一种新型基片集成波导带通滤波器的设计

倪国旗 倪 围

（空军空降兵学院，广西 桂林541003）

引 言

基片集成波导技术（Substrate Integrated Waveguide，SIW）是最近几年提出的一种新型的导波结构，它主要通过低损耗的介质基片来实现，由上下底面金属层、两侧金属化通孔侧壁组成，使传输的微波限制在整个封闭区间内，从而实现传统金属波导的良好功能.

近几年来，国内外许多学者对基片集成波导技术的应用做了大量的研究工作，出现了一大批性能优良的微波SIW器件，如滤波器［1-4］、功分器［5］、定向耦合器［6］、天线［7］等，使得SIW技术的发展向前迈了一大步.其中，滤波器作为通信系统中关键的部件之一，对它的研究近几十年来一直是比较热门的研究课题.一个具有低损耗、高选频性能的滤波器，在一个微波毫米波系统中，可以较好地提高整个系统的性能.近年来，基片集成波导技术作为一种新型导波技术，由于具有低损耗、性能好、集成度高等优点，得到了长足的发展［8］.

我们设计了一种新型结构的带通滤波器，即通过微带线和基片集成波导这两种平面结构集成在一块介质板上，其中，微带线部分实现了阶跃阻抗低通滤波器的功能，基片集成波导部分实现了高通滤波器的功能，两种串联起来就构成了一个带通滤波器.通过仿真与实测结果表明，基片集成波导带通滤波器实测的回波损耗在9～10.5GHz频段范围内均小于-15dB，通带内的插入损耗均优于1.5dB，仿真结果与测试结果基本吻合，满足了设计的要求，验证了设计方法的正确性.

1 基片集成波导理论

基片集成波导具有一种近似封闭的导波结构，主要由上下底面金属层，中间的低损耗介质层以及两排周期性金属化通孔或者金属柱组成，如图1所示.在图中，w为基片集成波导的宽度，svp为两排金属化通孔或者金属柱的间距，d为金属化通孔或者金属柱的直径，h为介质板的厚度.

图1 基片集成波导的基本结构

基片集成波导与传统金属波导具有相似的传播特性，但是SIW两排金属化通孔的距离并不完全等于矩形波导宽边的长度，其等效长度等效于w和（w-d）之间，而且SIW内只能传播（Transvers＇e Electric Field，TE）模，主模为TE10模，它的传播特性只与d、svp和w密切相关.因此，由前人的研究［9］可知，基片集成波导和矩形波导的等效关系为

根据以上公式，可以直接从SIW的结构参数推出相应的等效波导宽度wequ.由于金属孔平行于窄边的表面电流方向，没有切断窄边的表面电流，因此TEm0模能在此结构中传输.SIW与传统的金属波导传输的主模都为TE10模.基片集成波导TE10模的等效阻抗可以用下式表示

式中：η0为空气中的波阻抗；λ为空气中的波长；εr为基片的相对介电常数.

2 设计与制作

2.1 设计基本思路

设计的基片集成波导带通滤波器主要由一个高通滤波器和一个低通滤波器级联而成，主要设计过程如下：由于基片集成波导本身就是很好的高通滤波器，将带通滤波的下限频率当做SIW的截止频率，运用式（1）和（2），就可以设计出需要的基片集成波导的尺寸.对微带低通滤波器来说，利用带通滤波器的下限截止频率，就可以得到微带线低通滤波器的各个参数值.把设计好的两个滤波器集成在同一个介质板上，通过对SIW和微带线低通滤波器的截止频率的调节，可以得到我们需要的带宽和中心频率，从而满足工程要求.

图2给出了基片集成波导带通滤波器的结构图示意图.从图中可以看出，带通滤波器主要是由微带部分和基片集成波导部分组成的，微带部分构成了低通滤波部分，基片集成波导部分构成了高通滤波部分，当两者相串联时，就刚好构成了一种新型的基片集成波导带 通滤波器.其中，L1、L2、L3、L4和L5为阶跃阻抗低通滤波器的每个匹配枝节的长度，w1、w2为阶跃阻抗低通滤波器的每个匹配枝节的宽度，Wc为共面波导段的宽度，Lc为共面波导段的长度，w50为50Ω微带线的宽度，w为基片集成波导的宽度，svp为两排金属化通孔的间距，d为金属化通孔的直径，介质板的厚度为h.这种滤波器具有体积小，重量轻，加工方便，易集成等优点，文章中就是利用这种结构设计了一个工作在X频段的带通滤波器.

图2 基片集成波导带通滤波器的结构图

2.2 高通滤波部分的设计

由于基片集成波导与微带转换器本身具有高通特性，对于SIW带通滤波器的高通滤波部分可以采用SIW与微带转换器来替代，从而实现工程需要.在实际应用中，当完成了基片集成波导的设计和加工工作以后，也需要利用这种转换器结构来测试所设计的微波器件的实际效果.

按照以上方法，利用了一种新型结构来实现基片集成波导带通滤波器的高通滤波部分功能，如图3所示，不仅实现了50Ω微带线与基片集成波导的过渡，而且也实现了高通滤波功能.

转换器主要由微带线、共面波导和基片集成波导三部分组成.共面波导部分与基片集成波导合为一体，一方面可以节省空间，减小整个转换器的尺寸，另一方面，主要用来将微带线的准TEM模转换成为基片集成波导的主模TE10模.微带线部分可以将SIW器件与微带线电路连接起来，易于与其他平面微波系统集成.

