一款55.5～63.1 GHz基片集成波導(dǎo)帶通濾波器設(shè)計(jì)

呂金杰，周明珠，王禁城，董洪成，蘇國(guó)東,2，劉 軍

(1.杭州電子科技大學(xué)浙江省大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，浙江 杭州 310018;2.毫米波國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

微波具有頻率高、頻帶寬、信息量大等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于通信業(yè)務(wù)。微波收發(fā)系統(tǒng)中，射頻收發(fā)機(jī)是核心電路，其中帶通濾波器發(fā)揮了不可替代的作用，主要用于選擇信道、抑制雜散、衰減干擾等。1995年，首次提出基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)后，經(jīng)過(guò)近二十年的發(fā)展，已演變出眾多新穎的濾波器結(jié)構(gòu)。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者針對(duì)高選擇性、低損耗、低成本、高集成度的SIW結(jié)構(gòu)毫米波頻段帶通濾波器展開(kāi)深入研究。Wu等[1]研制了一款“extended doublet”的互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)(Complimentary Split Resonant Ring, CSRR)的SIW帶通濾波器，中心頻率為5.0 GHz時(shí)，實(shí)現(xiàn)了具有2個(gè)傳輸零點(diǎn)的帶通濾波器(Bandpass Filter，BPF)，3dB帶寬為0.25 GHz，帶內(nèi)最大回波損耗(Return Loss，RL)為-8 dB，插入損耗(Insertion Loss，IL)為-1.3 dB。Adhikari等[2]使用廉價(jià)的印刷電路板，設(shè)計(jì)了一款K波段非接觸式調(diào)諧器的SIW濾波器，通帶內(nèi)插入損耗為-3.4～-3.2 dB。Di等[3]利用CSRR帶阻特性和微帶短截線制作了一款中心頻率可調(diào)諧的K/Ku波段半?；刹▽?dǎo)(Half-Mode Corrugated Substrate Integrated Waveguide，HMCSIW)帶通濾波器，通帶插入損耗小于-3.4 dB，回波損耗小于-10 dB。Wang等[4]介紹了一種基于SIW的新型小型化毫米波帶通濾波器的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)的帶通濾波器與階梯式阻抗槽諧振器相結(jié)合，可以獨(dú)立控制濾波器的中心頻率，覆蓋27.0～31.0 GHz頻域，最大插入損耗約為-2.3 dB，回波損耗在通帶中小于-17 dB。目前，基于SIW結(jié)構(gòu)的毫米波帶通濾波器的研究多聚焦于低插入損耗、小型化和易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成等方面。集成無(wú)源器件(Integrated Passive Device，IPD)具有工藝易集成等特點(diǎn)，本文在切比雪夫多項(xiàng)式低通濾波器原型基礎(chǔ)上，利用低損耗SIW高通結(jié)構(gòu)和高集成CSRR帶阻特性，通過(guò)比例變化和平移歸一化等頻率響應(yīng)轉(zhuǎn)化，設(shè)計(jì)了一款工作頻率在55.5～63.1 GHz帶通濾波器，獲得較好的矩形系數(shù)和帶外抑制效果。

1 濾波器設(shè)計(jì)理論

通信系統(tǒng)中，濾波器用于有用信號(hào)的傳輸和特定信號(hào)的衰減。較為常用的濾波器有3種，分別為巴特沃斯濾波器、切比雪夫?yàn)V波器和橢圓函數(shù)濾波器[5]，其特點(diǎn)如表1所示。

表1 3種濾波器對(duì)比

綜合分析表1中各濾波器性能的優(yōu)劣后，本文在切比雪夫?yàn)V波器原型的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一款工作頻率55.5～63.1 GHz的SIW帶通濾波器。

切比雪夫?yàn)V波器的插入損耗為：

(1)

(2)

式中，Ω為歸一化頻率，Ωc為截止頻率，N為濾波器階數(shù)，ε為波紋因子。

(3)

(4)

