張衡伏 楊永俠

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

基于SIW和槽線DGS的Wi-Fi帶通濾波器的設(shè)計(jì)?

張衡伏 楊永俠

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院 西安 710021）

提出一種新型的高性能小型化Wi-Fi帶通濾波器，在SIW的金屬地平面上加載槽線DGS，利用SIW的高通特性和槽線DGS的帶阻特性及其產(chǎn)生的微擾構(gòu)成帶通濾波器。所設(shè)計(jì)的Wi-Fi帶通濾波器中心頻率2.45GHz，3dB頻帶寬度0.1798GHz，帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于0.7968dB，帶內(nèi)回波損耗小于-33.6360dB，帶外抑制特性良好，而尺寸僅為21.9mm×37.3mm。仿真結(jié)果表明，該新型Wi-Fi帶通濾波器具有小體積、低插入損耗和高回波特性。

基片集成波導(dǎo)；帶通濾波器；缺陷地結(jié)構(gòu)；Wi-Fi

1 引言

自伽利爾摩·馬可尼于1901年首次使用無(wú)線電波越過(guò)大西洋以來(lái)，無(wú)線通信技術(shù)就在飛速發(fā)展。Wi-Fi作為一種短距離無(wú)線技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸標(biāo)準(zhǔn)，通常使用2.4GHz特高頻（UHF）或5GHz超高頻（SHF）的射頻頻段［1］。作為第四代移動(dòng)通信系統(tǒng)（4G）和有線網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充，Wi-Fi在無(wú)線局域網(wǎng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用?，F(xiàn)代通信系統(tǒng)正朝著微型化和高性能方向發(fā)展，而濾波器是現(xiàn)代通信系統(tǒng)中至關(guān)重要的器件［2］。因此，設(shè)計(jì)高性能的小型化帶通濾波器十分必要?；刹▽?dǎo)（SIW）兼具波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微帶線的共同優(yōu)點(diǎn)［3］，為設(shè)計(jì)這類(lèi)濾波器提供了一種不錯(cuò)的選擇；而缺陷地結(jié)構(gòu)（DGS）具有慢波特性［4］，能在電長(zhǎng)度相同的情況下，減小電路的物理尺寸，易于小型化設(shè)計(jì)。

利用偏置金屬通孔的電感特性和耦合原理，文獻(xiàn)［5］在SIW上下表面的中心位置加載偏置金屬通孔，設(shè)計(jì)了一款中心頻率5.25GHz的無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）帶通濾波器。該濾波器通帶平坦，插入損耗偏大，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-20dB；帶外抑制性能良好，在5.25±0.35GHz處的衰減小于-30dB；但是該濾波器的尺寸過(guò)大，達(dá)到24mm×130mm，不符合通信系統(tǒng)小型化設(shè)計(jì)的要求。為了滿(mǎn)足小型化設(shè)計(jì)和高性能的需求，本文提出一種新型的槽線DGS，在SIW的金屬地平面上加載該結(jié)構(gòu)，利用槽線DGS在SIW諧振腔中產(chǎn)生微擾，結(jié)合槽線DGS的帶阻特性和SIW的高通特性，設(shè)計(jì)了一款高性能的小型化Wi-Fi帶通濾波器。

2 SIW與槽線DGS的結(jié)構(gòu)分析

在介質(zhì)基片的上下表面鋪金屬，左右鉆兩排金屬化通孔即可構(gòu)成SIW。SIW的上下表面金屬層可以等效為波導(dǎo)的寬邊，兩排金屬通孔等效為波導(dǎo)的窄邊，電磁波可以在等效寬邊和等效窄邊所構(gòu)成的區(qū)域中傳輸［6］。

