基于K波段的四腔阶梯移位结构SIW滤波器优化设计

刘永嘉　黄智勋　张萍　李略韬　卢诚承

摘   要：毫米波技术是5G通讯技术的关键的技术之一，而其中的两大难题为功耗及电磁设计。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）作为一种新的微波传输线结构，现已广泛地应用于各种微波、毫米波电路。其优点主要是体积小，损耗小，易于加工和集成。本文主要研究基于K波段的四腔SIW滤波器的优化设计，并在此基础上设计出腔体阶梯移位结构，基于此结构实现了多零点交叉耦合滤波器。该滤波器具有插损小、体积小、易集成等优点。

关键词：基片集成波导（SIW）  K波段  腔体阶梯移位

中图分类号：TN713                                文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）06（c）-0010-04

Abstract： Millimeter wave technology is one of the key technologies of 5G communication technology， and two of them are power consumption and electromagnetic design. As a new microwave transmission line structure， Substrate Integrated Waveguide （SIW） has been widely used in various microwave and millimeter wave circuits. Its advantages are mainly small size， low loss， easy to process and integrate. In this paper， the optimization design of four-cavity SIW filter based on K-band is studied. Based on this， a cavity step-shift structure is designed， and a multi-zero cross-coupling filter is realized. The filter has the advantages of small insertion loss， small size， and easy integration.

Key Words： Substrate Integrated Waveguide （SIW）; K-band; Cavity step-shift

近幾年来，5G逐渐成为人们热议的话题，2020年5G也即将进入商用阶段。在5G通信系统中，微波毫米波射频系统为其关键的一部分。而滤波器作为射频系统的重要组成部分，其滤波特性的好坏影响着整个系统的性能。

自2001年，加拿大蒙特利尔大学吴柯教授提出具有高Q值、低损耗、质量轻、体积小、成本低的基片集成波导的概念后，SIW逐渐成为研究的热点。

作为无源器件，滤波器一直以来都是关注的焦点，大量的各种不同拓扑结构的SIW滤波器被相继提出。而随着5G技术的不断发展，毫米波波段的各类器件也受到了广泛的关注。

基于此背景，文献[1]提出了中心频率在28GHz、38GHz频段上的DGS加载SIW滤波器，采用三阶切比雪夫滤波器为低通原型，达到带内插损小于1dB，回波损耗优于17dB的指标，并证明了在介质基板上集成平面和非平面电路能够缩小整体尺寸、重量、成本以及增强加工可靠性的关键性优势。

文献[2]提出了一款基于弧形金属孔排列的，工作频率在60GHz的SIW滤波器。而文献[3]和[4]分别设计了基于圆形感性金属通孔和矩形感性通孔的腔体滤波器。他们均通过交叉耦合引入新的传输零点，表现出了极好的设计灵活性及高选择性。

文献[5]提出了一种C波段四腔椭圆滤波器，采用了两层平行介质板的多层结构。

除此之外，现在已有国内外学者在Ka、Ku、X、C等波段上进行仿真研究并设计了多款性能良好的SIW滤波器。结合研究现状，本文主要研究和设计了一种适用于K波段的新型SIW滤波器结构——腔体阶梯移位结构，并设计、仿真了一款基于K波段的SIW滤波器，其中心频率为20.74GHz，通频带宽为2.88GHz，带内回波损耗除在21.5GHz处稍有偏差外，其余均优于15dB。该滤波器同时具有宽通频带、低损耗等特点，能满足5G无线移动通信高传输速率的要求，亦可应用于未来无线通信。

1  基片集成波导理论概述及传统结构

SIW结构主要组成为在介质基板的上下表面的金属化层和在介质基板中相隔一定距离制作两排金属化通孔，孔与孔间距远小于波导波长。SIW结构在上下金属面和两排金属化孔之间形成了一个类矩形波导的结构，故称作基片集成波导。由于金属化通孔之间的缝隙切断了表面电流，产生辐射，导致微波能量无法传播。因此，在基片集成波导中，只有TE模式存在。故在此，只考虑TE模式。该结构具有低插损、低辐射、高功率容量等特性。SIW 已被广泛应用于微波器件设计中，如天线、滤波器、耦合器和功率分配器等。

