一種應(yīng)用于毫米波波段的基片集成波導(dǎo)濾波器

趙子鑒，王 斌，阮 巍，譚 菲

?

一種應(yīng)用于毫米波波段的基片集成波導(dǎo)濾波器

趙子鑒，王 斌，阮 巍，譚 菲

（重慶郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，重慶 400065）

提出了一種工作于毫米波波段的基片集成波導(dǎo)濾波器，該濾波器在上下金屬層刻蝕出啞鈴槽結(jié)構(gòu)，通過啞鈴槽之間的耦合，極大提高了其帶外抑制性。仿真實測結(jié)果表明，濾波器的中心頻率在30 GHz，通帶內(nèi)相對帶寬為39.5%，中心頻率插入損耗為1.44 dB，帶內(nèi)回波損耗大于13 dB。濾波器帶外衰減陡峭，結(jié)構(gòu)緊湊，實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

濾波器；SIW；啞鈴槽；寬帶；毫米波；耦合

二十一世紀以來，人們對高速無線移動通信的需求變得越來越強烈，第五代移動通信技術(shù)（5G）即將進入人們生活中的各個領(lǐng)域。毫米波具有波長短、頻帶寬、分辨率高和抗干擾性等優(yōu)點，其波長在紅外線和微波之間，可以應(yīng)用在5G中，但設(shè)計與制作的困難卻大大限制了毫米波器件的應(yīng)用。在微帶器件中，要達到毫米波段十分不容易，部分矩形波導(dǎo)可以應(yīng)用在毫米波波段，但是矩形波導(dǎo)體積較大，制作成本較高，且不易與平面電路集成，而基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW）是一種具有低損耗、低輻射、高品質(zhì)因素的平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，因此SIW技術(shù)在此環(huán)境下應(yīng)運而生。

自2001年以來，Wu等[1]提出了SIW的概念后，基于SIW設(shè)計理念的大量理論研究和器件相繼被報道出來[2-5]。SIW濾波器便是其中的熱點之一，因其具有質(zhì)量輕、體積小、成本低、可工作于高頻率、便于與平面電路集成以及可方便利用標準的PCB技術(shù)和LTCC技術(shù)加工等獨特優(yōu)點，成為在無線高速移動通信中的首選。結(jié)合國內(nèi)外研究，目前已經(jīng)有學(xué)者通過在介質(zhì)基板與金屬層上直接開孔開槽等方法實現(xiàn)了SIW毫米波濾波器[6-8]，但是SIW濾波器的品質(zhì)因數(shù)與介質(zhì)基板直接相關(guān)，因此低損耗方面的優(yōu)勢被明顯削弱，不利于SIW濾波器的設(shè)計制作。同時，缺陷地結(jié)構(gòu)已經(jīng)廣泛應(yīng)用在新型濾波器上[9-11]，它能十分有效地減小器件尺寸，提高它的帶阻特性。因此本論文對毫米波段的SIW進行了設(shè)計與研究，提出了一種新型啞鈴槽結(jié)構(gòu)，即在濾波器上下金屬層刻蝕出互相垂直的啞鈴槽結(jié)構(gòu)，并通過它們之間的耦合對濾波器性能進行優(yōu)化，目前，研究在上下金屬層刻蝕出圖形進行互相耦合的結(jié)構(gòu)并不多，所以本文設(shè)計了一款毫米波波段的SIW濾波器，其中心頻率應(yīng)為30 GHz，具有寬帶、低損耗等特點，能滿足對無線移動通信高傳輸速率的要求，可應(yīng)用于下一代無線通信中。

1 基片集成波導(dǎo)濾波器理論基礎(chǔ)

SIW有一種近似封閉的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，主要由上下兩底面的金屬層、中間的低損耗介質(zhì)層以及兩排周期性金屬化通孔或者金屬柱組成，如圖１所示。在圖中，和為SIW的長度與寬度，為兩排金屬化通孔或者金屬柱的間距，為金屬化通孔或者金屬柱的直徑。

SIW與傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)具有相似的傳播特性，但SIW內(nèi)只能傳播橫電（Transverse Electric Field，TE）模，它的傳播特性與、和相關(guān)。根據(jù)文獻[9]可知，SIW和矩形波導(dǎo)的等效關(guān)系為：

（2）

（3）

式中：(TEmm)為截止頻率；0為真空下的光速；r為介質(zhì)的相對介電常數(shù)；eff和eff分別為SIW的有效長度和寬度；和分別代表TE波沿方向和方向分布的半波個數(shù)。

圖1 SIW基本結(jié)構(gòu)

對于在薄介質(zhì)基片上的SIW濾波器，通常腔體的形狀沒有限制。理論上圓形腔體有較高的固有品質(zhì)數(shù)和最小的面積，但方形與圓形腔體的固有品質(zhì)數(shù)差別微小，選擇腔體的形狀主要還應(yīng)從濾波器布局是否靈活，腔體是否便于制作、集成等方面來考慮。SIW的側(cè)壁是由金屬化通孔按一定規(guī)律排列而成，相鄰兩通孔之間的距離要滿足無電磁能量泄露的要求，而且孔的直徑與兩孔之間距離對SIW濾波器的性能影響較大。與圓形腔體相比，方形腔體各邊上的通孔按直線排列，布局具有一定的靈活性，更容易獲得較好的性能。因此，本論文選擇方形腔體進行研究與設(shè)計。

