一种应用于毫米波波段的基片集成波导滤波器

赵子鉴，王 斌，阮 巍，谭 菲



一种应用于毫米波波段的基片集成波导滤波器

赵子鉴，王 斌，阮 巍，谭 菲

（重庆邮电大学 光电工程学院，重庆 400065）

提出了一种工作于毫米波波段的基片集成波导滤波器，该滤波器在上下金属层刻蚀出哑铃槽结构，通过哑铃槽之间的耦合，极大提高了其带外抑制性。仿真实测结果表明，滤波器的中心频率在30 GHz，通带内相对带宽为39.5%，中心频率插入损耗为1.44 dB，带内回波损耗大于13 dB。滤波器带外衰减陡峭，结构紧凑，实测结果与仿真结果吻合良好。

滤波器；SIW；哑铃槽；宽带；毫米波；耦合

二十一世纪以来，人们对高速无线移动通信的需求变得越来越强烈，第五代移动通信技术（5G）即将进入人们生活中的各个领域。毫米波具有波长短、频带宽、分辨率高和抗干扰性等优点，其波长在红外线和微波之间，可以应用在5G中，但设计与制作的困难却大大限制了毫米波器件的应用。在微带器件中，要达到毫米波段十分不容易，部分矩形波导可以应用在毫米波波段，但是矩形波导体积较大，制作成本较高，且不易与平面电路集成，而基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW）是一种具有低损耗、低辐射、高品质因素的平面波导结构，因此SIW技术在此环境下应运而生。

自2001年以来，Wu等[1]提出了SIW的概念后，基于SIW设计理念的大量理论研究和器件相继被报道出来[2-5]。SIW滤波器便是其中的热点之一，因其具有质量轻、体积小、成本低、可工作于高频率、便于与平面电路集成以及可方便利用标准的PCB技术和LTCC技术加工等独特优点，成为在无线高速移动通信中的首选。结合国内外研究，目前已经有学者通过在介质基板与金属层上直接开孔开槽等方法实现了SIW毫米波滤波器[6-8]，但是SIW滤波器的品质因数与介质基板直接相关，因此低损耗方面的优势被明显削弱，不利于SIW滤波器的设计制作。同时，缺陷地结构已经广泛应用在新型滤波器上[9-11]，它能十分有效地减小器件尺寸，提高它的带阻特性。因此本论文对毫米波段的SIW进行了设计与研究，提出了一种新型哑铃槽结构，即在滤波器上下金属层刻蚀出互相垂直的哑铃槽结构，并通过它们之间的耦合对滤波器性能进行优化，目前，研究在上下金属层刻蚀出图形进行互相耦合的结构并不多，所以本文设计了一款毫米波波段的SIW滤波器，其中心频率应为30 GHz，具有宽带、低损耗等特点，能满足对无线移动通信高传输速率的要求，可应用于下一代无线通信中。

1 基片集成波导滤波器理论基础

SIW有一种近似封闭的波导结构，主要由上下两底面的金属层、中间的低损耗介质层以及两排周期性金属化通孔或者金属柱组成，如图１所示。在图中，和为SIW的长度与宽度，为两排金属化通孔或者金属柱的间距，为金属化通孔或者金属柱的直径。

SIW与传统金属波导具有相似的传播特性，但SIW内只能传播横电（Transverse Electric Field，TE）模，它的传播特性与、和相关。根据文献[9]可知，SIW和矩形波导的等效关系为：

（2）

（3）

式中：(TEmm)为截止频率；0为真空下的光速；r为介质的相对介电常数；eff和eff分别为SIW的有效长度和宽度；和分别代表TE波沿方向和方向分布的半波个数。

图1 SIW基本结构

对于在薄介质基片上的SIW滤波器，通常腔体的形状没有限制。理论上圆形腔体有较高的固有品质数和最小的面积，但方形与圆形腔体的固有品质数差别微小，选择腔体的形状主要还应从滤波器布局是否灵活，腔体是否便于制作、集成等方面来考虑。SIW的侧壁是由金属化通孔按一定规律排列而成，相邻两通孔之间的距离要满足无电磁能量泄露的要求，而且孔的直径与两孔之间距离对SIW滤波器的性能影响较大。与圆形腔体相比，方形腔体各边上的通孔按直线排列，布局具有一定的灵活性，更容易获得较好的性能。因此，本论文选择方形腔体进行研究与设计。

2 传统基片集成波导滤波器

本文设计SIW滤波器的主要方法是在SIW结构等效为矩形波导的理论基础上，用SIW的等效长度与宽度等确定滤波器的中心频率，再利用刻蚀哑铃槽结构对滤波器性能进行优化。文献[4]提供了计算SIW结构等效长度的一般数值方法。利用此方法对基于薄介质基片上的SIW滤波器进行研究。如图2（a）所示的SIW结构，通过前面所述等式得出中心频率在30 GHz的SIW波导等效宽度大致为3.826 mm。

（a）传统SIW滤波器的结构

（b）参数仿真图

图2 传统SIW滤波器的结构及其参数仿真图

Fig.2 Structure of conventional substrate integrated waveguide filter and itsparameter simulation diagram

从图2（b）的参数仿真结果图可以看出，此SIW滤波器在低频段有较好的带外抑制性，但在高频段并没有阻带性能，不具有良好的滤波性能。因此，本论文考虑将哑铃槽结构刻蚀在SIW的上下两个金属层来提高滤波器的带外抑制性。