設(shè)計(jì)中的介質(zhì)材料采用Rogers TMM 4（tm），其相對(duì)介電常數(shù)εr=4.5，損耗角正切值tanδ=0.002，厚度H=0.508mm。圖1為SIW和槽線DGS的正面俯視圖。其中，L表示SIW的長(zhǎng)度；D表示金屬通孔的直徑；P為相鄰金屬通孔的間距；槽線過(guò)渡結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)c和Ws；輸入輸出50歐姆微帶線的長(zhǎng)度為L(zhǎng)s；槽線兩邊縫隙寬度為Wa；中間縫隙的長(zhǎng)度和寬度分別為L(zhǎng)b和Wb；La表示SIW左右兩排金屬化通孔的中心到內(nèi)側(cè)槽縫邊緣的距離；Au和Ad分別表示SIW上下金屬化通孔的中心到槽線縫隙邊緣的距離。

圖1 SIW和槽線DGS的俯視圖

DGS是一種在平面微波傳輸線的金屬地平面上蝕刻出一定形狀的幾何圖案結(jié)構(gòu)［7］。這種幾何結(jié)構(gòu)能夠改變金屬地平面的介電常數(shù)，進(jìn)而改變金屬地平面上的分布電容和分布電感，以此來(lái)達(dá)到改變其傳輸特性的目的［8］。在SIW的金屬地平面上蝕刻槽線DGS，它是由T形DGS和雙鉤形DGS組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 SIW和槽線DGS的仰視圖

其中，Ap表示SIW上排金屬化通孔的中心到T形DGS上邊緣的距離；A1表示雙鉤形DGS外側(cè)邊緣到T形DGS下邊結(jié)構(gòu)外側(cè)邊緣的距離；A2表示雙鉤形DGS上下內(nèi)側(cè)邊緣的距離；A3表示雙鉤形DGS左右內(nèi)側(cè)邊緣的距離；A4表示雙鉤形DGS上邊內(nèi)側(cè)邊緣到鉤形末端的距離；A5和W1表示T形DGS下邊結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度；A6和W3表示T形DGS上邊結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度；W4表示雙鉤形DGS下邊結(jié)構(gòu)的寬度；W5表示雙鉤形DGS左右兩邊結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的寬度。

3 Wi-Fi帶通濾波器的設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

3.1 Wi-Fi帶通濾波器的設(shè)計(jì)指標(biāo)

中心頻率：2.44GHz（±0.01GHz）；

通帶范圍：2.4～2.4835GHz；

回波損耗：＜-15dB；

插入損耗：＞-1.5dB；

帶 外 抑 制 ：＜-15dB@2.15GHz，＜-15dB@2.7335GHz；

阻帶衰減：＜-20dB@0～2GHz，＜-20dB@3～5GHz。

3.2 Wi-Fi帶通濾波器的理論分析與設(shè)計(jì)

由于SIW諧振腔結(jié)構(gòu)的特殊性和SIW金屬通孔的不連續(xù)性，SIW諧振腔只能傳輸TEm0n模式。

由微波傳輸理論可知，電磁波截止頻率的高低將由SIW諧振腔的大小決定，而SIW諧振腔的大小可以根據(jù)其諧振頻率式（1）計(jì)算［9］。

式中，c0為真空中的光速，εr為相對(duì)介電常數(shù)，Ae和Be分別為SIW諧振腔的等效寬度與長(zhǎng)度，其值可以近似的由式（2）與式（3）確定［10］。

其中，A和B分別為SIW的寬度和長(zhǎng)度，D和P分別為SIW金屬通孔的直徑和孔間距。

為了盡可能減少SIW的輻射和損耗，其尺寸的設(shè)計(jì)原則一般遵循三個(gè)條件［11］：D＜0.2λg，A＞5D，P＜2D。其中，λg為波導(dǎo)波長(zhǎng)。

根據(jù)式（1）、式（2）和式（3），可以計(jì)算出SIW諧振腔結(jié)構(gòu)的大致尺寸。為了便于實(shí)際應(yīng)用與測(cè)量，輸入輸出微帶線的阻抗取50歐姆，其寬度Ws可以由微帶計(jì)算工具ADS LineCalc計(jì)算得出。應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)綜合法，采用三維高頻電磁仿真軟件ANSYS HFSS 15設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