2 傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)濾波器

本文設(shè)計SIW濾波器的主要方法是在SIW結(jié)構(gòu)等效為矩形波導(dǎo)的理論基礎(chǔ)上，用SIW的等效長度與寬度等確定濾波器的中心頻率，再利用刻蝕啞鈴槽結(jié)構(gòu)對濾波器性能進行優(yōu)化。文獻[4]提供了計算SIW結(jié)構(gòu)等效長度的一般數(shù)值方法。利用此方法對基于薄介質(zhì)基片上的SIW濾波器進行研究。如圖2（a）所示的SIW結(jié)構(gòu)，通過前面所述等式得出中心頻率在30 GHz的SIW波導(dǎo)等效寬度大致為3.826 mm。

（a）傳統(tǒng)SIW濾波器的結(jié)構(gòu)

（b）參數(shù)仿真圖

圖2 傳統(tǒng)SIW濾波器的結(jié)構(gòu)及其參數(shù)仿真圖

Fig.2 Structure of conventional substrate integrated waveguide filter and itsparameter simulation diagram

從圖2（b）的參數(shù)仿真結(jié)果圖可以看出，此SIW濾波器在低頻段有較好的帶外抑制性，但在高頻段并沒有阻帶性能，不具有良好的濾波性能。因此，本論文考慮將啞鈴槽結(jié)構(gòu)刻蝕在SIW的上下兩個金屬層來提高濾波器的帶外抑制性。

3 加載啞鈴槽的SIW濾波器

一個典型的啞鈴槽單元通常是將其等效為RLC并聯(lián)電路等效模型進行研究與設(shè)計。文獻[10]系統(tǒng)研究了這類啞鈴槽的特性，結(jié)構(gòu)中的電容C和電感L由諧振單元本身的容性部分和感性部分提供，同時也受到啞鈴槽單元與SIW結(jié)構(gòu)之間耦合的影響。圖3為本論文刻蝕了啞鈴槽結(jié)構(gòu)的SIW濾波器結(jié)構(gòu)。

（a）頂層金屬層

（b）底層金屬層

圖3 啞鈴槽結(jié)構(gòu)SIW濾波器的頂層與底層金屬層

Fig.3 The top and the bottom metal layers of the substrate integrated waveguide filter with dumbbell slot structure

由于上下金屬層的啞鈴槽刻蝕圖形之間是90°旋轉(zhuǎn)而成，所以此互相垂直的啞鈴槽之間相互耦合會產(chǎn)生一個LC諧振腔對其等效電路產(chǎn)生影響。濾波器等效電路圖如圖4所示，其中L1與C1為SIW濾波器與啞鈴槽結(jié)構(gòu)之間耦合的等效模型，L2與C2為啞鈴槽的自耦合。從文獻[10]中可以發(fā)現(xiàn)，啞鈴槽單元與SIW電磁場重合分布越多，耦合就越強。啞鈴槽單元與SIW耦合越強，等效電容C就越小，等效電感L則越大，即可以通過改變啞鈴槽單元與SIW的相對位置和刻蝕面積來調(diào)節(jié)耦合性能對濾波器進行性能的優(yōu)化。

圖4 啞鈴槽結(jié)構(gòu)的SIW濾波器等效電路圖

在濾波器的優(yōu)化過程中，通過改變SIW濾波器的寬度來調(diào)節(jié)濾波器的中心頻率，以此驗證了前段理論設(shè)計的正確性，如圖5所示。最后，通過仿真軟件不斷優(yōu)化，不斷調(diào)整濾波器尺寸，直到濾波器響應(yīng)滿足設(shè)計指標要求，圖6為最終參數(shù)仿真圖，其結(jié)構(gòu)尺寸如表1所示。

圖5 不同寬度b的頻率響應(yīng)

圖6 S參數(shù)仿真圖

表1 濾波器結(jié)構(gòu)尺寸

Tab.1 Size of filter structure

4 測試及結(jié)果

通過刻蝕出啞鈴槽的方法設(shè)計SIW濾波器，選取Rogers5880構(gòu)成基礎(chǔ)介質(zhì)基層（相對介電常數(shù)r為2.2，厚度為0.254 mm），利用標準PCB工藝對濾波器進行加工，濾波器的加工版圖和實物如圖7所示。此濾波器寬度為5.8 mm，長度為13.8 mm，體積十分小，因此易與平面電路集成。通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量得到其仿真與測量對比結(jié)果圖，如圖8所示。由圖8可以看出，濾波器的實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高，驗證了本設(shè)計的正確性，實測濾波器的插入損耗偏大，約為1.44 dB，相對帶寬為39.5%，相比于仿真結(jié)構(gòu)有8.8%的誤差，造成這些誤差的主要原因有：（1）加工誤差，由于電路工作在毫米波波段，微帶電路對加工精度要求更高；（2）非相鄰啞鈴槽間互耦合的影響，因為濾波器較小，啞鈴槽之間的距離很短，容易造成不必要的耦合；（3）測試誤差，測試時引入一些電磁損耗。與傳統(tǒng)的SIW濾波器研究成果對比，如表2所示，本濾波器帶寬明顯增加，插入損耗顯著減小，可以考慮應(yīng)用在毫米波通信系統(tǒng)中。

