小型化基片集成波导滤波器研究进展
2018-11-14武警工程大学信息工程学院张怿成刘方毅孟志豪
武警工程大学信息工程学院 张怿成 刘方毅 孟志豪
综述了基片集成波导滤波器小型化研究现状。首先介绍了基片集成波导谐振器的基础理论，其次总结了基片集成波导谐振器小型化的实现方法和存在不足，最后对未来的发展趋势进行了展望。
引言：基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）滤波器是一种新型结构器件，既具备了传统金属波导高品质因数、高功率等优点，又兼容了微带滤波器结构体积小、易集成的特点，在当今频谱环境日益紧张的通信系统中具有很高的研究和应用价值。小型化基片集成波导滤波器有利于减少射频前端的体积，且便于和天线、功分器等微波器件相集成，是国内外学者研究的热点方向。本文阐述了SIW滤波器小型化的相关理论，介绍了其研究现状和发展趋势。
1 基片集成波导基础理论
一般结构的SIW谐振腔由金属层和介质层构成，腔体边缘周期性排列的的金属过孔可以等效为传统金属波导的侧壁，介质层通常选用Rogers RT/duroid 5880等材料，其结构如图1所示：
图1 基片集成波导模型
2005年，FengXu在[Xu F,Wu K.Guided-wave and leakage characteristics of substrate integrated waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2005,53(1):66-73]中给出了基片集成波导与金属波导的等效关系式：
且SIW谐振器的谐振频率可由下式确定：
其中m=1,2,3…, p=1,2,3…, ε为相对介电常数， μ为相对磁导率。
2 基片集成波导滤波器小型化方式
2.1 基于模切割技术的SIW小型化
2005年，东南大学的洪伟教授在论文[Hong W,Liu B,Wang Y,et al.Half Mode Substrate Integrated Waveguide:A New Guided Wave Structure for Microwave and Millimeter Wave Application[C]//Joint,International Conference on Infrared Millimeter Waves and,International Conference on Teraherz Electronics,2006.Irmmw-Thz.IEEE,2007:219-219]中提出了将全模SIW沿中心线进行切割形成HMSIW，其切口可等效于虚拟磁壁，既保留了前者的波导特性，又缩小了一半体积，其结构和场分布如图2所示。
图2 半模SIW谐振腔
2.2 基于多层折叠技术的SIW小型化
2008年，文献[Che W,Geng L,Deng K,et al.Analysis and Experiments of Compact Folded Substrate-Integrated Waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques,2008,56(1):88-93]提出了折叠基片集成波导（Folded SIW，FSIW）的概念，开创了实现SIW小型化的新途径。目前应用较多的是非对称型FSIW，该方式通过水平对称面折叠的方式得到，面积较SIW减小了50%。其结构如图3所示。
图3 折叠SIW谐振腔
折叠后的波导宽度为ω，缝隙宽度为ω0，则二者的关系可表示为其中Δ为两侧金属过孔的修正量，其表达式为：
W为并排两个金属过孔的间距，可以适当缩小W以减小能量损耗。折叠技术的优势在于缩小体积的同时不存在开放的切口，有效避免了辐射泄露，因此在FSIW之后，双重折叠SIW（Double Folded SIW,DFSIW）滤波器[Zhu Y Z.A Compact Double Folded Quarter Mode Substrate Integrated Waveguide(DFQMSIW)Filter[J].Ieice Electronics Express,2016,13(11)]、三重折叠SIW（Triple-Fold SIW）滤波器[李明康.小型化多模基片集成波导(SIW)滤波器研究[D].中国科学技术大学,2017]被相继提出，极大丰富了SIW小型化研究。多层折叠SIW滤波器具有良好的性能，易与其他微波无源器件相集成，但是其工艺较复杂，尤其是多次折叠后对精度要求较为敏感，因此有学者结合折叠与多模切割技术，设计出了双重折叠模SIW谐振器[周建,朱永忠,刘子豪,等.一种LTCC小型化双重折叠1/4模基片集成波导滤波器设计[J].固体电子学研究与进展,2016(5):388-392]，并采用LTCC封装工艺设计了三阶滤波器，体积较原始SIW滤波器减小93.75%，且具有良好的实测效果。
2.3 基于加载技术的SIW小型化
加载技术也是实现SIW滤波器小型化的有效手段，其原理是通过加载金属或超材料物质，对SIW谐振腔内场分布造成扰动，使谐振频率降低以实现小型化。在文献[李明康.小型化多模基片集成波导(SIW)滤波器研究[D].中国科学技术大学,2017]中，作者利用电容加载效应，将金属物质加载于谐振腔内，使腔内电场集中在SIW腔体与金属物质中间，有效降低了谐振频率，达到了减小谐振腔尺寸的效果，其结构如图4所示。
图4 加载金属棒的SIW谐振腔
在加载超材料方面，互补开环谐振器（Complementary Split-Ring Resontor,CSRR）与SIW谐振器的结合也实现了小型化。CSRR是一种磁性超材料物质，将其加载于SIW谐振腔的表面可以降低原有的截止频率，从而实现小型化。2014年，Senior D E通过将CSRR结构刻蚀在四分之一模SIW谐振器表面，实现了比QMSIW尺寸小43%的谐振腔[Senior D E,Rahimi A,Yoon Y K.A surface micromachined broadband millimeter-wave filter using quarter-mode substrate integrated waveguide loaded with complementary split ring resonator[C]//Microwave Symposium.IEEE,2014:1-4]；2017年，Huang Y M设计了一款更加紧凑的CSRR-HMSIW滤波器[Huang Y M,Peng Y,Zhou Y,et al.Sizereduced dual-band HMSIW cavityfilters loaded with double-sided SICSRRs[J].Electronics Letters,2017,53(10):689-691]，将CSRR刻蚀在半模基片集成波导的上下两层，形成了消逝模谐振效应，通过调节CSRR刻蚀结构的大小、位置也可以改变谐振器的耦合系数，进一步提升了小型化性能。
3 小型化SIW滤波器存在的问题
近些年，国内外学者对SIW谐振腔的小型化做了大量研究，目前仍存在两个方面的不足：一是小型化后的SIW谐振腔性能有所下降，如经过多次切割的模谐振腔由于其开放边界会造成过多的辐射泄露，而多层折叠的SIW谐振腔也会给制作工艺提出更高的要求，一味追求小型化的同时可能会造成整体效果下降；二是各种小型化技术没有更好得融合，多种技术的结合有助于发挥各自优势，避免单种技术极限运用带来的过多损耗，然而国内外在这方面的研究较少，小型化程度有限。
4 总结展望
当今高速发展的微波通信系统对基片集成波导滤波器的小型化、集成度提出了更高要求，相信经过不断地技术改进，小型化SIW滤波器的性能将会取得进一步完善。并且，可以在小型化的SIW谐振腔基础上实现全可调、磁电双可调等功能，以更好满足射频前端的实际需求，在现代通信系统中发挥更大价值。
