蔣 迪 徐躍杭 徐銳敏 林為干

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院極高頻復(fù)雜系統(tǒng)國防重點實驗室，四川 成都 611731)

引 言

為適應(yīng)電子與無線通信技術(shù)飛速發(fā)展的需要，微波毫米波集成電路及系統(tǒng)正在向高性能、低成本、高集成度和小型化方向快速發(fā)展.半模基片集成波導(dǎo)(Half-Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW)是一種新型的波導(dǎo)，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波系統(tǒng)中，具有與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相近的特性，諸如品質(zhì)因數(shù)高、易于設(shè)計等，同時也具有體積小、重量輕、容易加工、造價低和易于集成等傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)所沒有的優(yōu)點.

1 理論分析

導(dǎo)波結(jié)構(gòu)在微波系統(tǒng)中具有非常重要的作用.各種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)可以分為平面結(jié)構(gòu)和非平面結(jié)構(gòu)兩大類，平面結(jié)構(gòu)包括微帶線、共面波導(dǎo)、槽線等，非平面結(jié)構(gòu)包括矩形波導(dǎo)、同軸線、介質(zhì)波導(dǎo)等.現(xiàn)代信息技術(shù)對系統(tǒng)的集成度、損耗等指標(biāo)的要求越來越高，以使其易于批量生產(chǎn).平面結(jié)構(gòu)非常適合系統(tǒng)的混合集成，各種有源器件可以很容易地與微帶線或共面波導(dǎo)互連互接，從而達到很高的集成度，提高系統(tǒng)的整體性能.當(dāng)然這種結(jié)構(gòu)的缺陷也是顯而易見的，由于導(dǎo)體損耗、輻射損耗和介質(zhì)損耗的存在，使得平面結(jié)構(gòu)不適合工作在毫米波波段，也無法構(gòu)成高Q值的器件，限制了其在微波領(lǐng)域的發(fā)揮.另一方面，矩形波導(dǎo)等非平面導(dǎo)波結(jié)構(gòu)雖然可以構(gòu)成性能很高的部件，但是由于體積過大以及集成加工上的難度，很難廣泛地應(yīng)用到高集成度系統(tǒng)中.為了解決上述矛盾，更為緊湊和高效地集成微波、毫米波電路系統(tǒng)，由吳柯教授提出并率先成功應(yīng)用的基片集成技術(shù)，用金屬通孔替代一些標(biāo)準(zhǔn)傳輸線的金屬側(cè)壁，從而構(gòu)成基片集成波導(dǎo)，這種波導(dǎo)能夠很容易地被制作在介質(zhì)基片中[1].基片集成波導(dǎo)作為一種介于平面結(jié)構(gòu)和非平面結(jié)構(gòu)之間的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，對設(shè)計高性能、低損耗的微波集成電路具有重大意義.

1.1 基片集成波導(dǎo)與半模基片集成波導(dǎo)介紹

基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一種矩形波導(dǎo)的變形結(jié)構(gòu)，利用了成熟的印制電路板制造工藝，在介質(zhì)基板上加工兩排平行的金屬孔，以實現(xiàn)類似于矩形波導(dǎo)窄邊的結(jié)構(gòu).基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)具有矩形波導(dǎo)和微帶線平面結(jié)構(gòu)電路兩者的優(yōu)點，如體積小，重量輕，具有較大的功率容量和較高的Q值.同時，通過簡單的變換就可實現(xiàn)和微帶等平面?zhèn)鬏斁€連接，結(jié)構(gòu)緊湊，易于集成，和單片微波集成電路具有良好的兼容性.這些特點決定了基片集成波導(dǎo)這種新型傳輸線技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域和前景.

如圖1(a)所示，基片集成波導(dǎo)的一個重要性質(zhì)是其具有與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相似的傳播特性，同時由于填充介質(zhì)，又比傳統(tǒng)波導(dǎo)更為緊湊，具有容易集成，體積小，重量輕等優(yōu)點.但是在頻率低的應(yīng)用中，SIW體積小的優(yōu)勢往往不能更好地體現(xiàn)，SIW的工作模式為TE10模，其電磁場分布和金屬矩形波導(dǎo)中的TE10模一樣，在電磁波的傳輸方向具有軸對稱性.根據(jù)這一特點，可以假設(shè)在SIW的中心面，即如圖1(a)所示沿A-A’軸的平面存在一磁壁，這一磁壁可將SIW分成對稱的兩部分，去掉其中的任何一半都不會對剩余腔體中TE10模的電磁場分布產(chǎn)生影響，在此基礎(chǔ)上可以得到HMSIW結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)如圖1(b)所示.

(a) SIW

HMSIW保留了SIW的電磁場分布特性，其工作主模仍為TE10模，虛擬的磁壁僅僅用于分析及構(gòu)建HMSIW，實際應(yīng)用中并不需要.然而為了盡可能減小能量輻射和泄漏，通常在介質(zhì)基片中沿平行于A-A′軸的方向額外設(shè)置一排金屬通孔以保證HMSIW的性能[2].

