邵建興

（上海航天科工電器研究院有限公司，上海 200331）

0 引 言

表面等離子體激元（SPPs）是一種電磁波模式，由在介質(zhì)中傳播的電磁場與金屬表面下的自由電子之間的相互作用激發(fā)[1]。表面等離子激元的電磁場在界面的垂直方向上呈指數(shù)衰減，因此它被限制在亞波長范圍內(nèi)的界面周圍。由于能夠繞過衍射極限，SPPs 已被應(yīng)用于各種納米光子學(xué)和光電子學(xué)[2-10]。然而，由于金屬固有頻率的限制，不存在微波或太赫茲等低頻率區(qū)域的自然SPPs。

為了在微波或太赫茲頻段實現(xiàn)高度受限的電磁場，Pendry 等人提出一種人工表面等離子體激元（SSPPs）結(jié)構(gòu)來模擬光學(xué)頻率下的SPPs[2]?；谶@一概念，各種微波和太赫茲SSPP 波導(dǎo)，如具有紋理亞波長凹槽或孔格的金屬表面、具有波紋環(huán)或螺旋凹槽的金屬線和多米諾波導(dǎo)已經(jīng)在理論上或?qū)嶒炆线M行了研究[6-19]。近年來，平面SSPP 波導(dǎo)因其在實現(xiàn)小型化和高集成的電路和系統(tǒng)方面的巨大潛力而引起了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。例如崔鐵軍等人提出了基于矩形波紋超薄金屬條的各種平面SSPP 波導(dǎo)[12-15]。同時，許多具有不同單元結(jié)構(gòu)的平面SSPP 波導(dǎo)，例如單/雙面矩形凹槽、T-/L-/折疊/螺旋短截線、啞鈴單元也已被證明可以進一步減小波導(dǎo)的尺寸，并基于這些波導(dǎo)開發(fā)了各種微波器件，包括天線、功率分配器和濾波器等[11-19]。

基片集成波導(dǎo)（SIW）是由上下表面金屬板、兩排連接上下金屬板的金屬通孔以及介電基板組成[20]。 SIW作為一類平面波導(dǎo)，具有插入損耗低、尺寸緊湊、易于集成等優(yōu)點，已廣泛應(yīng)用于各種微波和毫米波元器件。為了在保持SIW 優(yōu)勢的同時替換金屬通孔，Chen 等人提出了一種波紋SIW（CSIW）結(jié)構(gòu)，使用開路波長微帶短截線代替金屬通孔，以創(chuàng)建人工電壁[21]。這種結(jié)構(gòu)與以SIW 結(jié)構(gòu)相同的方式支持TE10 模式。與SIW 結(jié)構(gòu)相比，CSIW 通過使用開路波長短截線而不是金屬通孔來保持頂部和底部導(dǎo)體之間的直流隔離。近年來，SSPP 概念已被引入SIW[22-25]。

例如Zhang Q 等人通過連接傳統(tǒng)的SIW 和基于反對稱波紋金屬條的SSPP 波導(dǎo)，設(shè)計一個通帶可控濾波器[22]。文獻[26-27]中提出了一種半空間基片集成SSPP傳輸線，使用基片層在接地平面上設(shè)置金屬化通孔。然而，這些混合SSPP-SIW 傳輸線和濾波器是通過接地平面上的金屬化通孔或在SIW 的單個金屬層上使用蝕刻槽來實現(xiàn)的，并沒有考慮蝕刻SSPP 單元結(jié)構(gòu)的同時替換SIW 的金屬接地孔。

本文提出一種基于新型彎曲波紋基片集成等離子波導(dǎo)（BCSIPW）的微波帶通濾波器。該波導(dǎo)是通過在SIW 的兩個金屬層上蝕刻橢圓槽的雙陣列，并使用兩排開路波長微帶短截線代替金屬通孔而形成。BCSIPW 的色散特性可以通過操縱SIPW 的幾何參數(shù)靈活地調(diào)整色散關(guān)系。低截止頻率主要由兩排通孔之間的距離和橢圓槽的長度分別決定。利用該BCSIPW 的結(jié)構(gòu)設(shè)計了一種基于“微帶-BCSIPW-微帶”結(jié)構(gòu)的帶通濾波器，該濾波器在9～11.5 GHz 的通帶內(nèi)具有良好的插入損耗和回波損耗，所提出的BCSIPW 在微波集成電路和系統(tǒng)中有良好的應(yīng)用前景。

1 微波帶通BCSIPW 濾波器設(shè)計

基于BCSIPW 的微波帶通濾波器設(shè)計流程如圖1 所示。在傳統(tǒng)基片集成波導(dǎo)的頂層和底層金屬表面刻蝕槽陣列，通過合理設(shè)置波導(dǎo)和槽的幾何參數(shù)，使基片集成波導(dǎo)的色散曲線遠離光線，從而支持SSPP 傳輸模式。與單面槽SIPW 相比，雙面槽SIPW 可降低SIPW 的漸近頻率，其電場強烈集中在結(jié)構(gòu)的兩個槽區(qū)域周圍，在開發(fā)小型化微波器件和電路方面具有更高的潛力[19]。同時，通過使用開路的波長的微帶短截線代替SIPW結(jié)構(gòu)中的金屬通孔來創(chuàng)建電壁，可支持TE10 傳輸模式[21]，形成BCSIPW。

