采用新型介質(zhì)集成波導(dǎo)腔的小型雙頻濾波器

張忠海 官伯然

（1.西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，陜西 西安 710071；2.杭州電子科技大學(xué)天線與微波技術(shù)研究所，浙江 杭州 310018）

引 言

濾波器［1-3］一直是射頻電路中的關(guān)鍵部件。作為微帶濾波器的一種，基片集成波導(dǎo)（SIW）濾波器［4-9］，具有體積小、制作方便、價格便宜、能夠集成于微波毫米波集成電路的優(yōu)點，因此，在近幾年得到了廣泛的研究。

隨著同軸腔濾波器在移動通信領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，其設(shè)計綜合技術(shù)已經(jīng)經(jīng)過了實踐的驗證［10-12］。因此，同軸腔濾波器設(shè)計技術(shù)和SIW技術(shù)可以結(jié)合組成一些新的濾波器，具有更小的體積和更加優(yōu)異的性能。

通過在SIW腔體中心位置插入短路銷釘以及將其上導(dǎo)體面與腔四周的導(dǎo)體壁開路，提出了一個新式的橫電磁波-基片集成波導(dǎo)（TEM-SIW）諧振腔。該腔諧振頻率位于傳統(tǒng)的SIW腔的截止頻率以下。相比傳統(tǒng)的SIW腔，TEM-SIW腔具有較高的無載Q值，易于借鑒現(xiàn)有的同軸腔濾波器的耦合結(jié)構(gòu)和綜合設(shè)計技術(shù)。利用TEM-SIW腔與經(jīng)典同軸腔濾波器設(shè)計技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了一個采用TEM-SIW技術(shù)的雙頻濾波器，相比傳統(tǒng)的SIW雙頻濾波器，其尺寸有大幅度的減小。加工并測試了這個雙頻濾波器，其仿真S參數(shù)和測量結(jié)果吻合良好。

1.理論分析

1.1 TEM-SIW諧振腔

TEM-SIW腔的結(jié)構(gòu)如圖1所示。TEM-SIW腔的上層金屬平面與TEM-SIW腔四周金屬壁開路。在TEM-SIW腔的中心位置加入了一個短路過孔。

TEM-SIW腔上金屬平面的尺寸以及中心短路過孔的直徑都會影響整個腔體的諧振頻率。TEMSIW腔的諧振頻率與短路銷釘?shù)闹睆揭约吧辖饘倨矫娴倪呴LL之間的關(guān)系如圖1所示。由圖1可以看出，當(dāng)四周金屬壁的長度為21mm，上金屬面邊長L為19mm，短路銷釘半徑為0.2mm時，TEMSIW腔諧振頻率為1.94GHz.而相同介質(zhì)基板和厚度情況下，工作于1.94GHz的經(jīng)典SIW諧振腔面積需要達到68mm×68mm.因此，TEM-SIW腔的面積減小到經(jīng)典的SIW諧振腔面積的9.5%以下。此外，如圖1所示，在21mm×21mm的貼片面積內(nèi)，TEM-SIW腔的諧振頻率可以在1.94～11.0GHz之間調(diào)節(jié)。

圖1 TEM-SIW腔結(jié)構(gòu)示意圖以及諧振頻率變化

面積為21mm×21mm的經(jīng)典SIW諧振腔諧振頻率為6.35GHz，Q值為1665.如圖1所示，相同的基板材料和厚度情況下，當(dāng)頂部貼片的邊長為11.7mm，短路銷釘半徑為1.7mm時，TEM-SIW腔的諧振頻率為6.35GHz，此時腔體的Q值為2229.由此可見，相同頻率下TEM-SIW腔的Q值大于經(jīng)典SIW腔的Q值。SIW腔的損耗主要是因為介質(zhì)損耗和輻射損耗［8］。相同頻率下，TEM-SIW腔的面積遠遠小于SIW腔的面積，所以這兩項損耗都比較小。

圖2 矩形耦合窗口的耦合帶寬隨頻率變化曲線

TEM-SIW腔主模工作時的場分布與經(jīng)典的SIW腔不同。兩者腔內(nèi)部的磁場分布對比如圖2所示。其中（a）是經(jīng)典的SIW腔內(nèi)部磁場分布，磁場強度在腔體的中心處最小，向四周擴散逐漸增大。（b）是TEM-SIW腔內(nèi)磁場分布圖，磁場場強在圍繞短路銷釘位置附近最大，向四周擴散漸漸變小，這與開路端加載電容的同軸腔內(nèi)磁場分布類似。可以參照經(jīng)典的電容加載同軸腔濾波器的耦合結(jié)構(gòu)以及綜合設(shè)計方法來設(shè)計基于TEM-SIW腔的濾波器。

1.2 腔間耦合

圖3給出了TEM-SIW腔的腔間耦合結(jié)構(gòu)俯視圖。這種耦合通過刻蝕在頂面的微帶線來實現(xiàn)。圖3中，電磁波沿著微帶線傳輸，并且會在第二個腔體中激勵起相同的模式。兩腔體中間需要一個開在側(cè)壁上的窗口來保證電磁波在微帶線上的傳輸。腔間耦合系數(shù)的大小可以通過微帶線伸入頂部貼片的深度來調(diào)節(jié)。腔間耦合系數(shù)和微帶線進入貼片深度d的關(guān)系可以通過對結(jié)構(gòu)進行電磁仿真來確定。