传统SIW结构如图1所示，w表示两排金属通孔的圆心之间的距离，称作基板集成波导的宽度，r表示金属通孔的半径，h是介质基片的厚度，d为金属化孔阵的周期长度。

基片集成波导（SIW）结构与传统矩形波导有着相似的结构，其等效公式如下。

基片集成波导实际宽度w与矩形波导等效宽度We关系式：

2  阶梯移位结构

在SIW滤波器传统结构基础上，本文设计出阶梯移位结构，其相邻腔体之间存在梯度为γ的横向偏移。结构参数如图2。

d1表示边界孔阵的周期长度，d2表示横断孔阵的一号孔与边界孔阵的距离，d3表示第一横断中，一号孔与二号孔的距离，d4表示横断孔阵四号孔与边界孔阵的距离;w表示横断孔阵二号孔与三号孔的距离，即滤波器各腔间的窗口宽度;γ表示各腔间的偏移距离;D表示SIW滤波器宽度;L表示单个腔体的长度;r表示金属化感性通孔的半径;此外，基板厚度为h。

本文在大量仿真与研究的基础上，归纳、整理得出调节腔体阶梯位移结构SIW滤波器中心频率、通带宽度、带内回波损耗及带外抑制等关键参数的方法，具体内容如下。

本设计中，SIW滤波器结构主要调节参数有：滤波器腔体总宽度成D及腔体间窗口宽度w。

其他参数预设为：γ=0.050mm，r=0.090mm，L=11mm，d1=0.440mm，d2=0.530mm，d3=0.535mm，d4=0.660mm，h=0.384mm。

（1）调节通频带中心频率与带宽的方法。

由前人理论推导可知，上截止频率f上与滤波器腔体总宽度D成负相关，由公式（1）（2）推导可得如下关系公式：

3  四腔K波段阶梯移位SIW濾波器

根据既定指标，给定滤波器中心频率为20.75GHz，通带带宽为1.45GHz，带内回波损耗大于20dB，带内插损小于1dB，在带外20.75±2GHz外抑制大于20dB。建立四腔耦合滤波器模型。做出理论曲线如图3所示。相应的拓扑结构如图4所示。

耦合矩阵如下：

考虑到实际生产过程中产品的介电常数、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介质材料Rogers 5880作为SIW滤波器的基板材料，其介电常数为2.20，损耗角正切为0.0009，基片厚度设置为0.384mm。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。

根据以上分析，由关系式（4）（7）（11）（14）并结合谐振器之间的耦合系数，得到具体的滤波器物理尺寸：

w=4.220mm，D=8.500mm，γ=0.050mm，r=0.090mm，l=11mm，d1=0.440mm，d2=0.530mm，d3=0.535mm， d4=0.660mm，h=0.384mm。

仿真的模型和结构如图5所示，仿真得到的滤波器S参数如图6所示。

从SIW滤波器S参数仿真结果可以看出。滤波器中心频率为20.94GHz，带宽为2.88GHz;在滤波器通带19.50GHz～22.38GHz范围内，其最大插损为1dB;反射参数除了在21.50GHz附近稍差（为7.5dB）以外，在其余频率下均小于-15dB。整体测试性能良好。

本款滤波器为K波段滤波器，与业界预测的5G频段相吻合。可适用于大部分5G系统或应用于未来无线通信系统中。

参考文献

[1] 王慧儒. 面向5G通信应用的超表面加载式SIW毫米波滤波器设计 [D].电子科技大学，2018.

[2] Choi， S.T.， Yang， K.S.， Tokuda， K.， Kim， Y.H.： ‘A V-band planar narrow bandpass filter using a new type integrated waveguide transition， IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett.， 2004， 14（12）：545-547.

[3] Tang，  H.J.，  Hong，  W.，  Hao，  Z.C.，  Chen，  J.X.，  Wu，  K.： ‘Optimal  design  of  compact millimetre-wave SIW circular cavity filters， Electron. Lett.， 2005， 41， （19）：1068-1069.

[4] Chen， X.-P.， Wu，  K.： ‘Substrate  integrated  waveguide  cross-coupled  filter  with  negative coupling structure， IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2008， 56（1）：142-149.

[5] Hao， Z.C.， Hong， W.， Chen， X.P.， Chen， J.X.，Wu， K.，Cui， T.J.：‘Multilayered substrate integrated waveguide  （MSIW） elliptic filter， IEEE  Microw. Wirel. Compon.Lett.，2005，15（2）：95-97.