基于正方形/等邊三角形基片集成波導(dǎo)的寬阻帶濾波器研究

翟誠誠

（南京郵電大學(xué)通達(dá)學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

基片集成波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)具有低損耗、高Q值和高功率容量的優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用在高頻毫米波射頻系統(tǒng)中。但基片集成波導(dǎo)濾波器因具有腔體的傳輸特性，導(dǎo)致其帶外的性能很差。目前實(shí)現(xiàn)基片集成波導(dǎo)濾波器寬阻帶性能的方法一般有四種。第一，在饋線上引入傳輸零點(diǎn)或低通響應(yīng)，但是這種方法不但增加了器件的尺寸，且阻帶的帶寬是受限于傳輸零點(diǎn)的個(gè)數(shù)。第二，利用腔體之間耦合的方式構(gòu)建傳輸零點(diǎn)或降低高次模之間的耦合系數(shù)，但是，這種方法一般需要特定的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，且增加的傳輸零點(diǎn)有限。第三，利用饋電技術(shù)抑制高次模式，通過將輸入/輸出饋線設(shè)置在高次模的電場最小值處，實(shí)現(xiàn)高次模難以被激勵(lì)，或者利用饋線技術(shù)惡化正交的高次模，從而使其難以被激勵(lì)，但是這種方法很難同時(shí)抑制多個(gè)高次模。第四，采用不同長寬比的基片集成波導(dǎo)諧振器，為了實(shí)現(xiàn)寬阻帶特性往往需要復(fù)雜的計(jì)算，而且這種諧振器的尺寸往往較大。

本文提出了一種基于正方形/等邊三角形基片集成波導(dǎo)的寬阻帶濾波器。通過在正方形基片集成波導(dǎo)諧振器引入金屬化通孔，使得正方形基片集成波導(dǎo)的基模與等邊三角形基片集成波導(dǎo)的基模相等，而兩個(gè)諧振器的高次模卻是不相等的，從而實(shí)現(xiàn)了寬阻帶的特性。具體的工作原理以及設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)如下所示。

1 正方形/等邊三角形基片集成波導(dǎo)的模式分析

如圖1所示，在本設(shè)計(jì)中采用了兩種形狀的基片集成波導(dǎo)諧振器，即正方形基片集成波導(dǎo)與正三角形基片集成波導(dǎo)。其中，正方形基片集成波導(dǎo)的諧振模式計(jì)算如下，

圖1

式中，c0為真空中光速，mr與er分別是介質(zhì)基板的相對(duì)磁導(dǎo)率和相對(duì)介電常數(shù)，l、d和s分別是正方形基片集成波導(dǎo)諧振器的邊長、通孔直徑和通孔間距，leff是等效長度。例如，當(dāng)l為34mm時(shí)，且取合適的d與s，那么，正方形的前四個(gè)模式的頻率分別為3.48GHz、5.5GHz、6.96GHz和7.78GHz。

而對(duì)于正三角形基片集成波導(dǎo)諧振器的模式，到目前為止并沒有精確的解析解。不過，可以借助電磁仿真軟件HFSS的本征模分析，得到每一個(gè)模式的精確頻率。例如，當(dāng)l1為34mm時(shí)，且取合適的d1與s1，那么，正三角形的前四個(gè)模式的頻率分別為5.25GHz、8.01GHz、10.5GHz和10.93GHz。通過正方形/正三角形基片集成波導(dǎo)的前四個(gè)模式對(duì)比，發(fā)現(xiàn)即使正方形的邊長與正三角形的邊長相等，但是它們的模式頻率根本完全不同。

2 具有寬阻帶的基片集成波導(dǎo)濾波器

所提出的三階基片集成波導(dǎo)濾波器是采用級(jí)聯(lián)的方式，那么可以通過以下的公式，求解諧振器之間的耦合系數(shù)以及外部Q值。

式中，F(xiàn)BW表示所設(shè)計(jì)濾波器的相對(duì)帶寬，gi（i=0，1，2，3）表示切比雪夫響應(yīng)下的歸一化參數(shù)。

在本設(shè)計(jì)中基片集成波導(dǎo)濾波器的饋電方式是采用共面波導(dǎo)饋電方法，因此，需要在基片集成波導(dǎo)的表面刻蝕槽線（如圖2），從而導(dǎo)致了正方形基片集成波導(dǎo)諧振器的個(gè)別模式頻率下降，具體如表1所示。從表1中，我們發(fā)現(xiàn)基模與其他的高次模的頻率會(huì)隨著槽線長度的增加而降低，這是因?yàn)椴劬€的引入會(huì)增加模式電流的有效長度，從而諧振頻率下降。

表1 加載共面波導(dǎo)的正方形基片集成波導(dǎo)

圖2 正方形基片刻蝕線

由于在正方形基片集成波導(dǎo)中引入了共面波導(dǎo)饋線，導(dǎo)致了正方形基片集成波導(dǎo)的基模要低于正三角形基片集成波導(dǎo)的基模，因此，額外的金屬化通孔被引入來提高正方形基片集成波導(dǎo)的基模頻率（如圖3）。此外，金屬化通孔還會(huì)增加正方形基片集成波導(dǎo)的高次模頻率，具體如表2所示。可以明顯地發(fā)現(xiàn)，通過添加合適的金屬化通孔，三角形基片集成波導(dǎo)諧振器的基模與正方形基片集成波導(dǎo)的基模是相等的，但是它們的高次模是不相等的，從而通過模式相互抑制的原理，可以實(shí)現(xiàn)寬阻帶的濾波特性。

圖3 引入金屬化通孔的正方形基片集成波導(dǎo)

表2 加載共面波導(dǎo)和金屬化通孔的正方形基片集成波導(dǎo)

3 設(shè)計(jì)與仿真

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)概念，如圖4所示，在Rogers RO4003基板上設(shè)計(jì)了所提出的三階基片集成波導(dǎo)濾波器，這個(gè)介質(zhì)板的相對(duì)介電常數(shù)為3.55，厚度為0.508mm。濾波器的參數(shù)設(shè)計(jì)為：d=1，d1=2.4，s=2，s1=5.7，s2=4.9，s3=0.3，l= 26，l1=34，w=1.2（均以毫米為單位）。圖4（b）顯示了全波仿真結(jié)果。對(duì)于仿真結(jié)果，所制造的中心頻率（f0）和3-dB分?jǐn)?shù)帶寬（FBW）濾波器分別為5.35GHz和3.3%。在5.3至5.4GHz的頻率范圍內(nèi)，回波損耗優(yōu)于20dB，插入損耗優(yōu)于2.6dB。所提出濾波器的上阻帶擴(kuò)展至11.2GHz（2.09f0），抑制水平為20dB。所提出的基片集成波導(dǎo)濾波器具有帶寬可設(shè)計(jì)性，上阻帶性能高和設(shè)計(jì)簡單的優(yōu)點(diǎn)。

圖4

4 結(jié)語

本文提出了一種新型寬阻帶基片集成波導(dǎo)濾波器。首次提出了基于正方形基片集成波導(dǎo)諧振器和正三角形基片集成波導(dǎo)諧振器聯(lián)合設(shè)計(jì)的方案。通過設(shè)計(jì)不同形狀的諧振器和通孔擾亂技術(shù)，可以輕易地實(shí)現(xiàn)寬阻帶特性。本結(jié)構(gòu)具有設(shè)計(jì)簡單和寬阻帶的優(yōu)點(diǎn)，特別適合應(yīng)用于高頻無線通信系統(tǒng)。