一種具有高抑制特性的小型化SIW 濾波器的設(shè)計(jì)

黃玉蘭,蘭 靜,黃令超

(西安郵電大學(xué)電子工程學(xué)院,陜西 西安 710121)

隨著無線通信行業(yè)的迅速發(fā)展,濾波器作為一種選頻器件,有著廣泛的應(yīng)用前景。在常見的無線收發(fā)系統(tǒng)中,每一步都需要加載濾波器來濾除噪聲,從而保證射頻系統(tǒng)的穩(wěn)定性,因此濾波器對無線收發(fā)系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量有著至關(guān)重要的影響。為滿足現(xiàn)代無線通信要求,研究者們在高帶外抑制、低插損、小型化等方面做了大量的研究[1]。近年來,基片集成波導(dǎo)(SIW)憑借其高品質(zhì)因數(shù)、易集成、大功率容量等獨(dú)特優(yōu)勢逐漸被廣泛應(yīng)用,常見的SIW 濾波器的設(shè)計(jì)方法有1/n模切割法[2]、多層折疊法[3]、多模交叉耦合[4]以及表面加載法[5]等。

文獻(xiàn)[6]利用不同模態(tài)的SIW 腔提供寬阻帶響應(yīng)和高選擇性,但其插損及回波損耗不理想。文獻(xiàn)[7]通過加載諧振器使得濾波器共有三個(gè)傳輸零點(diǎn),一定程度上提高了帶外抑制,但由于其傳輸零點(diǎn)多,設(shè)計(jì)復(fù)雜,導(dǎo)致不夠小型化。文獻(xiàn)[8]通過增加金屬孔,使得濾波器有更高的品質(zhì)因數(shù),但其插損較大,無法滿足現(xiàn)代通信系統(tǒng)低插損的要求。文獻(xiàn)[9]通過垂直疊加三個(gè)SIW 腔,使濾波器變得更加緊湊,通過調(diào)整相鄰SIW 腔間的耦合系數(shù)來獨(dú)立控制傳輸零點(diǎn),但仍存在插損較大的問題。文獻(xiàn)[10]通過改變浮動圓盤的大小,調(diào)整諧振模式,改變饋線間的夾角對傳輸零點(diǎn)進(jìn)行控制,該濾波器靈活性很大,但其帶外抑制性能較差。文獻(xiàn)[11]在SIW 表面刻蝕兩個(gè)反向排列的方形互補(bǔ)裂環(huán)諧振器,實(shí)現(xiàn)了濾波器的小型化,但其帶外抑制性能并不理想。

結(jié)合以上文獻(xiàn)可知,很多濾波器設(shè)計(jì)難以兼顧高帶外抑制、低插損及小型化等特點(diǎn)。為解決以上問題,本文基于電偶極子加載的隱失模理論[12],首先設(shè)計(jì)了單級濾波器;其次,在單級濾波器上進(jìn)行改進(jìn),使用電磁仿真軟件HFSS 進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié),得到帶外抑制更高及帶寬更優(yōu)的雙級濾波器;最后通過實(shí)物測量結(jié)果驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)的有效性。本文降低了濾波器結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度,得到了一款低插損、高帶外抑制、小型化可應(yīng)用于5G(Sub-6 GHz)通信系統(tǒng)中的濾波器。

1 單級SIW 濾波器設(shè)計(jì)

1.1 單級SIW 濾波器結(jié)構(gòu)

圖1 為單級濾波器結(jié)構(gòu)圖,采用Rogers RT/Duroid 5870 介質(zhì)基板,其厚度為0.787 mm,相對介電常數(shù)為2.33。該結(jié)構(gòu)包括矩形SIW 腔以及一對面對面的矩形諧振環(huán),SIW 腔中包括兩排金屬通孔,用以等效波導(dǎo)的側(cè)壁。

圖1 單級濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Single-stage filter structure diagram

設(shè)計(jì)SIW 腔的基本結(jié)構(gòu),需考慮以下參數(shù),如SIW腔的寬度W和等效寬度Weff以及通孔直徑d、通孔間距S等。其中等效寬度計(jì)算公式為:

當(dāng)通孔間距滿足公式(2)時(shí),近似地認(rèn)為此時(shí)腔內(nèi)無電磁能泄露。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]可得截止頻率計(jì)算公式為:

式中:c為光速;εr為介電常數(shù)。由式(3)計(jì)算可得SIW 腔的截止頻率為10.3 GHz。

1.2 工作原理

SIW 具有高通性能,可作為高通濾波器使用。為設(shè)計(jì)帶通濾波器,需要一種具有帶阻性能的電磁結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)理想的性能。如圖2 所示,在主模傳播情況下,SIW 內(nèi)部的電場垂直分布于其頂部金屬層和底層,磁場方向平行于波導(dǎo)表面,垂直于波導(dǎo)側(cè)壁。根據(jù)電偶極子加載的隱失模理論,由于互補(bǔ)開口諧振環(huán)(CSRR)或表面刻蝕縫隙[13-14]等結(jié)構(gòu)的負(fù)磁導(dǎo)率特性可在諧振頻率附近產(chǎn)生較強(qiáng)的帶外抑制,加載矩形諧振環(huán)會使得諧振腔內(nèi)部電場發(fā)生變化,增加表面電流路徑,從而產(chǎn)生一個(gè)低于SIW 腔截止頻率的通帶(此通帶是由圖2 所示的軸向電場激發(fā)引起的)。本文將矩形諧振環(huán)結(jié)構(gòu)蝕刻在SIW 的上金屬面,使得濾波器實(shí)現(xiàn)小型化[15-16],改變傳統(tǒng)的饋電方式,矩形諧振環(huán)間耦合增強(qiáng),傳輸零點(diǎn)衰減增大。

