基于SIW和槽线DGS的Wi-Fi带通滤波器的设计∗

张衡伏 杨永侠

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

基于SIW和槽线DGS的Wi-Fi带通滤波器的设计∗

张衡伏 杨永侠

（西安工业大学电子信息工程学院 西安 710021）

提出一种新型的高性能小型化Wi-Fi带通滤波器，在SIW的金属地平面上加载槽线DGS，利用SIW的高通特性和槽线DGS的带阻特性及其产生的微扰构成带通滤波器。所设计的Wi-Fi带通滤波器中心频率2.45GHz，3dB频带宽度0.1798GHz，带内插入损耗优于0.7968dB，带内回波损耗小于-33.6360dB，带外抑制特性良好，而尺寸仅为21.9mm×37.3mm。仿真结果表明，该新型Wi-Fi带通滤波器具有小体积、低插入损耗和高回波特性。

基片集成波导；带通滤波器；缺陷地结构；Wi-Fi

1 引言

自伽利尔摩·马可尼于1901年首次使用无线电波越过大西洋以来，无线通信技术就在飞速发展。Wi-Fi作为一种短距离无线技术和网络传输标准，通常使用2.4GHz特高频（UHF）或5GHz超高频（SHF）的射频频段［1］。作为第四代移动通信系统（4G）和有线网络的补充，Wi-Fi在无线局域网中发挥着举足轻重的作用。现代通信系统正朝着微型化和高性能方向发展，而滤波器是现代通信系统中至关重要的器件［2］。因此，设计高性能的小型化带通滤波器十分必要。基片集成波导（SIW）兼具波导结构和微带线的共同优点［3］，为设计这类滤波器提供了一种不错的选择；而缺陷地结构（DGS）具有慢波特性［4］，能在电长度相同的情况下，减小电路的物理尺寸，易于小型化设计。

利用偏置金属通孔的电感特性和耦合原理，文献［5］在SIW上下表面的中心位置加载偏置金属通孔，设计了一款中心频率5.25GHz的无线局域网（WLAN）带通滤波器。该滤波器通带平坦，插入损耗偏大，带内回波损耗优于-20dB；带外抑制性能良好，在5.25±0.35GHz处的衰减小于-30dB；但是该滤波器的尺寸过大，达到24mm×130mm，不符合通信系统小型化设计的要求。为了满足小型化设计和高性能的需求，本文提出一种新型的槽线DGS，在SIW的金属地平面上加载该结构，利用槽线DGS在SIW谐振腔中产生微扰，结合槽线DGS的带阻特性和SIW的高通特性，设计了一款高性能的小型化Wi-Fi带通滤波器。

2 SIW与槽线DGS的结构分析

在介质基片的上下表面铺金属，左右钻两排金属化通孔即可构成SIW。SIW的上下表面金属层可以等效为波导的宽边，两排金属通孔等效为波导的窄边，电磁波可以在等效宽边和等效窄边所构成的区域中传输［6］。

设计中的介质材料采用Rogers TMM 4（tm），其相对介电常数εr=4.5，损耗角正切值tanδ=0.002，厚度H=0.508mm。图1为SIW和槽线DGS的正面俯视图。其中，L表示SIW的长度；D表示金属通孔的直径；P为相邻金属通孔的间距；槽线过渡结构的长度和宽度分别为Lc和Ws；输入输出50欧姆微带线的长度为Ls；槽线两边缝隙宽度为Wa；中间缝隙的长度和宽度分别为Lb和Wb；La表示SIW左右两排金属化通孔的中心到内侧槽缝边缘的距离；Au和Ad分别表示SIW上下金属化通孔的中心到槽线缝隙边缘的距离。

图1 SIW和槽线DGS的俯视图

DGS是一种在平面微波传输线的金属地平面上蚀刻出一定形状的几何图案结构［7］。这种几何结构能够改变金属地平面的介电常数，进而改变金属地平面上的分布电容和分布电感，以此来达到改变其传输特性的目的［8］。在SIW的金属地平面上蚀刻槽线DGS，它是由T形DGS和双钩形DGS组成，其结构如图2所示。

