采用新型介质集成波导腔的小型双频滤波器

张忠海 官伯然

（1.西安电子科技大学电子工程学院，陕西 西安 710071；2.杭州电子科技大学天线与微波技术研究所，浙江 杭州 310018）

引 言

滤波器［1-3］一直是射频电路中的关键部件。作为微带滤波器的一种，基片集成波导（SIW）滤波器［4-9］，具有体积小、制作方便、价格便宜、能够集成于微波毫米波集成电路的优点，因此，在近几年得到了广泛的研究。

随着同轴腔滤波器在移动通信领域的广泛应用，其设计综合技术已经经过了实践的验证［10-12］。因此，同轴腔滤波器设计技术和SIW技术可以结合组成一些新的滤波器，具有更小的体积和更加优异的性能。

通过在SIW腔体中心位置插入短路销钉以及将其上导体面与腔四周的导体壁开路，提出了一个新式的横电磁波-基片集成波导（TEM-SIW）谐振腔。该腔谐振频率位于传统的SIW腔的截止频率以下。相比传统的SIW腔，TEM-SIW腔具有较高的无载Q值，易于借鉴现有的同轴腔滤波器的耦合结构和综合设计技术。利用TEM-SIW腔与经典同轴腔滤波器设计技术相结合，设计了一个采用TEM-SIW技术的双频滤波器，相比传统的SIW双频滤波器，其尺寸有大幅度的减小。加工并测试了这个双频滤波器，其仿真S参数和测量结果吻合良好。

1.理论分析

1.1 TEM-SIW谐振腔

TEM-SIW腔的结构如图1所示。TEM-SIW腔的上层金属平面与TEM-SIW腔四周金属壁开路。在TEM-SIW腔的中心位置加入了一个短路过孔。

TEM-SIW腔上金属平面的尺寸以及中心短路过孔的直径都会影响整个腔体的谐振频率。TEMSIW腔的谐振频率与短路销钉的直径以及上金属平面的边长L之间的关系如图1所示。由图1可以看出，当四周金属壁的长度为21mm，上金属面边长L为19mm，短路销钉半径为0.2mm时，TEMSIW腔谐振频率为1.94GHz.而相同介质基板和厚度情况下，工作于1.94GHz的经典SIW谐振腔面积需要达到68mm×68mm.因此，TEM-SIW腔的面积减小到经典的SIW谐振腔面积的9.5%以下。此外，如图1所示，在21mm×21mm的贴片面积内，TEM-SIW腔的谐振频率可以在1.94～11.0GHz之间调节。

图1 TEM-SIW腔结构示意图以及谐振频率变化

面积为21mm×21mm的经典SIW谐振腔谐振频率为6.35GHz，Q值为1665.如图1所示，相同的基板材料和厚度情况下，当顶部贴片的边长为11.7mm，短路销钉半径为1.7mm时，TEM-SIW腔的谐振频率为6.35GHz，此时腔体的Q值为2229.由此可见，相同频率下TEM-SIW腔的Q值大于经典SIW腔的Q值。SIW腔的损耗主要是因为介质损耗和辐射损耗［8］。相同频率下，TEM-SIW腔的面积远远小于SIW腔的面积，所以这两项损耗都比较小。

图2 矩形耦合窗口的耦合带宽随频率变化曲线

TEM-SIW腔主模工作时的场分布与经典的SIW腔不同。两者腔内部的磁场分布对比如图2所示。其中（a）是经典的SIW腔内部磁场分布，磁场强度在腔体的中心处最小，向四周扩散逐渐增大。（b）是TEM-SIW腔内磁场分布图，磁场场强在围绕短路销钉位置附近最大，向四周扩散渐渐变小，这与开路端加载电容的同轴腔内磁场分布类似。可以参照经典的电容加载同轴腔滤波器的耦合结构以及综合设计方法来设计基于TEM-SIW腔的滤波器。

1.2 腔间耦合

图3给出了TEM-SIW腔的腔间耦合结构俯视图。这种耦合通过刻蚀在顶面的微带线来实现。图3中，电磁波沿着微带线传输，并且会在第二个腔体中激励起相同的模式。两腔体中间需要一个开在侧壁上的窗口来保证电磁波在微带线上的传输。腔间耦合系数的大小可以通过微带线伸入顶部贴片的深度来调节。腔间耦合系数和微带线进入贴片深度d的关系可以通过对结构进行电磁仿真来确定。

