羅俊婷,楊永俠,張衡伏

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

band-stop characteristic

在無線局域網(wǎng)(Wireless Local Area Network，WLAN)發(fā)明之前，人們只能通過有線電纜進行通訊和交流.隨著WLAN的誕生，WLAN具有成本低，傳輸快，移動性好和保密性高和抗干擾能力強等優(yōu)點[1]，而且其覆蓋范圍的最大直徑可達150 m，因此應(yīng)用十分廣泛.WLAN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)是由美國電氣電子工程師協(xié)會(Institute of Electrical and Electronics Engineers，IEEE)制定和發(fā)布，并由Wi-Fi聯(lián)盟在全球范圍內(nèi)推廣和認證[2].

微波濾波器是現(xiàn)代微波通信系統(tǒng)中必不可少的器件，而向小型化、微型化方向發(fā)展，一直是微波通信系統(tǒng)的趨勢.因此設(shè)計體積小，集成度高和可靠性強的WLAN濾波器具有重要的意義.傳統(tǒng)的WLAN濾波器通常采用波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、微帶結(jié)構(gòu)等材料實現(xiàn).然而，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的濾波器具有體積大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜和成本高等缺點[3]；微帶結(jié)構(gòu)的濾波器也有損耗大，Q值低等缺陷[4]，所以均不能滿足WLAN系統(tǒng)對高性能和小型化濾波器的要求.新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu)的基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)兼具波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和微帶結(jié)構(gòu)的共同優(yōu)點[5-7]，所以贏得了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注和研究；而半?；刹▽?dǎo)(Half Mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)只有SIW體積的一半，因此尺寸大為減小，有利于小型化設(shè)計.相比傳統(tǒng)的單環(huán)互補開口諧振器，文獻[8]通過改進其結(jié)構(gòu)，在接地面上加載短路支線，設(shè)計了一款緊湊型雙層HMSIW帶通濾波器，其中心頻率為4.92 GHz，若不計微帶線的長度，其尺寸僅為9.8 mm×7 mm.在SIW上蝕刻互補開口諧振環(huán)(Complementary Split Ring Resonator，CSRR)，文獻[9]研究和分析了一對CSRR的開口方向?qū)﹄娐穫鬏斕匦缘挠绊?，通過級聯(lián)3對CSRR，設(shè)計出一款帶通濾波器，其中心頻率為5.05 GHz，3 dB帶寬為0.33 GHz，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-16.6 dB，插入損耗小于2.03 dB，由于傳輸零點的出現(xiàn)，在傳輸零點往高頻以上的區(qū)域，其帶外抑制在-52 dB以下，表現(xiàn)出良好的帶外抑制特性.文中利用半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)的高通特性與縫隙的帶阻特性，提出了一種體積小、插入損耗低以及帶外抑制度高的帶通濾波器，以期降低傳統(tǒng)無線局域網(wǎng)(WLAN)濾波器插入損耗.

1　濾波器的結(jié)構(gòu)

HMSIW是由SIW沿寬邊中心面切開得到，切面近似等效為理想磁壁，寬度約為SIW的1/2，并且具有與SIW相同的傳播特性和截止特性[10].HMSIW的尺寸將決定了電磁波截止頻率的大小，而縫隙的長度與HMSIW寬度將共同決定諧振頻率的高低.HMSIW與縫隙的三維立體結(jié)構(gòu)如圖1所示，圖2為其正面俯視圖.圖2中，HMSIW的長和寬分別為L、A.金屬通孔的直徑為D，P為相鄰金屬通孔的間距.Le、We分別為錐形過渡結(jié)構(gòu)的長度和寬度.L1、W分別為輸入輸出50 Ω微帶線的長度和寬度.Sa、Sb分別為中間縫隙的寬度和長度.左右兩邊縫隙關(guān)于中心線對稱，且大小相同，Sc、Sd分別為兩邊縫隙寬度和長度.Sg為中間縫隙與兩邊縫隙之間的距離.

圖1　HMSIW與縫隙的三維立體結(jié)構(gòu)

圖2　HMSIW與縫隙的俯視圖

2　濾波器的等效電路及理論模型

根據(jù)傳輸線理論，HMSIW可以用雙傳輸線等效代替，它是由金屬表面和地平面構(gòu)成.HMSIW中的金屬通孔可以看作是無數(shù)個短路枝節(jié)構(gòu)成，用電感Ld表示.縫隙可以看作開路枝節(jié)，用電容Cs表示.HMSIW與縫隙之間的耦合電容和耦合電感用Lc、Cc分別表示.結(jié)合HMSIW的高通特性以及縫隙的帶阻特性，若忽略材料損耗，則HMSIW與縫隙的等效電路模型如圖3所示.

圖3　HMSIW與縫隙的等效電路

在等效電路模型中，若把所有的并聯(lián)支線開路，電路將產(chǎn)生一個傳輸零點，其頻率[11]為

(1)

HMSIW的尺寸將決定電磁波截止頻率的高低，縫隙的長度與HMSIW的寬帶將共同決定電磁波諧振頻率的大小，而縫隙的寬度與HMSIW的長度以及金屬通孔的數(shù)量將決定濾波器的通帶帶寬.此外，HMSIW的長度和金屬通孔的數(shù)量也影響濾波器的帶外抑制特性，而金屬通孔的孔直徑和孔間距將影響濾波器的插入損耗和回波損耗.

