基于弯曲波纹基片集成等离子波导的带通滤波器设计

邵建兴

（上海航天科工电器研究院有限公司，上海 200331）

0 引 言

表面等离子体激元（SPPs）是一种电磁波模式，由在介质中传播的电磁场与金属表面下的自由电子之间的相互作用激发[1]。表面等离子激元的电磁场在界面的垂直方向上呈指数衰减，因此它被限制在亚波长范围内的界面周围。由于能够绕过衍射极限，SPPs 已被应用于各种纳米光子学和光电子学[2-10]。然而，由于金属固有频率的限制，不存在微波或太赫兹等低频率区域的自然SPPs。

为了在微波或太赫兹频段实现高度受限的电磁场，Pendry 等人提出一种人工表面等离子体激元（SSPPs）结构来模拟光学频率下的SPPs[2]。基于这一概念，各种微波和太赫兹SSPP 波导，如具有纹理亚波长凹槽或孔格的金属表面、具有波纹环或螺旋凹槽的金属线和多米诺波导已经在理论上或实验上进行了研究[6-19]。近年来，平面SSPP 波导因其在实现小型化和高集成的电路和系统方面的巨大潜力而引起了国内外学者的广泛关注。例如崔铁军等人提出了基于矩形波纹超薄金属条的各种平面SSPP 波导[12-15]。同时，许多具有不同单元结构的平面SSPP 波导，例如单/双面矩形凹槽、T-/L-/折叠/螺旋短截线、哑铃单元也已被证明可以进一步减小波导的尺寸，并基于这些波导开发了各种微波器件，包括天线、功率分配器和滤波器等[11-19]。

基片集成波导（SIW）是由上下表面金属板、两排连接上下金属板的金属通孔以及介电基板组成[20]。 SIW作为一类平面波导，具有插入损耗低、尺寸紧凑、易于集成等优点，已广泛应用于各种微波和毫米波元器件。为了在保持SIW 优势的同时替换金属通孔，Chen 等人提出了一种波纹SIW（CSIW）结构，使用开路波长微带短截线代替金属通孔，以创建人工电壁[21]。这种结构与以SIW 结构相同的方式支持TE10 模式。与SIW 结构相比，CSIW 通过使用开路波长短截线而不是金属通孔来保持顶部和底部导体之间的直流隔离。近年来，SSPP 概念已被引入SIW[22-25]。

例如Zhang Q 等人通过连接传统的SIW 和基于反对称波纹金属条的SSPP 波导，设计一个通带可控滤波器[22]。文献[26-27]中提出了一种半空间基片集成SSPP传输线，使用基片层在接地平面上设置金属化通孔。然而，这些混合SSPP-SIW 传输线和滤波器是通过接地平面上的金属化通孔或在SIW 的单个金属层上使用蚀刻槽来实现的，并没有考虑蚀刻SSPP 单元结构的同时替换SIW 的金属接地孔。

本文提出一种基于新型弯曲波纹基片集成等离子波导（BCSIPW）的微波带通滤波器。该波导是通过在SIW 的两个金属层上蚀刻椭圆槽的双阵列，并使用两排开路波长微带短截线代替金属通孔而形成。BCSIPW 的色散特性可以通过操纵SIPW 的几何参数灵活地调整色散关系。低截止频率主要由两排通孔之间的距离和椭圆槽的长度分别决定。利用该BCSIPW 的结构设计了一种基于“微带-BCSIPW-微带”结构的带通滤波器，该滤波器在9～11.5 GHz 的通带内具有良好的插入损耗和回波损耗，所提出的BCSIPW 在微波集成电路和系统中有良好的应用前景。

1 微波带通BCSIPW 滤波器设计

基于BCSIPW 的微波带通滤波器设计流程如图1 所示。在传统基片集成波导的顶层和底层金属表面刻蚀槽阵列，通过合理设置波导和槽的几何参数，使基片集成波导的色散曲线远离光线，从而支持SSPP 传输模式。与单面槽SIPW 相比，双面槽SIPW 可降低SIPW 的渐近频率，其电场强烈集中在结构的两个槽区域周围，在开发小型化微波器件和电路方面具有更高的潜力[19]。同时，通过使用开路的波长的微带短截线代替SIPW结构中的金属通孔来创建电壁，可支持TE10 传输模式[21]，形成BCSIPW。