3.3 觀察典型參數(shù)對(duì)Wi-Fi帶通濾波器性能的影響

在Wi-Fi帶通濾波器的仿真設(shè)計(jì)中，對(duì)電路中的每個(gè)參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化分析。通過(guò)對(duì)每個(gè)參數(shù)進(jìn)行有效分析，可以清晰的了解各參數(shù)對(duì)電路性能的影響，方便后續(xù)設(shè)計(jì)工作的順利進(jìn)行。這里選取三個(gè)具有代表性的參數(shù)來(lái)說(shuō)明其對(duì)濾波器性能的影響。通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的優(yōu)化分析，可以設(shè)計(jì)出性能更好的Wi-Fi帶通濾波器。

3.3.1 觀察Au對(duì)濾波器性能的影響

在HFSS中建模，通過(guò)仿真分析，改變Au，使其分別為14.8mm、14.9mm和15mm，其它參數(shù)保持不變，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，其傳輸特性曲線如圖3所示。由圖3可知，隨著Au的增大，通帶內(nèi)回波損耗的深度先增大后減小，其回波損耗絕對(duì)值由23.1877dB升到33.6360dB再降到19.2346dB，而當(dāng) Au為14.9mm時(shí)，其最大回波損耗絕對(duì)值達(dá)到56.9395dB。同時(shí)，隨著Au的增加，諧振頻率也在緩慢的向高頻移動(dòng)。

圖3 Au對(duì)濾波器的傳輸特性曲線的影響

3.3.2 觀察A3對(duì)濾波器性能的影響

改變 A3，使其分別5.4mm、5.5mm和5.6mm，其它參數(shù)保持不變，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，其傳輸特性曲線如圖4所示。由圖4可知，隨著A3的增大，諧振頻率在逐漸減小，由2.465GHz降到2.455GHz再到2.435GHz。由此可知，A3的微小變化能夠引起諧振頻率的迅速改變。因此，A3是個(gè)敏感參數(shù)。而在A3增加的過(guò)程中，帶內(nèi)回波損耗也發(fā)生了變化。其回波損耗最大絕對(duì)值由47.2742dB升到56.9395dB再回降到41.7418dB。

圖4 A3對(duì)濾波器的傳輸特性曲線的影響

3.3.3 觀察W1對(duì)濾波器性能的影響

改變W1，使其分別為1.4mm、1.5mm和1.6mm，其它參數(shù)保持不變，通過(guò)參數(shù)優(yōu)化，其傳輸特性曲線如圖5所示。由圖5可知，隨著W1的增大，諧振頻率在逐漸增大，由2.450GHz升到2.455GHz再到2.460GHz。通帶內(nèi)回波損耗的深度先增大后減小，其回波損耗最大絕對(duì)值由38.7082dB升到56.9395dB再回降到44.9438dB。

圖5 W1對(duì)濾波器的傳輸特性曲線的影響

3.4 Wi-Fi帶通濾波器的優(yōu)化設(shè)計(jì)

在HFSS中建Wi-Fi帶通濾波器的3D模型，通過(guò)對(duì)各參數(shù)進(jìn)行仿真與優(yōu)化分析，可以綜合得到性能良好的濾波器，傳輸特性曲線如圖6和圖7所示。其中，圖6為0～5GHz范圍內(nèi)的全波仿真圖，圖7為2～3GHz范圍內(nèi)的全波仿真圖。仿真與優(yōu)化設(shè)計(jì)中的各物理參數(shù)為：SIW的長(zhǎng)度取L=28.3mm；金屬通孔的孔直徑和孔間距分別取D=0.8mm、P=1.38mm；輸入輸出50歐姆微帶線的長(zhǎng)和寬分別取Ls=4.5mm、Ws=1.5mm；共面過(guò)渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度取Lc=12.25mm；槽線兩邊縫隙寬度取Wa=1mm；中間縫隙的長(zhǎng)度和寬度分別為取 Lb=2.9mm、Wb=1mm；SIW左右兩排金屬化通孔的中心到內(nèi)側(cè)槽縫邊緣的距離La=12.15mm；SIW上下金屬化通孔的中心到槽線縫隙邊緣的距離Au=14.9mm、Ad=3.5mm。SIW上排金屬化通孔的中心到T形DGS上邊緣的距離 Ap=11.9mm；雙鉤形DGS外側(cè)邊緣到T形DGS下邊結(jié)構(gòu)外側(cè)邊緣的距離A1=7.9mm；雙鉤形DGS上下內(nèi)側(cè)邊緣的距離A2=2.02mm；雙鉤形DGS左右內(nèi)側(cè)邊緣的距離A3=5.5mm；雙鉤形DGS上邊內(nèi)側(cè)邊緣到鉤形末端的距離A4=1.9mm；T形DGS下邊結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度分別取 A5=5mm、W1=1.5mm；T形DGS上邊結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度和寬度分別取 A6=11.3mm、W3=0.65mm；雙鉤形DGS下邊結(jié)構(gòu)的寬度取W4=0.7mm；雙鉤形DGS左右兩邊結(jié)構(gòu)內(nèi)外側(cè)的寬度取W5=0.6mm。

