基于半模基片集成波导的新型带通滤波器研究

蒋 迪 徐跃杭 徐锐敏 林为干

(电子科技大学电子工程学院极高频复杂系统国防重点实验室，四川 成都 611731)

引 言

为适应电子与无线通信技术飞速发展的需要，微波毫米波集成电路及系统正在向高性能、低成本、高集成度和小型化方向快速发展.半模基片集成波导(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW)是一种新型的波导，可以广泛应用于微波毫米波系统中，具有与传统矩形波导相近的特性，诸如品质因数高、易于设计等，同时也具有体积小、重量轻、容易加工、造价低和易于集成等传统矩形波导所没有的优点.

1 理论分析

导波结构在微波系统中具有非常重要的作用.各种导波结构可以分为平面结构和非平面结构两大类，平面结构包括微带线、共面波导、槽线等，非平面结构包括矩形波导、同轴线、介质波导等.现代信息技术对系统的集成度、损耗等指标的要求越来越高，以使其易于批量生产.平面结构非常适合系统的混合集成，各种有源器件可以很容易地与微带线或共面波导互连互接，从而达到很高的集成度，提高系统的整体性能.当然这种结构的缺陷也是显而易见的，由于导体损耗、辐射损耗和介质损耗的存在，使得平面结构不适合工作在毫米波波段，也无法构成高Q值的器件，限制了其在微波领域的发挥.另一方面，矩形波导等非平面导波结构虽然可以构成性能很高的部件，但是由于体积过大以及集成加工上的难度，很难广泛地应用到高集成度系统中.为了解决上述矛盾，更为紧凑和高效地集成微波、毫米波电路系统，由吴柯教授提出并率先成功应用的基片集成技术，用金属通孔替代一些标准传输线的金属侧壁，从而构成基片集成波导，这种波导能够很容易地被制作在介质基片中[1].基片集成波导作为一种介于平面结构和非平面结构之间的导波结构，对设计高性能、低损耗的微波集成电路具有重大意义.

1.1 基片集成波导与半模基片集成波导介绍

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一种矩形波导的变形结构，利用了成熟的印制电路板制造工艺，在介质基板上加工两排平行的金属孔，以实现类似于矩形波导窄边的结构.基片集成波导结构具有矩形波导和微带线平面结构电路两者的优点，如体积小，重量轻，具有较大的功率容量和较高的Q值.同时，通过简单的变换就可实现和微带等平面传输线连接，结构紧凑，易于集成，和单片微波集成电路具有良好的兼容性.这些特点决定了基片集成波导这种新型传输线技术具有广泛的应用领域和前景.

如图1(a)所示，基片集成波导的一个重要性质是其具有与传统矩形波导相似的传播特性，同时由于填充介质，又比传统波导更为紧凑，具有容易集成，体积小，重量轻等优点.但是在频率低的应用中，SIW体积小的优势往往不能更好地体现，SIW的工作模式为TE10模，其电磁场分布和金属矩形波导中的TE10模一样，在电磁波的传输方向具有轴对称性.根据这一特点，可以假设在SIW的中心面，即如图1(a)所示沿A-A’轴的平面存在一磁壁，这一磁壁可将SIW分成对称的两部分，去掉其中的任何一半都不会对剩余腔体中TE10模的电磁场分布产生影响，在此基础上可以得到HMSIW结构，其结构如图1(b)所示.

(a) SIW

HMSIW保留了SIW的电磁场分布特性，其工作主模仍为TE10模，虚拟的磁壁仅仅用于分析及构建HMSIW，实际应用中并不需要.然而为了尽可能减小能量辐射和泄漏，通常在介质基片中沿平行于A-A′轴的方向额外设置一排金属通孔以保证HMSIW的性能[2].

1.2 左手材料介绍

新型人工电磁结构包括各种构成人工电磁媒质(如左手媒质、电等离子体、磁等离子体、渐变电磁媒质等)的基本单元以及由这些基本单元组成的周期/非周期结构，目前是近年来国际物理界、电磁界、材料界的研究前沿和热点，其研究内容分别于2003年和2006年两次被《科学》杂志评为年度十大科技进展之一.它在自然界中本身并不存在或者没有被发现，而是人们根据电磁学理论所设计并制作出来的，具有非常规的电磁属性.现有自然媒质其介电常数和磁导率通常是正的，电磁波在自然媒质中传播时，电场、磁场及电磁波传播方向满足右手螺旋法则，因此此类媒质也称为右手媒质.对于一些特殊的自然媒质，如铁磁共振频段附件的铁磁体、等离子频率以下金属等，会表现出负磁导率或者负介电常数的特性.人工电磁材料观点为微波工程提供了一种新的理论和设计角度，受此激发，人们开始使用这种方法来设计微波器件.其中一个领域就是人工电磁材料平面滤波结构[3].

