江蘇省市場監(jiān)督管理局信息中心 宋舒涵

近年來，無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)生了歷史性的巨變，頻譜資源成為了非常緊俏的資源，使得相鄰頻帶間的距離變得更小，特別在進(jìn)入5G時(shí)代以后，更高通信性能要求的提出讓頻率資源緊張程度進(jìn)一步加劇。在射頻電路系統(tǒng)中，微波濾波器對頻率選擇起著重要的作用，能有效提高頻率的利用率，特別是高性能濾波器在通訊系統(tǒng)工程領(lǐng)域應(yīng)用的作用也變得越加重要?；刹▽?dǎo)(Substrate Intergrated Waveguide，SIW)在設(shè)計(jì)運(yùn)用實(shí)踐中所體現(xiàn)出的良好性能特點(diǎn)使其成為微波、毫米波器件領(lǐng)域的重要結(jié)構(gòu)之一。SIW是一種通過在介質(zhì)基板上利用金屬過孔實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的技術(shù)，其具有與傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相似的結(jié)構(gòu)與特性。研究實(shí)踐結(jié)果表明，利用SIW技術(shù)所設(shè)計(jì)的濾波器有著插損低、體積小、高品質(zhì)因數(shù)及較高的功率容量等優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著無線通信系統(tǒng)對于微波元器件朝著體積超小型化、功能多集成化的方向進(jìn)行要求，這使得通過利用印刷電路板(PCB)或低溫共燒陶瓷(LTCC)工藝加工處理而獲得的SIW濾波器成為了獲得高性能、小型化濾波器的重要研究途經(jīng)之一。同時(shí)，隨著混合耦合技術(shù)的發(fā)展，通過利用交指槽線結(jié)構(gòu)和接地共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及加載短路枝節(jié)的方法實(shí)現(xiàn)了三維SIW諧振腔之間的混合耦合，通過仿真實(shí)驗(yàn)表明，在利用直線拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的SIW濾波器中傳輸零點(diǎn)獲得了實(shí)現(xiàn)，濾波器的選擇性能得到了大幅度的提升。但其體積仍未能實(shí)現(xiàn)超小型化的設(shè)計(jì)要求。利用LTCC工藝實(shí)現(xiàn)對于多層互連基板的制取，并通過將電容、電感和電阻等元件嵌入在LTCC基板中以實(shí)現(xiàn)對于表面封裝元件的替代，最終實(shí)現(xiàn)了體積進(jìn)一步的減小、成本的降低、電性能和可靠性的增強(qiáng)。將LTCC多層結(jié)構(gòu)運(yùn)用于SIW濾波器設(shè)計(jì)當(dāng)中，其可實(shí)現(xiàn)濾波器體積的進(jìn)一步減小和濾波器性能的大幅度提升。同時(shí)，該方法還使得濾波器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變得更加的靈活多樣，擴(kuò)大對于濾波器設(shè)計(jì)的思路，因此，受到了越來越多研究者的青睞。

本文設(shè)計(jì)了一種在SIW腔體內(nèi)貼片加載容性結(jié)構(gòu)的帶通濾波器。濾波器工作頻段為28.0GHz，通過使用四個(gè)SIW腔體構(gòu)成的交叉耦合結(jié)構(gòu)，在帶外產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，其選擇性得到提高的同時(shí)，也提升了帶外抑制能力。濾波器通過在SIW腔體嵌入圓形金屬片，以實(shí)現(xiàn)腔體的小型化。利用LTCC技術(shù)設(shè)計(jì)了一種利用共面波導(dǎo)（CPW）進(jìn)行饋電的SIW諧振器，用以完成對于所提濾波器原型的驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)物測試，所設(shè)計(jì)的帶通濾波器測量結(jié)果與仿真模擬結(jié)果基本一致。

1 濾波器設(shè)計(jì)

如圖1所示，在介質(zhì)基板邊緣設(shè)計(jì)兩行尺寸一致的金屬通孔，并在基板的底層和頂層表面都覆蓋上金屬以實(shí)現(xiàn)類似于傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。當(dāng)相鄰兩個(gè)金屬通孔間的距離很小時(shí)，將出現(xiàn)只有極少數(shù)電磁波才能夠從通孔間的縫隙輻射出去的現(xiàn)象，同時(shí)，兩側(cè)的金屬通孔可產(chǎn)生與矩形波導(dǎo)壁相同的電磁效果，將該結(jié)構(gòu)稱為SIW。

圖1 SIW濾波器的結(jié)構(gòu)

SIW結(jié)構(gòu)可與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)等效，兩者等效關(guān)系見圖2所示。

