小型化基片集成波導(dǎo)濾波器研究進(jìn)展

武警工程大學(xué)信息工程學(xué)院 張懌成 劉方毅 孟志豪

綜述了基片集成波導(dǎo)濾波器小型化研究現(xiàn)狀。首先介紹了基片集成波導(dǎo)諧振器的基礎(chǔ)理論，其次總結(jié)了基片集成波導(dǎo)諧振器小型化的實(shí)現(xiàn)方法和存在不足，最后對(duì)未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。

引言：基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide,SIW）濾波器是一種新型結(jié)構(gòu)器件，既具備了傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)高品質(zhì)因數(shù)、高功率等優(yōu)點(diǎn)，又兼容了微帶濾波器結(jié)構(gòu)體積小、易集成的特點(diǎn)，在當(dāng)今頻譜環(huán)境日益緊張的通信系統(tǒng)中具有很高的研究和應(yīng)用價(jià)值。小型化基片集成波導(dǎo)濾波器有利于減少射頻前端的體積，且便于和天線、功分器等微波器件相集成，是國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)方向。本文闡述了SIW濾波器小型化的相關(guān)理論，介紹了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)。

1 基片集成波導(dǎo)基礎(chǔ)理論

一般結(jié)構(gòu)的SIW諧振腔由金屬層和介質(zhì)層構(gòu)成，腔體邊緣周期性排列的的金屬過(guò)孔可以等效為傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的側(cè)壁，介質(zhì)層通常選用Rogers RT/duroid 5880等材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 基片集成波導(dǎo)模型

2005年，F(xiàn)engXu在[Xu F,Wu K.Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2005,53(1):66-73]中給出了基片集成波導(dǎo)與金屬波導(dǎo)的等效關(guān)系式：

且SIW諧振器的諧振頻率可由下式確定：

其中m=1,2,3…, p=1,2,3…, ε為相對(duì)介電常數(shù)， μ為相對(duì)磁導(dǎo)率。

2 基片集成波導(dǎo)濾波器小型化方式

2.1 基于模切割技術(shù)的SIW小型化

2005年，東南大學(xué)的洪偉教授在論文[Hong W,Liu B,Wang Y,et al.Half Mode Substrate Integrated Waveguide:A New Guided Wave Structure for Microwave and Millimeter Wave Application[C]//Joint,International Conference on Infrared Millimeter Waves and,International Conference on Teraherz Electronics,2006.Irmmw-Thz.IEEE,2007:219-219]中提出了將全模SIW沿中心線進(jìn)行切割形成HMSIW，其切口可等效于虛擬磁壁，既保留了前者的波導(dǎo)特性，又縮小了一半體積，其結(jié)構(gòu)和場(chǎng)分布如圖2所示。

圖2 半模SIW諧振腔

2.2 基于多層折疊技術(shù)的SIW小型化

2008年，文獻(xiàn)[Che W,Geng L,Deng K,et al.Analysis and Experiments of Compact Folded Substrate-Integrated Waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2008,56(1):88-93]提出了折疊基片集成波導(dǎo)（Folded SIW，F(xiàn)SIW）的概念，開(kāi)創(chuàng)了實(shí)現(xiàn)SIW小型化的新途徑。目前應(yīng)用較多的是非對(duì)稱(chēng)型FSIW，該方式通過(guò)水平對(duì)稱(chēng)面折疊的方式得到，面積較SIW減小了50%。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 折疊SIW諧振腔

折疊后的波導(dǎo)寬度為ω，縫隙寬度為ω0，則二者的關(guān)系可表示為其中Δ為兩側(cè)金屬過(guò)孔的修正量，其表達(dá)式為：

W為并排兩個(gè)金屬過(guò)孔的間距，可以適當(dāng)縮小W以減小能量損耗。折疊技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于縮小體積的同時(shí)不存在開(kāi)放的切口，有效避免了輻射泄露，因此在FSIW之后，雙重折疊SIW（Double Folded SIW,DFSIW）濾波器[Zhu Y Z.A Compact Double Folded Quarter Mode Substrate Integrated Waveguide(DFQMSIW)Filter[J].Ieice Electronics Express,2016,13(11)]、三重折疊SIW（Triple-Fold SIW）濾波器[李明康.小型化多?；刹▽?dǎo)(SIW)濾波器研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2017]被相繼提出，極大豐富了SIW小型化研究。多層折疊SIW濾波器具有良好的性能，易與其他微波無(wú)源器件相集成，但是其工藝較復(fù)雜，尤其是多次折疊后對(duì)精度要求較為敏感，因此有學(xué)者結(jié)合折疊與多模切割技術(shù)，設(shè)計(jì)出了雙重折疊模SIW諧振器[周建,朱永忠,劉子豪,等.一種LTCC小型化雙重折疊1/4?；刹▽?dǎo)濾波器設(shè)計(jì)[J].固體電子學(xué)研究與進(jìn)展,2016(5):388-392]，并采用LTCC封裝工藝設(shè)計(jì)了三階濾波器，體積較原始SIW濾波器減小93.75%，且具有良好的實(shí)測(cè)效果。