图3 TEM-SIW腔腔间耦合结构顶视图

由图3可见，随着d的增大，耦合系数渐渐减小。

1.3 外部耦合

外部耦合的结构图如图4所示。

TEM-SIW双频滤波器由50Ω微带线激励。馈电线伸入到TEM-SIW腔中以获得合适的外部Q值。外部的Q值可以通过调整微带线插入TEMSIW腔的深度L来调节。外部Q值随微带线插入深度L的变化如图4所示。

图4 TEM-SIW腔外部耦合结构以及外部Q值的变化

1.4 带通滤波器构成

设计基于TEM-SIW结构滤波器的步骤与设计同轴腔滤波器的步骤相同［10-12］。首先要从需求指标综合出滤波器的耦合矩阵，然后确定滤波器的初始尺寸，最后对尺寸进行优化。

所设计的双频滤波器为3级滤波器，其两个频段的通频带为2.48～2.64GHz，2.79～2.95GHz.

综合出来的耦合矩阵为:M12=M23=0.149，M14=M25=M36=0.141，Qe=8.5.所设计的双频滤波器的结构如图5所示。图中所涉及的各部分的尺寸如下所列:d1=3.4mm，d2=3.4mm，d3=4.4 mm，d4=5mm，l=18mm，l1=17.9mm，l2=18 mm，l3=16.5mm，s=0.5mm，a=21mm，cs=4 mm，fs=6mm.

图5 TEM-SIW腔3腔双频滤波器结构图

2.实验结果分析

所设计的TEM-SIW双频滤波器的介质基板材料为f4b，介电常数为2.55，厚度为0.8mm.构成环绕腔体导体壁的金属孔的直径是1mm，间距为2 mm.

图6 TEM-SIW腔3腔滤波器实物图

最终加工的滤波器实物图如图6所示。HFSS仿真性能和RS ZVB4矢量网络分析仪测量性能的对比如图7所示。

图7 TEM-SIW腔3腔滤波器仿真测试结果对比

由图7可知，所设计的TEM-SIW双频滤波器工作于2.48～2.64GHz和2.79～2.97GHz.两个通带的中心频率分别为2.54GHz和2.88GHz，相对带宽为6.3%.测量得到的两个通带的中心频率是2.538GHz和2.882GHz，相对带宽为6.1%.滤波器在两个通带的中心频率处的插损分别为0.7 dB和0.9dB.测量结果与仿真结果吻合良好。

由图7知，测量得到的滤波器差损大于仿真得到的插损，测量结果的带外隔离比仿真结果差，造成此种情况的原因是实际应用的微带基板的损耗大于仿真模型中的微带基板损耗，并且在测量滤波器性能时，滤波器的密封性能比理想的仿真模型差，由此带来TEM-SIW腔无载、Q值比仿真模型低。

测量得到的滤波器的S11曲线没有与仿真结果完全重合，这是因为S11性能对滤波器尺寸变化非常敏感，实际加工电路的尺寸与设计的尺寸会有少许差别，因此两者没有完全重合。但是测量结果和仿真结果的零极点数量互相对应，可以验证仿真模型的有效性。

如果将TEM-SIW腔中心位置的短路销钉直径进一步减小，相同频率下，可以进一步缩小滤波器的尺寸，但是同时也会带来加工精度需求的提高。

3.结 论

提出了一种小型化的TEM-SIW谐振腔。相同频率下，TEM-SIW谐振腔面积可以减小到传统的SIW谐振腔的9.5%以下。采用这种TEM-SIW谐振腔的双频滤波器具有很多有吸引力的特点，如高的无载Q值、低的插损、简单的拓扑结构等。这种TEM-SIW腔的结构以及腔内磁场分布与电容加载的同轴腔相似，因此可以很方便地参考经典的同轴腔滤波器的耦合结构和综合设计方法来设计这种TEM-SIW滤波器。最后本文设计了一个基于这种TEM-SIW腔的3级滤波器，并且利用HFSS进行了全波仿真，实物测试结果与仿真结果吻合良好，验证了这种结构的有效性。这种TEM-SIW滤波器适用于小型化的集成微波电路设计中。

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