值和高功率容量的基片集成波導(dǎo)的概念，自此以后，SIW逐漸成為研究的熱點。

SIW是用成排的金屬通孔在雙面覆蓋金屬層的低損耗介質(zhì)基片(如low-temperature co-fired ceramics簡稱LTCC等介質(zhì)基片)上形成的，所以SIW器件的一個重要性質(zhì)是具有與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相近的特性，諸如品質(zhì)因數(shù)高、易于設(shè)計等，同時也具有體積小、重量輕、容易加工、造價低和易于集成等傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)所沒有的優(yōu)點。如果應(yīng)用SIW實現(xiàn)濾波器和雙工器等高Q值的無源器件，則可以把整個微波毫米波系統(tǒng)制作在一個封裝內(nèi)(System On Package SOP)，使微波毫米波系統(tǒng)小型化，同時降低了成本，所以SIW技術(shù)有光明的應(yīng)用前景。

但是，由于SIW的橫向橫尺寸很大，無法滿足系統(tǒng)小型化和集成化的要求，學(xué)者們一直在不斷地研究開發(fā)小型化基片集成波導(dǎo)等單元，目前，通過金屬表面加載或者半模技術(shù)和折疊技術(shù)已經(jīng)可以將基片集成波導(dǎo)縮小為原來的1/4、1/8甚至更小，基片集成波導(dǎo)應(yīng)用在可調(diào)濾波器的研究還很少，

2010年Marcelino Armendariz 等人提出了一種基于 PIN 二極管的可調(diào) SIW 帶通濾波器[1]，這種濾波器通過 PIN 二極管來控制鑲嵌在濾波器內(nèi)部的5個微擾過孔的工作狀態(tài)，從而使得該濾波器的中心頻率在1.55～2.0GHz 范圍之間進行調(diào)諧，實現(xiàn)了 SIW 濾波器的電場可調(diào)。

在文獻[4]中，作者通過在加載了互補諧振器的半模基片集成波導(dǎo)（HMSIW）的基礎(chǔ)上，引入變?nèi)荻O管，實現(xiàn)了濾波器通帶的可調(diào),但利用二極管易產(chǎn)生互調(diào)噪聲，消耗更高的功率。

2011 年Yuliang Zheng 等人提出了一種基于鐵氧體的可調(diào) SIW濾波器，通過外加偏磁場改變內(nèi)部鐵氧體鐵磁共振頻率來實現(xiàn) SIW濾波器的電磁可調(diào)[5]。但是外加偏磁場需要線圈來施加和調(diào)節(jié)，因此反應(yīng)速度慢，有附加噪聲，并伴隨著巨大的能耗，同時難以和現(xiàn)代半導(dǎo)體器件相兼容。

Vikram Sekar等人將封裝好的MEMS開關(guān)加載到基片集成波導(dǎo)上提出了一種可調(diào)濾波器，通過6個開關(guān)實現(xiàn)1.2-1.6GHz內(nèi) 14個中心頻率的調(diào)節(jié)，性能穩(wěn)定且插損小，但是尺寸較大，還有進一步小型化的空間[6]。

4　結(jié)束語

從可調(diào)濾波器的性能來看，以中心頻率可調(diào)研究為目前最熱門的研究方向，帶寬可調(diào)次之，中心頻率和帶寬可獨立調(diào)節(jié)的濾波器實現(xiàn)的難度較大，零點位置的可調(diào)的研究最為冷門。

結(jié)合 RF MEMS 器件的小尺寸、低功耗和基片集成波導(dǎo)的低損耗、高 Q 值和易集成等特性，開發(fā)出小型化、低插損、穩(wěn)定 Q 值的可重構(gòu)多重折疊基片集成波導(dǎo)中心頻率可調(diào)濾波器將極具應(yīng)用前景。

[1]Rehman M.-Z.-Ur,Baharudin Z.,Z a kariya M.-A.,等.Recent Advances in Min i aturization of Substrate Integrated Wavegu i de Bandpass Filters and its Applications in Tunable Filters[J]. IEEE Business Engine ering and Industrial Applications Colloqui u m (BEIAC),2013,109-113.

[2]毛金榮.高性能可調(diào)微波濾波器的理論與設(shè)計[D].南京理工大學(xué),2013.

[3]Armendariz M., Sekar V., Entesa r i K.,Tunable SIW bandpass filters with PIN diodes[J].Microwave Conference (Eu MC),2010 Europe an,vol.,no.,pp.830-833,28-30 Sept.2010.

[4]Xiang Q Y,Feng Q Y,Huang X G,Half-mode substrate integrated wave g uide(HMSIW) filters and its application t o tunable filters[J].Journal of Electromagne t ic Waves and Applications,2011,25(14-15):2043-2053.

[5]李世峰,劉鋒,王高峰等.一種新型MEMS可調(diào)濾波器的設(shè)計[J].微納電子技術(shù),2010,47(11):696-700.

[6]Vikram Sekar, Marcelino Armend ariz, Kamran Entesari,A 1.2-1.6GHz Subst r ate-Integrated-Waveguide RF MEMS Tuna b le Filter[J],IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,2011,59(4):866-876.