2.3 基于加載技術(shù)的SIW小型化

加載技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)SIW濾波器小型化的有效手段，其原理是通過(guò)加載金屬或超材料物質(zhì)，對(duì)SIW諧振腔內(nèi)場(chǎng)分布造成擾動(dòng)，使諧振頻率降低以實(shí)現(xiàn)小型化。在文獻(xiàn)[李明康.小型化多模基片集成波導(dǎo)(SIW)濾波器研究[D].中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué),2017]中，作者利用電容加載效應(yīng)，將金屬物質(zhì)加載于諧振腔內(nèi)，使腔內(nèi)電場(chǎng)集中在SIW腔體與金屬物質(zhì)中間，有效降低了諧振頻率，達(dá)到了減小諧振腔尺寸的效果，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 加載金屬棒的SIW諧振腔

在加載超材料方面，互補(bǔ)開(kāi)環(huán)諧振器（Complementary Split-Ring Resontor,CSRR）與SIW諧振器的結(jié)合也實(shí)現(xiàn)了小型化。CSRR是一種磁性超材料物質(zhì)，將其加載于SIW諧振腔的表面可以降低原有的截止頻率，從而實(shí)現(xiàn)小型化。2014年，Senior D E通過(guò)將CSRR結(jié)構(gòu)刻蝕在四分之一模SIW諧振器表面，實(shí)現(xiàn)了比QMSIW尺寸小43%的諧振腔[Senior D E,Rahimi A,Yoon Y K.A surface micromachined broadband millimeter-wave filter using quarter-mode substrate integrated waveguide loaded with complementary split ring resonator[C]//Microwave Symposium.IEEE,2014:1-4]；2017年，Huang Y M設(shè)計(jì)了一款更加緊湊的CSRR-HMSIW濾波器[Huang Y M,Peng Y,Zhou Y,et al.Sizereduced dual-band HMSIW cavityfilters loaded with double-sided SICSRRs[J].Electronics Letters,2017,53(10):689-691]，將CSRR刻蝕在半?；刹▽?dǎo)的上下兩層，形成了消逝模諧振效應(yīng)，通過(guò)調(diào)節(jié)CSRR刻蝕結(jié)構(gòu)的大小、位置也可以改變諧振器的耦合系數(shù)，進(jìn)一步提升了小型化性能。

3 小型化SIW濾波器存在的問(wèn)題

近些年，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)SIW諧振腔的小型化做了大量研究，目前仍存在兩個(gè)方面的不足：一是小型化后的SIW諧振腔性能有所下降，如經(jīng)過(guò)多次切割的模諧振腔由于其開(kāi)放邊界會(huì)造成過(guò)多的輻射泄露，而多層折疊的SIW諧振腔也會(huì)給制作工藝提出更高的要求，一味追求小型化的同時(shí)可能會(huì)造成整體效果下降；二是各種小型化技術(shù)沒(méi)有更好得融合，多種技術(shù)的結(jié)合有助于發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì)，避免單種技術(shù)極限運(yùn)用帶來(lái)的過(guò)多損耗，然而國(guó)內(nèi)外在這方面的研究較少，小型化程度有限。

4 總結(jié)展望

當(dāng)今高速發(fā)展的微波通信系統(tǒng)對(duì)基片集成波導(dǎo)濾波器的小型化、集成度提出了更高要求，相信經(jīng)過(guò)不斷地技術(shù)改進(jìn)，小型化SIW濾波器的性能將會(huì)取得進(jìn)一步完善。并且，可以在小型化的SIW諧振腔基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)全可調(diào)、磁電雙可調(diào)等功能，以更好滿(mǎn)足射頻前端的實(shí)際需求，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮更大價(jià)值。