最初，左手材料是通过开环谐振器(Split Ring Resonators,SRR)元组合排列而成，也可只包括一个基本单元.在某一频段内与金属导体(Rods)的组合周期排列产生同时具有负介电常数和负磁导率.由于其周期尺寸远小于工作波长，因此可以将其视为均匀介质，并采用等效理论分析其介电常数与磁导率.大量的理论计算与实验结果都证明了该结构在某一频段的左手特性.随着对左手材料的深入研究，更多实现左手材料的结构及方法被提出来.目前，左手媒质单元可由电谐振单元和磁谐振单元组成，使其在某个频段内同时实现负的介电常数和负的磁导率.

1.3 滤波器设计

由于HMSIW和相对应的传统矩形波导具有相似的传输特性和场分布，所以可以用普通矩形波导器件的设计方法来研究HMSIW.而SRR和互补开环谐振器(Complementary Split Ring Resonators,CSRR)的物理尺寸很小，基于同心圆之间的边缘电容效应发生谐振，其尺寸和工作频率波长相比很小，可以应用在小型化方面；同时由于SRR和CSRR具有良好的品质因数，谐振特性中下降沿和上升沿陡峭，这些优点也使得SRR和CSRR在滤波器的带外抑制和高频率选择性方面有广泛的应用.此外，开环谐振器和互补开环谐振器都是平面结构，也为设计平面微波电路器件提供了另一种途径[4].

根据电磁场的巴比涅原理，作为SRR的对偶结构，CSRR应该也具有准静态谐振特性.因此CSRR结构可以应用在新的传输线中制作小型化、实现窄带范围内的左手材料带通滤波器[5].左手材料带通滤波器的设计可采用集中参数滤波器的设计理论完成.HMSIW滤波器由谐振单元和四分之一波长传输线构成，图2是其结构示意图.其中的谐振单元是由带接地金属面的HMSIW上层金属面开成CSRR电容性的缝隙而成.电容性缝隙和旁边的金属对应于传输线分支上的串联电容和并联电感.串联电容和并联电感又形成了谐振单元.

图2 HMSIW-CSRR结构示意图

1.4 HMSIW与微带线的转换

HMSIW主要由介质基片和金属化通孔构成，虽然它也是一种平面结构，可是在实际应用中很难与其他平面电路直接相连.另外，常用测试微波毫米波电路的装置不适合直接测试基片集成波导器件[6].所以必须设计一种输入输出转换结构，以实现基片集成波导器件的测试以及和其它平面电路的集成.HMSIW一般是通过微带与其他平面电路实现连接与集成的，因此，它与微带线转换结构的设计成为HMSIW技术推广的重要前提.HMSIW端口转换器的设计一般要能够实现较宽的单模工作带宽，具有较容易加工的结构，工作频带内具有较小的插入损耗和回波损耗.目前广泛采用的HMSIW端口转换器主要有：锥形HMSIW-微带线转换器，HMSIW-共面波导转换器和阶梯阻抗变换型HMSIW-微带线转换器.图2给出了一种常用的HMSIW-微带转换器结构形式，它的主体为一段梯形的微带渐变线，这一段梯形的微带渐变线连接了HMSIW和50欧姆微带线，可以直观地发现微带线所支持的电场结构与基片集成波导的主模TE10的场结构具有一种自然的相似性，因此有理由相信这是一种自然的过渡.

2 实验结果分析

为了验证这种HMSIW的理论分析，设计了一个工作在S波段的HMSIW[7].通带中心频率为2.75 GHz，选取RT5880介质基片(介电常数2.2，厚0.508 mm)，金属通孔的直径为0.5 mm，相邻通孔间距为0.8 mm，最终通过优化，得到HMSIW谐振腔体的尺寸为W×L=9.6 mm×20 mm，如图3所示．

采用商业软件HFSS对该滤波器结构进行电磁仿真，滤波器的插入损耗、回波损耗仿真结果如图4所示[8].从图5可以看出外环半径对S参数影响比较大，当外环半径为5.7 mm时，滤波器的中心频率为2.75 GHz，工作带宽大约为20 MHz，最大插入损耗小于0.3 dB，分数带宽小于1%，具有非常好的选频特性[9].

图3 加工实物图

图4 带通滤波器的S参数仿真结果

图5 环半径对S参数的影响

3 结 论

在HMSIW信号层上刻蚀一定规律矩形槽构建了一种窄带HMSIW带通滤波器.仿真结果表明：该滤波器具有小于1%的分数带宽，通带内插入损耗小，阻带较深.该类型的滤波器结构简单、生产成本低、易于加工，对于微波HMSIW窄带滤波器设计具有一定的参考价值.

参考文献

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[9] GARCIA J, MARTIN F, FALCONE F, et al. Spurious passband suppression in microstrip coupled line band pass filters by means of split ring resonators[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett, 2004, 14(9): 416-418.