混合耦合型消逝模基片集成波導濾波器

黃永茂 陳艾 趙乙

摘? 要：文章提出了一種混合耦合互補開環諧振器加載型消逝模基片集成波導濾波器。面對面互補開環諧振器加載型基片集成波導傳輸線單元可支持消逝模傳播，實現電尺寸小型化，有效縮減物理尺寸。而通過基片集成波導和互補開環諧振器的混合耦合，可在諧振頻率上阻帶產生一個傳輸零點，提升單元選擇性。然而，僅由一個傳輸零點實現的選擇性在某些工程應用中難以滿足需求。針對該問題，文章對面對面互補開環諧振器進行改進，構建具有內部混合耦合結構的雙模諧振器，在單元諧振頻率的下阻帶產生一個新的傳輸零點，增強單元選擇性。為了驗證上述想法，基于該諧振器實現了一個消逝模濾波器，實驗結果表明其性能良好，尺寸緊湊，有望用于實際工程。

關鍵詞：混合耦合;基片集成波導;帶通濾波器

中圖分類號：TN713? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0039-02

Abstract： A mixed-coupled complementary open-loop resonator loaded evanescent mode substrate integrated waveguide filter is presented in this paper. The substrate integrated waveguide transmission line unit loaded with face-to-face complementary open-loop resonator can support evanescent mode propagation， realize electrical size miniaturization and effectively reduce physical size. Through the mixed coupling of the substrate integrated waveguide and the complementary open-loop resonator， a transmission zero can be generated in the stopband on the resonant frequency and the unit selectivity can be improved. However， the selectivity realized by only one transmission zero is difficult to meet the demand in some engineering applications. In order to solve this problem， the face-to-face complementary open-loop resonator is improved to construct a dual-mode resonator with internal mixed coupling structure， which produces a new transmission zero in the lower stopband of the unit resonant frequency to enhance the unit selectivity. In order to verify the above idea， a vanishing mode filter is realized based on the resonator. the experimental results show that it has good performance and compact size， and is expected to be used in practical engineering.

Keywords： hybrid coupling; substrate integrated waveguide; bandpass filter

基片集成波導（substrate integrated waveguide， SIW）因其平面化、高品質因數、高功率容量等優點，被廣泛用于微波電路與天線的設計[1]。然而，受其大物理尺寸局限，多數SIW的文獻側重于基礎理論研究，鮮有關于其射頻工程應用的相關報道。事實上，SIW的主模截止頻率主要由其橫向寬度確定。當工作頻率相同時，SIW的尺寸常大于對應的微帶電路尺寸，因此，對射頻和低頻微波應用而言，SIW技術存在尺寸劣勢[2]。

為了縮減SIW的物理尺寸，國內外學者提出了多種方法。其中，基于超表面結構加載的消逝模SIW可在傳統SIW的截止區實現導波傳輸，因而備受關注[1-3]。2009年，文獻[1]提出了互補開環諧振器加載型SIW，并對其濾波器應用進行了詳細分析。然而，這類單元的傳輸阻帶上僅有一個由互補開環諧振器和SIW之間的混合耦合產生、位于上阻帶的傳輸零點，其選擇性常難以滿足對濾波器有特殊要求的實際工程需求。為解決該問題，文獻[1]和[2]均利用反向邊對邊互補開環諧振器結構產生混合耦合，在諧振頻率下阻帶形成一個零點。

針對濾波器的選擇性問題，本文提出了另一種混合耦合結構，可在濾波器的下阻帶產生一個額外零點，提升其選擇性并保持電路尺寸緊湊。

1 混合耦合互補開環諧振器加載型SIW濾波器

1.1 基本單元

圖1給出了所提出的混合耦合互補開環諧振器加載型SIW單元的幾何結構及其等效電路模型。當電磁波以主模傳輸進入單元時，其縱向中心線兩邊結構不同，會產生獨特電磁響應，使得該單元的傳輸特性與常規面對面互補開環諧振器加載SIW的傳輸特性顯著不同：環形槽為SIW和互補開環諧振器之間提供容性耦合，而環形槽開口處金屬為二者之間提供感性耦合，進而形成混合耦合，可為單元產生上阻帶傳輸零點。面對面互補開環諧振器中間金屬帶為二者提供感性耦合，而新加的連接槽則在二者間形成顯著容性耦合，進而產生較強的混合耦合，為單元產生下阻帶傳輸零點。