圖1 BCSIPW 帶通濾波器設(shè)計流程示意圖

為了驗證BCSIPW 帶通濾波器的性能，本文設(shè)計了一款X 波段的帶通濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示。其中，區(qū)域Ⅰ采用“微帶-錐形-微帶”的SIW 寬帶過渡結(jié)構(gòu)，區(qū)域Ⅱ是由SIPW 組成的寬帶“SIW-SIPW”過渡結(jié)構(gòu)。為減小帶通濾波器的整體尺寸，波長開路微帶短截線采用“弓”字形彎曲結(jié)構(gòu)，其長度約為帶通濾波器中心頻率波長的。通過在SIW 的兩個金屬層上蝕刻雙陣列的橢圓槽來實現(xiàn)SSPPs 結(jié)構(gòu)。BCSIPW 濾波器的低截止（或漸近）頻率分別由兩排“弓”字形彎折微帶短截線之間的距離和橢圓槽的長度獨立確定。微帶-SIW 的過渡結(jié)構(gòu)使微帶線上傳輸?shù)臏蔜EM 模式平滑地轉(zhuǎn)換為SIW 的準TE 模式，橢圓槽的漸變長度可有效地將SIW的準TE 模式轉(zhuǎn)換為SIPW 的SSPP 模式。

圖2 BCSIPW 帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真分析

采用典型PCB 印制板加工工藝，介質(zhì)基板選用睿龍的RA300 材料，相對介電常數(shù)為2.94，損耗角正切為0.001 1，厚度為0.508 mm；銅箔的電導(dǎo)率為5.8×107S/m，厚度為0.035 mm。根據(jù)BCSIW 的回波損耗和插入損耗最小化設(shè)計參數(shù)，通過商用高頻電磁場仿真分析軟件ANSYS HFSS 仿真得到濾波器的優(yōu)化參數(shù)，如表1 所示。

表1 BCSIPW 帶通濾波器尺寸表

BCSIPW 濾波器的仿真結(jié)果如圖3 所示。由圖可見，在9～11.5 GHz 的整個通帶中，BCSIPW 的回波損耗S11≤-11.5 dB，插入損耗S12≥-2.5 dB。

圖3 BCSIPW 濾波器性能仿真結(jié)果圖

此外，將傳統(tǒng)SIW、BSIW 和BCSIPW 帶通濾波器進行了性能對比分析，如圖4 所示。由圖可見，BCSIPW 帶通濾波器的性能整體優(yōu)于其他三種濾波器的性能。

圖4 不同濾波器性能仿真結(jié)果對比圖

為了更深入地分析BCSIPW 濾波器，研究了其頂部金屬層的電場分布，如圖5 所示。由圖5a）可見，由于頻率小于SIW 的下限截止頻率，信號在7.5 GHz 時在微帶部分傳播后被反射回來，沒有傳輸?shù)絊IW 區(qū)域。而在10 GHz 的通帶內(nèi)信號可以有效地通過整個SIPW 濾波器進行傳輸，模式轉(zhuǎn)換平滑，損耗小，如圖5b）所示。此外，圖5c）顯示12.5 GHz 的信號在上阻帶中終止于漸變SIPW 部分。這些場分布與S參數(shù)結(jié)果為SIPW 濾波性能提供了直觀的驗證。

圖5 不同頻率下的濾波器表面電場分布圖

為了研究BCSIPW 通帶的獨立調(diào)控特性，分析兩排“弓”字形開路微帶短截線之間的距離a、橢圓槽周期s對BCSIPW 濾波器頻率響應(yīng)的影響，其仿真結(jié)果分別如圖6 和圖7 所示。

圖6 不同微帶短截線間距的濾波器性能對比圖

圖7 不同橢圓槽間距的濾波器性能對比圖

由圖6 可見，隨著開路微帶短截線距離a從1.75 mm增加到4.25 mm，低頻端截止頻率增加了0.1 GHz，而高頻端截止頻率基本保持不變。在3 種不同的短截線間距下，濾波器的插損基本保持不變。

由圖7 可見，隨著橢圓槽周期s從1 mm 增加到3 mm，低頻端截止頻率基本保持不變，而高頻端截止頻率變化顯著，從10.7 GHz 增加至13.7 GHz。在5 種不同的橢圓槽周期s間距下，濾波器通道內(nèi)的插損基本保持不變。

為了驗證BCSIPW 的性能，本文制作了實物樣機并使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試。濾波器實物如圖8 所示，其測試結(jié)果與仿真結(jié)果如圖9 所示。由圖可見，在整個工作頻段范圍內(nèi)，濾波器的實測值與仿真結(jié)果一致性良好。

圖8 BCSIPW 濾波器實物圖

圖9 BCSIPW 濾波器實測與仿真對比圖

3 結(jié) 論

本文設(shè)計了一種基于新型彎曲波紋基片集成等離子波導(dǎo)（BCSIPW）的帶通濾波器結(jié)構(gòu)。仿真和測試分析結(jié)果表明：通過調(diào)節(jié)SIPW 的幾何參數(shù)，可以靈活地調(diào)整BCSIPW 的色散特性，其低頻截止頻率和高頻截止頻率主要由兩排通孔之間的距離和橢圓槽長度分別決定。所提出的BCSIPW 濾波器具有結(jié)構(gòu)簡單、插入損耗低和回波損耗高的特點。這種BCSIPW 概念不僅可以應(yīng)用于微波濾波器，而且在各種等離子體集成功能器件和電路的開發(fā)中也具有潛在的應(yīng)用。