SIW可调滤波器研究进展

武警工程大学 周 建 谢文宣

SIW可调滤波器研究进展

武警工程大学 周 建 谢文宣

随着加工工艺不断发展提高和一系列新材料在微波滤波器设计制作的应用，可调滤波器的设计和研制迎来一个非常好的发展时期，结合近十年来可调滤波器的相关研究成果，立足前人智慧，综述了国内外SIW可调滤波器研究现状。

滤波器；可调；基片集成波导；MEMS

0　引言

为了提高频谱资源的利用率，扩频、跳频和动态频率分配等技术得到广泛的应用。这些技术的广泛应用希望射频器件尤其是滤波器能满足快速可调或可重构的需要，因此可调滤波器的研究越来越受到关注。随着一系列半导体工艺的发展，已经有晶片组已经可以工作在60GHz甚至更高频率，对滤波器的性能也提出了更高要求[1]。

1　研究背景与意义

无论是军事通信系统还是民用通信系统，都要求通信设备小型化和通用化[2]。在军事通信系统中，军用短波电台和超短波电台都广泛应用跳频扩频技术以保障通信质量和信息保密性。在民用通信系统中，由于多种通信标准并存的现状，现在的便携设备需要能够适应不同频段的移动通信，传统的做法是设计多个接收机，但是这样不利于设备小型化。利用可调滤波器设计多功能接收机提供了一种解决方案。实现能够软件控制的可编程微波收发系统是现代通信系统的重要发展方向，能根据需求调节频率选择范围的微波滤波器是微波系统具有重构性的基础，因此，可调滤波器的研究在解决通信设备小型化和通用化方面具有十分重要的意义。

2　可调滤波器的分类

可调滤波器可分为两种，有源和无源。

有源可调滤波器一般由场效应管构成，具有调谐速度快，插入损耗小，带外隔离好等优点。但是有源可调滤波器工作的截止频率低，功率容量受有源器件的制约，并且噪声系数比较大。

最常用的是无源可调滤波器。按调谐方式可分为机械调谐和电调谐；按使用材料可分为∶ 半导体、铁电薄膜、铁氧体、MEMS等；按滤波特性可分为：低通、高通、带通、带阻、窄带、宽带、超宽带；按功能可分为：中心频率可调、带宽可调、带外传输零点可调；按滤波器结构可分为：微带线、共面波导、同轴腔、矩形波导等。

3　SIW可调滤波器研究现状

传统的滤波器多采用微带线结构。微带线滤波器可以做成平面电路，具有结构紧凑，体积小，重量轻，造价低的特点，并且微带线结构有利于连接和安装微波有源器件。但是微带电路介质基片带来的损耗是不可避免的，同时微带结构全开放的结构导致能量的泄漏和辐射也很严重。

矩形波导结构很早就被应用到高性能滤波器的设计中，但是由于其三维的立体结构，难以与平面电路集成[3]。另外，在更低的毫米波频段，矩形波导体积较大。基片集成波导（Substrate-Integrated-Waveguide，SIW）结构应运而生。

2001年加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授正式提出具有低损耗、高Q值和高功率容量的基片集成波导的概念，自此以后，SIW逐渐成为研究的热点。

SIW是用成排的金属通孔在双面覆盖金属层的低损耗介质基片(如low-temperature co-fired ceramics简称LTCC等介质基片)上形成的，所以SIW器件的一个重要性质是具有与传统矩形波导相近的特性，诸如品质因数高、易于设计等，同时也具有体积小、重量轻、容易加工、造价低和易于集成等传统矩形波导所没有的优点。如果应用SIW实现滤波器和双工器等高Q值的无源器件，则可以把整个微波毫米波系统制作在一个封装内(System On Package SOP)，使微波毫米波系统小型化，同时降低了成本，所以SIW技术有光明的应用前景。

但是，由于SIW的横向横尺寸很大，无法满足系统小型化和集成化的要求，学者们一直在不断地研究开发小型化基片集成波导等单元，目前，通过金属表面加载或者半模技术和折叠技术已经可以将基片集成波导缩小为原来的1/4、1/8甚至更小，基片集成波导应用在可调滤波器的研究还很少，

2010年Marcelino Armendariz 等人提出了一种基于 PIN 二极管的可调 SIW 带通滤波器[1]，这种滤波器通过 PIN 二极管来控制镶嵌在滤波器内部的5个微扰过孔的工作状态，从而使得该滤波器的中心频率在1.55～2.0GHz 范围之间进行调谐，实现了 SIW 滤波器的电场可调。

在文献[4]中，作者通过在加载了互补谐振器的半模基片集成波导（HMSIW）的基础上，引入变容二极管，实现了滤波器通带的可调,但利用二极管易产生互调噪声，消耗更高的功率。

2011 年Yuliang Zheng 等人提出了一种基于铁氧体的可调 SIW滤波器，通过外加偏磁场改变内部铁氧体铁磁共振频率来实现 SIW滤波器的电磁可调[5]。但是外加偏磁场需要线圈来施加和调节，因此反应速度慢，有附加噪声，并伴随着巨大的能耗，同时难以和现代半导体器件相兼容。

Vikram Sekar等人将封装好的MEMS开关加载到基片集成波导上提出了一种可调滤波器，通过6个开关实现1.2-1.6GHz内 14个中心频率的调节，性能稳定且插损小，但是尺寸较大，还有进一步小型化的空间[6]。

4　结束语

从可调滤波器的性能来看，以中心频率可调研究为目前最热门的研究方向，带宽可调次之，中心频率和带宽可独立调节的滤波器实现的难度较大，零点位置的可调的研究最为冷门。

结合 RF MEMS 器件的小尺寸、低功耗和基片集成波导的低损耗、高 Q 值和易集成等特性，开发出小型化、低插损、稳定 Q 值的可重构多重折叠基片集成波导中心频率可调滤波器将极具应用前景。

[1]Rehman M.-Z.-Ur,Baharudin Z.,Z a kariya M.-A.,等.Recent Advances in Min i aturization of Substrate Integrated Wavegu i de Bandpass Filters and its Applications in Tunable Filters[J]. IEEE Business Engine ering and Industrial Applications Colloqui u m (BEIAC),2013,109-113.

[2]毛金荣.高性能可调微波滤波器的理论与设计[D].南京理工大学,2013.

[3]Armendariz M., Sekar V., Entesa r i K.,Tunable SIW bandpass filters with PIN diodes[J].Microwave Conference (Eu MC),2010 Europe an,vol.,no.,pp.830-833,28-30 Sept.2010.

[4]Xiang Q Y,Feng Q Y,Huang X G,Half-mode substrate integrated wave g uide(HMSIW) filters and its application t o tunable filters[J].Journal of Electromagne t ic Waves and Applications,2011,25(14-15):2043-2053.

[5]李世峰,刘锋,王高峰等.一种新型MEMS可调滤波器的设计[J].微纳电子技术,2010,47(11):696-700.

[6]Vikram Sekar, Marcelino Armend ariz, Kamran Entesari,A 1.2-1.6GHz Subst r ate-Integrated-Waveguide RF MEMS Tuna b le Filter[J],IEEE Trans.Microwave Theory Tech.,2011,59(4):866-876.