图2 SIW和槽线DGS的仰视图

其中，Ap表示SIW上排金属化通孔的中心到T形DGS上边缘的距离；A1表示双钩形DGS外侧边缘到T形DGS下边结构外侧边缘的距离；A2表示双钩形DGS上下内侧边缘的距离；A3表示双钩形DGS左右内侧边缘的距离；A4表示双钩形DGS上边内侧边缘到钩形末端的距离；A5和W1表示T形DGS下边结构的长度和宽度；A6和W3表示T形DGS上边结构的长度和宽度；W4表示双钩形DGS下边结构的宽度；W5表示双钩形DGS左右两边结构内外侧的宽度。

3 Wi-Fi带通滤波器的设计与优化分析

3.1 Wi-Fi带通滤波器的设计指标

中心频率：2.44GHz（±0.01GHz）；

通带范围：2.4～2.4835GHz；

回波损耗：＜-15dB；

插入损耗：＞-1.5dB；

带 外 抑 制 ：＜-15dB@2.15GHz，＜-15dB@2.7335GHz；

阻带衰减：＜-20dB@0～2GHz，＜-20dB@3～5GHz。

3.2 Wi-Fi带通滤波器的理论分析与设计

由于SIW谐振腔结构的特殊性和SIW金属通孔的不连续性，SIW谐振腔只能传输TEm0n模式。

由微波传输理论可知，电磁波截止频率的高低将由SIW谐振腔的大小决定，而SIW谐振腔的大小可以根据其谐振频率式（1）计算［9］。

式中，c0为真空中的光速，εr为相对介电常数，Ae和Be分别为SIW谐振腔的等效宽度与长度，其值可以近似的由式（2）与式（3）确定［10］。

其中，A和B分别为SIW的宽度和长度，D和P分别为SIW金属通孔的直径和孔间距。

为了尽可能减少SIW的辐射和损耗，其尺寸的设计原则一般遵循三个条件［11］：D＜0.2λg，A＞5D，P＜2D。其中，λg为波导波长。

根据式（1）、式（2）和式（3），可以计算出SIW谐振腔结构的大致尺寸。为了便于实际应用与测量，输入输出微带线的阻抗取50欧姆，其宽度Ws可以由微带计算工具ADS LineCalc计算得出。应用网络综合法，采用三维高频电磁仿真软件ANSYS HFSS 15设计与优化。

3.3 观察典型参数对Wi-Fi带通滤波器性能的影响

在Wi-Fi带通滤波器的仿真设计中，对电路中的每个参数进行了优化分析。通过对每个参数进行有效分析，可以清晰的了解各参数对电路性能的影响，方便后续设计工作的顺利进行。这里选取三个具有代表性的参数来说明其对滤波器性能的影响。通过对这些参数的优化分析，可以设计出性能更好的Wi-Fi带通滤波器。

3.3.1 观察Au对滤波器性能的影响

在HFSS中建模，通过仿真分析，改变Au，使其分别为14.8mm、14.9mm和15mm，其它参数保持不变，通过参数优化，其传输特性曲线如图3所示。由图3可知，随着Au的增大，通带内回波损耗的深度先增大后减小，其回波损耗绝对值由23.1877dB升到33.6360dB再降到19.2346dB，而当 Au为14.9mm时，其最大回波损耗绝对值达到56.9395dB。同时，随着Au的增加，谐振频率也在缓慢的向高频移动。

图3 Au对滤波器的传输特性曲线的影响

3.3.2 观察A3对滤波器性能的影响

改变 A3，使其分别5.4mm、5.5mm和5.6mm，其它参数保持不变，通过参数优化，其传输特性曲线如图4所示。由图4可知，随着A3的增大，谐振频率在逐渐减小，由2.465GHz降到2.455GHz再到2.435GHz。由此可知，A3的微小变化能够引起谐振频率的迅速改变。因此，A3是个敏感参数。而在A3增加的过程中，带内回波损耗也发生了变化。其回波损耗最大绝对值由47.2742dB升到56.9395dB再回降到41.7418dB。

图4 A3对滤波器的传输特性曲线的影响

3.3.3 观察W1对滤波器性能的影响

改变W1，使其分别为1.4mm、1.5mm和1.6mm，其它参数保持不变，通过参数优化，其传输特性曲线如图5所示。由图5可知，随着W1的增大，谐振频率在逐渐增大，由2.450GHz升到2.455GHz再到2.460GHz。通带内回波损耗的深度先增大后减小，其回波损耗最大绝对值由38.7082dB升到56.9395dB再回降到44.9438dB。