圖3 TEM-SIW腔腔間耦合結(jié)構(gòu)頂視圖

由圖3可見，隨著d的增大，耦合系數(shù)漸漸減小。

1.3 外部耦合

外部耦合的結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

TEM-SIW雙頻濾波器由50Ω微帶線激勵。饋電線伸入到TEM-SIW腔中以獲得合適的外部Q值。外部的Q值可以通過調(diào)整微帶線插入TEMSIW腔的深度L來調(diào)節(jié)。外部Q值隨微帶線插入深度L的變化如圖4所示。

圖4 TEM-SIW腔外部耦合結(jié)構(gòu)以及外部Q值的變化

1.4 帶通濾波器構(gòu)成

設(shè)計基于TEM-SIW結(jié)構(gòu)濾波器的步驟與設(shè)計同軸腔濾波器的步驟相同［10-12］。首先要從需求指標(biāo)綜合出濾波器的耦合矩陣，然后確定濾波器的初始尺寸，最后對尺寸進行優(yōu)化。

所設(shè)計的雙頻濾波器為3級濾波器，其兩個頻段的通頻帶為2.48～2.64GHz，2.79～2.95GHz.

綜合出來的耦合矩陣為:M12=M23=0.149，M14=M25=M36=0.141，Qe=8.5.所設(shè)計的雙頻濾波器的結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖中所涉及的各部分的尺寸如下所列:d1=3.4mm，d2=3.4mm，d3=4.4 mm，d4=5mm，l=18mm，l1=17.9mm，l2=18 mm，l3=16.5mm，s=0.5mm，a=21mm，cs=4 mm，fs=6mm.

圖5 TEM-SIW腔3腔雙頻濾波器結(jié)構(gòu)圖

2.實驗結(jié)果分析

所設(shè)計的TEM-SIW雙頻濾波器的介質(zhì)基板材料為f4b，介電常數(shù)為2.55，厚度為0.8mm.構(gòu)成環(huán)繞腔體導(dǎo)體壁的金屬孔的直徑是1mm，間距為2 mm.

圖6 TEM-SIW腔3腔濾波器實物圖

最終加工的濾波器實物圖如圖6所示。HFSS仿真性能和RS ZVB4矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量性能的對比如圖7所示。

圖7 TEM-SIW腔3腔濾波器仿真測試結(jié)果對比

由圖7可知，所設(shè)計的TEM-SIW雙頻濾波器工作于2.48～2.64GHz和2.79～2.97GHz.兩個通帶的中心頻率分別為2.54GHz和2.88GHz，相對帶寬為6.3%.測量得到的兩個通帶的中心頻率是2.538GHz和2.882GHz，相對帶寬為6.1%.濾波器在兩個通帶的中心頻率處的插損分別為0.7 dB和0.9dB.測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。

由圖7知，測量得到的濾波器差損大于仿真得到的插損，測量結(jié)果的帶外隔離比仿真結(jié)果差，造成此種情況的原因是實際應(yīng)用的微帶基板的損耗大于仿真模型中的微帶基板損耗，并且在測量濾波器性能時，濾波器的密封性能比理想的仿真模型差，由此帶來TEM-SIW腔無載、Q值比仿真模型低。

測量得到的濾波器的S11曲線沒有與仿真結(jié)果完全重合，這是因為S11性能對濾波器尺寸變化非常敏感，實際加工電路的尺寸與設(shè)計的尺寸會有少許差別，因此兩者沒有完全重合。但是測量結(jié)果和仿真結(jié)果的零極點數(shù)量互相對應(yīng)，可以驗證仿真模型的有效性。

如果將TEM-SIW腔中心位置的短路銷釘直徑進一步減小，相同頻率下，可以進一步縮小濾波器的尺寸，但是同時也會帶來加工精度需求的提高。

3.結(jié) 論

提出了一種小型化的TEM-SIW諧振腔。相同頻率下，TEM-SIW諧振腔面積可以減小到傳統(tǒng)的SIW諧振腔的9.5%以下。采用這種TEM-SIW諧振腔的雙頻濾波器具有很多有吸引力的特點，如高的無載Q值、低的插損、簡單的拓撲結(jié)構(gòu)等。這種TEM-SIW腔的結(jié)構(gòu)以及腔內(nèi)磁場分布與電容加載的同軸腔相似，因此可以很方便地參考經(jīng)典的同軸腔濾波器的耦合結(jié)構(gòu)和綜合設(shè)計方法來設(shè)計這種TEM-SIW濾波器。最后本文設(shè)計了一個基于這種TEM-SIW腔的3級濾波器，并且利用HFSS進行了全波仿真，實物測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好，驗證了這種結(jié)構(gòu)的有效性。這種TEM-SIW濾波器適用于小型化的集成微波電路設(shè)計中。

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