圖6 Wi-Fi帶通濾波器的傳輸特性曲線（0-5GHz）

圖7 Wi-Fi帶通濾波器的傳輸特性曲線（2-3GHz）

由仿真結(jié)果可知，Wi-Fi帶通濾波器的中心頻率為2.45GHz，在中心頻率處的插入損耗為-0.4392dB，回波損耗為-34.4651dB；3dB頻帶帶寬0.1798GHz。通帶平坦，帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于-0.7968dB；帶內(nèi)反射系數(shù)高，回波損耗小于-33.6360dB，最小回波損耗達(dá)到-56.9395dB。帶外抑制特性良好，左邊帶外抑制度-17.0782dB@2.15GHz，右邊帶外抑制度-19.4723dB@2.7335GHz。阻帶衰減較大，左邊阻帶衰減小于 -21.9619dB@0～2GHz，右 邊 阻 帶 衰 減 小于-27.6985dB@3～5GHz。

所設(shè)計(jì)的Wi-Fi帶通濾波器的各項(xiàng)參數(shù)與性能均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，因此，可以得出結(jié)論：利用SIW的高通特性與槽線DGS的帶阻特性以及加入槽線DGS所帶來(lái)的微擾，可以構(gòu)成性能良好的Wi-Fi帶通濾波器。

4 結(jié)語(yǔ)

提出一種新穎的設(shè)計(jì)Wi-Fi帶通濾波器的方法。利用SIW的高通性質(zhì)與槽線DGS的帶阻特性以及加入槽線DGS，可以得到性能良好的Wi-Fi帶通濾波器。仿真與優(yōu)化分析結(jié)果表明，該方案是可行的。所設(shè)計(jì)的帶通濾波器體積小，插入損耗低，回波特性好，具有較高的實(shí)用價(jià)值和參考意義，可以應(yīng)用于工程設(shè)計(jì)。

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Design of Wi-Fi Band-pass Filter Based on SIW and Slot-line DGS

ZHANG HengfuYANG Yongxia
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）

A novel high-performance miniaturized Wi-Fi band-pass filter is proposed in this paper.The high-pass character?istic of SIW and band-stop characteristic and perturbation of slot-line are combined into band-pass filter，loading slot-line DGS on the metal ground plane of SIW.The center frequency of the filter to be designed is 2.45GHz.Its 3dB bandwidth is 0.1798GHz.The insertion loss is better than 0.7968dB and the reflection loss is less than-33.6360dB in the pass-band.It has good out-of-band re?jection.The size of the filter is only 21.9mm by 37.3mm.Simulation results show that the novel Wi-Fi band-pass filter has the ad?vantages of small size，low insertion loss and high out-of-band rejection.

SIW，band-pass filter，DGS，Wi-Fi

Class Number TN713+.5

TN713+.5

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.043

2017年6月9日，

2017年7月30日

張衡伏，男，碩士，研究方向：電子設(shè)備電磁兼容及信號(hào)處理。楊永俠，女，教授，研究方向：電子設(shè)備電磁兼容及信號(hào)處理。