一种毫米波基片集成波导滤波器设计*

2017-09-15钟丽张先荣

移动通信 2017年15期

钟丽，张先荣

一种毫米波基片集成波导滤波器设计*

钟丽1，张先荣2

（1.成都职业技术学院，四川成都 610041；2.中国西南电子技术研究所微系统中心，四川成都 610036）

基于基片集成波导结构，设计并制作了一款小型化毫米波SIW带通滤波器。对该滤波器的耦合结构参数进行了理论分析和计算，并使用三维电磁场仿真软件HFSS对滤波器结构进行了仿真。该带通滤波器中心频率为30.7 GHz，在通带29.8 GHz—31.6 GHz频率范围内，其插损低于2.75 dB，反射参数小于-13 dB；在通带外35 GHz处，其抑制大于50 dB。测试结果表明，该毫米波滤波器性能良好，测试结果与仿真结果基本一致。

毫米波基片集成波导带通滤波器

1 引言

近年来，无线通信和微波毫米波射频技术都得到了快速发展。滤波器作为射频系统中关键的无源器件之一，其结构的大小及性能指标的优劣一直都受到工业界和学术界的极大关注。

典型的波导滤波器由于具有高Q值、高功率容量、低插损等优点被大量地运用于各类地面、车载通信，雷达系统等平台。然而波导滤波器因其体积大、成本高等，在机载、星载等体积和质量受到严格限制的平台上的应用受到极大的限制[1-2]。

微带滤波器具有体积小、易于与平面电路集成、加工精度高等优势，在微波、毫米波等射频电路中得到大量运用。但微带滤波器Q值低，尤其是在毫米波及更高的频段上，其产生的高辐射损耗会对系统指标造成较为严重的影响，故其在高频段的运用受到了极大约束。

基片集成波导（SIW，Substrate IntegratedWaveguide）在结构上拥有与金属波导相一致的电磁特性，并且还具有与微带电路相似的体积小、重量轻、易与平面电路集成、适合大规模生产等独特优势，自提出以来便受到业界的极大关注，得到了快速发展[3-4]。利用SIW技术设计制作的滤波器、天线等产品，被迅速、广泛地应用在了体积、质量等受到严格限制的机载、星载等射频电路系统中[5-9]。

另外，毫米波自身具备波长短、频带宽，抗干扰性强等特点，故毫米波系统在电子对抗、雷达系统等方面都得到了很好地运用和发展[10]。

为了兼顾毫米波系统中滤波器功率容量高、体积小、易与平面集成等要求，本文从SIW结构出发，设计了一款毫米波SIW滤波器，并对其进行了测试。

2 SIW滤波器的设计

2.1 SIW滤波器结构介绍

SIW滤波器的结构示意图如图1所示，用两排或更多的金属通孔通过周期排列来代替金属波导的侧壁，上下两层为金属层，并通过金属通孔相连，两排金属孔的间距为W，金属孔的直径为d，相邻通孔之间的间距为s，介质层的厚度用h表示。

图1 SIW滤波器结构示意图

2.2 滤波器指标要求

本文所设计的毫米波SIW带通滤波器指标要求如下：中心频率f0=30.7 GHz，通带带宽BW=1.8 GHz，通带外35 GHz处的带外抑制大于50 dB，反射小于-15 dB，输入和输出阻抗均为50 Ω的传输线结构。

2.3 滤波器设计原理

根据2.2节中滤波器的技术指标要求，通过对滤波器的结构及后续加工难度等因素进行评估，最终选用Chebyshev型，整个滤波器结构需要5阶才能满足指标要求。根据文献，利用耦合系数法，可得到滤波器的归一化M耦合矩阵如公式(1)[11-12]：

仅获得M矩阵还不能直接根据此耦合参数建立起滤波器的物理结构，还需将公式(1)中的M矩阵耦合系数转换为可用物理结构具体实现的K系数，具体转换对应关系如公式(2)所示：其中，Kij是相邻谐振器之间的耦合系数，n代表滤波器的阶数（本文中滤波器的阶数为5），FBW为滤波器的相对带宽，相对带宽表达式如公式(3)所示：

公式(3)中的f2、f1、f0分别是滤波器通带高端、低端和通带中心频率。由公式(1)减去公式(3)计算得到的具体的M系数和K系数的数值如表1所示：

表1 M系数和K系数的关系表

表1中，MS1、KS1分别表示源与第1个谐振腔之间的M矩阵和K矩阵耦合系数；M5L、K5L表示负载与第5个谐振腔之间的M矩阵和K矩阵耦合系数。

获得滤波器的K系数后，还需获取端口与其相连的谐振腔的外部Q值。为了简化整个滤波器的结构，便于具体设计，滤波器采用了对称设计。因此，外部Q值可根据公式(4)进行计算，所以得到：