图5 W1对滤波器的传输特性曲线的影响

3.4 Wi-Fi带通滤波器的优化设计

在HFSS中建Wi-Fi带通滤波器的3D模型，通过对各参数进行仿真与优化分析，可以综合得到性能良好的滤波器，传输特性曲线如图6和图7所示。其中，图6为0～5GHz范围内的全波仿真图，图7为2～3GHz范围内的全波仿真图。仿真与优化设计中的各物理参数为：SIW的长度取L=28.3mm；金属通孔的孔直径和孔间距分别取D=0.8mm、P=1.38mm；输入输出50欧姆微带线的长和宽分别取Ls=4.5mm、Ws=1.5mm；共面过渡转换结构的长度取Lc=12.25mm；槽线两边缝隙宽度取Wa=1mm；中间缝隙的长度和宽度分别为取 Lb=2.9mm、Wb=1mm；SIW左右两排金属化通孔的中心到内侧槽缝边缘的距离La=12.15mm；SIW上下金属化通孔的中心到槽线缝隙边缘的距离Au=14.9mm、Ad=3.5mm。SIW上排金属化通孔的中心到T形DGS上边缘的距离 Ap=11.9mm；双钩形DGS外侧边缘到T形DGS下边结构外侧边缘的距离A1=7.9mm；双钩形DGS上下内侧边缘的距离A2=2.02mm；双钩形DGS左右内侧边缘的距离A3=5.5mm；双钩形DGS上边内侧边缘到钩形末端的距离A4=1.9mm；T形DGS下边结构的长度和宽度分别取 A5=5mm、W1=1.5mm；T形DGS上边结构的长度和宽度分别取 A6=11.3mm、W3=0.65mm；双钩形DGS下边结构的宽度取W4=0.7mm；双钩形DGS左右两边结构内外侧的宽度取W5=0.6mm。

图6 Wi-Fi带通滤波器的传输特性曲线（0-5GHz）

图7 Wi-Fi带通滤波器的传输特性曲线（2-3GHz）

由仿真结果可知，Wi-Fi带通滤波器的中心频率为2.45GHz，在中心频率处的插入损耗为-0.4392dB，回波损耗为-34.4651dB；3dB频带带宽0.1798GHz。通带平坦，带内插入损耗优于-0.7968dB；带内反射系数高，回波损耗小于-33.6360dB，最小回波损耗达到-56.9395dB。带外抑制特性良好，左边带外抑制度-17.0782dB@2.15GHz，右边带外抑制度-19.4723dB@2.7335GHz。阻带衰减较大，左边阻带衰减小于 -21.9619dB@0～2GHz，右 边 阻 带 衰 减 小于-27.6985dB@3～5GHz。

所设计的Wi-Fi带通滤波器的各项参数与性能均满足设计指标要求，因此，可以得出结论：利用SIW的高通特性与槽线DGS的带阻特性以及加入槽线DGS所带来的微扰，可以构成性能良好的Wi-Fi带通滤波器。

4 结语

提出一种新颖的设计Wi-Fi带通滤波器的方法。利用SIW的高通性质与槽线DGS的带阻特性以及加入槽线DGS，可以得到性能良好的Wi-Fi带通滤波器。仿真与优化分析结果表明，该方案是可行的。所设计的带通滤波器体积小，插入损耗低，回波特性好，具有较高的实用价值和参考意义，可以应用于工程设计。

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Design of Wi-Fi Band-pass Filter Based on SIW and Slot-line DGS

ZHANG HengfuYANG Yongxia
（School of Electronic Information Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021）

A novel high-performance miniaturized Wi-Fi band-pass filter is proposed in this paper.The high-pass character⁃istic of SIW and band-stop characteristic and perturbation of slot-line are combined into band-pass filter，loading slot-line DGS on the metal ground plane of SIW.The center frequency of the filter to be designed is 2.45GHz.Its 3dB bandwidth is 0.1798GHz.The insertion loss is better than 0.7968dB and the reflection loss is less than-33.6360dB in the pass-band.It has good out-of-band re⁃jection.The size of the filter is only 21.9mm by 37.3mm.Simulation results show that the novel Wi-Fi band-pass filter has the ad⁃vantages of small size，low insertion loss and high out-of-band rejection.

SIW，band-pass filter，DGS，Wi-Fi

Class Number TN713+.5

TN713+.5

10.3969/j.issn.1672-9722.2017.12.043

2017年6月9日，

2017年7月30日

张衡伏，男，硕士，研究方向：电子设备电磁兼容及信号处理。杨永侠，女，教授，研究方向：电子设备电磁兼容及信号处理。