基于高次模的六边形基片集成波导腔体滤波器

邹玉鹏，刘　冰，周宜盼，伍　磊，邢　可

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)



基于高次模的六边形基片集成波导腔体滤波器

邹玉鹏，刘冰，周宜盼，伍磊，邢可

(南京航空航天大学 电子信息工程学院，江苏 南京 210016)

基片集成波导滤波器已被证明具有高Q值、高功率、生产成本低、易于集成等优点。但随着频率的升高，尤其是到达毫米波阶段，其结构尺寸大幅减少的同时给加工制作带来了较大的难度。文中探讨了基于基片集成波导谐振腔的高次模滤波器设计方法，与主模腔体滤波器相比，当结构大小相同时，可实现更高的频率。

基片集成波导；滤波器；腔体；六边形；高次模

作为无线通信系统中的关键器件，滤波器对系统整体性能有着直接影响。基片集成波导滤波器是一种在介质基板上实现的滤波器，其与传统的矩形波导滤波器在性能上又较类似，因此品质因数较高。另一方面，与传统的金属波导滤波器相比，其同时具有体积小、重量轻、成本低、易于加工、易于与其他平面微波结构集成等优点。但随着频率的升高，尤其是到达毫米波阶段，其结构尺寸大幅减少的同时给加工制作带来了较大难度，基于高次模的基片集成波导滤波器与主模腔体滤波器相比，当结构大小相同时，可实现更高的频率[1]。

本文提出了一种高次模的六边形基片集成波导谐振腔滤波器，六边形基片集成波导谐振腔结构灵活，可构成更多复杂的拓扑结构，并与圆形腔体类似具有较高的品质因数，中心频率为45.3GHz。

1　滤波器设计

基片集成波导是20世纪末由H.Uchimura和K.Wu提出的一种新型微波电路技术。

图1　基片集成波导结构图

如图1所示为基片集成波导的典型结构，介质基板的上下表面均覆盖着一层金属层，传统金属波导的波导壁则利用分布在介质中周期性排列的金属化通孔来替换[2]，其中Wsiw表示两排金属化通孔的圆心间距，其直接影响导波结构的截止频率；p表示相邻金属化通孔的圆心间距；d表示单个通孔的直径。周期性排列的金属通孔直径和相邻金属孔之间的空间距决定着基片集成波导的辐射损耗和反射损耗的数量，通过调理相邻孔间距，使得由孔间泄露的能量减小，从而可有效减小辐射损耗，避免SIW结构中的电磁能量从金属通孔之间的缝隙泄露到外界。在实际电路中，基片集成波导需要与外部电路连接，为保证连接处电流畅通，减少内部反射，金属化通孔的间距至关重要，因此文中需要选择合适的间距。

图2　两腔体高次模滤波器

在实际工程中，通常使p=2d，为了保证电磁波得到正常传播，Wsiw、p、d的值均需要经过计算确定。

对于矩形腔体，设其等效长宽Leff，由于存在金属化通孔，需对其参数修正[3]

则其主模谐振频率为

当基板介质常数为2.2时，矩形腔宽带为3.95mm，金属化通孔半径为0.15mm，孔间距0.6mm，工作在不同模式的谐振频率为fTE101=21.3GHz，fTE102=fTE201=33.6GHz，fTE202=45.3GHz，显然在相同的结构尺寸下，高次模TE202能工作在更高的频率。

图3　两腔体高次模滤波器S参数

图2为该滤波器的结构图，整体结构为对称结构，通过调整耦合窗口wd的大小来调整带耦合的强弱，滤波器的中心频率随着六边形腔体的边长l的改变而改变。

2　结果分析

图3显示该滤波器约在50.5GHz出现了一个虚假的通带，通过分析其电场分布图，可发现这是因在腔体的中心有较强的谐振，而谐振腔工作在TE202模其中心处基本没有能量。因此，在滤波器每个谐振腔的中心处各加入一个金属化通孔，来破坏中心处的谐振。添加金属柱后的结构图，如图5所示。

图4　电场分布图

图5　六边形两腔体高次模滤波器结构图

在仿真软件CST中经过优化得到最终的结构参数如下：sub_h=0.254mm,ms_w=0.78mm, r=0.15mm, p=0.6mm, wd=1.7mm, l=3.95mm.该滤波器采用介电常数为2.2的Rogers5880 介质基板，图6为加载金属化通孔前后的S参数对比图。通过对比分析，加载金属化通孔后通道内几乎无影响，该滤波器的通带范围为44.8～45.8GHz，而在50.5GHz处则可得到较好的抑制掉寄生通带，该滤波器的中心频率45.8GHz，通带内回波损耗低于-25dB，插入损耗约为0.9dB。相比于矩形腔体，可利用六边形腔体组合成更丰富的拓扑结构。

图6　六边形两腔体高次模滤波器S参数图

上文设计的两腔体高次模滤波器降低了生产加工难度，但滤波器的选择性并不理想。因此根据耦合原理[4-6]，增加一个腔体形成两条能量传输路径产生交叉耦合，如图7所示，从而引入传输零点。其各参数与两腔体的一致，通过调节各个耦合窗的大小wd12、wd13、wd23来调节耦合量的大小。经过仿真优化后各个耦合窗的大小为：wd12=1.82mm、wd13=1.75mm、wd23=1.75mm。如图8所示，通过交叉耦合在滤波器的上阻带46.2GHz处产生了一个传输零点，该滤波器的3dB带宽为1GHz(44.8～45.8GHz)，中心频率为45.3GHz，相对带宽2.2%，其带内插损约为0.59dB，回波损耗低于-25dB。

图7　六边形三腔体高次模交叉耦合结构图

图8　六边形三腔体高次模滤波器散射参数图

3　结束语

本文主要研究基于基片集成波导的高次模腔体滤波器，针对随着频率升高，基片集成波滤波器的体积减少，尤其是当达到毫米波频段将给滤波器的加工增加难度，利用基片集成波导谐振腔谐振在TE202模时的特性，设计了高次模滤波器，与基片集成波导主模谐振腔相比，利用高次模在相同的器件尺寸下可工作在更高的频率，从而有效降低加工难度，利用基片集成波导传输线的高通特性抑制无需低频谐波，同时在TE202模腔体中心加金属柱抑制上阻带的谐波，仿真结果验证了设计。在两腔体的滤波器基础上设计出高次模的交叉耦合滤波器，在滤波器的上阻带引入一个传输零点，改善了该滤波器的频率选择性，仿真结果验证了其可靠性。

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Substrate Integrated Waveguide Hexagon Cavity Filters Based on High Order Mode

ZOUYupeng,LIUBing,ZHOUYipan,WULei,XINGKe

(SchoolofElectronicandInformationEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)

AlthoughthesubstrateintegratedwaveguidefilterenjoyshighQvalue,highpower,lowproductioncostandeasyintegration,thegreatlyreducedstructuresizeduetotheincreaseoffrequency,especiallyinthemillimeterwavephase,causesgreatdifficultinitsfabrication.Thehighordermodefilterdesignmethodbasedonsubstrateintegratedwaveguideresonatorisdiscussed,whichoffershigherfrequencyoperationthanthedominatemodecavityfiltersofthesamesize.

substrateintegratedwaveguide;filter;cavity;hexagon;highordermode

2015- 12- 21

邹玉鹏(1989-)，男，硕士研究生。研究方向：微波滤波器设计。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2016.09.040

TN713+.1

A

1007-7820(2016)09-145-03