基于K波段的四腔階梯移位結(jié)構(gòu)SIW濾波器優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉永嘉　黃智勛　張萍　李略韜　盧誠承

摘? ?要：毫米波技術(shù)是5G通訊技術(shù)的關(guān)鍵的技術(shù)之一，而其中的兩大難題為功耗及電磁設(shè)計(jì)。基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）作為一種新的微波傳輸線結(jié)構(gòu)，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用于各種微波、毫米波電路。其優(yōu)點(diǎn)主要是體積小，損耗小，易于加工和集成。本文主要研究基于K波段的四腔SIW濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出腔體階梯移位結(jié)構(gòu)，基于此結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了多零點(diǎn)交叉耦合濾波器。該濾波器具有插損小、體積小、易集成等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：基片集成波導(dǎo)（SIW）? K波段? 腔體階梯移位

中圖分類號：TN713? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0010-04

Abstract： Millimeter wave technology is one of the key technologies of 5G communication technology， and two of them are power consumption and electromagnetic design. As a new microwave transmission line structure， Substrate Integrated Waveguide （SIW） has been widely used in various microwave and millimeter wave circuits. Its advantages are mainly small size， low loss， easy to process and integrate. In this paper， the optimization design of four-cavity SIW filter based on K-band is studied. Based on this， a cavity step-shift structure is designed， and a multi-zero cross-coupling filter is realized. The filter has the advantages of small insertion loss， small size， and easy integration.

Key Words： Substrate Integrated Waveguide （SIW）; K-band; Cavity step-shift

近幾年來，5G逐漸成為人們熱議的話題，2020年5G也即將進(jìn)入商用階段。在5G通信系統(tǒng)中，微波毫米波射頻系統(tǒng)為其關(guān)鍵的一部分。而濾波器作為射頻系統(tǒng)的重要組成部分，其濾波特性的好壞影響著整個(gè)系統(tǒng)的性能。

自2001年，加拿大蒙特利爾大學(xué)吳柯教授提出具有高Q值、低損耗、質(zhì)量輕、體積小、成本低的基片集成波導(dǎo)的概念后，SIW逐漸成為研究的熱點(diǎn)。

作為無源器件，濾波器一直以來都是關(guān)注的焦點(diǎn)，大量的各種不同拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SIW濾波器被相繼提出。而隨著5G技術(shù)的不斷發(fā)展，毫米波波段的各類器件也受到了廣泛的關(guān)注。

基于此背景，文獻(xiàn)[1]提出了中心頻率在28GHz、38GHz頻段上的DGS加載SIW濾波器，采用三階切比雪夫?yàn)V波器為低通原型，達(dá)到帶內(nèi)插損小于1dB，回波損耗優(yōu)于17dB的指標(biāo)，并證明了在介質(zhì)基板上集成平面和非平面電路能夠縮小整體尺寸、重量、成本以及增強(qiáng)加工可靠性的關(guān)鍵性優(yōu)勢。

文獻(xiàn)[2]提出了一款基于弧形金屬孔排列的，工作頻率在60GHz的SIW濾波器。而文獻(xiàn)[3]和[4]分別設(shè)計(jì)了基于圓形感性金屬通孔和矩形感性通孔的腔體濾波器。他們均通過交叉耦合引入新的傳輸零點(diǎn)，表現(xiàn)出了極好的設(shè)計(jì)靈活性及高選擇性。

文獻(xiàn)[5]提出了一種C波段四腔橢圓濾波器，采用了兩層平行介質(zhì)板的多層結(jié)構(gòu)。

除此之外，現(xiàn)在已有國內(nèi)外學(xué)者在Ka、Ku、X、C等波段上進(jìn)行仿真研究并設(shè)計(jì)了多款性能良好的SIW濾波器。結(jié)合研究現(xiàn)狀，本文主要研究和設(shè)計(jì)了一種適用于K波段的新型SIW濾波器結(jié)構(gòu)——腔體階梯移位結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)、仿真了一款基于K波段的SIW濾波器，其中心頻率為20.74GHz，通頻帶寬為2.88GHz，帶內(nèi)回波損耗除在21.5GHz處稍有偏差外，其余均優(yōu)于15dB。該濾波器同時(shí)具有寬通頻帶、低損耗等特點(diǎn)，能滿足5G無線移動(dòng)通信高傳輸速率的要求，亦可應(yīng)用于未來無線通信。

1? 基片集成波導(dǎo)理論概述及傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)

SIW結(jié)構(gòu)主要組成為在介質(zhì)基板的上下表面的金屬化層和在介質(zhì)基板中相隔一定距離制作兩排金屬化通孔，孔與孔間距遠(yuǎn)小于波導(dǎo)波長。SIW結(jié)構(gòu)在上下金屬面和兩排金屬化孔之間形成了一個(gè)類矩形波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)，故稱作基片集成波導(dǎo)。由于金屬化通孔之間的縫隙切斷了表面電流，產(chǎn)生輻射，導(dǎo)致微波能量無法傳播。因此，在基片集成波導(dǎo)中，只有TE模式存在。故在此，只考慮TE模式。該結(jié)構(gòu)具有低插損、低輻射、高功率容量等特性。SIW 已被廣泛應(yīng)用于微波器件設(shè)計(jì)中，如天線、濾波器、耦合器和功率分配器等。

