半模基片集成波导无线局域网带通滤波器*

罗俊婷,杨永侠,张衡伏

(西安工业大学 电子信息工程学院，西安 710021)

band-stop characteristic

在无线局域网(Wireless Local Area Network，WLAN)发明之前，人们只能通过有线电缆进行通讯和交流.随着WLAN的诞生，WLAN具有成本低，传输快，移动性好和保密性高和抗干扰能力强等优点[1]，而且其覆盖范围的最大直径可达150 m，因此应用十分广泛.WLAN的技术标准是由美国电气电子工程师协会(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定和发布，并由Wi-Fi联盟在全球范围内推广和认证[2].

微波滤波器是现代微波通信系统中必不可少的器件，而向小型化、微型化方向发展，一直是微波通信系统的趋势.因此设计体积小，集成度高和可靠性强的WLAN滤波器具有重要的意义.传统的WLAN滤波器通常采用波导结构、微带结构等材料实现.然而，波导结构的滤波器具有体积大、结构复杂和成本高等缺点[3]；微带结构的滤波器也有损耗大，Q值低等缺陷[4]，所以均不能满足WLAN系统对高性能和小型化滤波器的要求.新型导波结构的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)兼具波导结构和微带结构的共同优点[5-7]，所以赢得了国内外学者的广泛关注和研究；而半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)只有SIW体积的一半，因此尺寸大为减小，有利于小型化设计.相比传统的单环互补开口谐振器，文献[8]通过改进其结构，在接地面上加载短路支线，设计了一款紧凑型双层HMSIW带通滤波器，其中心频率为4.92 GHz，若不计微带线的长度，其尺寸仅为9.8 mm×7 mm.在SIW上蚀刻互补开口谐振环(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)，文献[9]研究和分析了一对CSRR的开口方向对电路传输特性的影响，通过级联3对CSRR，设计出一款带通滤波器，其中心频率为5.05 GHz，3 dB带宽为0.33 GHz，带内回波损耗优于-16.6 dB，插入损耗小于2.03 dB，由于传输零点的出现，在传输零点往高频以上的区域，其带外抑制在-52 dB以下，表现出良好的带外抑制特性.文中利用半模基片集成波导(HMSIW)的高通特性与缝隙的带阻特性，提出了一种体积小、插入损耗低以及带外抑制度高的带通滤波器，以期降低传统无线局域网(WLAN)滤波器插入损耗.

1　滤波器的结构

HMSIW是由SIW沿宽边中心面切开得到，切面近似等效为理想磁壁，宽度约为SIW的1/2，并且具有与SIW相同的传播特性和截止特性[10].HMSIW的尺寸将决定了电磁波截止频率的大小，而缝隙的长度与HMSIW宽度将共同决定谐振频率的高低.HMSIW与缝隙的三维立体结构如图1所示，图2为其正面俯视图.图2中，HMSIW的长和宽分别为L、A.金属通孔的直径为D，P为相邻金属通孔的间距.Le、We分别为锥形过渡结构的长度和宽度.L1、W分别为输入输出50 Ω微带线的长度和宽度.Sa、Sb分别为中间缝隙的宽度和长度.左右两边缝隙关于中心线对称，且大小相同，Sc、Sd分别为两边缝隙宽度和长度.Sg为中间缝隙与两边缝隙之间的距离.

图1　HMSIW与缝隙的三维立体结构

图2　HMSIW与缝隙的俯视图

2　滤波器的等效电路及理论模型

根据传输线理论，HMSIW可以用双传输线等效代替，它是由金属表面和地平面构成.HMSIW中的金属通孔可以看作是无数个短路枝节构成，用电感Ld表示.缝隙可以看作开路枝节，用电容Cs表示.HMSIW与缝隙之间的耦合电容和耦合电感用Lc、Cc分别表示.结合HMSIW的高通特性以及缝隙的带阻特性，若忽略材料损耗，则HMSIW与缝隙的等效电路模型如图3所示.

图3　HMSIW与缝隙的等效电路

在等效电路模型中，若把所有的并联支线开路，电路将产生一个传输零点，其频率[11]为

(1)

HMSIW的尺寸将决定电磁波截止频率的高低，缝隙的长度与HMSIW的宽带将共同决定电磁波谐振频率的大小，而缝隙的宽度与HMSIW的长度以及金属通孔的数量将决定滤波器的通带带宽.此外，HMSIW的长度和金属通孔的数量也影响滤波器的带外抑制特性，而金属通孔的孔直径和孔间距将影响滤波器的插入损耗和回波损耗.