圖2 SIW與矩形波導(dǎo)之間的等效關(guān)系

根據(jù)SIW與矩形波導(dǎo)的傳播模式具有相似性，研究表明，就尺寸大小來說，SIW與矩形波導(dǎo)存在著一定的數(shù)學(xué)關(guān)系，如公式(1)、公式(2)所示。

其中，p是相鄰兩個(gè)金屬化通孔的中心距，d是金屬化通孔直徑，WSIW是SIW的寬度。并且d/p>2.5，d/λ<0.1時(shí)，幾乎不發(fā)生電磁泄漏，這時(shí)有矩形波導(dǎo)的等效寬度和等效長度分別為Weff、Leff。

在微波射頻電路設(shè)計(jì)中因SIW所具有的熱穩(wěn)定性好、品質(zhì)因數(shù)高、功率容量強(qiáng)、損耗低、微體積、質(zhì)量小、易加工等諸多優(yōu)點(diǎn)而被研究者們廣泛運(yùn)用。常用的加工方式有LTCC技術(shù)和PCB技術(shù)。本文采用LTCC技術(shù)進(jìn)行加工設(shè)計(jì)的SIW帶通濾波器由四個(gè)加載有圓形金屬片的SIW諧振腔組成。該濾波器的拓?fù)潢P(guān)系如圖3所示。

圖3 貼片加載SIW濾波器的耦合圖

如圖4所示，帶通濾波器采用共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)饋電，整體結(jié)構(gòu)由四個(gè)相似的腔體構(gòu)成，并在腔體內(nèi)部分別鑲嵌一個(gè)圓形金屬片，實(shí)現(xiàn)容性加載以減小諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)體積超小型化。四個(gè)相似腔體可視為四個(gè)諧振器（R1、R2、R3、R4），相鄰腔體間的耦合方式不完全相同。R1和R4之間，R2和R3之間，兩者均采用在金屬側(cè)壁上形成窗口結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)磁耦合效應(yīng)；R3和R4之間，是通過兩個(gè)矩形槽實(shí)現(xiàn)磁耦合，矩形槽位于中間公共金屬板上，并臨近金屬通孔陣列兩側(cè)；R1和R2之間，則利用位于中間公共的金屬板中心刻蝕的圓孔，實(shí)現(xiàn)上下兩個(gè)腔體的電耦合。當(dāng)工作頻率大小低于諧振時(shí)的頻率，SIW諧振器可以視作容性電路；當(dāng)其工作頻率大小高于諧振時(shí)的頻率，諧振器與感性電路的效果相同。該SIW帶通濾波器通過利用典型的四腔體交錯電、磁耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了在帶外產(chǎn)生兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，使得通帶的選擇性能得到大幅增強(qiáng)。

圖4 貼片加載SIW濾波器的空間圖

該帶通濾波器采用的介質(zhì)材料是陶瓷材料，相對介電常數(shù)5.9，正切損耗值0.002。利用高頻電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對濾波器進(jìn)行建模和仿真，所選SIW腔體厚度相同，均為0.3mm，選擇銀作為金屬性材料。諧振腔中嵌入的圓形金屬片到與金屬面距離為0.1mm。具體結(jié)構(gòu)如圖5所示，通過HFSS軟件對其具體參數(shù)尺寸進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如下：W1=0.16mm，W2=0.42mm，W3=4.4mm，W4=2.1mm，L1=5.6mm，L2=0.3mm，L3=1.5mm，L4=0.7mm，L5=6mm，r1=0.22mm，r2=0.42mm，r3=0.11mm，r=0.09mm，p=0.35mm。濾波器模型優(yōu)化后，整體尺寸為6.0×4.4×0.6mm3。

圖5 貼片加載SIW濾波器的尺寸結(jié)構(gòu)圖

2 仿真及測試結(jié)果

用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀結(jié)合PCB基板加工的測試轉(zhuǎn)接頭，測試濾波器的性能特性見圖6所示。從性能仿真與測試結(jié)果可以得出，濾波器的工作中心頻率為28GHz，3dB相對帶寬為15%，帶內(nèi)抑制優(yōu)于-10dB，在通帶22.5GHz和31.5GHz處分別存在一個(gè)傳輸零點(diǎn)，可以得知此濾波器具備非常好的選擇特性。

圖6 貼片加載SIW濾波器的性能仿真與測試結(jié)果圖

結(jié)語：本文設(shè)計(jì)了一種工作頻段為28GHz的微型化高選擇特性SIW帶通濾波器，其體積小，3dB相對帶寬為15%，并在通帶的左、右側(cè)分別存在了一個(gè)傳輸零點(diǎn)。與傳統(tǒng)的平面濾波器進(jìn)行比較，其具備尺寸小、易于加工等優(yōu)勢，適用于5G毫米波通信領(lǐng)域，可成為5G系統(tǒng)中對于頻率選擇器的重要替代方案之一。