基于CSRR-QMSIW谐振器的双通带滤波器的设计

张国鹏，黄玉兰

(西安邮电大学 电子工程学院， 陕西 西安 710121)

0 引言

随着人们对无线通信系统的要求不断提升，多频带通信系统快速发展，因此能够工作在多个频带的滤波器逐渐成为了研究的热点。近年来国内、外学者对双通带滤波器展开了一系列研究，较成熟的滤波器形式有波导腔体滤波器[1]、微带滤波器[2-3]，但波导腔体滤波器体积较大，难以与平面电路集成且无法满足小型化的要求；微带滤波器辐射大，品质因数(Q)值低，插入损耗较高。基片集成波导(SIW)的问世弥补了上述滤波器的缺陷[4-6]，然而该结构的滤波器在频率相对较低的情况下，其标准化尺寸仍较大。后有学者提出，为改善滤波器的尺寸问题，且形成双通带滤波器，可通过利用半模SIW加载互补开口谐振环(CSRR)或缺陷地结构(DGS)，实现双通带滤波器[7-8]。由于该结构的谐振器均是采用在半模基片集成波导(HMSIW)金属层开槽的方式，而HWSIW波导本身不参与谐振，这将会导致滤波器的加工成本提高，带外抑制水平和插入损耗较差。

为了改善滤波器体积问题，降低插入损耗，本文提出了一种通过1/4模基片集成波导(QMSIW)腔体[9-11]加载CSRR并联的双谐振结构的CSRR-QMSIW双通带滤波器，由于该滤波器中QMSIW谐振腔体的谐振作用，可单独形成一个通带，因此,只需加载一个可产生低于QMSIW谐振频点的CSRR谐振器便可实现双通带。这种方法可有效降低插入损耗，且理论上QMSIW结构的尺寸仅为SIW的1/4。

1 CSRR-QMSIW特性

本文以QMSIW结构作为谐振腔,其与SIW的电磁场分布及谐振频率非常相似，但尺寸仅为SIW结构谐振腔的25%。由于SIW是在介质基板上通过金属化通孔的周期性排列形成的，TM模式将受到侧壁不连续通孔的切割而消失，所以,在SIW中只存在TE模,QMSIW腔体的谐振频率[12]为

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式中：m=q=1，2，3，…；ε和μ分别为介质基板的介电常数和磁导率；Leff和Weff分别为SIW的等效长度和等效宽度，则有

(2)

(3)

式中p,d和W分别为金属通孔的间距、直径和金属孔壁的长度。

当满足d/p>0.5,d/λ<0.1时，由金属通孔组成的磁壁几乎不发生电磁的泄漏[13]。图1为CSRR-QMSIW谐振器。图中，a、c、g、f分别为外侧开口互补环的边长、宽度、间距及环开口处的宽度，k为开口互补环的位置参数。本文采用的介质基板为Rogers公司的RT/Duroid 5880型压层板，介电常数为2.2，介电损耗正切角为0.000 9，厚为0.508 mm。参数如表1所示。

图1 CSRR-QMSIW谐振器示意图

p/mmg/mmk/mma/mm0.70.31.23.0c/mmf/mmW/mmd/mm0.380.257.35⌀0.4

通过在金属层上镂空刻蚀出开口谐振环可得CSRR结构，依据慢波效应，可在低于QMSIW谐振腔的谐振点处产生另一个通带，且不会占用额外空间，因此,通过在QMSIW上加载CSRR可最大程度减小该滤波器尺寸。为验证双通带滤波器的结构特征，我们分析了CSRR谐振环与QMSIW腔体的k和CSRR谐振环的a对其传输特性的影响，其他参数不变，通过使用电磁仿真软件HFSS 15.0对其进行仿真。

仿真结果如图2所示。由图可知，a、k均会改变谐振器的频率。当增大a时，CSRR谐振器所产生的谐振频点和传输零点都向左移(见图2(a))，因此可通过改变a来控制第一通带的中心频率，在不影响其正常工作的情况下，中心频率最小可调节至7.6 GHz；因QMSIW腔体磁壁切割线交点处的电场最强[14]，可通过改变k来改变QMSIW腔体的谐振特性，使其谐振频率发生变化(见图2(b))，第二通带的中心频率随k的减小而增大，因此,在不影响正常工作的情况下，第二通带中心频率最大可调节至13 GHz。

