基于正方形/等邊三角形基片集成波導的寬阻帶濾波器研究

翟誠誠

（南京郵電大學通達學院，江蘇 揚州 225127）

基片集成波導傳輸結(jié)構(gòu)具有低損耗、高Q值和高功率容量的優(yōu)點，被廣泛地應(yīng)用在高頻毫米波射頻系統(tǒng)中。但基片集成波導濾波器因具有腔體的傳輸特性，導致其帶外的性能很差。目前實現(xiàn)基片集成波導濾波器寬阻帶性能的方法一般有四種。第一，在饋線上引入傳輸零點或低通響應(yīng)，但是這種方法不但增加了器件的尺寸，且阻帶的帶寬是受限于傳輸零點的個數(shù)。第二，利用腔體之間耦合的方式構(gòu)建傳輸零點或降低高次模之間的耦合系數(shù)，但是，這種方法一般需要特定的拓撲結(jié)構(gòu)，且增加的傳輸零點有限。第三，利用饋電技術(shù)抑制高次模式，通過將輸入/輸出饋線設(shè)置在高次模的電場最小值處，實現(xiàn)高次模難以被激勵，或者利用饋線技術(shù)惡化正交的高次模，從而使其難以被激勵，但是這種方法很難同時抑制多個高次模。第四，采用不同長寬比的基片集成波導諧振器，為了實現(xiàn)寬阻帶特性往往需要復雜的計算，而且這種諧振器的尺寸往往較大。

本文提出了一種基于正方形/等邊三角形基片集成波導的寬阻帶濾波器。通過在正方形基片集成波導諧振器引入金屬化通孔，使得正方形基片集成波導的基模與等邊三角形基片集成波導的基模相等，而兩個諧振器的高次模卻是不相等的，從而實現(xiàn)了寬阻帶的特性。具體的工作原理以及設(shè)計細節(jié)如下所示。

1 正方形/等邊三角形基片集成波導的模式分析

如圖1所示，在本設(shè)計中采用了兩種形狀的基片集成波導諧振器，即正方形基片集成波導與正三角形基片集成波導。其中，正方形基片集成波導的諧振模式計算如下，

圖1

式中，c0為真空中光速，mr與er分別是介質(zhì)基板的相對磁導率和相對介電常數(shù)，l、d和s分別是正方形基片集成波導諧振器的邊長、通孔直徑和通孔間距，leff是等效長度。例如，當l為34mm時，且取合適的d與s，那么，正方形的前四個模式的頻率分別為3.48GHz、5.5GHz、6.96GHz和7.78GHz。

而對于正三角形基片集成波導諧振器的模式，到目前為止并沒有精確的解析解。不過，可以借助電磁仿真軟件HFSS的本征模分析，得到每一個模式的精確頻率。例如，當l1為34mm時，且取合適的d1與s1，那么，正三角形的前四個模式的頻率分別為5.25GHz、8.01GHz、10.5GHz和10.93GHz。通過正方形/正三角形基片集成波導的前四個模式對比，發(fā)現(xiàn)即使正方形的邊長與正三角形的邊長相等，但是它們的模式頻率根本完全不同。

2 具有寬阻帶的基片集成波導濾波器

所提出的三階基片集成波導濾波器是采用級聯(lián)的方式，那么可以通過以下的公式，求解諧振器之間的耦合系數(shù)以及外部Q值。

式中，F(xiàn)BW表示所設(shè)計濾波器的相對帶寬，gi（i=0，1，2，3）表示切比雪夫響應(yīng)下的歸一化參數(shù)。

在本設(shè)計中基片集成波導濾波器的饋電方式是采用共面波導饋電方法，因此，需要在基片集成波導的表面刻蝕槽線（如圖2），從而導致了正方形基片集成波導諧振器的個別模式頻率下降，具體如表1所示。從表1中，我們發(fā)現(xiàn)基模與其他的高次模的頻率會隨著槽線長度的增加而降低，這是因為槽線的引入會增加模式電流的有效長度，從而諧振頻率下降。

表1 加載共面波導的正方形基片集成波導

圖2 正方形基片刻蝕線

由于在正方形基片集成波導中引入了共面波導饋線，導致了正方形基片集成波導的基模要低于正三角形基片集成波導的基模，因此，額外的金屬化通孔被引入來提高正方形基片集成波導的基模頻率（如圖3）。此外，金屬化通孔還會增加正方形基片集成波導的高次模頻率，具體如表2所示?？梢悦黠@地發(fā)現(xiàn)，通過添加合適的金屬化通孔，三角形基片集成波導諧振器的基模與正方形基片集成波導的基模是相等的，但是它們的高次模是不相等的，從而通過模式相互抑制的原理，可以實現(xiàn)寬阻帶的濾波特性。

圖3 引入金屬化通孔的正方形基片集成波導

表2 加載共面波導和金屬化通孔的正方形基片集成波導

3 設(shè)計與仿真

為了驗證設(shè)計概念，如圖4所示，在Rogers RO4003基板上設(shè)計了所提出的三階基片集成波導濾波器，這個介質(zhì)板的相對介電常數(shù)為3.55，厚度為0.508mm。濾波器的參數(shù)設(shè)計為：d=1，d1=2.4，s=2，s1=5.7，s2=4.9，s3=0.3，l= 26，l1=34，w=1.2（均以毫米為單位）。圖4（b）顯示了全波仿真結(jié)果。對于仿真結(jié)果，所制造的中心頻率（f0）和3-dB分數(shù)帶寬（FBW）濾波器分別為5.35GHz和3.3%。在5.3至5.4GHz的頻率范圍內(nèi)，回波損耗優(yōu)于20dB，插入損耗優(yōu)于2.6dB。所提出濾波器的上阻帶擴展至11.2GHz（2.09f0），抑制水平為20dB。所提出的基片集成波導濾波器具有帶寬可設(shè)計性，上阻帶性能高和設(shè)計簡單的優(yōu)點。

圖4

4 結(jié)語

本文提出了一種新型寬阻帶基片集成波導濾波器。首次提出了基于正方形基片集成波導諧振器和正三角形基片集成波導諧振器聯(lián)合設(shè)計的方案。通過設(shè)計不同形狀的諧振器和通孔擾亂技術(shù)，可以輕易地實現(xiàn)寬阻帶特性。本結(jié)構(gòu)具有設(shè)計簡單和寬阻帶的優(yōu)點，特別適合應(yīng)用于高頻無線通信系統(tǒng)。