基片集成波導(dǎo)雙模帶通濾波器級(jí)聯(lián)技術(shù)簡(jiǎn)介

黃 鵬

（南京郵電大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京210003）

1 基片集成波導(dǎo)簡(jiǎn)介

SIW的結(jié)構(gòu)[1]如圖1所示，主要由三部分組成：中間為厚度為h的介質(zhì)層，上下表面為金屬層，以及介質(zhì)層內(nèi)間距為s的有序排列的金屬柱。SIW結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)具有相似的結(jié)構(gòu)[2]，上下表面的金屬層相當(dāng)于傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的上下金屬面，兩排周期性金屬通孔則形成相當(dāng)于矩形波導(dǎo)的兩個(gè)側(cè)壁，共同限制電磁波在所圍的區(qū)域內(nèi)向前傳播。

圖1 SIW結(jié)構(gòu)圖

2 基片集成波導(dǎo)級(jí)聯(lián)技術(shù)的研究現(xiàn)狀

自從單腔體雙?；刹▽?dǎo)被人們廣泛研究以來(lái)，研究人員做了大量的研究[3]，例如通過(guò)改變單腔體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以獲得更廣泛的使用。再者就是對(duì)腔體進(jìn)行級(jí)聯(lián)，多腔體的級(jí)聯(lián)分成平面和異面的級(jí)聯(lián)，顧名思義，平面級(jí)聯(lián)就是在同一個(gè)面上就行級(jí)聯(lián)，這樣的級(jí)聯(lián)的方式會(huì)使得濾波器的面積成倍的增大。異面級(jí)聯(lián)就是在不同的面上進(jìn)行級(jí)聯(lián)，這樣做只是增加了厚度，濾波器的實(shí)際面積并未增加。在級(jí)聯(lián)技術(shù)上研究人員想出了各種辦法，在平面級(jí)聯(lián)中，比較典型的方式就是開(kāi)窗和異面微帶級(jí)聯(lián)。對(duì)于開(kāi)窗的級(jí)聯(lián)方式，因?yàn)楸旧硪呀?jīng)破壞了腔體的完整性，所以就在腔體的兩側(cè)分別加一個(gè)微擾柱以平衡這種破壞作用。異面微帶級(jí)聯(lián)即在兩腔體間搭建一條傳輸微帶線，以實(shí)現(xiàn)能量的傳輸[4]，因?yàn)槲Ъ?jí)聯(lián)是在不同面上的，所以原來(lái)的腔體可保持較好的完整性。異面級(jí)聯(lián)，分為開(kāi)窗和圓金屬柱直接傳導(dǎo)（探針）兩種方式，所得到的的效果也非常理想。無(wú)論是平面還是異面級(jí)聯(lián)，都是通過(guò)調(diào)整開(kāi)窗的位置，窗口的大小，級(jí)聯(lián)微帶的長(zhǎng)寬和位置，以及探針的半徑和位置以獲得較好的級(jí)聯(lián)效果。

人們也許會(huì)有疑問(wèn)，單腔體的濾波效果已經(jīng)很好，為什么還要級(jí)聯(lián)單個(gè)腔體，使得腔體的結(jié)構(gòu)變得復(fù)雜。這里介紹一下級(jí)聯(lián)所帶來(lái)的好處[5]：首先 經(jīng)過(guò)多次反射，中心頻率兩側(cè)的頻點(diǎn)會(huì)變大，這樣會(huì)使相對(duì)帶寬不斷變窄。對(duì)于密封腔體的濾波器而言，相對(duì)帶寬越小越好[6]。其次，多次濾波使得帶外插損保持在一個(gè)較小的數(shù)值，即帶外抑制效果很好，兩側(cè)零點(diǎn)翻倍減小，兩腔體級(jí)聯(lián)能達(dá)到-50dB甚至-60dB，這是一個(gè)很理想的效果。正是由于級(jí)聯(lián)有這樣的優(yōu)點(diǎn)，研究人員還研究了三腔甚至四腔的級(jí)聯(lián)。無(wú)論是平面還是異面的，效果都比較理想。

3 基片集成波導(dǎo)諧振腔之間的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)