圖2 電場分布圖Fig.2 Electric field distribution diagram

圖3 為單級SIW 濾波器的等效電路模型。將SIW中的上下兩排金屬通孔等效為并聯(lián)電感,用Lvia表示;兩個(gè)矩形諧振環(huán)作為分流諧振器,由電容Cr和電感Lr組成,諧振腔提供了帶通特性和SIW 的高通特性;其中波導(dǎo)傳輸線與矩形諧振器之間存在耦合,用Lc及Cc表示電感和電容耦合。使用ADS 對等效電路模型進(jìn)行仿真,根據(jù)圖4 可知,等效電路模型為實(shí)際濾波器的一個(gè)簡化電路。在所設(shè)計(jì)的頻段范圍內(nèi),與單級濾波器仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了其等效關(guān)系。

圖3 單級濾波器等效電路模型Fig.3 Single-stage filter equivalent circuit model

圖4 單級濾波器與等效電路仿真結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison of single-stage filter and equivalent circuit simulation results

單級濾波器的傳輸零點(diǎn)是由SIW 諧振腔和矩形諧振環(huán)之間輸入輸出電磁混合耦合產(chǎn)生的,式(4)為傳輸零點(diǎn)計(jì)算公式:

由式(4)可求得傳輸零點(diǎn)位于11.29 GHz 處,與仿真結(jié)果基本吻合。

1.3 結(jié)果與分析

使用HFSS15.0 進(jìn)行仿真優(yōu)化,單級濾波器S參數(shù)隨不同參數(shù)變化仿真曲線如圖5 所示。圖5(a)為S參數(shù)隨W3變化的仿真曲線,隨著W3的增大,濾波器的中心頻率往高頻移動。其原因是隨著耦合間距W3增大,等效電路中電感減小,使頻率增加,傳輸零點(diǎn)向高頻移動。圖5(b)為S參數(shù)隨L4變化的仿真曲線,同圖5(a)變化規(guī)律相同,其原因是隨著L4增大,等效電路中電感減小,頻率及傳輸零點(diǎn)向高頻移動,其中L4對傳輸零點(diǎn)影響較大。如圖5(c)所示,當(dāng)L6增大時(shí),濾波器諧振頻率減小,往低頻方向移動。其原因是L6增大使得整個(gè)諧振腔電長度增加,導(dǎo)致濾波器諧振頻率降低,傳輸零點(diǎn)向低頻移動。實(shí)驗(yàn)表明,可通過調(diào)節(jié)以上參數(shù)達(dá)到優(yōu)化單級濾波器S參數(shù)的目的。

圖5 S 參數(shù)隨不同參數(shù)變化仿真曲線圖Fig.5 Simulation graphs of S-parameter variation with different parameters

單級濾波器經(jīng)上述參數(shù)優(yōu)化后最終仿真結(jié)果如圖6 所示,所設(shè)計(jì)的濾波器中心頻率為5.5 GHz,相比于SIW 腔的截止頻率10.3 GHz,中心頻率下降了46.6%,其原因是通過加載矩形諧振環(huán),諧振腔內(nèi)部電場發(fā)生改變,從而影響金屬上表面的電流分布,使得中心頻率降低,實(shí)現(xiàn)了小型化。其相對帶寬6.9%,最小插入損耗僅為0.29 dB,回波損耗優(yōu)于29.49 dB,在7.59～12.99 GHz 頻帶范圍內(nèi)帶外抑制大于20 dB,在11.29 GHz 處存在一個(gè)傳輸零點(diǎn),最大衰減為55.11 dB,提高了濾波器的選擇性及帶外抑制。

圖6 單級濾波器仿真結(jié)果圖Fig.6 Simulation results of a single-stage filter

2 雙級濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 雙級SIW 濾波器結(jié)構(gòu)

為設(shè)計(jì)具有阻帶寬、插損小等特性的濾波器,在單級的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn),提出雙級濾波器,其結(jié)構(gòu)如圖7 所示。根據(jù)實(shí)際情況,將基板長度L0設(shè)置為15 mm,在SIW 的頂層刻蝕兩對矩形諧振環(huán),選取合適參數(shù)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該雙級濾波器矩形諧振環(huán)的長邊長度為L7,兩對矩形諧振環(huán)間的距離為L3,調(diào)整兩邊饋線的長度及寬度,實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。表1 為優(yōu)化后雙級濾波器的尺寸參數(shù)。