根据表1以及公式(3)和公式(4)，可得到QS1=Q5L=14.7。

2.4 滤波器的仿真

根据以上分析得到了谐振器之间的耦合系数，再利用电磁仿真软件HFSS建立起SIW滤波器的初始模型，然后通过调整模型结构尺寸可获得比较好的S参数，而后再进行仿真优化。考虑到实际生产过程中LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷）产品的介电常数、损耗角正切等对滤波器体积、热稳定性、损耗等指标的影响，选用一种适用于微波射频电路的LTCC生胚介质材料Ferro A6M作为SIW滤波器的基板材料，其介电常数为5.9，损耗角正切0.001 5，基片厚度设置为0.254 mm，金属层厚度设为0.018 mm。所有通孔均做金属化处理，滤波器对外的输出、输入接口均设置为标准的50 Ω微带线结构。

最后通过仿真优化，得到具体的滤波器物理尺寸：d=0.2 mm，s=0.38 mm，L1=2.61 mm，L2=3.01 mm，L3=3.08 mm，W0=0.95 mm，W1=1.62 mm，W2=1.54 mm，W3=1.51 mm，W=3.06 mm（如图3所示，L表示孔间的距离）。

仿真的模型和结构参数含义如图2和图3所示，仿真得到的滤波器S参数如图4所示。

图2 SIW滤波器仿真模型

图3 SIW滤波器结构参数

图4 仿真得到的SIW滤波器S参数图

3 滤波器的实物加工与测试

根据第2节仿真优化得到的物理尺寸，对滤波器进行了实物加工。具体通过LTCC工艺进行基板制作和打孔，再利用薄膜工艺完成基板上的金属层图形制作，最后得到的滤波器实物如图5所示。整个滤波器结构长25 mm，宽3.3 mm。

图5 SIW滤波器实物图

对加工完成的滤波器实物进行了性能指标测试。整个测试在常温环境下进行，测试时将滤波器背面粘接在一个金属测试台中，两端通过金丝键合与一段50 Ω微带传输线相连，再将测试台上K接头的探针焊接于微带线上进行测试。作为整个测试用的输入、输出端口，K接头再通过转换接头连接于矢量网络分析仪的接口上。实物测试连接图如图6所示：

图6 SIW滤波器实物测试图

通过矢量网络分析仪得到的SIW滤波器S参数测试结果如图7和图8所示，从测试结果可以看出，在滤波器通带29.6 GHz—31.4 GHz范围内，其最大插损为4.25 dB；反射参数除了在30 GHz附近稍差以外，在其余频率下均小于-13 dB；在通带外35 GHz处，其抑制大于50 dB。扣除测试时用于连接的微带线、K接头及金丝键合等带来的损耗，实际滤波器在通带内的插损约为2.75 dB，整体测试性能良好。从仿真和测试结果来看，整体的S参数性能吻合较好，但整个的频率往低端偏移约200 MHz，带内的反射参数也比仿真数据稍差一些。原因在于，在SIW滤波器加工过程中介质材料实际的介电常数偏差、基板实际厚度、孔间距的加工误差以及测试采用的两段微带线及K接头等都会对最终的测试结果造成不利的影响。下一步为减小测试误差，可减小微带线的长度，提高加工精度，并选用探针测试台来进行测试。

图7 S12参数实测结果图

图8 S22参数实测结果图

4 结论

采用基片集成波导结构，设计了一款毫米波带通滤波器，本文对其实现原理进行了理论分析，并利用电磁仿真软件HFSS进行了仿真优化，最后阐述了通过LTCC和薄膜等工艺技术进行实物加工的过程，并对滤波器实物进行了测试验证。测试结果表明，整个SIW毫米波滤波器性能良好、结构紧凑、易于集成，可广泛应用于毫米波电路与系统。

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[12] Richard J Cameron. Advanced coupling matrix synthesis techniques for microwave filters[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003,51(1): 1-10. ★

Design of a Millimeter Wave Substrate Integrated Waveguide Filter

ZHONG Li1, ZHANG Xianrong2
(1. Chengdu Polytechnic, Chengdu 610041, China; 2. Microsystem Center, Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A miniaturized millimeter wave bandpass filter based on the substrate integrated waveguide (SIW) structure was designed and fabricated. The coupling structure parameters of the bandpass filter were analysed and calculated by coupling matrix synthesis techniques. The filter structure was simulated by 3D electromagnetic field analysis software HFSS. For the bandpass filter, the center frequency is 30.7 GHz, the pass band is from 29.8 GHz to 31.6 GHz, the insertion loss is below 2.75 dB, the reflection parameter is less than -13 dB and the suppression above 35 GHz is larger than 50 dB. Testing results show that the millimeter wave filter has good performance with the tested results in accordance with the simulation results.

millimeter wave substrate integrated waveguide (SIW) passband filter