K波段高选择性基片集成波导滤波器设计∗

张博林 陈 明

（西安邮电大学电子工程学院 西安 710121）

1 引言

近代以来，微波射频领域的各种技术都在不断地发展，各种电路结构的研究正在不断进行，现代通信的不断的更新换代，同时对微波器件的要求越来越高，如小型化、集成度高、低损耗等，而传统的无源器件结构已经不能完全满足这些需求［1］，通过研究，在上世纪末，科学家发现了一种新的导波结构——基片集成波导（Substrate Intergrated Waveguide，SIW）。

基片集成波导是一种新型平面类导波结构，在20世纪末90年代由东南大学的洪伟教授等发现［2］。基片集成波导是在介质基板的基础上，在电路两侧开一排金属通孔，当金属通孔之间的距离小于工作波长的十分之一时，那么泄露的电磁波就会少到忽略不计［3］，该结构内电磁波传播特性与在金属波导中传播的特性几乎相同，这样就可以完全代替传统的波导，这也是其名字由来的原因。基片集成波导与传统的金属波导相比具有很多优点，例如品质因数高、低剖面、尺寸小、易于集成等。而且可以便捷地利用PCB技术与LTCC技术制作［4］。由于基片集成波导具有许多优势，目前被广泛应用于微波无源器件的设计，如滤波器、功分器、耦合器、天线等，已经成为微波领域的研究热点。

2 基本理论

图1 基片集成波导基本结构

如图1是基片集成波导的一种基本结构，在介质基片两侧开一排金属化使得通孔，通孔的直径为d，通孔的间距为S，SIW的宽度为W。SIW的等效传输宽度Weff可用式（1）来计算。

一种较复杂和精确的等效公式被Xu F.等提出［5］，如式（2）：

Che W.等对等效公式做了改进，提出了更进一步的等效公式［6］，如式（3）：

在传统的金属波导中，能够传输的模式有TE模和TM模，但在基片集成波导中，能够传输仅有TE模。因为金属化通孔虽然可等效为矩形波导的壁，但金属化通孔并不是连续的，通孔的间距会影响到表面电流。TM模的磁场是横向的，这意味着在两侧表面电流方向与通孔的高是垂直的，但相邻通孔间距的存在切割了表面电流，在这种情况下就会产生位移电流并引发电磁辐射泄露，那么TM模的能量被辐射出去，在基片集成波导的传输方向上就无法存在，所以SIW中只能存在TE模，而不存在TM模［7］。与传统金属波导谐振腔相同的是，用腔体设计滤波器的主要问题就是在同一个波导谐振腔内存在的不同的传播模式之间的相互干扰。

3 SIW方形谐振腔的设计

如图2是一个正方形的SIW腔体，介质基板材料为Rogers5880，介电常数εr=2.2，损耗角正切0.0009，基板厚度H=0.508mm，将波端口设置在相邻两个边上，就形成一个基础的SIW传输结构。

在基片集成波导中，传输的模为TEm0n模［3］（m，n ≥ 1），根据式（4），随着m、n的增大，其对应的频率会不断升高。为了实现小型化，设计中主要利用存在的TE101模，TE102模，TE201模，TE202模进行设计［8～9］。根据式（4）当SIW腔体的宽度W等于长度L时，TE102模的频率等于TE201模的频率。本文设计的基片集成波导滤波器在带宽内传输的模为TE102模和TE201模。虽然两个正方形SIW腔体传输的模式不同，但是当边长相同时，它们的工作频率也是相同的。

4 滤波器的结构

用一个SIW腔体设计滤波器，由于多种模式共存的干扰，存在一定的难度，本文采用两个SIW腔体分别对通带的上边带和下边带进行抑制，分别用HFSS软件进行仿真，分别实现预想的抑制效果之后，再将两个腔体进行连接，再对整体性能进行软件仿真和优化［10］。分析图2可以发现，当两个端口都处于中间位置时，对于TE102模和TE201模，总有一个端口处于场分布最弱的位置，不利于模式的传输。可以考虑通过移动端口位置来改善其性能［11］。

图2 SIW方形谐振腔

图3 SIW谐振腔的几种传输模式

将图2的结构进行优化，在port2端口位置不变的情况下，将port1端口向左移动W_P1，使得两个端口处于TE102模场分布最强的位置。并在右下角加入微扰孔，对通带的下边带的抑制增加，最终得到的仿真结果，W_P1对S21的影响如图4（a）。在图2的基础上将port1与port2向右下角同时移动W_P2，传输TE201模和TE201模的同时对通带的上阻带进行了抑制，W_P2对上阻带抑制的效果进行软件仿真优化，W_P2对上边带抑制的效果如图5。

图4 两种SIW腔的结构

优化后的两种腔体如图4所示，两个正方形腔体的介质基板与基片大小完全一样，正方形介质基板边长P=20mm，正方形SIW谐振腔边长L=16.5mm，端口微带线宽度W=2.1mm，通孔直径d=0.5mm，通孔间距 S=0.2mm，S_via=1.6mm，W_P1=1.5mm，W_P2=1.4mm。两个谐振腔工作在TE102和TE201模式，根据式（4），两个腔体的工作频率一致。

图5 两种SIW方形腔的仿真效果

将仿真优化后的两种结构进行连接，连接后的结构图如图5所示。经过HFSS软件优化，得到微带线的最佳传输长度。SIW滤波器的仿真结果如图6所示，滤波器中心频率ƒ0=16GHz，3dB带宽BW=0.9GHz，相对带宽5.6%，带宽内回波损耗S11小于-15dB，插入损耗S21大于-1.2dB，同时对两侧阻带的带外抑制小于-40dB，同时矩形系数良好，在左侧形成一个传输零点，位于13.8GHz，右侧形成两个传输零点，分别位于17GHz与19.5GHz。该滤波器具有体积小，易于集成等优点。

图5 滤波器的结构图

图6 滤波器的仿真结果

5 结语

本文首先对基片集成波导基本理论和方形谐振腔的传播模式进行研究，利用TE102模和TE201模在SIW方形谐振腔的传播特性，设计两个可以分别对通带的低阻带和高阻带进行抑制的SIW方形谐振腔，利用HFSS软件进行优化仿真，得到理想结果后，通过微带线将两个谐振腔进行连接，得到一个高选择性的SIW滤波器。滤波器可利用PCB技术加工，具有小型化，可集成度高等优点。