3 加载哑铃槽的SIW滤波器

一个典型的哑铃槽单元通常是将其等效为RLC并联电路等效模型进行研究与设计。文献[10]系统研究了这类哑铃槽的特性，结构中的电容C和电感L由谐振单元本身的容性部分和感性部分提供，同时也受到哑铃槽单元与SIW结构之间耦合的影响。图3为本论文刻蚀了哑铃槽结构的SIW滤波器结构。

（a）顶层金属层

（b）底层金属层

图3 哑铃槽结构SIW滤波器的顶层与底层金属层

Fig.3 The top and the bottom metal layers of the substrate integrated waveguide filter with dumbbell slot structure

由于上下金属层的哑铃槽刻蚀图形之间是90°旋转而成，所以此互相垂直的哑铃槽之间相互耦合会产生一个LC谐振腔对其等效电路产生影响。滤波器等效电路图如图4所示，其中L1与C1为SIW滤波器与哑铃槽结构之间耦合的等效模型，L2与C2为哑铃槽的自耦合。从文献[10]中可以发现，哑铃槽单元与SIW电磁场重合分布越多，耦合就越强。哑铃槽单元与SIW耦合越强，等效电容C就越小，等效电感L则越大，即可以通过改变哑铃槽单元与SIW的相对位置和刻蚀面积来调节耦合性能对滤波器进行性能的优化。

图4 哑铃槽结构的SIW滤波器等效电路图

在滤波器的优化过程中，通过改变SIW滤波器的宽度来调节滤波器的中心频率，以此验证了前段理论设计的正确性，如图5所示。最后，通过仿真软件不断优化，不断调整滤波器尺寸，直到滤波器响应满足设计指标要求，图6为最终参数仿真图，其结构尺寸如表1所示。

图5 不同宽度b的频率响应

图6 S参数仿真图

表1 滤波器结构尺寸

Tab.1 Size of filter structure

4 测试及结果

通过刻蚀出哑铃槽的方法设计SIW滤波器，选取Rogers5880构成基础介质基层（相对介电常数r为2.2，厚度为0.254 mm），利用标准PCB工艺对滤波器进行加工，滤波器的加工版图和实物如图7所示。此滤波器宽度为5.8 mm，长度为13.8 mm，体积十分小，因此易与平面电路集成。通过矢量网络分析仪测量得到其仿真与测量对比结果图，如图8所示。由图8可以看出，滤波器的实测结果与仿真结果吻合度较高，验证了本设计的正确性，实测滤波器的插入损耗偏大，约为1.44 dB，相对带宽为39.5%，相比于仿真结构有8.8%的误差，造成这些误差的主要原因有：（1）加工误差，由于电路工作在毫米波波段，微带电路对加工精度要求更高；（2）非相邻哑铃槽间互耦合的影响，因为滤波器较小，哑铃槽之间的距离很短，容易造成不必要的耦合；（3）测试误差，测试时引入一些电磁损耗。与传统的SIW滤波器研究成果对比，如表2所示，本滤波器带宽明显增加，插入损耗显著减小，可以考虑应用在毫米波通信系统中。

（a）加工版图

（b）顶层

（c）底层

图8 滤波器仿真与测试结果对比图

表2 滤波器性能对比

Tab.2 Comparison of filter performances

5 结论

本论文采用SIW结构设计了一款应用于毫米波段的SIW滤波器。首先，根据给定的滤波器设计指标，通过计算得到滤波器基本结构的尺寸，然后在此基础上加入哑铃槽结构。由于哑铃槽与SIW间的电耦合，极大地改善了通带到阻带的过渡特性，增加了带外抑制度，滤波器达到了理想的设计指标。加工滤波器实测结果与仿真结果吻合良好，验证了本方法的正确性。与文献[3]和文献[4]相比，本滤波器的性能有极大提高，中心频率的插入损耗为1.44 dB，相对带宽提高到39.5%。所设计的滤波器在工程上具有一定的实用价值，可以应用在5G的毫米波系统中。

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（编辑：陈渝生）

Substrate integrated waveguide filter applied to millimeter wave band

ZHAO Zijian, WANG Bin, RUAN Wei, TAN Fei

(College of Photoelectric Engineering, Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China)

A new type of substrate integrated waveguide filter which worked in millimeter wave band was proposed. The new filter was added dumbbell groove structure to two metal layers so that its out-of-side rejection was improved. The measured and simulated results show that the center frequency of the filter is 30 GHz, the fractional bandwidth in passband is 39.5%, the insertion loss of center frequency is 1.44 dB, and the return wave loss is greater than 13 dB. The outer attenuation of the filter is steep and the structure of the filter is compact. The measured results are in good agreement with the simulated results.

filter; substrate integrated waveguide(SIW); dumbbell slot; wideband; millimeter wave; coupling

10.14106/j.cnki.1001-2028.2017.04.018

TN713

A

1001-2028（2017）04-0091-05

2017-03-13

王斌

重庆市教委科研基金资助(No. KJ130512）

王斌（1982－），男，重庆人，副教授，主要从事射频微波器件及毫米波技术研究，E-mail: wangbin1@cqupt.edu.cn；赵子鉴（1991－），男，重庆人，研究生，研究方向为射频集成电路设计与光电集成，E-mail: 513163464@qq.com。

网络出版时间：2017-04-11 10:49

http://kns.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20170411.1049.018.html