（a）加工版圖

（b）頂層

（c）底層

圖8 濾波器仿真與測試結(jié)果對比圖

表2 濾波器性能對比

Tab.2 Comparison of filter performances

5 結(jié)論

本論文采用SIW結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款應(yīng)用于毫米波段的SIW濾波器。首先，根據(jù)給定的濾波器設(shè)計指標，通過計算得到濾波器基本結(jié)構(gòu)的尺寸，然后在此基礎(chǔ)上加入啞鈴槽結(jié)構(gòu)。由于啞鈴槽與SIW間的電耦合，極大地改善了通帶到阻帶的過渡特性，增加了帶外抑制度，濾波器達到了理想的設(shè)計指標。加工濾波器實測結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了本方法的正確性。與文獻[3]和文獻[4]相比，本濾波器的性能有極大提高，中心頻率的插入損耗為1.44 dB，相對帶寬提高到39.5%。所設(shè)計的濾波器在工程上具有一定的實用價值，可以應(yīng)用在5G的毫米波系統(tǒng)中。

[1] WU K, BOONE F. Guided-wave properties of synthesized non-radiating dielectric waveguide for substrate integrated circuits(SICS) [C]//International Microwave Symposium. NY, USA: IEEE, 2001: 723-726.

[2] HIZAN H M, AMBAK Z, IBRAHIM A, et al. Q-band millimeter-wave SIW filter using LTCC technology [C]// Applied Electromagnetics. NY, USA: IEEE, 2015: 199-202.

[3] SABRI S S, AHMAD B H, OTHMAN A R B. A review of substrate integrated waveguide (SIW) bandpass filter based on different method and design [C]//Applied Electromagnetics. NY, USA: IEEE, 2012: 210-215.

[4] HYEON I J, BAEK C W. K-band bandpass filter using fully micro machined substrate integrated waveguide platform with dual copper posts in glass dielectrics [J]. Electron Lett, 2015, 51(16): 1268-1270.

[5] GERMAIN S, DESLANDES D, WU K. Development of substrate integrated waveguide power dividers [C]// Electrical and Computer Engineering. NY, USA: IEEE, 2003: 1921-1924.

[6] WONG S W, WANG K, CHEN Z N, et al. Design of millimeter-wave bandpass filter using electric coupling of substrate integrated waveguide (SIW) [J]. IEEE Microwave Wireless Compon Lett, 2014, 24(1): 26-28.

[7] CHEN X P, WU K. Self-packaged millimeter-wave substrate integrated waveguide filter with asymmetric frequency response [J]. IEEE Trans Compon Packg Manuf Technol, 2012, 2(5): 775-782.

[8] BERTRAND M, LIU Z, PISTONO E, et al. A compact slow-wave substrate integrated waveguide cavity filter [C]//Microwave Symposium. NY, USA: IEEE, 2015: 1-3.

[9] YOON J S, KIM J G, PARK J S, et al. A new DGS resonator and its application to bandpass filter design [C]//Microwave Symposium. NY, USA: IEEE, 2004: 1605-1608.

[10] AHN D, PARK J S, KIM C S, et al. A design of the low-pass filter using the novel microstrip defected ground structure [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2001, 49(1): 86-93.

[11] KIM H M, LEE B. Bandgap and slow/fast-wave characteristics of defected ground structures (DGSs) including left-handed features [J]. IEEE Trans Microwave Theory Tech, 2006, 54(7): 3113-3120.

（編輯：陳渝生）

Substrate integrated waveguide filter applied to millimeter wave band

ZHAO Zijian, WANG Bin, RUAN Wei, TAN Fei

(College of Photoelectric Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A new type of substrate integrated waveguide filter which worked in millimeter wave band was proposed. The new filter was added dumbbell groove structure to two metal layers so that its out-of-side rejection was improved. The measured and simulated results show that the center frequency of the filter is 30 GHz, the fractional bandwidth in passband is 39.5%, the insertion loss of center frequency is 1.44 dB, and the return wave loss is greater than 13 dB. The outer attenuation of the filter is steep and the structure of the filter is compact. The measured results are in good agreement with the simulated results.

filter; substrate integrated waveguide(SIW); dumbbell slot; wideband; millimeter wave; coupling

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.018

TN713

A

1001-2028（2017）04-0091-05

2017-03-13

王斌

重慶市教委科研基金資助(No. KJ130512）

王斌（1982－），男，重慶人，副教授，主要從事射頻微波器件及毫米波技術(shù)研究，E-mail: wangbin1@cqupt.edu.cn；趙子鑒（1991－），男，重慶人，研究生，研究方向為射頻集成電路設(shè)計與光電集成，E-mail: 513163464@qq.com。

網(wǎng)絡(luò)出版時間：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.018.html