雖然雙模的實(shí)現(xiàn)相當(dāng)于兩腔體的疊加，實(shí)際上減少了腔體的個(gè)數(shù)，以此為基礎(chǔ)，我們各異設(shè)計(jì)多模的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多腔體的重疊，但隨著模數(shù)的增加，設(shè)計(jì)難度必然大大的增加，SIW性能提升的空間越來(lái)越小。所以，只能通過(guò)腔體之間的級(jí)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)SIW濾波性能的進(jìn)一步提高。實(shí)際應(yīng)用的級(jí)聯(lián)方式主要分為兩大類(lèi)，一是腔體之間平面的級(jí)聯(lián)，另一類(lèi)就是腔體之間異面的級(jí)聯(lián)，兩種方式各有優(yōu)劣。

平面級(jí)聯(lián)方式，優(yōu)點(diǎn)在于級(jí)聯(lián)設(shè)計(jì)和加工簡(jiǎn)單，級(jí)聯(lián)性能較好，缺點(diǎn)在于面積成倍增加，限制了該類(lèi)濾波器的使用。對(duì)于平面形式級(jí)聯(lián)主要分為以下兩種：

開(kāi)窗級(jí)聯(lián)[7]，即在兩個(gè)腔體連接處開(kāi)一個(gè)感性窗，如圖2所示，實(shí)現(xiàn)感性耦合。

圖2 基片集成波導(dǎo)平面開(kāi)窗兩腔體級(jí)聯(lián)

微帶級(jí)聯(lián)[9]，即在兩腔體之間通過(guò)微帶線實(shí)現(xiàn)能量傳輸，也是一種感性耦合，如下圖所示，與開(kāi)窗級(jí)聯(lián)相比，這種結(jié)構(gòu)不會(huì)破壞腔體結(jié)構(gòu)，但加工實(shí)現(xiàn)起來(lái)有一定的難度。

圖3 基片集成波導(dǎo)平面微帶兩腔體級(jí)聯(lián)

異面級(jí)聯(lián)方式，優(yōu)點(diǎn)在于雖然腔體數(shù)增加，實(shí)際面積并未增加，只是增加了一點(diǎn)厚度。缺點(diǎn)在于設(shè)計(jì)和加工難度都不低，有些時(shí)候精度無(wú)法達(dá)到要求。對(duì)于異面形式級(jí)聯(lián)主要分為以下兩種：

開(kāi)窗級(jí)聯(lián)，即在兩個(gè)腔體連接（共用的金屬面）處開(kāi)一個(gè)感性窗，如圖4所示，實(shí)現(xiàn)感性耦合。

圖4 基片集成波導(dǎo)異面開(kāi)窗兩腔體級(jí)聯(lián)

探針級(jí)聯(lián)[10]，即在兩腔體之間通過(guò)金屬探針實(shí)現(xiàn)能量傳輸，在兩腔體共用金屬面上打一個(gè)半徑稍大的孔即可。也是一種感性耦合，如圖5所示。 與開(kāi)窗的結(jié)構(gòu)相比，能量傳輸很直接，但是已經(jīng)破壞了上下腔體本身的結(jié)構(gòu)。

圖5 基片集成波導(dǎo)平面探針兩腔體級(jí)聯(lián)

4 SIW級(jí)聯(lián)技術(shù)研究工作的展望

未來(lái)該領(lǐng)域中，人們可以嘗試更多種類(lèi)的級(jí)聯(lián)方式，使得腔體之間的耦合量不斷增大，不斷優(yōu)化頻率響應(yīng)，改善其矩形系數(shù)和帶外插入損耗的平滑度。

另外，人們可以嘗試更多腔體的級(jí)聯(lián)，例如三腔體平面微帶級(jí)聯(lián)，三腔體異面開(kāi)窗，探針級(jí)聯(lián)，四腔體的平面微帶級(jí)聯(lián)，異面開(kāi)窗以及探針級(jí)聯(lián)，甚至可以嘗試混合級(jí)聯(lián)方式。級(jí)聯(lián)的結(jié)構(gòu)雖然復(fù)雜，但是級(jí)聯(lián)的優(yōu)點(diǎn)依然值得我們?nèi)L試。

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