式中，Ωs為阻帶邊頻，Lr為Ω=1處的波紋值，Ls為阻帶邊頻Ωs上的最小衰減。

本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器的指標(biāo)為：濾波器中心頻率59.17 GHz，通帶寬度7.6 GHz，濾波器階數(shù)為4階，回波損耗(Return Loss，RL)小于-20.0 dB，插入損耗小于3.0 dB，采用式(1)—式(4)計(jì)算得到低通濾波器波紋系數(shù)ε約為0.043，Ωs約為65.0 GHz，N取最小整數(shù)為4，并經(jīng)過(guò)阻抗變換和頻率變換，得到帶通濾波器的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，得到帶通濾波器插入損耗和回波損耗隨頻率變化曲線如圖1所示。

圖1 帶通濾波器插入損耗和回波損耗隨頻率變化情況

從圖1可以看出，中心頻率為60.0 GHz時(shí)，S21約為-3.0 dB；在帶外88.0 GHz左右有1個(gè)傳輸零點(diǎn)，所以仿真結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果一致，說(shuō)明式(1)—式(4)適用本文提出的濾波器分析及輔助設(shè)計(jì)。

2 帶通濾波器電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

2.1 SIW高通結(jié)構(gòu)

典型的SIW結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，由頂層金屬、底層金屬、介質(zhì)層以及2排通孔構(gòu)成。電磁波被限制在上下2層金屬和2排通孔之間進(jìn)行傳輸，從而形成類似矩形波導(dǎo)電磁特性的SIW結(jié)構(gòu)[6-7]。

圖2 SIW結(jié)構(gòu)示意圖

為了防止電磁波發(fā)生泄漏，通孔半徑R、2排通孔間的間距a和相鄰過(guò)孔間距P需要滿足如下條件[7]：

R<0.1λg

(5)

(6)

(7)

當(dāng)滿足式(5)—式(7)條件時(shí)，金屬化通孔間的輻射足夠小，此時(shí)SIW可以等效為矩形波導(dǎo)進(jìn)行分析，其截止頻率為：

(8)

式中，c為光在真空傳輸?shù)乃俣龋舝為介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)。

本文設(shè)計(jì)的帶通濾波器的金屬柱半徑為25 μm，相鄰金屬柱中心距離為100 μm，通過(guò)式(7)和式(8)計(jì)算得到SIW等效于矩形波導(dǎo)的寬度為1 200 μm，截止頻率為69.8 GHz。根據(jù)SIW結(jié)構(gòu)高通濾波器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，仿真得到SIW結(jié)構(gòu)高通濾波器的插入損耗和回波損耗隨頻率變化曲線如圖3所示。

圖3 SIW結(jié)構(gòu)高通濾波器的插入損耗和回波損耗隨頻率變化情況

從圖3可以看出，SIW結(jié)構(gòu)高通濾波器截止頻率在約70.0 GHz處，與計(jì)算得到的截止頻率69.8 GHz接近，說(shuō)明理論分析是合理可行的。

2.2 CSRR帶阻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

CSRR具有良好的帶阻特性，可以在帶外產(chǎn)生傳輸零點(diǎn)，獲得較好的帶外抑制效果和矩形系數(shù)。在基片集成波導(dǎo)表面刻蝕CSRR環(huán)，構(gòu)成缺陷環(huán)狀諧振器，相當(dāng)于在濾波器輸入和輸出端之間引入了類似于電容性質(zhì)的元件，使得CSRR環(huán)在SIW結(jié)構(gòu)截止頻率以下產(chǎn)生通帶，SIW結(jié)構(gòu)截止頻率下移[7]。CSRR結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，外圍正方形表示金屬導(dǎo)體面，中間2個(gè)部分環(huán)表示開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。CSRR結(jié)構(gòu)的環(huán)寬度為S1，2個(gè)環(huán)的間距為S2，環(huán)開(kāi)口間距為e，外環(huán)的外半徑為r1，內(nèi)環(huán)的外半徑為r0。根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律可知，諧振環(huán)中能產(chǎn)生感應(yīng)電流[8-9]。諧振環(huán)的2個(gè)金屬環(huán)之間形成電容，環(huán)的金屬部分形成電感，從而構(gòu)成LC諧振回路，在該諧振回路的諧振頻率處，電路發(fā)生諧振。CSRR結(jié)構(gòu)的等效電路如圖4(b)所示，可以等效為電容Cc和電感L0的串聯(lián)電路[10]，CSRR結(jié)構(gòu)的諧振頻率如下：