图3 基片集成波导转换器结构图

使用三维电磁仿真软件对基片集成波导转换器进行了仿真，在仿真的过程中，发现匹配段的宽度wr对整个转换器的性能影响很大.因此，在设计该转换器的时候，可以选择一个合适的值，然后逐渐增大.

2.3 低通滤波部分的设计

微带线和基片集成波导作为两种不同的导波结构，虽然有很大的不同，但也有着很多相同的特点.第一，它们的加工工艺相同.对SIW和微带线，利用印制电路板（Printed Circuit Board，PCB）成熟的加工工艺.第二，它们使用的材料相同.基片集成波导和微带都是以介质板为基础，然后进行各种加工而成.第三，它们的结构相同.基片集成波导本质上就是一种微带线同属于平面结构，易于与其他微波器件集成在同一块介质板上.因此，文章中对带通滤波器的低通滤波部分采用了微带线阶跃阻抗低通滤波器的结构.

根据电路理论可知，当传输线的长度远远小于工作波长时，串联电感和并联电容可以用一段高低阻抗传输线来代替.因此，对微带线低通滤波器的实现就有一种很简单的方法，即交替使用高低阻抗的微带线进行级联排列.图4（a）给出了这种滤波器的结构示意图.从图中来看，高阻抗微带线等效为串联电感，低阻抗微带线等效为串联电感，图4（a）完全可以构成4（b）的电路结构，从而实现滤波器的功能.

图4 微带线阶跃阻抗滤波器的电路等效图

可以用下面的公式来确定微带线阻抗阶跃低通滤波器的初始尺寸，然后建立模型，使用电磁仿真软件进行优化，得到各个尺寸的最优值.

按照上述经验公式计算的初值及初步仿真结果，再进行仿真和优化，得到尺寸如下：L1＝2mm，L2＝1.5mm，L3＝3.4mm，L4＝2mm，L5＝3.5 mm，w1＝0.54mm，w2＝5.5mm，w50＝3mm，w＝12mm，svp＝1mm，d＝0.6mm，Wc＝5mm，Lc＝3mm，h＝1mm，wr＝10mm.

2.4 实物制作

根据最终优化结果，制作了滤波器实物如图5所示.使用的介质板的材料是Arlon Di880，它的相对介电常数为2.2，介质板的厚度为1mm.

图5 基片集成波导带通滤波器加工实物图

3 实验结果分析

按照以上要求，在微带线与基片集成波导带通滤波器焊接上了SMA（Sub-Miniature-A）接头，并用万用电表检查了焊接的效果以后，采用安捷伦公司生产的矢量网络分析仪对它进行了测试，仿真结果与实测结果的比较如图6所示.

图6 基片集成波导带通滤波器仿真与实测对比

从图6中可以看出，基片集成波导带通滤波器实测的回波损耗在9～10.5GHz频段范围内均小于-15dB，通带内的插入损耗均优于1.5dB，可以用于工程应用.比较实测结果与仿真结果，基片集成波导带通滤波器的工作带宽减少了，主要是实测的结果向高频段偏移了，具体性能如表1.

表1 仿真与实测性能对比

造成误差的主要原因可能有以下几个：

第一，加工精度因素.整个加工工艺采用现在非常成熟的PCB工艺，而加工精度特别是小孔的孔径大小对滤波器的滤波特性影响很大.当介质板的厚度较薄时，加工的平整度不太好保证，特别是在给介质板打孔时，介质板更容易发生形变.另外，由于人工操作的原因，当第一个孔的定位不准确时，其他孔都会整体偏移，使得整个基片集成波导表面微微突起，会增大SIW器件的插入损耗，从而影响了滤波器的正常工作.

第二，测试的损耗因素.一般来说，当频段较高时，SMA接头或者测试时的一个焊点对结果都会有很大的影响，因此，测试基片集成波导器件装置包括SMA测试接头、测试安装底座、定位螺钉和基片集成波导器件组成.因为实验室条件有限，文章中的测试结果是直接接上SMA接头测试的，并没有加上其他的装置，根据实际研究可知，加装这些外在装置比未加装的微波器件的插入损耗小2～3dB［10］.

当然，由矩形波导理论知，对于该滤波器的高通滤波部分影响最大的是两排金属通孔的距离，当加工时小孔的直径精度不够或者位置不对时，这个距离偏小，会直接导致频点向高频段偏移.因此，在加工时一定要多做几个样板做比较或者加上外置屏蔽盒，从而获得更好的滤波特性.与下限截止频率相比，上限频率处陡峭度不够，要想提高陡峭度，必须增加低通滤波部分的阶数.

但是，从总体上来说，实测的滤波器在工作频段内的回波损耗和插入损耗效果均表现良好，满足了设计的要求.从实测结果与仿真结果的比较来看，两者基本吻合，从而验证了设计的正确性.

4 结 论

文中利用基片集成波导结构设计并制作出了一种X波段中心频率是9.75GHz，相对带宽是15.4%的微带线与基片集成波导级联的带通滤波器.该滤波器在9～10.5GHz的通带范围内表现出了良好的性能.这种滤波器具有结构简单，生产成本低，易于加工的特点，对于微波基片集成波导滤波器的设计具有一定的参考价值.要想获得更理想的结果，除了保证仿真模型和测试方法的准确外，更需要进一步提高加工精度，减小加工误差.

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