小型化基片集成波導濾波器研究進展

武警工程大學信息工程學院 張懌成 劉方毅 孟志豪

綜述了基片集成波導濾波器小型化研究現(xiàn)狀。首先介紹了基片集成波導諧振器的基礎理論，其次總結(jié)了基片集成波導諧振器小型化的實現(xiàn)方法和存在不足，最后對未來的發(fā)展趨勢進行了展望。

引言：基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide,SIW）濾波器是一種新型結(jié)構(gòu)器件，既具備了傳統(tǒng)金屬波導高品質(zhì)因數(shù)、高功率等優(yōu)點，又兼容了微帶濾波器結(jié)構(gòu)體積小、易集成的特點，在當今頻譜環(huán)境日益緊張的通信系統(tǒng)中具有很高的研究和應用價值。小型化基片集成波導濾波器有利于減少射頻前端的體積，且便于和天線、功分器等微波器件相集成，是國內(nèi)外學者研究的熱點方向。本文闡述了SIW濾波器小型化的相關理論，介紹了其研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢。

1 基片集成波導基礎理論

一般結(jié)構(gòu)的SIW諧振腔由金屬層和介質(zhì)層構(gòu)成，腔體邊緣周期性排列的的金屬過孔可以等效為傳統(tǒng)金屬波導的側(cè)壁，介質(zhì)層通常選用Rogers RT/duroid 5880等材料，其結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1 基片集成波導模型

2005年，F(xiàn)engXu在[Xu F,Wu K.Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2005,53(1):66-73]中給出了基片集成波導與金屬波導的等效關系式：

且SIW諧振器的諧振頻率可由下式確定：

其中m=1,2,3…, p=1,2,3…, ε為相對介電常數(shù)， μ為相對磁導率。

2 基片集成波導濾波器小型化方式

2.1 基于模切割技術(shù)的SIW小型化

2005年，東南大學的洪偉教授在論文[Hong W,Liu B,Wang Y,et al.Half Mode Substrate Integrated Waveguide:A New Guided Wave Structure for Microwave and Millimeter Wave Application[C]//Joint,International Conference on Infrared Millimeter Waves and,International Conference on Teraherz Electronics,2006.Irmmw-Thz.IEEE,2007:219-219]中提出了將全模SIW沿中心線進行切割形成HMSIW，其切口可等效于虛擬磁壁，既保留了前者的波導特性，又縮小了一半體積，其結(jié)構(gòu)和場分布如圖2所示。

圖2 半模SIW諧振腔

2.2 基于多層折疊技術(shù)的SIW小型化

2008年，文獻[Che W,Geng L,Deng K,et al.Analysis and Experiments of Compact Folded Substrate-Integrated Waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2008,56(1):88-93]提出了折疊基片集成波導（Folded SIW，F(xiàn)SIW）的概念，開創(chuàng)了實現(xiàn)SIW小型化的新途徑。目前應用較多的是非對稱型FSIW，該方式通過水平對稱面折疊的方式得到，面積較SIW減小了50%。其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 折疊SIW諧振腔

折疊后的波導寬度為ω，縫隙寬度為ω0，則二者的關系可表示為其中Δ為兩側(cè)金屬過孔的修正量，其表達式為：

W為并排兩個金屬過孔的間距，可以適當縮小W以減小能量損耗。折疊技術(shù)的優(yōu)勢在于縮小體積的同時不存在開放的切口，有效避免了輻射泄露，因此在FSIW之后，雙重折疊SIW（Double Folded SIW,DFSIW）濾波器[Zhu Y Z.A Compact Double Folded Quarter Mode Substrate Integrated Waveguide(DFQMSIW)Filter[J].Ieice Electronics Express,2016,13(11)]、三重折疊SIW（Triple-Fold SIW）濾波器[李明康.小型化多模基片集成波導(SIW)濾波器研究[D].中國科學技術(shù)大學,2017]被相繼提出，極大豐富了SIW小型化研究。多層折疊SIW濾波器具有良好的性能，易與其他微波無源器件相集成，但是其工藝較復雜，尤其是多次折疊后對精度要求較為敏感，因此有學者結(jié)合折疊與多模切割技術(shù)，設計出了雙重折疊模SIW諧振器[周建,朱永忠,劉子豪,等.一種LTCC小型化雙重折疊1/4模基片集成波導濾波器設計[J].固體電子學研究與進展,2016(5):388-392]，并采用LTCC封裝工藝設計了三階濾波器，體積較原始SIW濾波器減小93.75%，且具有良好的實測效果。