1.2 左手材料介紹

新型人工電磁結(jié)構(gòu)包括各種構(gòu)成人工電磁媒質(zhì)(如左手媒質(zhì)、電等離子體、磁等離子體、漸變電磁媒質(zhì)等)的基本單元以及由這些基本單元組成的周期/非周期結(jié)構(gòu)，目前是近年來國際物理界、電磁界、材料界的研究前沿和熱點，其研究內(nèi)容分別于2003年和2006年兩次被《科學(xué)》雜志評為年度十大科技進展之一.它在自然界中本身并不存在或者沒有被發(fā)現(xiàn)，而是人們根據(jù)電磁學(xué)理論所設(shè)計并制作出來的，具有非常規(guī)的電磁屬性.現(xiàn)有自然媒質(zhì)其介電常數(shù)和磁導(dǎo)率通常是正的，電磁波在自然媒質(zhì)中傳播時，電場、磁場及電磁波傳播方向滿足右手螺旋法則，因此此類媒質(zhì)也稱為右手媒質(zhì).對于一些特殊的自然媒質(zhì)，如鐵磁共振頻段附件的鐵磁體、等離子頻率以下金屬等，會表現(xiàn)出負(fù)磁導(dǎo)率或者負(fù)介電常數(shù)的特性.人工電磁材料觀點為微波工程提供了一種新的理論和設(shè)計角度，受此激發(fā)，人們開始使用這種方法來設(shè)計微波器件.其中一個領(lǐng)域就是人工電磁材料平面濾波結(jié)構(gòu)[3].

最初，左手材料是通過開環(huán)諧振器(Split Ring Resonators,SRR)元組合排列而成，也可只包括一個基本單元.在某一頻段內(nèi)與金屬導(dǎo)體(Rods)的組合周期排列產(chǎn)生同時具有負(fù)介電常數(shù)和負(fù)磁導(dǎo)率.由于其周期尺寸遠(yuǎn)小于工作波長，因此可以將其視為均勻介質(zhì)，并采用等效理論分析其介電常數(shù)與磁導(dǎo)率.大量的理論計算與實驗結(jié)果都證明了該結(jié)構(gòu)在某一頻段的左手特性.隨著對左手材料的深入研究，更多實現(xiàn)左手材料的結(jié)構(gòu)及方法被提出來.目前，左手媒質(zhì)單元可由電諧振單元和磁諧振單元組成，使其在某個頻段內(nèi)同時實現(xiàn)負(fù)的介電常數(shù)和負(fù)的磁導(dǎo)率.

1.3 濾波器設(shè)計

由于HMSIW和相對應(yīng)的傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)具有相似的傳輸特性和場分布，所以可以用普通矩形波導(dǎo)器件的設(shè)計方法來研究HMSIW.而SRR和互補開環(huán)諧振器(Complementary Split Ring Resonators,CSRR)的物理尺寸很小，基于同心圓之間的邊緣電容效應(yīng)發(fā)生諧振，其尺寸和工作頻率波長相比很小，可以應(yīng)用在小型化方面；同時由于SRR和CSRR具有良好的品質(zhì)因數(shù)，諧振特性中下降沿和上升沿陡峭，這些優(yōu)點也使得SRR和CSRR在濾波器的帶外抑制和高頻率選擇性方面有廣泛的應(yīng)用.此外，開環(huán)諧振器和互補開環(huán)諧振器都是平面結(jié)構(gòu)，也為設(shè)計平面微波電路器件提供了另一種途徑[4].

根據(jù)電磁場的巴比涅原理，作為SRR的對偶結(jié)構(gòu)，CSRR應(yīng)該也具有準(zhǔn)靜態(tài)諧振特性.因此CSRR結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用在新的傳輸線中制作小型化、實現(xiàn)窄帶范圍內(nèi)的左手材料帶通濾波器[5].左手材料帶通濾波器的設(shè)計可采用集中參數(shù)濾波器的設(shè)計理論完成.HMSIW濾波器由諧振單元和四分之一波長傳輸線構(gòu)成，圖2是其結(jié)構(gòu)示意圖.其中的諧振單元是由帶接地金屬面的HMSIW上層金屬面開成CSRR電容性的縫隙而成.電容性縫隙和旁邊的金屬對應(yīng)于傳輸線分支上的串聯(lián)電容和并聯(lián)電感.串聯(lián)電容和并聯(lián)電感又形成了諧振單元.

