采用新型介質集成波導腔的小型雙頻濾波器

張忠海 官伯然

（1.西安電子科技大學電子工程學院，陜西 西安 710071；2.杭州電子科技大學天線與微波技術研究所，浙江 杭州 310018）

引 言

濾波器［1-3］一直是射頻電路中的關鍵部件。作為微帶濾波器的一種，基片集成波導（SIW）濾波器［4-9］，具有體積小、制作方便、價格便宜、能夠集成于微波毫米波集成電路的優點，因此，在近幾年得到了廣泛的研究。

隨著同軸腔濾波器在移動通信領域的廣泛應用，其設計綜合技術已經經過了實踐的驗證［10-12］。因此，同軸腔濾波器設計技術和SIW技術可以結合組成一些新的濾波器，具有更小的體積和更加優異的性能。

通過在SIW腔體中心位置插入短路銷釘以及將其上導體面與腔四周的導體壁開路，提出了一個新式的橫電磁波-基片集成波導（TEM-SIW）諧振腔。該腔諧振頻率位于傳統的SIW腔的截止頻率以下。相比傳統的SIW腔，TEM-SIW腔具有較高的無載Q值，易于借鑒現有的同軸腔濾波器的耦合結構和綜合設計技術。利用TEM-SIW腔與經典同軸腔濾波器設計技術相結合，設計了一個采用TEM-SIW技術的雙頻濾波器，相比傳統的SIW雙頻濾波器，其尺寸有大幅度的減小。加工并測試了這個雙頻濾波器，其仿真S參數和測量結果吻合良好。

1.理論分析

1.1 TEM-SIW諧振腔

TEM-SIW腔的結構如圖1所示。TEM-SIW腔的上層金屬平面與TEM-SIW腔四周金屬壁開路。在TEM-SIW腔的中心位置加入了一個短路過孔。

TEM-SIW腔上金屬平面的尺寸以及中心短路過孔的直徑都會影響整個腔體的諧振頻率。TEMSIW腔的諧振頻率與短路銷釘的直徑以及上金屬平面的邊長L之間的關系如圖1所示。由圖1可以看出，當四周金屬壁的長度為21mm，上金屬面邊長L為19mm，短路銷釘半徑為0.2mm時，TEMSIW腔諧振頻率為1.94GHz.而相同介質基板和厚度情況下，工作于1.94GHz的經典SIW諧振腔面積需要達到68mm×68mm.因此，TEM-SIW腔的面積減小到經典的SIW諧振腔面積的9.5%以下。此外，如圖1所示，在21mm×21mm的貼片面積內，TEM-SIW腔的諧振頻率可以在1.94～11.0GHz之間調節。

圖1 TEM-SIW腔結構示意圖以及諧振頻率變化

面積為21mm×21mm的經典SIW諧振腔諧振頻率為6.35GHz，Q值為1665.如圖1所示，相同的基板材料和厚度情況下，當頂部貼片的邊長為11.7mm，短路銷釘半徑為1.7mm時，TEM-SIW腔的諧振頻率為6.35GHz，此時腔體的Q值為2229.由此可見，相同頻率下TEM-SIW腔的Q值大于經典SIW腔的Q值。SIW腔的損耗主要是因為介質損耗和輻射損耗［8］。相同頻率下，TEM-SIW腔的面積遠遠小于SIW腔的面積，所以這兩項損耗都比較小。

圖2 矩形耦合窗口的耦合帶寬隨頻率變化曲線

TEM-SIW腔主模工作時的場分布與經典的SIW腔不同。兩者腔內部的磁場分布對比如圖2所示。其中（a）是經典的SIW腔內部磁場分布，磁場強度在腔體的中心處最小，向四周擴散逐漸增大。（b）是TEM-SIW腔內磁場分布圖，磁場場強在圍繞短路銷釘位置附近最大，向四周擴散漸漸變小，這與開路端加載電容的同軸腔內磁場分布類似?？梢詤⒄战浀涞碾娙菁虞d同軸腔濾波器的耦合結構以及綜合設計方法來設計基于TEM-SIW腔的濾波器。