為了更加直觀地理解圖1（a）所示單元的傳輸特性，采用三維電磁仿真軟件ANSYS Electronics對該單元進行全波電磁仿真。仿真設置單元的介質基板選為Rogers Kappa438，厚度為1.524mm、相對介電常數？著r為4.38、損耗角正切為0.005。幾何尺寸為：a=0.6、b=7、c=e=0.6、d=1.0、R=0.3、p=1.0、w=16（單位為mm）。圖1（b）給出了該單元的本征奇模電場矢量分布，其諧振頻率fo為1.83GHz，無載品質因數Qu為132.6;圖1（c）的偶模電場矢量分布對應諧振頻率fe為2.18GHz，無載品質因數Qu為127.5。顯然，單個混合耦合互補開環諧振器加載型SIW單元中同時存在奇模與偶模諧振模式，是雙模諧振器。

圖2 本文所提單元的四個寄生模式電場強度分布

諧振單元的寄生模式對濾波器阻帶特性具有重要影響。圖2給出了本文所提單元的四個寄生模式電場強度分布。如圖2（a）和2（b）所示，該單元的第一、二階寄生模式的諧振頻率分別為6.42GHz和6.64GHz，無載品質因數分別為183.5和228.2。對比這兩個模式可發現，二者為奇偶模，難以形成寄生通帶。圖2（c）和2（d）給出了該單元的第三、四階寄生模式，其諧振頻率分別為9.84GHz和9.87GHz，無載品質因數分別為248.1和209.5。對比這兩個模式不難發現，二者相對獨立，因而會引起寄生通帶。

1.2 消逝模濾波器

為了論證上述混合耦合機理的有效性，本文設計了一個基于該單元的消逝模濾波器，其結構如圖3所示。該濾波器由混合耦合互補開環諧振器加載型SIW單元和50歐姆微帶線組成。在諧振單元和微帶線間采用“微帶-SIW”直接過渡實現阻抗匹配，有利于縮減尺寸。最后，采用全波仿真軟件對該濾波器進行建模與仿真，得到優化后的幾何尺寸如圖3所示。

2 實驗

為了驗證上述設計的有效性，采用機械鑿刻工藝加工了一個濾波器樣品。加工所用介質基板是厚度為1.524mm的Rogers Kappa438材料。完成機械鑿刻后，采用液態銀漿澆灌過孔，實現金屬化。最終完成的濾波器樣品實物照片如圖4中插圖所示，其核心部分物理尺寸為17mm×8mm，等效電尺寸為0.015，結構緊湊。其中，和0分別是2GHz的導波波長和真空波長，且存在關系：。

采用安立37347C矢量網絡分析儀對濾波器樣品進行測試。從圖4可知，濾波器的仿真與測試結果一致性高：中心工作頻率為2.0GHz，相對帶寬為21%，通帶內插損不超過1.5dB。同時，濾波器還具有兩個傳輸零點，分別位于1.0GHz和4.1GHz處，選擇性較好。

圖4 本文所提濾波器的仿真與測試結果

3 結論

本文實現了一款尺寸緊湊的消逝模SIW濾波器。在SIW中的兩個面對面互補開環諧振器間引入連接槽，構建混合耦合型電磁結構，在單元諧振頻率的下阻帶產生一個新的傳輸零點，有效提升了單元選擇性。基于該單元實現的消逝模濾波器同時具有高選擇、寬阻帶、小型化等特點，有望在未來的射頻系統中得到應用。

參考文獻：

[1]Y. D. Dong， et al. Substrate integrated waveguide loaded by complementary split-ring resonators and its applications to miniaturized waveguide filters[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2009，57（9）：2211-2223.

[2]M. Danaeian， et al. Compact bandpass filter based on SIW loaded by open complementary split-ring resonators[J]. Int. J. RF Microw. Comput. Aided Eng.， 2016，26（8）：674-682.

[3]Azad A R， Mohan A. Sixteenth-mode substrate integrated waveguide bandpass filter loaded with complementary split-ring resonator[J]. Electron. Lett.， 2017，53（8）：545-547.