基于K波段的四腔階梯移位結構SIW濾波器優化設計

劉永嘉　黃智勛　張萍　李略韜　盧誠承

摘? ?要：毫米波技術是5G通訊技術的關鍵的技術之一，而其中的兩大難題為功耗及電磁設計。基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide，SIW）作為一種新的微波傳輸線結構，現已廣泛地應用于各種微波、毫米波電路。其優點主要是體積小，損耗小，易于加工和集成。本文主要研究基于K波段的四腔SIW濾波器的優化設計，并在此基礎上設計出腔體階梯移位結構，基于此結構實現了多零點交叉耦合濾波器。該濾波器具有插損小、體積小、易集成等優點。

關鍵詞：基片集成波導（SIW）? K波段? 腔體階梯移位

中圖分類號：TN713? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2019）06（c）-0010-04

Abstract： Millimeter wave technology is one of the key technologies of 5G communication technology， and two of them are power consumption and electromagnetic design. As a new microwave transmission line structure， Substrate Integrated Waveguide （SIW） has been widely used in various microwave and millimeter wave circuits. Its advantages are mainly small size， low loss， easy to process and integrate. In this paper， the optimization design of four-cavity SIW filter based on K-band is studied. Based on this， a cavity step-shift structure is designed， and a multi-zero cross-coupling filter is realized. The filter has the advantages of small insertion loss， small size， and easy integration.

Key Words： Substrate Integrated Waveguide （SIW）; K-band; Cavity step-shift

近幾年來，5G逐漸成為人們熱議的話題，2020年5G也即將進入商用階段。在5G通信系統中，微波毫米波射頻系統為其關鍵的一部分。而濾波器作為射頻系統的重要組成部分，其濾波特性的好壞影響著整個系統的性能。

自2001年，加拿大蒙特利爾大學吳柯教授提出具有高Q值、低損耗、質量輕、體積小、成本低的基片集成波導的概念后，SIW逐漸成為研究的熱點。

作為無源器件，濾波器一直以來都是關注的焦點，大量的各種不同拓撲結構的SIW濾波器被相繼提出。而隨著5G技術的不斷發展，毫米波波段的各類器件也受到了廣泛的關注。

基于此背景，文獻[1]提出了中心頻率在28GHz、38GHz頻段上的DGS加載SIW濾波器，采用三階切比雪夫濾波器為低通原型，達到帶內插損小于1dB，回波損耗優于17dB的指標，并證明了在介質基板上集成平面和非平面電路能夠縮小整體尺寸、重量、成本以及增強加工可靠性的關鍵性優勢。

文獻[2]提出了一款基于弧形金屬孔排列的，工作頻率在60GHz的SIW濾波器。而文獻[3]和[4]分別設計了基于圓形感性金屬通孔和矩形感性通孔的腔體濾波器。他們均通過交叉耦合引入新的傳輸零點，表現出了極好的設計靈活性及高選擇性。

文獻[5]提出了一種C波段四腔橢圓濾波器，采用了兩層平行介質板的多層結構。

除此之外，現在已有國內外學者在Ka、Ku、X、C等波段上進行仿真研究并設計了多款性能良好的SIW濾波器。結合研究現狀，本文主要研究和設計了一種適用于K波段的新型SIW濾波器結構——腔體階梯移位結構，并設計、仿真了一款基于K波段的SIW濾波器，其中心頻率為20.74GHz，通頻帶寬為2.88GHz，帶內回波損耗除在21.5GHz處稍有偏差外，其余均優于15dB。該濾波器同時具有寬通頻帶、低損耗等特點，能滿足5G無線移動通信高傳輸速率的要求，亦可應用于未來無線通信。

1? 基片集成波導理論概述及傳統結構

SIW結構主要組成為在介質基板的上下表面的金屬化層和在介質基板中相隔一定距離制作兩排金屬化通孔，孔與孔間距遠小于波導波長。SIW結構在上下金屬面和兩排金屬化孔之間形成了一個類矩形波導的結構，故稱作基片集成波導。由于金屬化通孔之間的縫隙切斷了表面電流，產生輻射，導致微波能量無法傳播。因此，在基片集成波導中，只有TE模式存在。故在此，只考慮TE模式。該結構具有低插損、低輻射、高功率容量等特性。SIW 已被廣泛應用于微波器件設計中，如天線、濾波器、耦合器和功率分配器等。

