圆形半模空气隙填充基片集成波导带通滤波器设计与实现

刘维红,宋维勇,穆 林

(西安邮电大学电子工程学院,陕西 西安 710121)

随着微波通信系统小型化、高性能需求的迅速发展,作为核心器件的微波滤波器如何减小体积和提高滤波器电学特性,日益成为工程技术人员关注的焦点之一。基片集成波导(SIW)滤波器具有低损耗、低成本、低剖面等优点[1],被广泛应用于微波滤波器的设计。

为了进一步减小微波滤波器体积,2007 年,洪伟等[2]首次提出半模基片集成波导(HMSIW)结构,并设计制作了HMSIW 滤波器,使得滤波器尺寸在原有的基础上减小了50%;2017 年,李明康等[3]对多模基片集成波导进行了研究,在不增加尺寸的情况下设计了多款小型化多模带通滤波器;2018 年,Nguyen 等[4]提出了空气隙填充基片集成波导(Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide,SAFSIW)结构,该结构在波导内部引入了空气介质,相较于传统SIW 结构降低了电磁波的传输损耗;2020 年,Nguyen 等[5]基于对SAFSIW 的研究,设计了一款低损耗三阶带通滤波器。

本文基于半模空气隙填充基片集成波导(Half Mode Slab Air Filled Substrate Integrated Waveguide,HMSAFSIW)结构优异的传输特性,利用一腔多模理论[6-7],通过加载金属化通孔以及径向槽实现对本征模谐振点的调节。通过引入空气隙,降低了谐振腔内部的损耗,在不增加尺寸的情况下设计了一款损耗较低的二阶宽阻带带通滤波器[8],并进行了实物制作和测试。

1 圆形HMSAFSIW 结构的设计与分析

本设计使用的基板材料为日本松下公司的双面覆铜LCP 柔性基板(R-F705S 42EC-M),板材相对介电常数为2.9,损耗角正切tanδ=0.0025。圆 形HMSAFSIW 谐振腔的结构如图1 所示,该谐振腔是一个半圆形结构,由一个圆形SIW 对称切割而来,谐振腔中芯板厚度为0.1 mm,金属化通孔沿半圆的圆周分布,上下两面由厚度为0.018 mm 的铜箔覆盖,实现电磁波的屏蔽。圆形HMSAFSIW 谐振腔结构主要特点是在谐振腔介质层引入了空气介质,空气介质的引入减小了高频下的介电损耗,提高了谐振腔的Q值[9],为实现低损耗高性能的滤波器设计奠定了基础。

图1 圆形HMSAFSIW 谐振腔结构图Fig.1 Schematic of the circular HMSAFSIW cavity

圆形HMSAFSIW 谐振腔的基模为TM 模,基模谐振频率和腔体尺寸的关系式如公式(1)所示。利用公式(1)可以确定谐振腔尺寸大小,通过分析谐振腔内电场分布情况,可以对腔内多个谐振模式进行调节,进而设计出满足要求的带通滤波器结构。

式中:a为圆形谐振腔半径;μ为磁导率;ε为介电常数。

利用高频仿真软件HFSS 对谐振腔进行本征模求解,根据表面电场分布,可以观察到不同的谐振模式[10]。谐振腔前三个谐振模式电场分布如图2 所示。图2(a)表示谐振腔的TM010模,其谐振频率为8.2 GHz,电场在切割线中心处最强;图2(b)为TM110模,谐振频率为13.2 GHz,其电场强度在谐振腔中心处最强;图2(c)为TM210模,谐振频率为17.5 GHz。

图2 圆形HMSIW 谐振腔中前三个谐振模式的电场Fig.2 Simulated E-fields of the first three resonant modes in the circular HMSIW cavity

基于以上分析,本文将利用一腔多模理论设计一款二阶带通滤波器[11]。通过调节谐振腔内基模TM010和高次模TM110的谐振频率,进行二阶带通滤波器的设计。

空气介质在谐振腔内的位置以及体积大小对谐振腔电磁特性影响较大,在设计圆形HMSAFSIW 谐振腔时,需尽量减小空气介质对通带主模TM010和TM110的影响。因此,空气介质主要放在TM210模电场最强处,以减小电磁波在谐振腔内的损耗。图3 表示空气介质在谐振腔内的位置分布图。

图3 圆形HMSAFSIW 谐振腔空气介质分布图Fig.3 Distribution of air in the circular HMSAFSIW cavity

2 滤波器的设计与分析

2.1 滤波器馈电结构设计

微带线直接对谐振腔进行馈电,由于阻抗失配会引起较大的反射损耗,因此需要对微带电路和谐振腔进行过渡匹配的设计。传统SIW 到微带的过渡结构设计中,渐变型微带结构是较为常用的方法[12],但是这种方法一般会增加滤波器的尺寸,为了减小过渡结构尺寸,本文参考渐变型微带结构,通过在谐振腔上表面导体内引入两条呈喇叭状的槽线(如图4 所示),实现了谐振腔和外部微带电路的低损耗小型化过渡匹配[13]。

