基片集成波导双模带通滤波器级联技术简介

黄 鹏

（南京邮电大学 电子科学与工程学院，江苏 南京210003）

1 基片集成波导简介

SIW的结构[1]如图1所示，主要由三部分组成：中间为厚度为h的介质层，上下表面为金属层，以及介质层内间距为s的有序排列的金属柱。SIW结构与传统的矩形波导具有相似的结构[2]，上下表面的金属层相当于传统金属波导的上下金属面，两排周期性金属通孔则形成相当于矩形波导的两个侧壁，共同限制电磁波在所围的区域内向前传播。

图1 SIW结构图

2 基片集成波导级联技术的研究现状

自从单腔体双模基片集成波导被人们广泛研究以来，研究人员做了大量的研究[3]，例如通过改变单腔体的内部结构以获得更广泛的使用。再者就是对腔体进行级联，多腔体的级联分成平面和异面的级联，顾名思义，平面级联就是在同一个面上就行级联，这样的级联的方式会使得滤波器的面积成倍的增大。异面级联就是在不同的面上进行级联，这样做只是增加了厚度，滤波器的实际面积并未增加。在级联技术上研究人员想出了各种办法，在平面级联中，比较典型的方式就是开窗和异面微带级联。对于开窗的级联方式，因为本身已经破坏了腔体的完整性，所以就在腔体的两侧分别加一个微扰柱以平衡这种破坏作用。异面微带级联即在两腔体间搭建一条传输微带线，以实现能量的传输[4]，因为微带级联是在不同面上的，所以原来的腔体可保持较好的完整性。异面级联，分为开窗和圆金属柱直接传导（探针）两种方式，所得到的的效果也非常理想。无论是平面还是异面级联，都是通过调整开窗的位置，窗口的大小，级联微带的长宽和位置，以及探针的半径和位置以获得较好的级联效果。

人们也许会有疑问，单腔体的滤波效果已经很好，为什么还要级联单个腔体，使得腔体的结构变得复杂。这里介绍一下级联所带来的好处[5]：首先 经过多次反射，中心频率两侧的频点会变大，这样会使相对带宽不断变窄。对于密封腔体的滤波器而言，相对带宽越小越好[6]。其次，多次滤波使得带外插损保持在一个较小的数值，即带外抑制效果很好，两侧零点翻倍减小，两腔体级联能达到-50dB甚至-60dB，这是一个很理想的效果。正是由于级联有这样的优点，研究人员还研究了三腔甚至四腔的级联。无论是平面还是异面的，效果都比较理想。

3 基片集成波导谐振腔之间的级联结构

虽然双模的实现相当于两腔体的叠加，实际上减少了腔体的个数，以此为基础，我们各异设计多模的结构，实现多腔体的重叠，但随着模数的增加，设计难度必然大大的增加，SIW性能提升的空间越来越小。所以，只能通过腔体之间的级联来实现SIW滤波性能的进一步提高。实际应用的级联方式主要分为两大类，一是腔体之间平面的级联，另一类就是腔体之间异面的级联，两种方式各有优劣。

平面级联方式，优点在于级联设计和加工简单，级联性能较好，缺点在于面积成倍增加，限制了该类滤波器的使用。对于平面形式级联主要分为以下两种：

开窗级联[7]，即在两个腔体连接处开一个感性窗，如图2所示，实现感性耦合。

图2 基片集成波导平面开窗两腔体级联

微带级联[9]，即在两腔体之间通过微带线实现能量传输，也是一种感性耦合，如下图所示，与开窗级联相比，这种结构不会破坏腔体结构，但加工实现起来有一定的难度。

图3 基片集成波导平面微带两腔体级联

异面级联方式，优点在于虽然腔体数增加，实际面积并未增加，只是增加了一点厚度。缺点在于设计和加工难度都不低，有些时候精度无法达到要求。对于异面形式级联主要分为以下两种：

开窗级联，即在两个腔体连接（共用的金属面）处开一个感性窗，如图4所示，实现感性耦合。

图4 基片集成波导异面开窗两腔体级联

探针级联[10]，即在两腔体之间通过金属探针实现能量传输，在两腔体共用金属面上打一个半径稍大的孔即可。也是一种感性耦合，如图5所示。 与开窗的结构相比，能量传输很直接，但是已经破坏了上下腔体本身的结构。

图5 基片集成波导平面探针两腔体级联

4 SIW级联技术研究工作的展望

未来该领域中，人们可以尝试更多种类的级联方式，使得腔体之间的耦合量不断增大，不断优化频率响应，改善其矩形系数和带外插入损耗的平滑度。

另外，人们可以尝试更多腔体的级联，例如三腔体平面微带级联，三腔体异面开窗，探针级联，四腔体的平面微带级联，异面开窗以及探针级联，甚至可以尝试混合级联方式。级联的结构虽然复杂，但是级联的优点依然值得我们去尝试。

［1］Xiaoping Chen,Zhang-Cheng Hao,WeiHong,TieJun Cui,Planar Asymmetric Dual-Mode Filters Based on Substrate Integrated Waveguide(SIW)[C]//IEEE MTTS International Microwave Symposium,Long Beach,California,June 12-17,2005.

［2］Xiaoping Chen,Wei hong,Zhangcheng Hao,and Ke Wu.Substrate Integrated waveguide Ouasi-Elliptic Filter Using Extracted-Pole Technique[C]//APMC,Suzhou,2005.

［3］Ji-Xin Chen,Wei Hong,Zhang-Cheng Hao,Hao Li,Ke Wu,Development of a Low Cost Microwave Mixer Using a Broadband Substrate Integrated Wavegude(SIW)Coupler[J].accepted by IEEE Microwave and Wireless Compoments Letters.

［4］廖承恩.微波技术基础[M].陕西：西安科技大学出版社，2005.

［5］周建梅.腔体滤波器耦合结构理论和关键技术的研究[D].电子科技大学，第3章.

［6］胡慧玲，程崇虎.一种共面波导结构双模方形贴片带通滤波器[J].微波学报，2007，23（2）：59-62.

［7］毕竟.基片集成波导技术的研究[D].南京邮电大学，第4章.

［8］甘本祓，吴万春.现代微波滤波器的结构与设计[M].科学出版社，1973.

［9］张胜，王子华，肖建康，李英.基于基片集成波导（SIW）的双模带通滤波器[J].微波学报，2007，23（2）：55-58.

［10］邓绍刚.基片集成波导双模滤波器级联技术研究[D].南京邮电大学，第3章.