圖2 HMSIW-CSRR結(jié)構(gòu)示意圖

1.4 HMSIW與微帶線的轉(zhuǎn)換

HMSIW主要由介質(zhì)基片和金屬化通孔構(gòu)成，雖然它也是一種平面結(jié)構(gòu)，可是在實際應(yīng)用中很難與其他平面電路直接相連.另外，常用測試微波毫米波電路的裝置不適合直接測試基片集成波導(dǎo)器件[6].所以必須設(shè)計一種輸入輸出轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)基片集成波導(dǎo)器件的測試以及和其它平面電路的集成.HMSIW一般是通過微帶與其他平面電路實現(xiàn)連接與集成的，因此，它與微帶線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計成為HMSIW技術(shù)推廣的重要前提.HMSIW端口轉(zhuǎn)換器的設(shè)計一般要能夠?qū)崿F(xiàn)較寬的單模工作帶寬，具有較容易加工的結(jié)構(gòu)，工作頻帶內(nèi)具有較小的插入損耗和回波損耗.目前廣泛采用的HMSIW端口轉(zhuǎn)換器主要有：錐形HMSIW-微帶線轉(zhuǎn)換器，HMSIW-共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器和階梯阻抗變換型HMSIW-微帶線轉(zhuǎn)換器.圖2給出了一種常用的HMSIW-微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)形式，它的主體為一段梯形的微帶漸變線，這一段梯形的微帶漸變線連接了HMSIW和50歐姆微帶線，可以直觀地發(fā)現(xiàn)微帶線所支持的電場結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)的主模TE10的場結(jié)構(gòu)具有一種自然的相似性，因此有理由相信這是一種自然的過渡.

2 實驗結(jié)果分析

為了驗證這種HMSIW的理論分析，設(shè)計了一個工作在S波段的HMSIW[7].通帶中心頻率為2.75 GHz，選取RT5880介質(zhì)基片(介電常數(shù)2.2，厚0.508 mm)，金屬通孔的直徑為0.5 mm，相鄰?fù)组g距為0.8 mm，最終通過優(yōu)化，得到HMSIW諧振腔體的尺寸為W×L=9.6 mm×20 mm，如圖3所示．

采用商業(yè)軟件HFSS對該濾波器結(jié)構(gòu)進行電磁仿真，濾波器的插入損耗、回波損耗仿真結(jié)果如圖4所示[8].從圖5可以看出外環(huán)半徑對S參數(shù)影響比較大，當(dāng)外環(huán)半徑為5.7 mm時，濾波器的中心頻率為2.75 GHz，工作帶寬大約為20 MHz，最大插入損耗小于0.3 dB，分?jǐn)?shù)帶寬小于1%，具有非常好的選頻特性[9].

圖3 加工實物圖

圖4 帶通濾波器的S參數(shù)仿真結(jié)果

圖5 環(huán)半徑對S參數(shù)的影響

3 結(jié) 論

在HMSIW信號層上刻蝕一定規(guī)律矩形槽構(gòu)建了一種窄帶HMSIW帶通濾波器.仿真結(jié)果表明：該濾波器具有小于1%的分?jǐn)?shù)帶寬，通帶內(nèi)插入損耗小，阻帶較深.該類型的濾波器結(jié)構(gòu)簡單、生產(chǎn)成本低、易于加工，對于微波HMSIW窄帶濾波器設(shè)計具有一定的參考價值.

參考文獻

[1] 張忠海,官伯然.采用新型介質(zhì)集成波導(dǎo)腔的小型雙頻濾波器.電波科學(xué)學(xué)報[J].2012,27(2)：321-325.

ZHANG Zhonghai, GUAN Boran. Novel compact dual-band bandpass filter adopting SIW cavity[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(2)：321-325.(in Chinese)

[2] 欒秀珍,房少軍.基片集成脊波導(dǎo)傳輸特性的研究[J].電波科學(xué)學(xué)報,2012,27(1)：101-105.

LUAN Xiuzhen, FANG Shaojun. Propagation characteristics of ridge substrate integrated waveguide[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2012, 27(1)：101-105. (in Chinese)

[3] 張安學(xué),范世毅,蔣延生,等.基于左右手復(fù)合傳輸線的威爾金森功分器[J].電波科學(xué)學(xué)報,2009,24(1)：99-103.

ZHANG Anxue, FAN Shiyi, JIANG Yansheng, et al. Wilkinson power divider based on composite right/left-hand transmission line[J]. Chinese Journal of Radio Science, 2009, 24(1)：99-103. (in Chinese)

[4] CALOZ C, ITOH T. Electromagnetic Met Materials Transmission Line Theory and Microwave Applications[M]. New York: Wiley, 2005

[5] BAENA J D, BONACHE J, MARTIN F, et al. Equivalent-circuit models for split-ring resonators and complementary split-ring resonators coupled to planar transmission lines[J]. IEEE Trans Microw Theory Tech, 2005, 53(4): 1451-1461.

[6] 付淑洪,童創(chuàng)明,李西敏．一種新穎的開口環(huán)地面缺陷結(jié)構(gòu)低通濾波器[J]．電波科學(xué)學(xué)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)

[7] GARCIA J J, MARTIN F, BAENA J D, et al. On the resonances and polariz abilities of split rings resonators[J]. J Appl Phys, 2005, 98, 033103.

[8] BONACHE J, GIL M, GIL I, et al. On the electrical characteristics of complementary metamaterial resonators[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett, 2006, 16(10): 543-545.

[9] GARCIA J, MARTIN F, FALCONE F, et al. Spurious passband suppression in microstrip coupled line band pass filters by means of split ring resonators[J]. IEEE Microw Wireless Compon Lett, 2004, 14(9): 416-418.