图1 BCSIPW 带通滤波器设计流程示意图

为了验证BCSIPW 带通滤波器的性能，本文设计了一款X 波段的带通滤波器，其结构如图2 所示。其中，区域Ⅰ采用“微带-锥形-微带”的SIW 宽带过渡结构，区域Ⅱ是由SIPW 组成的宽带“SIW-SIPW”过渡结构。为减小带通滤波器的整体尺寸，波长开路微带短截线采用“弓”字形弯曲结构，其长度约为带通滤波器中心频率波长的。通过在SIW 的两个金属层上蚀刻双阵列的椭圆槽来实现SSPPs 结构。BCSIPW 滤波器的低截止（或渐近）频率分别由两排“弓”字形弯折微带短截线之间的距离和椭圆槽的长度独立确定。微带-SIW 的过渡结构使微带线上传输的准TEM 模式平滑地转换为SIW 的准TE 模式，椭圆槽的渐变长度可有效地将SIW的准TE 模式转换为SIPW 的SSPP 模式。

图2 BCSIPW 带通滤波器结构示意图

2 仿真分析

采用典型PCB 印制板加工工艺，介质基板选用睿龙的RA300 材料，相对介电常数为2.94，损耗角正切为0.001 1，厚度为0.508 mm；铜箔的电导率为5.8×107S/m，厚度为0.035 mm。根据BCSIW 的回波损耗和插入损耗最小化设计参数，通过商用高频电磁场仿真分析软件ANSYS HFSS 仿真得到滤波器的优化参数，如表1 所示。

表1 BCSIPW 带通滤波器尺寸表

BCSIPW 滤波器的仿真结果如图3 所示。由图可见，在9～11.5 GHz 的整个通带中，BCSIPW 的回波损耗S11≤-11.5 dB，插入损耗S12≥-2.5 dB。

图3 BCSIPW 滤波器性能仿真结果图

此外，将传统SIW、BSIW 和BCSIPW 带通滤波器进行了性能对比分析，如图4 所示。由图可见，BCSIPW 带通滤波器的性能整体优于其他三种滤波器的性能。

图4 不同滤波器性能仿真结果对比图

为了更深入地分析BCSIPW 滤波器，研究了其顶部金属层的电场分布，如图5 所示。由图5a）可见，由于频率小于SIW 的下限截止频率，信号在7.5 GHz 时在微带部分传播后被反射回来，没有传输到SIW 区域。而在10 GHz 的通带内信号可以有效地通过整个SIPW 滤波器进行传输，模式转换平滑，损耗小，如图5b）所示。此外，图5c）显示12.5 GHz 的信号在上阻带中终止于渐变SIPW 部分。这些场分布与S参数结果为SIPW 滤波性能提供了直观的验证。

图5 不同频率下的滤波器表面电场分布图

为了研究BCSIPW 通带的独立调控特性，分析两排“弓”字形开路微带短截线之间的距离a、椭圆槽周期s对BCSIPW 滤波器频率响应的影响，其仿真结果分别如图6 和图7 所示。

图6 不同微带短截线间距的滤波器性能对比图

图7 不同椭圆槽间距的滤波器性能对比图

由图6 可见，随着开路微带短截线距离a从1.75 mm增加到4.25 mm，低频端截止频率增加了0.1 GHz，而高频端截止频率基本保持不变。在3 种不同的短截线间距下，滤波器的插损基本保持不变。

由图7 可见，随着椭圆槽周期s从1 mm 增加到3 mm，低频端截止频率基本保持不变，而高频端截止频率变化显著，从10.7 GHz 增加至13.7 GHz。在5 种不同的椭圆槽周期s间距下，滤波器通道内的插损基本保持不变。

为了验证BCSIPW 的性能，本文制作了实物样机并使用矢量网络分析仪进行测试。滤波器实物如图8 所示，其测试结果与仿真结果如图9 所示。由图可见，在整个工作频段范围内，滤波器的实测值与仿真结果一致性良好。

图8 BCSIPW 滤波器实物图

图9 BCSIPW 滤波器实测与仿真对比图

3 结 论

本文设计了一种基于新型弯曲波纹基片集成等离子波导（BCSIPW）的带通滤波器结构。仿真和测试分析结果表明：通过调节SIPW 的几何参数，可以灵活地调整BCSIPW 的色散特性，其低频截止频率和高频截止频率主要由两排通孔之间的距离和椭圆槽长度分别决定。所提出的BCSIPW 滤波器具有结构简单、插入损耗低和回波损耗高的特点。这种BCSIPW 概念不仅可以应用于微波滤波器，而且在各种等离子体集成功能器件和电路的开发中也具有潜在的应用。