傳統(tǒng)SIW結(jié)構(gòu)如圖1所示，w表示兩排金屬通孔的圓心之間的距離，稱作基板集成波導(dǎo)的寬度，r表示金屬通孔的半徑，h是介質(zhì)基片的厚度，d為金屬化孔陣的周期長度。

基片集成波導(dǎo)（SIW）結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)有著相似的結(jié)構(gòu)，其等效公式如下。

基片集成波導(dǎo)實(shí)際寬度w與矩形波導(dǎo)等效寬度We關(guān)系式：

2? 階梯移位結(jié)構(gòu)

在SIW濾波器傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)出階梯移位結(jié)構(gòu)，其相鄰腔體之間存在梯度為γ的橫向偏移。結(jié)構(gòu)參數(shù)如圖2。

d1表示邊界孔陣的周期長度，d2表示橫斷孔陣的一號孔與邊界孔陣的距離，d3表示第一橫斷中，一號孔與二號孔的距離，d4表示橫斷孔陣四號孔與邊界孔陣的距離;w表示橫斷孔陣二號孔與三號孔的距離，即濾波器各腔間的窗口寬度;γ表示各腔間的偏移距離;D表示SIW濾波器寬度;L表示單個(gè)腔體的長度;r表示金屬化感性通孔的半徑;此外，基板厚度為h。

本文在大量仿真與研究的基礎(chǔ)上，歸納、整理得出調(diào)節(jié)腔體階梯位移結(jié)構(gòu)SIW濾波器中心頻率、通帶寬度、帶內(nèi)回波損耗及帶外抑制等關(guān)鍵參數(shù)的方法，具體內(nèi)容如下。

本設(shè)計(jì)中，SIW濾波器結(jié)構(gòu)主要調(diào)節(jié)參數(shù)有：濾波器腔體總寬度成D及腔體間窗口寬度w。

其他參數(shù)預(yù)設(shè)為：γ=0.050mm，r=0.090mm，L=11mm，d1=0.440mm，d2=0.530mm，d3=0.535mm，d4=0.660mm，h=0.384mm。

（1）調(diào)節(jié)通頻帶中心頻率與帶寬的方法。

由前人理論推導(dǎo)可知，上截止頻率f上與濾波器腔體總寬度D成負(fù)相關(guān)，由公式（1）（2）推導(dǎo)可得如下關(guān)系公式：

3? 四腔K波段階梯移位SIW濾波器

根據(jù)既定指標(biāo)，給定濾波器中心頻率為20.75GHz，通帶帶寬為1.45GHz，帶內(nèi)回波損耗大于20dB，帶內(nèi)插損小于1dB，在帶外20.75±2GHz外抑制大于20dB。建立四腔耦合濾波器模型。做出理論曲線如圖3所示。相應(yīng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖4所示。

耦合矩陣如下：

考慮到實(shí)際生產(chǎn)過程中產(chǎn)品的介電常數(shù)、損耗角正切等對濾波器體積、熱穩(wěn)定性、損耗等指標(biāo)的影響，選用一種適用于微波射頻電路的介質(zhì)材料Rogers 5880作為SIW濾波器的基板材料，其介電常數(shù)為2.20，損耗角正切為0.0009，基片厚度設(shè)置為0.384mm。所有通孔均做金屬化處理，濾波器對外的輸出、輸入接口均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω微帶線結(jié)構(gòu)。

根據(jù)以上分析，由關(guān)系式（4）（7）（11）（14）并結(jié)合諧振器之間的耦合系數(shù)，得到具體的濾波器物理尺寸：

w=4.220mm，D=8.500mm，γ=0.050mm，r=0.090mm，l=11mm，d1=0.440mm，d2=0.530mm，d3=0.535mm， d4=0.660mm，h=0.384mm。

仿真的模型和結(jié)構(gòu)如圖5所示，仿真得到的濾波器S參數(shù)如圖6所示。

從SIW濾波器S參數(shù)仿真結(jié)果可以看出。濾波器中心頻率為20.94GHz，帶寬為2.88GHz;在濾波器通帶19.50GHz～22.38GHz范圍內(nèi)，其最大插損為1dB;反射參數(shù)除了在21.50GHz附近稍差（為7.5dB）以外，在其余頻率下均小于-15dB。整體測試性能良好。

本款濾波器為K波段濾波器，與業(yè)界預(yù)測的5G頻段相吻合?？蛇m用于大部分5G系統(tǒng)或應(yīng)用于未來無線通信系統(tǒng)中。

參考文獻(xiàn)

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