图2 CSRR参数对传输特性的影响

2 双通带滤波器的设计

本文利用CSRR-QMSIW谐振腔设计了一种双通带滤波器，结构如图3所示，滤波器由两个CSRR-QMSIW谐振器和馈电网络构成，其中利用微带线实现SIW谐振器和传输线的匹配。滤波器的外部品质因数主要由k、纵向位置参数k1,以及微带馈线与QMSIW腔体的位置参数s控制。

图3 双频滤波器结构图

CSRR-QMSIW滤波器采用开窗加长型S型槽的耦合方式，结构如图3所示，其中A1、B1和A2、B2分别为谐振腔1和谐振腔2的CSRR谐振器和QMSIW谐振器，两谐振器通过并联的方式产生相对独立的两通带，通过在上、下金属层刻蚀出可伸长的S型槽，产生容性加感性的混合耦合，S型槽不仅可以实现能量的传递，还可以使信号的相位发生翻转，可在第二通带右侧处引入一个传输零点，减小高次谐波对滤波器选择性的影响，并且可通过调节S型槽长度Lcp控制谐振器之间的耦合系数，调节滤波器传输零点的位置。

通过对图3所示结构进行仿真，图中滤波器长度L=15 mm，滤波器宽度w=8 mm，滤波器位置参数s=4.7 mm，微带馈线宽度ws=1.6 mm，a=3.2 mm，g=0.4 mm，c=0.38 mm，f=0.3 mm，k=1.49 mm，k1=0.2 mm，Lcp=3.6 mm，S型槽宽度wl=0.2 mm，弯曲处圆半径r=0.45 mm，x=3.15 mm，滤波器结构尺寸为15 mm×8 mm(0.4λ0×0.21λ0，其中λ0为第一个通带所代表的波长)。

仿真结果如图4所示。由图4(b)可知，耦合系数随着Lcp的增大而增大;且传输零点与第二通带中心频点的距离也随着耦合强度的增大而减小，随着传输零点靠近，带外抑制能力也将提高，但当Lcp>3.8 mm，传输零点频率小于11.0 GHz时，带内衰减将受到影响，如图4(b)所示。因此，为了兼顾两者，调节S型槽Lcp为3.6 mm时，传输零点位于11.5 GHz，带外抑制和带内衰减将同时得到满足，传输响应曲线如图5所示。

图4 Lcp分别对传输特性和耦合系数的影响

图5 双带通滤波器仿真图

由图5可知，双频滤波器的两个通带中心频率分别位于8.1 GHz和11.5 GHz，其所对应的-3 dB带宽分别为8.7%和2.7%，通带内最小插入损耗分别为0.16 dB和0.39 dB，回波损耗均大于25 dB。滤波器共有2个传输零点，位于9.8 GHz处的传输零点，使两个通带的隔离度达到46 dB，在11.5 GHz处的传输零点衰减达到64 dB，提高了滤波器的带外抑制能力和选择性。

通过对比本文所设计的滤波器与其他双频带滤波器的尺寸和性能，其对比数据如表2所示，由表可知，文中的双频带滤波器的尺寸和插入损耗的综合性能均优于其他文献中的滤波器，且带外抑制优于文献中的滤波器，综合比较可得本文设计的双频带滤波器实现了小尺寸，低插入损耗和高带外抑制水平。

表2 QMSIW-CSRR结构与SIW结构滤波器的比较

3 结束语

本文通过利用QMSIW谐振腔体积小,且能够产生谐振频点的特性，结合CSRR结构的谐振特性，设计了一款基于CSRR-QMSIW的双频带滤波器，两个通带的频率分别由CSRR谐振器和QMSIW谐振腔控制。仿真结果表明,两个通带的中心频率分别为8.1 GHz和11.5 GHz，最大回波损耗达到了46 dB，通带内插入损耗最小可达0.16 dB。该滤波器分别在两个通带之间和高阻带各存在一个传输零点，实现滤波器两通带间隔离度高达45 dB，高阻带衰减达到64 dB。该滤波器尺寸仅为15 mm×8 mm，实现小型化的特点，可用于通信设备中，该构造也为QMSIW型滤波器的研究做出了贡献。