圖7 雙級濾波器結(jié)構(gòu)圖Fig.7 Two-stage filter structure diagram

表1 雙級濾波器參數(shù)Tab.1 Two-stage filter parameters mm

2.2 工作原理

由于雙級濾波器是在單級濾波器基礎(chǔ)上所改進(jìn)的,因此雙級濾波器電路等效模型也將進(jìn)行相應(yīng)變化。雙級濾波器等效電路模型如圖8 所示,由于新增加的兩對矩形諧振環(huán)之間存在耦合,因此在原等效模型基礎(chǔ)上,新增兩對耦合諧振器,分別為Lr和Cr以及L0和C0。其中Lr和Cr與單級濾波器的耦合槽相似,L0和C0表示兩對矩形諧振環(huán)間的耦合,將L0和C0加載在兩個(gè)諧振腔之間,使得等效模型成立。將等效電路模型在ADS 中仿真,雙級濾波器與等效電路仿真結(jié)果對比如圖9 所示,等效電路模型在所設(shè)計(jì)頻帶范圍內(nèi)與雙級濾波器的仿真結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了其等效關(guān)系。

圖8 雙級濾波器等效電路模型Fig.8 Two-stage filter equivalent circuit model

圖9 雙級濾波器與等效電路仿真結(jié)果對比圖Fig.9 Comparison of two-stage filter and equivalent circuit simulation results

2.3 傳輸響應(yīng)分析

圖10 為S參數(shù)隨著L3值變化的仿真曲線,隨著L3增大,濾波器的帶寬變窄,其原因是隨著L3增大,兩對矩形諧振環(huán)間的耦合逐漸減弱,兩個(gè)諧振頻點(diǎn)相互靠近,從而導(dǎo)致帶寬變窄;反之亦然。由此可得,該濾波器帶寬由兩對矩形諧振環(huán)之間耦合強(qiáng)度決定。

圖10 S 參數(shù)隨L3值變化的仿真曲線Fig.10 Simulation curves of S-parameter variation with L3 value

2.4 仿真和測試結(jié)果

為驗(yàn)證設(shè)計(jì)結(jié)果的有效性,采用Rogers 5870 介質(zhì)基板,其厚度為0.787 mm,相對介電常數(shù)為2.33,對所設(shè)計(jì)濾波器進(jìn)行實(shí)物加工。濾波器實(shí)物圖如圖11 所示,濾波器的有效尺寸為15 mm×9.5 mm(不包括輸入輸出端口),電長度為0.818λg×0.348λg,其中λg為中心頻率處的導(dǎo)波波長。

圖11 濾波器實(shí)物圖Fig.11 Photograph of the fabricated filter

利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行實(shí)物測試,圖12 為濾波器S參數(shù)仿真與實(shí)物測試對比結(jié)果,其中右下角插圖為5～6 GHz 頻段內(nèi)仿真及測試回波損耗S11的局部放大圖。仿真結(jié)果顯示其中心頻率為5.5 GHz,帶內(nèi)最小插入損耗為0.27 dB,回波損耗大于21.9 dB,相對帶寬為8.5%,帶外抑制在6.22～22.3 GHz 頻帶范圍內(nèi)大于20 dB,存在一個(gè)傳輸零點(diǎn)位于9.48 GHz 處,最大衰減為77.48 dB;測試結(jié)果顯示,該濾波器中心頻率為5.5 GHz,插入損耗僅為0.64 dB,回波損耗大于16.9 dB,帶外抑制也實(shí)現(xiàn)了預(yù)期目標(biāo)。實(shí)物測試數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果有一定誤差,造成上述誤差的原因有接頭損耗及焊接誤差等。測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合度較高,較好地驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

圖12 濾波器S 參數(shù)仿真與實(shí)物測試結(jié)果Fig.12 S-parameter measured and simulated results of the filter

表2 為本文所設(shè)計(jì)的雙級濾波器與其他文獻(xiàn)濾波器的性能參數(shù)對比。可得,該濾波器插入損耗和回波損耗均優(yōu)于其他文獻(xiàn),阻帶寬度更寬,帶外衰減更大,極大地提高了濾波器的頻率選擇性。總體來說,該濾波器在插損、帶外抑制及尺寸等方面均有顯著的提升。

表2 雙級濾波器性能參數(shù)對比Tab.2 Comparison of performance parameters of two-stage filter

3 結(jié)論

本文基于隱失模理論設(shè)計(jì)了一款具有高抑制特性的小型化SIW 濾波器,該濾波器有效尺寸僅為15 mm×9.5 mm(0.818λg×0.348λg)。該濾波器中心頻率為5.5 GHz,通帶范圍5.25～ 5.72 GHz,插入損耗僅為0.27 dB,回波損耗大于21.9 dB。在6.22～22.3 GHz頻段內(nèi)帶外抑制大于20 dB,傳輸零點(diǎn)位于9.48 GHz處,最大衰減為77.48 dB。加工實(shí)物并測試驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。該濾波器具有低插損、高帶外抑制、小型化的特點(diǎn),在5G(Sub-6 GHz)通信系統(tǒng)中有一定的應(yīng)用價(jià)值。