一种槽线扰动的基片集成波导双模滤波器

李荣强 肖绍球



一种槽线扰动的基片集成波导双模滤波器

李荣强*①②肖绍球②

①(成都信息工程学院电子工程学院 成都 610225)②(电子科技大学物理电子学院 成都 610054)

该文提出一种新型小型化基片集成波导(SIW)双模滤波器。通过使用正交的输入输出馈线，和一段倾斜的槽线来扰动腔体的两个简并模，滤波器能产生两个传输零点(TZ)。采用该方法设计了一个中心频率为15 GHz，带宽为350 MHz的基片集成波导双模滤波器。该滤波器结构简单，成本低廉，易于加工。测试结果和仿真结果吻合，较好地验证了设计的可行性和有效性。

滤波器；基片集成波导(SIW)；双模；传输零点

1 引言

现代无线通信系统要求滤波器具有高性能和紧凑的尺寸。金属波导滤波器由于具有高Q值和高功率容量而具有极好的性能。然而，它们的体积偏大，不易与微波平面电路进行集成。金属波导双模滤波器通常利用对谐振腔体切角或添加调谐螺钉来实现模式扰动。文献[1]提出一种矩形金属波导双模滤波器，该滤波器不使用扰动元件，而是通过输入输出激励与腔体中心线的偏移来获得双模工作。通过调整谐振腔的边长，它能在通带任一边产生一个传输零点(Transmission Zero, TZ)。

本文提出了一种利用倾斜槽线扰动的单层基片集成波导双模滤波器，通过调整槽线的尺寸和位置参数，滤波器能产生两个传输零点，它们分别位于通带的两边。与已知文献中报道的滤波器相比，提出的滤波器具一定的优势。例如，与利用金属化通孔扰动的滤波器相比[11]，腔体的尺寸有明显的减小；与文献[12]提出的槽线滤波器相比，它有更好的频率选择性，而与文献[13,14]中的滤波器相比，它具有更简单的结构。本文对提出的小型化基片集成波导滤波器进行了理论研究和实验验证。

2 滤波器分析和设计

2.1滤波器分析

其中和为双模SIW腔体的有效宽度和长度，m, n, p, q为模式指数，为基片的相对介电常数，是自由空间中的光速。注意，在双模工作条件下需满足限制条件：。根据式(1)，对于正方形SIW谐振腔体，它的TE102和TE201模将谐振在同一频率。

图2为图1中滤波器的耦合原理，图中的谐振器1和谐振器2分别代表TE102和TE201模。低通等效原型具有式(2)形式的耦合矩阵。

图2 SIW双模滤波器的耦合原理

下面给出一个双模SIW滤波器的设计实例，它的主要指标为：中心频率为15 GHz，回波损耗为22 dB，带宽为350 MHz，在14.1 GHz和16.5 GHz分别产生两个传输零点。根据文献[15]给出的耦合矩阵提取方法，该滤波器可能的耦合矩阵如式(3)所示。由耦合矩阵得出的理想电路响应如图3所示。图3中实线表示滤波器的11参数，虚线为21参数。它们均满足滤波器的设计指标。

2.2 滤波器设计

图3 SIW双模滤波器的理想电路响应

图4 SIW双模滤波器关于不同Ls值的仿真频率响应

图5 SIW双模滤波器关于不同Sp值的仿真频率响应

3 实验结果与讨论

根据仿真优化结果，加工了SIW双模滤波器实物，如图6所示。使用的基板为Rogerss 5880，该基板的相对介电常数为2.2，介质损耗角正切为0.0009，厚度为0.508。采用罗德史瓦兹公司的ZVB20矢量网络分析仪对滤波器的S参数进行了测量。与仿真结果对比，如图7所示。实测的中心频率为14.8 GHz，相对于仿真频率15.0 GHz有一定的频偏，可能是由基片的介质参数容差和加工工艺引起的。测量的带内回波损耗大于15.6 dB，带内插入损耗大约为2.0 dB，与仿真的插入损耗1.0 dB有一定的差异，可能是由于导体损耗、介质损耗和辐射损耗引起的。此外，分别位于14.1 GHz和16.5 GHz附近的两个传输零点能被明显地识别出来。

4 结束语

本文设计了一种利用倾斜槽线扰动的新型小型化双模基片集成波导滤波器。与金属化通孔扰动简并模的滤波器相比，它具有更小的尺寸。与已知的其它槽线扰动的滤波器相比，它有更好的性能或更简单的结构。由于提出的滤波器在通带两边具有两个可控的传输零点，因而具有良好的频率选择性。

图6 SIW双模滤波器的实物照片

图7 SIW双模滤波器仿真和测试结果

此外，该滤波器结构简单紧凑，成本低、便于构造，易于与平面电路集成。

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李荣强： 男，1977年生，副教授，研究方向为微波无源器件和天线理论与技术.

肖绍球： 男，1975年生，教授，博士生导师，研究方向为天线理论与技术、超宽带电磁学及其应用、计算电磁学等.

A Substrate Integrated Waveguide Dual-mode Filter with a Slot Line Perturbation

Li Rong-qiang①②Xiao Shao-qiu②

①(,,610225,)②(,,610054,)

In this paper, a novel miniaturized Substrate Integrated Waveguide (SIW) dual-mode filter is presented. By adopting an orthogonal input and output feed line, and an inclined slot line for disturbing two degenerate modes, two Transmission Zeros (TZs) are created. A 15 GHz SIW dual-mode filter with 350 MHz bandwidth is designed and fabricated using the proposed method. The filter has a very simple structure, low cost and is easily fabricated. The measured results are in good agreement with the simulated results, which show that the design of the proposed filter is correct and effective.

Filter; Substrate Integrated Waveguide (SIW); Dual-mode; Transmission Zero (TZ)

TN713

A

1009-5896(2014)11-2791-04

10.3724/SP.J.1146.2013.01665

李荣强 liyq2011@cuit.edu.cn

2013-10-29收到，2014-05-15改回

中国博士后科学基金(2014M562292)和四川省教育厅科研项目(13ZB0078)资助课题