圖4 CSRR結(jié)構(gòu)示意圖和等效電路

(9)

等效電路的電容和電感與CSRR的結(jié)構(gòu)參數(shù)S1，S2，e，r1，r0都有關(guān)系，不同參數(shù)下，CSRR結(jié)構(gòu)的插入損耗和回波損耗隨頻率變化曲線如圖5所示。

圖5 不同參數(shù)下，CSRR結(jié)構(gòu)的回波損耗和插入損耗隨頻率變化情況

從圖5(a)和(b)可以看出，帶寬和截止頻率隨內(nèi)外半徑r0和r1的增大而減小，內(nèi)外半徑r0和r1可以調(diào)節(jié)帶通濾波器的帶寬和截止頻率；從圖5(c)和(d)可以看出，環(huán)的寬度S1、環(huán)的間距S2和環(huán)開(kāi)口間距e可以調(diào)節(jié)傳輸零點(diǎn)，隨著S1，S2和e的增大，傳輸零點(diǎn)向高頻移動(dòng)，減弱了帶外抑制。再由式(9)可知，諧振頻率由等效電容和等效電感共同決定，隨著等效電容的減小和等效電感的增加，諧振頻率向低頻移動(dòng)，反之亦然。內(nèi)外半徑r0和r1可以改變等效電感的大?。婚_(kāi)口間距e可以改變等效電容的大小。通過(guò)調(diào)節(jié)CSRR結(jié)構(gòu)的不同參數(shù)，可以改變零點(diǎn)的位置使其具有更好的帶外抑制效果。本文選取CSRR結(jié)構(gòu)參數(shù)為：S1=40 μm，S2=40 μm，r1=180 μm，r0=100 μm，e=80 μm。

3 帶通濾波器加工與測(cè)試

基于IPD工藝，本文采用互補(bǔ)開(kāi)口諧振環(huán)CSRR結(jié)構(gòu)研制了一款結(jié)構(gòu)緊湊SIW帶通濾波器。加工后的帶通濾波器電路照片如圖6(a)所示，濾波器的面積為3.4 mm×1.4 mm，2組CSRR的間距為1 mm，通過(guò)測(cè)試和仿真得到回波損耗和插入損耗隨頻率變化曲線如圖6(b)所示。

圖6 濾波器電路照片和測(cè)試結(jié)果

從圖6(b)可以看出，測(cè)試和仿真結(jié)果基本吻合。相對(duì)仿真數(shù)據(jù)而言，測(cè)試數(shù)據(jù)的插入損耗在工作頻帶內(nèi)約增加0.3 dB，且工作帶寬略微變窄；此外，頻率大于75.0 GHz時(shí)，兩者的插入損耗偏差較大，因?yàn)樵诩庸r(shí)，未能準(zhǔn)確考慮表面粗糙度對(duì)電磁仿真，加工工藝也存在一定的誤差。

選取目前文獻(xiàn)報(bào)道中具有優(yōu)秀性能的SIW帶通濾波器，進(jìn)行性能比較，結(jié)果如表2所示。

表2 不同帶通濾波器性能對(duì)比

從表2可以看出，從濾波器插入損耗方面看，本文設(shè)計(jì)優(yōu)于文獻(xiàn)[11,12,14]，從濾波器面積方面看，本文設(shè)計(jì)優(yōu)于文獻(xiàn)[13,15,16]，綜合分析，本文設(shè)計(jì)的SIW帶通濾波器具有一定的優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于IPD工藝，結(jié)合SIW結(jié)構(gòu)的高通特性和CSRR結(jié)構(gòu)的帶阻特性，本文設(shè)計(jì)了一款55.5～63.1 GHz的SIW帶通濾波器。在高頻帶外實(shí)現(xiàn)了傳輸零點(diǎn)，獲得較好的帶外抑制效果和矩形系數(shù)，為設(shè)計(jì)更高頻段和性能的SIW帶通濾波器提供參考。后續(xù)將繼續(xù)研究基于SIW帶通濾波器的性能改善，在滿足設(shè)計(jì)頻段要求的同時(shí)，確保獲得更低的插損、更好的矩形系數(shù)。