1.2 腔間耦合

圖3給出了TEM-SIW腔的腔間耦合結構俯視圖。這種耦合通過刻蝕在頂面的微帶線來實現。圖3中，電磁波沿著微帶線傳輸，并且會在第二個腔體中激勵起相同的模式。兩腔體中間需要一個開在側壁上的窗口來保證電磁波在微帶線上的傳輸。腔間耦合系數的大小可以通過微帶線伸入頂部貼片的深度來調節。腔間耦合系數和微帶線進入貼片深度d的關系可以通過對結構進行電磁仿真來確定。

圖3 TEM-SIW腔腔間耦合結構頂視圖

由圖3可見，隨著d的增大，耦合系數漸漸減小。

1.3 外部耦合

外部耦合的結構圖如圖4所示。

TEM-SIW雙頻濾波器由50Ω微帶線激勵。饋電線伸入到TEM-SIW腔中以獲得合適的外部Q值。外部的Q值可以通過調整微帶線插入TEMSIW腔的深度L來調節。外部Q值隨微帶線插入深度L的變化如圖4所示。

圖4 TEM-SIW腔外部耦合結構以及外部Q值的變化

1.4 帶通濾波器構成

設計基于TEM-SIW結構濾波器的步驟與設計同軸腔濾波器的步驟相同［10-12］。首先要從需求指標綜合出濾波器的耦合矩陣，然后確定濾波器的初始尺寸，最后對尺寸進行優化。

所設計的雙頻濾波器為3級濾波器，其兩個頻段的通頻帶為2.48～2.64GHz，2.79～2.95GHz.

綜合出來的耦合矩陣為:M12=M23=0.149，M14=M25=M36=0.141，Qe=8.5.所設計的雙頻濾波器的結構如圖5所示。圖中所涉及的各部分的尺寸如下所列:d1=3.4mm，d2=3.4mm，d3=4.4 mm，d4=5mm，l=18mm，l1=17.9mm，l2=18 mm，l3=16.5mm，s=0.5mm，a=21mm，cs=4 mm，fs=6mm.

圖5 TEM-SIW腔3腔雙頻濾波器結構圖

2.實驗結果分析

所設計的TEM-SIW雙頻濾波器的介質基板材料為f4b，介電常數為2.55，厚度為0.8mm.構成環繞腔體導體壁的金屬孔的直徑是1mm，間距為2 mm.

圖6 TEM-SIW腔3腔濾波器實物圖

最終加工的濾波器實物圖如圖6所示。HFSS仿真性能和RS ZVB4矢量網絡分析儀測量性能的對比如圖7所示。

圖7 TEM-SIW腔3腔濾波器仿真測試結果對比

由圖7可知，所設計的TEM-SIW雙頻濾波器工作于2.48～2.64GHz和2.79～2.97GHz.兩個通帶的中心頻率分別為2.54GHz和2.88GHz，相對帶寬為6.3%.測量得到的兩個通帶的中心頻率是2.538GHz和2.882GHz，相對帶寬為6.1%.濾波器在兩個通帶的中心頻率處的插損分別為0.7 dB和0.9dB.測量結果與仿真結果吻合良好。

由圖7知，測量得到的濾波器差損大于仿真得到的插損，測量結果的帶外隔離比仿真結果差，造成此種情況的原因是實際應用的微帶基板的損耗大于仿真模型中的微帶基板損耗，并且在測量濾波器性能時，濾波器的密封性能比理想的仿真模型差，由此帶來TEM-SIW腔無載、Q值比仿真模型低。

測量得到的濾波器的S11曲線沒有與仿真結果完全重合，這是因為S11性能對濾波器尺寸變化非常敏感，實際加工電路的尺寸與設計的尺寸會有少許差別，因此兩者沒有完全重合。但是測量結果和仿真結果的零極點數量互相對應，可以驗證仿真模型的有效性。