2.3 基于加載技術(shù)的SIW小型化

加載技術(shù)也是實現(xiàn)SIW濾波器小型化的有效手段，其原理是通過加載金屬或超材料物質(zhì)，對SIW諧振腔內(nèi)場分布造成擾動，使諧振頻率降低以實現(xiàn)小型化。在文獻[李明康.小型化多模基片集成波導(SIW)濾波器研究[D].中國科學技術(shù)大學,2017]中，作者利用電容加載效應，將金屬物質(zhì)加載于諧振腔內(nèi)，使腔內(nèi)電場集中在SIW腔體與金屬物質(zhì)中間，有效降低了諧振頻率，達到了減小諧振腔尺寸的效果，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 加載金屬棒的SIW諧振腔

在加載超材料方面，互補開環(huán)諧振器（Complementary Split-Ring Resontor,CSRR）與SIW諧振器的結(jié)合也實現(xiàn)了小型化。CSRR是一種磁性超材料物質(zhì)，將其加載于SIW諧振腔的表面可以降低原有的截止頻率，從而實現(xiàn)小型化。2014年，Senior D E通過將CSRR結(jié)構(gòu)刻蝕在四分之一模SIW諧振器表面，實現(xiàn)了比QMSIW尺寸小43%的諧振腔[Senior D E,Rahimi A,Yoon Y K.A surface micromachined broadband millimeter-wave filter using quarter-mode substrate integrated waveguide loaded with complementary split ring resonator[C]//Microwave Symposium.IEEE,2014:1-4]；2017年，Huang Y M設計了一款更加緊湊的CSRR-HMSIW濾波器[Huang Y M,Peng Y,Zhou Y,et al.Sizereduced dual-band HMSIW cavityfilters loaded with double-sided SICSRRs[J].Electronics Letters,2017,53(10):689-691]，將CSRR刻蝕在半模基片集成波導的上下兩層，形成了消逝模諧振效應，通過調(diào)節(jié)CSRR刻蝕結(jié)構(gòu)的大小、位置也可以改變諧振器的耦合系數(shù)，進一步提升了小型化性能。

3 小型化SIW濾波器存在的問題

近些年，國內(nèi)外學者對SIW諧振腔的小型化做了大量研究，目前仍存在兩個方面的不足：一是小型化后的SIW諧振腔性能有所下降，如經(jīng)過多次切割的模諧振腔由于其開放邊界會造成過多的輻射泄露，而多層折疊的SIW諧振腔也會給制作工藝提出更高的要求，一味追求小型化的同時可能會造成整體效果下降；二是各種小型化技術(shù)沒有更好得融合，多種技術(shù)的結(jié)合有助于發(fā)揮各自優(yōu)勢，避免單種技術(shù)極限運用帶來的過多損耗，然而國內(nèi)外在這方面的研究較少，小型化程度有限。

4 總結(jié)展望

當今高速發(fā)展的微波通信系統(tǒng)對基片集成波導濾波器的小型化、集成度提出了更高要求，相信經(jīng)過不斷地技術(shù)改進，小型化SIW濾波器的性能將會取得進一步完善。并且，可以在小型化的SIW諧振腔基礎上實現(xiàn)全可調(diào)、磁電雙可調(diào)等功能，以更好滿足射頻前端的實際需求，在現(xiàn)代通信系統(tǒng)中發(fā)揮更大價值。