图4 滤波器馈电端口结构图Fig.4 Structure of filter with two feed ports

2.2 滤波器通带的设计与分析

本文利用一腔多模理论进行滤波器通带的设计,分别对基模TM010和二次模TM110随金属通孔以及槽线结构尺寸的变化规律进行详细分析。

图2(a)表示圆形HMSIW 的基模电场图,其谐振频率为8.2 GHz,当在TM010电场中心处引入两个金属通孔后[14],TM010谐振频率增加到9.7 GHz,金属通孔对谐振频率有较大影响。图5 所示为S21曲线中TM010谐振频率随金属通孔直径d的变化趋势图,随着金属通孔的孔径增加,TM010谐振频率向高频移动,当d从0.05 mm 增加到0.2 mm 时,其谐振频率从9.7 GHz增加到10 GHz。

图5 TM010随金属通孔变化趋势图Fig.5 Simulated TM010 resonance frequency with different diameters of the via holes

图2(b)为圆形HMSIW 的TM110电场图,当没有槽线情况下,TM110谐振点为13.2 GHz。如果在电场最强处加载径向槽[15],TM110谐振点将随径向槽线的长度(L)的增加而向低频移动。图6 所示为S21曲线中TM110随槽线长度变化趋势图,当L从3 mm 增加到6 mm 时,TM110谐振频率从12 GHz 降低到10.6 GHz。

图6 TM110随槽线长度变化趋势图Fig.6 Simulated TM110 resonant frequency with different lengths of the slot line

空气介质为低损耗介质,通过在LCP[16]介质层引入空气介质,可以减小滤波器的插入损耗。在TM210电场处引入弧形空气介质隙,并通过改变空气介质隙的数量对插入损耗进行了分析。图7 表示引入空气介质后,滤波器中心频率处S21参数与空气隙数量N(N=1,2,3)的变化关系。由图7 可知,当空气隙在介质中占比越来越高,其插入损耗会明显降低。

图7 通带插入损耗随空气隙数量变化关系图Fig.7 S21 of SAFSIW filter with different number of air gaps filled in the SAFSIW cavity

3 滤波器加工与测试

综合上述分析,使用金属通孔和径向槽可以方便地调节TM010和TM110的谐振频率,进而实现一个宽阻带二阶带通滤波器。同时,通过在TM210处引入空气介质,可以减小滤波器插入损耗,优化滤波器的性能。在电磁仿真软件HFSS 中对滤波器尺寸进行优化仿真,最终圆形HMSAFSIW 带通滤波器的结构如图8 所示。

图8 圆形HMSAFSIW 带通滤波器结构图Fig.8 Structure of circular HMSAFSIW bandpass filter

设计得到的圆形HMSAFSIW 带通滤波器的仿真S参数如图9 所示,滤波器的中心频率为11 GHz,3 dB带宽为1 GHz,带内最小插入损耗为-1.6 dB,回波损耗均大于-22 dB;低阻带衰减在6 GHz 时达到-45 dB以下,高阻带衰减在15 GHz 时达到-21 dB 以下,上边带阻带带宽达到6 GHz。

图9 圆形HMSAFSIW 带通滤波器的仿真S 参数Fig.9 Simulated S-parameters of circular HMSAFSIW bandpass filter

为测试滤波器性能,对滤波器进行实物加工和测试,如图10 所示。如图10(a),HMSAFSIW 谐振腔空气介质部分通过使用双面导电铜胶带对其进行覆盖,防止电磁波的泄露,图10(b)为实物测试图。

图10 滤波器加工及测试图Fig.10 Photograph of fabricated and tested filter

图11 为圆形HMSAFSIW 带通滤波器实物测试的S参数。测试结果显示,滤波器中心频率为9.4 GHz,插入损耗为-2.6 dB,回波损耗优于-18 dB,3 dB 带宽为1.3 GHz,上边带阻带带宽为7 GHz,相比仿真结果,滤波器发生了1.6 GHz 的频偏。由图10(a)可知,在滤波器加工过程中,滤波器空气介质部分的屏蔽是利用导电铜箔胶带实现,因此很难保证导电铜箔胶带和滤波器表面铜箔的紧密连接,连接处缝隙的存在破坏了谐振腔上下两面铜箔的完整性,同时,由于滤波器工作频段较高,因此产生了较大的频偏和损耗。

图11 圆形HMSAFSIW 带通滤波器的实测S 参数Fig.11 Measured S-parameters of the circular HMSAFSIW bandpass filter

4 结论

本文基于圆形HMSAFSIW 谐振腔结构,利用一腔多模理论设计并实现了一款损耗较小的宽阻带带通滤波器。对圆形HMSAFSIW 谐振腔上加载的金属通孔直径大小、径向槽线长度对圆形HMSAFSIW 谐振腔中TM010和TM110谐振频率的影响规律进行了研究。结果表明,在TM010电场处加载金属通孔后,谐振频率从8.2 GHz 增加到9.7 GHz,随着金属通孔直径从0.05 mm 增加到0.2 mm,TM010谐振频率从9.7 GHz 增加到10 GHz;在TM110电场中心处加载径向槽线,TM110谐振频率随着槽线的增加向低频移动,当槽线长度从3 mm 增加到6 mm,TM110谐振频率从12 GHz 降低到10.6 GHz。同时,空气介质的引入大大改善了滤波器微波传输特性。该滤波器结构紧凑,带外抑制较好,可以被应用于X 波段通信系统。