毫米波多層交叉耦合SIW濾波器設(shè)計

南京郵電大學(xué)電子與光學(xué)工程學(xué)院　韋皓宇　錢國明

1　引言

近年來無線通信的飛速發(fā)展對通信設(shè)備的輕量化、小型化提出了更高的要求。緊湊型的微波通帶濾波器（BPF）在電路中的起重要作用，其性能優(yōu)劣和結(jié)構(gòu)大小影響整個系統(tǒng)的質(zhì)量。高品質(zhì)因數(shù)、高功率容量、低損耗的金屬波導(dǎo)濾波器由于體積較大，在結(jié)構(gòu)緊湊的平臺上應(yīng)用受限。微帶濾波器體積小、易集成，但損耗大、Q值低，無法滿足高頻電路設(shè)計要求。

基片集成波導(dǎo)（SIW）是于近年提出的一種新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[1]，在損耗低的介質(zhì)基片邊緣等間距地排列金屬化通孔，并在上下底面使用金屬層覆蓋，在介質(zhì)基片上實現(xiàn)傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)的功能，具有矩形波導(dǎo)品質(zhì)因數(shù)高、易設(shè)計的特性，同時具有體積小、重量輕、易集成等傳統(tǒng)矩形不具備的優(yōu)點[2]。

2　交叉耦合SIW濾波器的理論與設(shè)計

2.1　SIW諧振腔

圖1 所示是一個典型的基片集成波導(dǎo)諧振腔。

在上下底面均為金屬層的介質(zhì)基片中，用金屬化通孔排列在側(cè)面構(gòu)成電壁，把電磁場限制在由金屬層和四周金屬化孔圍成的腔體中。在圖1.1中，d、s分別表示金屬通孔的直徑和間隔。當(dāng)滿足：s<λ/4，s<4d時，能量泄露基本被抑制。其中，λ為介質(zhì)波長。這時可把SIW腔體視為一個由介質(zhì)填充的金屬腔[2]，它的諧振頻率可由公式(1)得出：

其中，aeff，beff是諧振腔的有效邊長。

圖1　基片集成波導(dǎo)諧振腔

圖2　四階交叉耦合SIW濾波器

圖3　外部品質(zhì)因數(shù)的提取

圖4　諧振腔耦合關(guān)系的提取

圖5　多層交叉耦合濾波器幾何參數(shù)圖（單位：mm）

2.2　耦合結(jié)構(gòu)

圖2所示我們所設(shè)計的四級交叉耦合SIW濾波器。其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖a所示，圖2中Mij表示第i和j級諧振器間的耦合系數(shù)。主耦合、交叉耦合分別采用實線和虛線表示。

濾波器設(shè)計目標(biāo)：中心頻率26GHZ，passband為25.5G～26.5G，retrun loss小于20db，通帶插入損耗小于2db。

根據(jù)設(shè)計指標(biāo)，使用梯度優(yōu)化算法，綜合得到所選拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的耦合矩陣：

外部品質(zhì)因數(shù)可由以下公式計算：

從耦合矩陣可以得到諧振腔間的耦合系數(shù)：

Kij反映諧振腔之間耦合關(guān)系的強弱，由連接諧振腔之間的感性或容性的槽孔尺寸決定。

傳統(tǒng)濾波器使用解析法直接求出諧振腔和耦合結(jié)構(gòu)的實際尺寸，但由于交叉耦合拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)復(fù)雜，沒有可供使用的解析方程直接求解。我們通過調(diào)整諧振腔間耦合結(jié)構(gòu)尺寸，計算耦合系數(shù)并使之與提取出的耦合矩陣相吻合，最終滿足設(shè)計要求。

外部品質(zhì)因數(shù)Qe可以提取自諧振頻率點反射系數(shù)的群時延[3]：

如圖3所示，在仿真軟件中建立電流饋針的端口諧振腔模型，改變L，W1，W2參數(shù)控制耦合強度使群時延與理論值相等，我們得到了外部耦合結(jié)構(gòu)的初始尺寸。

圖6　多層交叉耦合SIW濾波器仿真結(jié)果

耦合矩陣中，諧振腔的耦合系數(shù)有正負(fù)之分。M23，M34，M14符號相同，他們同屬磁耦合。拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，2-3和1-4號諧振腔是兩對共面的諧振腔，通過腔體公用通孔壁上的感性槽實現(xiàn)磁耦合。3-4是異面諧振腔，他們之間實現(xiàn)磁耦合的方式為在公共金屬層上開出一條矩形感性槽。為實現(xiàn)耦合，感性槽應(yīng)處于上下兩諧振腔的磁場都較強的位置。