如果將TEM-SIW腔中心位置的短路銷釘直徑進一步減小，相同頻率下，可以進一步縮小濾波器的尺寸，但是同時也會帶來加工精度需求的提高。

3.結 論

提出了一種小型化的TEM-SIW諧振腔。相同頻率下，TEM-SIW諧振腔面積可以減小到傳統的SIW諧振腔的9.5%以下。采用這種TEM-SIW諧振腔的雙頻濾波器具有很多有吸引力的特點，如高的無載Q值、低的插損、簡單的拓撲結構等。這種TEM-SIW腔的結構以及腔內磁場分布與電容加載的同軸腔相似，因此可以很方便地參考經典的同軸腔濾波器的耦合結構和綜合設計方法來設計這種TEM-SIW濾波器。最后本文設計了一個基于這種TEM-SIW腔的3級濾波器，并且利用HFSS進行了全波仿真，實物測試結果與仿真結果吻合良好，驗證了這種結構的有效性。這種TEM-SIW濾波器適用于小型化的集成微波電路設計中。

［1］墨晶巖，馬哲旺.低溫共燒陶瓷（LTCC）四級低通濾波器設計［J］.電波科學學報，2005，20（5）:566-569.MO Jingyan，MA Zhewang.Design of an LTCC fourpole lowpass filter with two transmission zeros in its stopband［J］.Chinese Journal of Radio Science，2005，20（5）:566-569.（in Chinese）

［2］彭 毅，章文勛.應用交指電容加載環諧振器的微帶帶阻濾波器［J］.電波科學學報，2009，4（5）:909-913.PENG YI，ZHANG Wenxun.Compact microstrip bandstop filter using interdigital capacitance loading loop resonator［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，4（5）:909-913.（in Chinese）

［3］付淑洪，童創明，李西敏.一種新穎的開口環地面缺陷結構低通濾波器［J］.電波科學學報，2009，24（6）:1115-1118.FU Shuhong，TONG Chuangming，LI Ximin.A novel split-ring resonator defected ground structure lowpass filter［J］.Chinese Journal of Radio Science，2009，24（6）:1115-1118.（in Chinese）

［4］CHEN X P，WU K，LI Z L.Dual-band and tripleband substrate integrated waveguide filters with Chebyshev and quasi-elliptic responses［J］.IEEE Trans Microwave Theory Tech，2007，55（12）:2569-2578.

［5］ZHANG Q L，YIN W Y，HE S，et al.Compact substrate integrated waveguide（SIW）bandpass filter with complementary split-ring resonators（CSRRs）［J］.IEEE Microw Wireless Compon Lett，2010，20（8）:426-428.

［6］CHEN B J，SHEN T M，WU R B.Dual-band vertically stacked laminated waveguide filter design in LTCC technology［J］.IEEE Trans Microw Theory Tech，2009，57（6）:1554-1562.

［7］WU L S，ZHOU X L，WEI Q F，et al.An extended doublet substrate integrated waveguide（SIW）bandpass filter with a complementary split ring resonator（CSRR）［J］.IEEE Microw Wireless Compon Lett，2009，19（12）:777-779.

［8］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 Trans Microw Theory Tech，2009，57（9）:2211-2223.

［9］HAO Z C，HONG W，CHEN J X，et al.Compact super-wide bandpass substrate integrated waveguide（SIW）filters［J］.IEEE Trans Microw Theory Tech，2005，53（9）:2968-2977.

［10］BEKHEIT M，AMARI S，MENZEL W.Modeling and optimization of compact microwave bandpass filters［J］.IEEE Trans Microw Theory Tech，2008，56（2）:420-430.

［11］AMARI S，BEKHEIT M.Physical interpretation and implications of similarity transformations in coupled resonator filter design［J］.IEEE Trans Microw Theory Tech，2007，55（7）:1139-1153.

［12］韓世虎，王錫良，樊 勇.廣義切比雪夫濾波器耦合矩陣的優化提?。跩］.電波科學學報，2007，22（1）:153-157.HAN Shihu，WANG Xiliang，FAN Yong.Optimization method for extracting coupling matrix of generalized chebyshev filter［J］.Chinese Journal of Radio Science，2007，22（1）:153-157.（in Chinese）