SIW可調濾波器研究進展

武警工程大學 周 建 謝文宣

SIW可調濾波器研究進展

武警工程大學 周 建 謝文宣

隨著加工工藝不斷發展提高和一系列新材料在微波濾波器設計制作的應用，可調濾波器的設計和研制迎來一個非常好的發展時期，結合近十年來可調濾波器的相關研究成果，立足前人智慧，綜述了國內外SIW可調濾波器研究現狀。

濾波器；可調；基片集成波導；MEMS

0　引言

為了提高頻譜資源的利用率，擴頻、跳頻和動態頻率分配等技術得到廣泛的應用。這些技術的廣泛應用希望射頻器件尤其是濾波器能滿足快速可調或可重構的需要，因此可調濾波器的研究越來越受到關注。隨著一系列半導體工藝的發展，已經有晶片組已經可以工作在60GHz甚至更高頻率，對濾波器的性能也提出了更高要求[1]。

1　研究背景與意義

無論是軍事通信系統還是民用通信系統，都要求通信設備小型化和通用化[2]。在軍事通信系統中，軍用短波電臺和超短波電臺都廣泛應用跳頻擴頻技術以保障通信質量和信息保密性。在民用通信系統中，由于多種通信標準并存的現狀，現在的便攜設備需要能夠適應不同頻段的移動通信，傳統的做法是設計多個接收機，但是這樣不利于設備小型化。利用可調濾波器設計多功能接收機提供了一種解決方案。實現能夠軟件控制的可編程微波收發系統是現代通信系統的重要發展方向，能根據需求調節頻率選擇范圍的微波濾波器是微波系統具有重構性的基礎，因此，可調濾波器的研究在解決通信設備小型化和通用化方面具有十分重要的意義。

2　可調濾波器的分類

可調濾波器可分為兩種，有源和無源。

有源可調濾波器一般由場效應管構成，具有調諧速度快，插入損耗小，帶外隔離好等優點。但是有源可調濾波器工作的截止頻率低，功率容量受有源器件的制約，并且噪聲系數比較大。

最常用的是無源可調濾波器。按調諧方式可分為機械調諧和電調諧；按使用材料可分為∶ 半導體、鐵電薄膜、鐵氧體、MEMS等；按濾波特性可分為：低通、高通、帶通、帶阻、窄帶、寬帶、超寬帶；按功能可分為：中心頻率可調、帶寬可調、帶外傳輸零點可調；按濾波器結構可分為：微帶線、共面波導、同軸腔、矩形波導等。

3　SIW可調濾波器研究現狀

傳統的濾波器多采用微帶線結構。微帶線濾波器可以做成平面電路，具有結構緊湊，體積小，重量輕，造價低的特點，并且微帶線結構有利于連接和安裝微波有源器件。但是微帶電路介質基片帶來的損耗是不可避免的，同時微帶結構全開放的結構導致能量的泄漏和輻射也很嚴重。

矩形波導結構很早就被應用到高性能濾波器的設計中，但是由于其三維的立體結構，難以與平面電路集成[3]。另外，在更低的毫米波頻段，矩形波導體積較大。基片集成波導（Substrate-Integrated-Waveguide，SIW）結構應運而生。

2001年加拿大蒙特利爾大學的吳柯教授正式提出具有低損耗、高Q值和高功率容量的基片集成波導的概念，自此以后，SIW逐漸成為研究的熱點。

SIW是用成排的金屬通孔在雙面覆蓋金屬層的低損耗介質基片(如low-temperature co-fired ceramics簡稱LTCC等介質基片)上形成的，所以SIW器件的一個重要性質是具有與傳統矩形波導相近的特性，諸如品質因數高、易于設計等，同時也具有體積小、重量輕、容易加工、造價低和易于集成等傳統矩形波導所沒有的優點。如果應用SIW實現濾波器和雙工器等高Q值的無源器件，則可以把整個微波毫米波系統制作在一個封裝內(System On Package SOP)，使微波毫米波系統小型化，同時降低了成本，所以SIW技術有光明的應用前景。

但是，由于SIW的橫向橫尺寸很大，無法滿足系統小型化和集成化的要求，學者們一直在不斷地研究開發小型化基片集成波導等單元，目前，通過金屬表面加載或者半模技術和折疊技術已經可以將基片集成波導縮小為原來的1/4、1/8甚至更小，基片集成波導應用在可調濾波器的研究還很少，

2010年Marcelino Armendariz 等人提出了一種基于 PIN 二極管的可調 SIW 帶通濾波器[1]，這種濾波器通過 PIN 二極管來控制鑲嵌在濾波器內部的5個微擾過孔的工作狀態，從而使得該濾波器的中心頻率在1.55～2.0GHz 范圍之間進行調諧，實現了 SIW 濾波器的電場可調。

在文獻[4]中，作者通過在加載了互補諧振器的半模基片集成波導（HMSIW）的基礎上，引入變容二極管，實現了濾波器通帶的可調,但利用二極管易產生互調噪聲，消耗更高的功率。

2011 年Yuliang Zheng 等人提出了一種基于鐵氧體的可調 SIW濾波器，通過外加偏磁場改變內部鐵氧體鐵磁共振頻率來實現 SIW濾波器的電磁可調[5]。但是外加偏磁場需要線圈來施加和調節，因此反應速度慢，有附加噪聲，并伴隨著巨大的能耗，同時難以和現代半導體器件相兼容。

Vikram Sekar等人將封裝好的MEMS開關加載到基片集成波導上提出了一種可調濾波器，通過6個開關實現1.2-1.6GHz內 14個中心頻率的調節，性能穩定且插損小，但是尺寸較大，還有進一步小型化的空間[6]。

4　結束語

從可調濾波器的性能來看，以中心頻率可調研究為目前最熱門的研究方向，帶寬可調次之，中心頻率和帶寬可獨立調節的濾波器實現的難度較大，零點位置的可調的研究最為冷門。

結合 RF MEMS 器件的小尺寸、低功耗和基片集成波導的低損耗、高 Q 值和易集成等特性，開發出小型化、低插損、穩定 Q 值的可重構多重折疊基片集成波導中心頻率可調濾波器將極具應用前景。

[1]Rehman M.-Z.-Ur,Baharudin Z.,Z a kariya M.-A.,等.Recent Advances in Min i aturization of Substrate Integrated Wavegu i de Bandpass Filters and its Applications in Tunable Filters[J]. IEEE Business Engine ering and Industrial Applications Colloqui u m (BEIAC),2013,109-113.

[2]毛金榮.高性能可調微波濾波器的理論與設計[D].南京理工大學,2013.

[3]Armendariz M., Sekar V., Entesa r i K.,Tunable SIW bandpass filters with PIN diodes[J].Microwave Conference (Eu MC),2010 Europe an,vol.,no.,pp.830-833,28-30 Sept.2010.

[4]Xiang Q Y,Feng Q Y,Huang X G,Half-mode substrate integrated wave g uide(HMSIW) filters and its application t o tunable filters[J].Journal of Electromagne t ic Waves and Applications,2011,25(14-15):2043-2053.

[5]李世峰,劉鋒,王高峰等.一種新型MEMS可調濾波器的設計[J].微納電子技術,2010,47(11):696-700.

[6]Vikram Sekar, Marcelino Armend ariz, Kamran Entesari,A 1.2-1.6GHz Subst r ate-Integrated-Waveguide RF MEMS Tuna b le Filter[J],IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,2011,59(4):866-876.