为使SIW的辐射尽可能地减小，其尺寸的设计原则一般遵循三个条件[12-13]：D<0.2λg，ASIW>5D，P<2D.其中D和P分别为SIW金属通孔的直径和孔间距，λg为导波波长，ASIW为SIW的宽度.由于HMSIW是由SIW沿中心面切割而成，HMSIW与SIW具有相同的传输特性，因此，HMSIW的尺寸设计也可按照SIW的尺寸设计原则来设计.

SIW的主模是TE10模，其截止频率[14]为

(2)

式中：μ为相对磁导率；ε为相对介电常数;ARWG为等效矩形波导的宽度,且

(3)

HMSIW的宽度A大约为SIW宽度ASIW的1/2，因此根据式(2)和式(3)，即可快捷地估算出HMSIW的大致尺寸.

3　滤波器性能及分析

采用网络综合法，结合三维电磁仿真软件ANSYS HFSS 15.0；选取介质基片材料[15]为Rogers RT/duroid 5880 (tm)，其相对介电常数εr=2.2，损耗角δ正切值tanδ=0.000 9，厚度H=0.508 mm.缝隙的长度大约取λ/4，λ为电磁波波长，两缝隙间的间距取缝隙长度的1/4，缝隙的宽度取缝隙长度的1/8.

模型设计与仿真优化中，确定的物理参数如下：HMSIW的长度L为21 mm和宽度A为23 mm，金属通孔孔直径D为0.7 mm和金属通孔孔间距P为1.48 mm，50欧姆微带线的长度L1为2.5 mm，50欧姆微带线宽度W为1.54 mm，锥形过渡转换结构长度Le为1 mm，锥形过渡转换结构宽度We为2.54 mm，中间缝隙宽度Sa为0.3 mm，中间缝隙长度Sb为21.6 mm，左右两边缝隙宽度Sc为0.1 mm，左右两边缝隙长度Sd为19.4 mm，左右两边缝隙间距Sg为4.9 mm.

通过仿真与优化分析，其传输特性曲线[16]如图4所示.

图4　滤波器的传输特性曲线

由图4仿真曲线可知，带通滤波器的的中心频率为2.445 0 GHz，3 dB带宽为0.119 6 GHz.通带平坦，带内插入损耗大于-1.145 5 dB；带内反射系数高，回波损耗小于-26.945 8 dB，最小回波损耗达到-36.231 4 dB.带外抑制特性[17-18]良好，在2.15 GHz处的左边带外抑制度为-22.483 0 dB，在2.733 5 GHz处的右边带外抑制度为-31.808 3 dB.阻带衰减[19]较大，在阻带范围0～2 GHz内衰减小于-28.678 9 dB，在阻带范围3～5 GHz内衰减小于-43.767 8 dB.所设计的各项指标均优于性能要求.

此外，在0～5 GHz范围内，带外有两个传输零点.一个位于通带左边起始位置0 GHz处，其抑制深度高达-163.419 1 dB；另一个位于通带右边，在3.795 0 GHz附近，此处的抑制深度达到-57.624 8 dB.由此可知，传输零点可以改善带通滤波器的带外抑制特性.

本文所提带通滤波器与传统WLAN带通滤波器的比较见表1.与传统的WLAN带通滤波器相比，本文所设计的WLAN带通滤波器，具有插入损耗低，回波损耗深，尺寸结构小等特点.

表1　与传统WLAN带通滤波器的比较

鉴于以上分析，WLAN带通滤波器的各项参数与性能均满足性能要求.因此，利用HMSIW的高通特性与缝隙的带阻特性以及HMSIW与缝隙之间的耦合，可以构成性能优良的的WLAN带通滤波器.

4　结 论

1) 本文利用HMSIW的高通特性与缝隙的带阻性质，提出了一种新颖的WLAN带通滤波器.仿真与优化分析结果表明，此带通滤波器比传统的WLAN带通滤波器体积减小了74.99%，插入损耗低了20.45%，回波损耗提高了54%，带外抑制好.

2) 本文提出的WLAN带通滤波器未考虑信道噪声和环境电磁辐射等因素对带阻特性的影响，滤波器在插入损耗稳定性和滤波器尺寸小型化方面有待进一步的改进.

参考文献：

[1]王海波.无线局域网络技术与应用[J].电脑知识与技术,2016,12(8):49.

WANG Haibo.Wireless Local Area Network Technology and Application[J].Computer Knowledge and Technology,2016,12(8):49.(in Chinese)

[2]卢晓丽.无线局域网技术应用[J].网络安全技术与应用,2014(2):56.

LU Xiaoli.Application of Wireless LAN Technology[J].Network Security Technology & Application,2014(2):56.(in Chinese)

[3]高浩洋.基片集成波导在微波电路中的应用研究[D].成都:电子科技大学,2016.