傳統SIW結構如圖1所示，w表示兩排金屬通孔的圓心之間的距離，稱作基板集成波導的寬度，r表示金屬通孔的半徑，h是介質基片的厚度，d為金屬化孔陣的周期長度。

基片集成波導（SIW）結構與傳統矩形波導有著相似的結構，其等效公式如下。

基片集成波導實際寬度w與矩形波導等效寬度We關系式：

2? 階梯移位結構

在SIW濾波器傳統結構基礎上，本文設計出階梯移位結構，其相鄰腔體之間存在梯度為γ的橫向偏移。結構參數如圖2。

d1表示邊界孔陣的周期長度，d2表示橫斷孔陣的一號孔與邊界孔陣的距離，d3表示第一橫斷中，一號孔與二號孔的距離，d4表示橫斷孔陣四號孔與邊界孔陣的距離;w表示橫斷孔陣二號孔與三號孔的距離，即濾波器各腔間的窗口寬度;γ表示各腔間的偏移距離;D表示SIW濾波器寬度;L表示單個腔體的長度;r表示金屬化感性通孔的半徑;此外，基板厚度為h。

本文在大量仿真與研究的基礎上，歸納、整理得出調節腔體階梯位移結構SIW濾波器中心頻率、通帶寬度、帶內回波損耗及帶外抑制等關鍵參數的方法，具體內容如下。

本設計中，SIW濾波器結構主要調節參數有：濾波器腔體總寬度成D及腔體間窗口寬度w。

其他參數預設為：γ=0.050mm，r=0.090mm，L=11mm，d1=0.440mm，d2=0.530mm，d3=0.535mm，d4=0.660mm，h=0.384mm。

（1）調節通頻帶中心頻率與帶寬的方法。

由前人理論推導可知，上截止頻率f上與濾波器腔體總寬度D成負相關，由公式（1）（2）推導可得如下關系公式：

3? 四腔K波段階梯移位SIW濾波器

根據既定指標，給定濾波器中心頻率為20.75GHz，通帶帶寬為1.45GHz，帶內回波損耗大于20dB，帶內插損小于1dB，在帶外20.75±2GHz外抑制大于20dB。建立四腔耦合濾波器模型。做出理論曲線如圖3所示。相應的拓撲結構如圖4所示。

耦合矩陣如下：

考慮到實際生產過程中產品的介電常數、損耗角正切等對濾波器體積、熱穩定性、損耗等指標的影響，選用一種適用于微波射頻電路的介質材料Rogers 5880作為SIW濾波器的基板材料，其介電常數為2.20，損耗角正切為0.0009，基片厚度設置為0.384mm。所有通孔均做金屬化處理，濾波器對外的輸出、輸入接口均設置為標準的50 Ω微帶線結構。

根據以上分析，由關系式（4）（7）（11）（14）并結合諧振器之間的耦合系數，得到具體的濾波器物理尺寸：

w=4.220mm，D=8.500mm，γ=0.050mm，r=0.090mm，l=11mm，d1=0.440mm，d2=0.530mm，d3=0.535mm， d4=0.660mm，h=0.384mm。

仿真的模型和結構如圖5所示，仿真得到的濾波器S參數如圖6所示。

從SIW濾波器S參數仿真結果可以看出。濾波器中心頻率為20.94GHz，帶寬為2.88GHz;在濾波器通帶19.50GHz～22.38GHz范圍內，其最大插損為1dB;反射參數除了在21.50GHz附近稍差（為7.5dB）以外，在其余頻率下均小于-15dB。整體測試性能良好。

本款濾波器為K波段濾波器，與業界預測的5G頻段相吻合。可適用于大部分5G系統或應用于未來無線通信系統中。

參考文獻

[1] 王慧儒. 面向5G通信應用的超表面加載式SIW毫米波濾波器設計 [D].電子科技大學，2018.

[2] Choi， S.T.， Yang， K.S.， Tokuda， K.， Kim， Y.H.： ‘A V-band planar narrow bandpass filter using a new type integrated waveguide transition， IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett.， 2004， 14（12）：545-547.

[3] Tang，? H.J.，? Hong，? W.，? Hao，? Z.C.，? Chen，? J.X.，? Wu，? K.： ‘Optimal? design? of? compact millimetre-wave SIW circular cavity filters， Electron. Lett.， 2005， 41， （19）：1068-1069.

[4] Chen， X.-P.， Wu，? K.： ‘Substrate? integrated? waveguide? cross-coupled? filter? with? negative coupling structure， IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2008， 56（1）：142-149.

[5] Hao， Z.C.， Hong， W.， Chen， X.P.， Chen， J.X.，Wu， K.，Cui， T.J.：‘Multilayered substrate integrated waveguide? （MSIW） elliptic filter， IEEE? Microw. Wirel. Compon.Lett.，2005，15（2）：95-97.