為使SIW的輻射盡可能地減小，其尺寸的設(shè)計原則一般遵循三個條件[12-13]：D<0.2λg，ASIW>5D，P<2D.其中D和P分別為SIW金屬通孔的直徑和孔間距，λg為導(dǎo)波波長，ASIW為SIW的寬度.由于HMSIW是由SIW沿中心面切割而成，HMSIW與SIW具有相同的傳輸特性，因此，HMSIW的尺寸設(shè)計也可按照SIW的尺寸設(shè)計原則來設(shè)計.

SIW的主模是TE10模，其截止頻率[14]為

(2)

式中：μ為相對磁導(dǎo)率；ε為相對介電常數(shù);ARWG為等效矩形波導(dǎo)的寬度,且

(3)

HMSIW的寬度A大約為SIW寬度ASIW的1/2，因此根據(jù)式(2)和式(3)，即可快捷地估算出HMSIW的大致尺寸.

3　濾波器性能及分析

采用網(wǎng)絡(luò)綜合法，結(jié)合三維電磁仿真軟件ANSYS HFSS 15.0；選取介質(zhì)基片材料[15]為Rogers RT/duroid 5880 (tm)，其相對介電常數(shù)εr=2.2，損耗角δ正切值tanδ=0.000 9，厚度H=0.508 mm.縫隙的長度大約取λ/4，λ為電磁波波長，兩縫隙間的間距取縫隙長度的1/4，縫隙的寬度取縫隙長度的1/8.

模型設(shè)計與仿真優(yōu)化中，確定的物理參數(shù)如下：HMSIW的長度L為21 mm和寬度A為23 mm，金屬通孔孔直徑D為0.7 mm和金屬通孔孔間距P為1.48 mm，50歐姆微帶線的長度L1為2.5 mm，50歐姆微帶線寬度W為1.54 mm，錐形過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)長度Le為1 mm，錐形過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)寬度We為2.54 mm，中間縫隙寬度Sa為0.3 mm，中間縫隙長度Sb為21.6 mm，左右兩邊縫隙寬度Sc為0.1 mm，左右兩邊縫隙長度Sd為19.4 mm，左右兩邊縫隙間距Sg為4.9 mm.

通過仿真與優(yōu)化分析，其傳輸特性曲線[16]如圖4所示.

圖4　濾波器的傳輸特性曲線

由圖4仿真曲線可知，帶通濾波器的的中心頻率為2.445 0 GHz，3 dB帶寬為0.119 6 GHz.通帶平坦，帶內(nèi)插入損耗大于-1.145 5 dB；帶內(nèi)反射系數(shù)高，回波損耗小于-26.945 8 dB，最小回波損耗達到-36.231 4 dB.帶外抑制特性[17-18]良好，在2.15 GHz處的左邊帶外抑制度為-22.483 0 dB，在2.733 5 GHz處的右邊帶外抑制度為-31.808 3 dB.阻帶衰減[19]較大，在阻帶范圍0～2 GHz內(nèi)衰減小于-28.678 9 dB，在阻帶范圍3～5 GHz內(nèi)衰減小于-43.767 8 dB.所設(shè)計的各項指標(biāo)均優(yōu)于性能要求.

此外，在0～5 GHz范圍內(nèi)，帶外有兩個傳輸零點.一個位于通帶左邊起始位置0 GHz處，其抑制深度高達-163.419 1 dB；另一個位于通帶右邊，在3.795 0 GHz附近，此處的抑制深度達到-57.624 8 dB.由此可知，傳輸零點可以改善帶通濾波器的帶外抑制特性.

本文所提帶通濾波器與傳統(tǒng)WLAN帶通濾波器的比較見表1.與傳統(tǒng)的WLAN帶通濾波器相比，本文所設(shè)計的WLAN帶通濾波器，具有插入損耗低，回波損耗深，尺寸結(jié)構(gòu)小等特點.

表1　與傳統(tǒng)WLAN帶通濾波器的比較

鑒于以上分析，WLAN帶通濾波器的各項參數(shù)與性能均滿足性能要求.因此，利用HMSIW的高通特性與縫隙的帶阻特性以及HMSIW與縫隙之間的耦合，可以構(gòu)成性能優(yōu)良的的WLAN帶通濾波器.

4　結(jié) 論

1) 本文利用HMSIW的高通特性與縫隙的帶阻性質(zhì)，提出了一種新穎的WLAN帶通濾波器.仿真與優(yōu)化分析結(jié)果表明，此帶通濾波器比傳統(tǒng)的WLAN帶通濾波器體積減小了74.99%，插入損耗低了20.45%，回波損耗提高了54%，帶外抑制好.

2) 本文提出的WLAN帶通濾波器未考慮信道噪聲和環(huán)境電磁輻射等因素對帶阻特性的影響，濾波器在插入損耗穩(wěn)定性和濾波器尺寸小型化方面有待進一步的改進.

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