M12的負(fù)值表示電耦合。其實現(xiàn)方式為：在1、2腔體間的金屬面上開一容性圓孔，圓孔開在兩諧振腔電場較強的位置。

我們在仿真軟件中建立包含耦合結(jié)構(gòu)的兩個相鄰諧振腔，仿真模式為本征模，耦合系數(shù)可以由前兩個模式的頻率計算得出[4]：

其中f1、f2是諧振腔第一模式和第二模式的諧振頻率。

如圖4所示，通過調(diào)節(jié)感性窗的長度W和容性圓孔的半徑R控制諧振腔間耦合量的大小，在相鄰諧振腔的耦合系數(shù)與結(jié)構(gòu)的物理參量之間建立了曲線關(guān)系。在之前提取的耦合矩陣的基礎(chǔ)上，初步確定了各耦合結(jié)構(gòu)的具體初值。

3.仿真優(yōu)化

根據(jù)上文分析我們得到了由耦合矩陣確定的濾波器初始結(jié)構(gòu)參數(shù)，在Ansoft HFSS仿真軟件中建立模型。我們使用Ferro-A6作為基板材料，其介電常數(shù)為5.9、損耗角正切0.0015。諧振腔體的厚度為0.384mm，金屬通孔直徑為0.18mm。

經(jīng)過優(yōu)化后，模型的詳細(xì)幾何參數(shù)如圖5所示。

仿真結(jié)果如圖6所示，可以看出在25.5ghz到26.5ghz的通帶內(nèi)，插入損耗小于1.5db，回波損耗大于18db，上下阻帶各存在一傳輸零點，分別位于25.2ghz和27.18ghz。

4.結(jié)論

提出了一個毫米波波段的基于SIW技術(shù)的四階交叉耦合濾波器，采用LTCC工藝將諧振腔垂直放置，異面諧振腔之間通過容性圓孔和感性槽耦合，顯著減小了電路面積。文章詳細(xì)闡述了諧振腔間耦合系數(shù)的提取過程，并利用HFSS軟件建模仿真，濾波器中心頻率為26GHZ,在1G的通帶內(nèi)插損小于1.5dB。仿真結(jié)果表明該交叉耦合濾波器傳輸性能良好，體積緊湊，易于集成，可廣泛應(yīng)用于微波和毫米波系統(tǒng)。

[1]D.Deslandes,K.Wu.Integrated microstrip and rectangular waveguide in planar form.IEEE Microwave Wireless Compon,2001,11:68-70.

[2]X.P.Chen and K.Wu,”Substrate Integrated Waveguide Cross-Coupled Filter With Negative Coupling Structure,”in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.56,no.1,pp.142-149, Jan.2008.

[3]H.J.Tang,W.Hong,J.X.Chen,G.Q.Luo and K.Wu,”Development of Millimeter-Wave Planar Diplexers Based on Complementary Characters of Dual-Mode Substrate Integrated Waveguide Filters With Circular and Elliptic Cavities,”in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.55,no.4,pp.776-782,April 2007.

[4]Zhang-Cheng Hao,Wei Hong,Ji-Xin Chen,Xiao-Ping Chen and Ke Wu,”Compact super-wide bandpass substrate integrated waveguide(SIW)filters,”in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.53,no.9,pp.2968-2977,Sept.2005.

[5]D.Jia,Q.Feng,Q.Xiang and K.Wu,”Multilayer Substrate Integrated Waveguide(SIW)Filters With Higher-Order Mode Suppression,”in IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.26,no.9,pp.678-680,Sept.2016.

[6]D.L.Diedhiou,E.Rius,J.F.Favennec and A.El Mostrah,”Ku-Band Cross-Coupled Ceramic SIW Filter Using a Novel Electric Cross-Coupling,”in IEEE Microwave and Wireless Components Letters,vol.25,no.2,pp.109-111,Feb.2015.

[7]S.Sirci et al.,”Design and Multiphysics Analysis of Direct and Cross-Coupled SIW Combline Filters Using Electric and Magnetic Couplings,”in IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,vol.63,no.12,pp.4341-4354,Dec.2015.