GAO Haoyang.The Application Research of Substrate Integrated Waveguide in Microwave Circuit[D].Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China,2016.(in Chinese)

[4]魏胜.基于SIW结构的双通带滤波器研究[D].合肥:安徽大学,2016.

WEI Sheng.Research on Double Pass Band Filter Based on SIW Structure[D].Hefei：Anhui University,2016.(in Chinese)

[5]BIGELLI F,MENCARELLI D,FARINA M,et al.Design and Fabrication of a Dielectricless Substrate-Integrated Waveguide[J].IEEE Transactions on Components Packaging & Manufacturing Technology,2017,6(2):256.

[6]谢尹政.一种基片集成波导带通滤波器的设计与实现[D].成都:电子科技大学,2015.

XIE Yinzheng.Design and Implementation of a Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filter.Chengdu：University of Electronic Science and Technology of China,2015.(in Chinese)

[7]何思佳.紧凑型基片集成波导滤波器的研究[D].重庆:重庆大学,2014.

HE Sijia.Study on Compact Substrate Integrated Waveguide Filter[D].Chongqing：Chongqing University,2014.(in Chinese)

[8]HUANG L,ROBERTSON I D,YUAN N.Compact Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filters with Capacitively Loaded Complementary Single Split Ring Resonators[J].Microwave & Optical Technology Letters,2013,55(7):1602.

[9]DONG Y D,YANG T,ITOH T.Substrate Integrated Waveguide Loaded by Complementary Split-Ring Resonators and Its Applications to Miniaturized Waveguide Filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2009,57(9):2211.

[10]ZHANG Q L,WANG B Z,ZHAO D S,et al.A Compact Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filter with Wide Out-of-Band Rejection[J].IEEE Microwave & Wireless Components Letters,2016,26(7):501.

[11]丁文其.W波段基片集成滤波器的研究[D].南京:东南大学,2016.

DING Wenqi.Investigations on the W-Band Substrate Integrated Filter [D].Nanjing：Southeast University,2016.(in Chinese)

[12]陈雨晴.基片集成波导带通滤波器的研究[D].南京:南京理工大学,2015.

CHEN Yuqing.Study on Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filter[D].Nanjing：Nanjing University of Science & Technology,2015.

(in Chinese)

[13]高先芬.基片集成波导滤波器的设计[D].武汉:华中科技大学,2015.

GAO Xianfen.Design of the Substrate Integrated Waveguide Filter[D].Wuhan：Huazhong University of Science and Technology,2015.(in Chinese)

[14]陈瑞森.新型基片集成波导带通滤波器研究[D].广州:华南理工大学,2015.

CHEN Ruisen.Research on Novel Substrate Integrated Waveguide (SIW) Bandpass Filter[D].Guangzhou：South China University of Technology,2015.(in Chinese)

[15]李姣.半模基片集成波导带通滤波器的研究与设计[D].西安:西安电子科技大学,2015.

LI Jiao.Study and Design of HMSIW Bandpass Filter[D].Xi’an:Xidian University,2015.

(in Chinese)

[16]陶翀.半模基片集成波导带通滤波器的设计[J].电子元器件应用,2010,12(4):51.

TAO Chong.Design of HMSIW Bandpass Filter[J].Electronic Component & Device Applications,2010,12(4):51.(in Chinese)

[17]蒋迪,徐跃杭,徐锐敏,等.基于半模基片集成波导的新型带通滤波器研究[J].电波科学学报,2013,28(2):305.

JIANG Di,XU Yuehang,XU Ruimin,et al.A Novel Bandpass Filter Loaded by Half-Mode Substrate Integrate Waveguide[J].Chinese Journal of Radio Science,2013,28(2):305.(in Chinese)

[18]ZAHARI M K,AHMAD B H,WEN W P,et al.Switchable Absorptive Bandstop to Bandpass Filter Using Dual-Mode Ring Resonator[C]// Applied Electromagnetics.Langkawi：IEEE,2017:248.

[19]翟国华,洪伟,吴柯,等.集成宽带折叠半模基片集成波导带通滤波器[J].电子学报,2010,38(4):825.

ZHAI Guohua,HONG Wei,WU Ke,et al.Compact Wideband Folded Half Mode Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filters[J].Acta Electronica Sinica,2010,38(4):825.(in Chinese)

[20]MASHHADI M,KOMJANI N.Design of Dual-Band Bandpass Filter with Improved Upper Stopband Using Novel Stepped-Impedance Resonator[J].Microwave and Optical Technology Letters,2014,56(3):603.