一種毫米波基片集成波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)*

鐘麗，張先榮

一種毫米波基片集成波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)*

鐘麗1，張先榮2

（1.成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610041；2.中國(guó)西南電子技術(shù)研究所微系統(tǒng)中心，四川 成都 610036）

基于基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制作了一款小型化毫米波SIW帶通濾波器。對(duì)該濾波器的耦合結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了理論分析和計(jì)算，并使用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)濾波器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真。該帶通濾波器中心頻率為30.7 GHz，在通帶29.8 GHz—31.6 GHz頻率范圍內(nèi)，其插損低于2.75 dB，反射參數(shù)小于-13 dB；在通帶外35 GHz處，其抑制大于50 dB。測(cè)試結(jié)果表明，該毫米波濾波器性能良好，測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

毫米波 基片集成波導(dǎo) 帶通濾波器

1 引言

近年來(lái)，無(wú)線通信和微波毫米波射頻技術(shù)都得到了快速發(fā)展。濾波器作為射頻系統(tǒng)中關(guān)鍵的無(wú)源器件之一，其結(jié)構(gòu)的大小及性能指標(biāo)的優(yōu)劣一直都受到工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的極大關(guān)注。

典型的波導(dǎo)濾波器由于具有高Q值、高功率容量、低插損等優(yōu)點(diǎn)被大量地運(yùn)用于各類地面、車載通信，雷達(dá)系統(tǒng)等平臺(tái)。然而波導(dǎo)濾波器因其體積大、成本高等，在機(jī)載、星載等體積和質(zhì)量受到嚴(yán)格限制的平臺(tái)上的應(yīng)用受到極大的限制[1-2]。

微帶濾波器具有體積小、易于與平面電路集成、加工精度高等優(yōu)勢(shì)，在微波、毫米波等射頻電路中得到大量運(yùn)用。但微帶濾波器Q值低，尤其是在毫米波及更高的頻段上，其產(chǎn)生的高輻射損耗會(huì)對(duì)系統(tǒng)指標(biāo)造成較為嚴(yán)重的影響，故其在高頻段的運(yùn)用受到了極大約束。

基片集成波導(dǎo)（SIW，Substrate IntegratedWaveguide）在結(jié)構(gòu)上擁有與金屬波導(dǎo)相一致的電磁特性，并且還具有與微帶電路相似的體積小、重量輕、易與平面電路集成、適合大規(guī)模生產(chǎn)等獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，自提出以來(lái)便受到業(yè)界的極大關(guān)注，得到了快速發(fā)展[3-4]。利用SIW技術(shù)設(shè)計(jì)制作的濾波器、天線等產(chǎn)品，被迅速、廣泛地應(yīng)用在了體積、質(zhì)量等受到嚴(yán)格限制的機(jī)載、星載等射頻電路系統(tǒng)中[5-9]。

另外，毫米波自身具備波長(zhǎng)短、頻帶寬，抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)，故毫米波系統(tǒng)在電子對(duì)抗、雷達(dá)系統(tǒng)等方面都得到了很好地運(yùn)用和發(fā)展[10]。

為了兼顧毫米波系統(tǒng)中濾波器功率容量高、體積小、易與平面集成等要求，本文從SIW結(jié)構(gòu)出發(fā)，設(shè)計(jì)了一款毫米波SIW濾波器，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。

2 SIW濾波器的設(shè)計(jì)

2.1 SIW濾波器結(jié)構(gòu)介紹

SIW濾波器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，用兩排或更多的金屬通孔通過(guò)周期排列來(lái)代替金屬波導(dǎo)的側(cè)壁，上下兩層為金屬層，并通過(guò)金屬通孔相連，兩排金屬孔的間距為W，金屬孔的直徑為d，相鄰?fù)字g的間距為s，介質(zhì)層的厚度用h表示。

圖1 SIW濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 濾波器指標(biāo)要求

本文所設(shè)計(jì)的毫米波SIW帶通濾波器指標(biāo)要求如下：中心頻率f0=30.7 GHz，通帶帶寬BW=1.8 GHz，通帶外35 GHz處的帶外抑制大于50 dB，反射小于-15 dB，輸入和輸出阻抗均為50 Ω的傳輸線結(jié)構(gòu)。

2.3 濾波器設(shè)計(jì)原理

根據(jù)2.2節(jié)中濾波器的技術(shù)指標(biāo)要求，通過(guò)對(duì)濾波器的結(jié)構(gòu)及后續(xù)加工難度等因素進(jìn)行評(píng)估，最終選用Chebyshev型，整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)需要5階才能滿足指標(biāo)要求。根據(jù)文獻(xiàn)，利用耦合系數(shù)法，可得到濾波器的歸一化M耦合矩陣如公式(1)[11-12]：

僅獲得M矩陣還不能直接根據(jù)此耦合參數(shù)建立起濾波器的物理結(jié)構(gòu)，還需將公式(1)中的M矩陣耦合系數(shù)轉(zhuǎn)換為可用物理結(jié)構(gòu)具體實(shí)現(xiàn)的K系數(shù)，具體轉(zhuǎn)換對(duì)應(yīng)關(guān)系如公式(2)所示：其中，Kij是相鄰諧振器之間的耦合系數(shù)，n代表濾波器的階數(shù)（本文中濾波器的階數(shù)為5），F(xiàn)BW為濾波器的相對(duì)帶寬，相對(duì)帶寬表達(dá)式如公式(3)所示：

公式(3)中的f2、f1、f0分別是濾波器通帶高端、低端和通帶中心頻率。由公式(1)減去公式(3)計(jì)算得到的具體的M系數(shù)和K系數(shù)的數(shù)值如表1所示：

表1 M系數(shù)和K系數(shù)的關(guān)系表

表1中，MS1、KS1分別表示源與第1個(gè)諧振腔之間的M矩陣和K矩陣耦合系數(shù)；M5L、K5L表示負(fù)載與第5個(gè)諧振腔之間的M矩陣和K矩陣耦合系數(shù)。

獲得濾波器的K系數(shù)后，還需獲取端口與其相連的諧振腔的外部Q值。為了簡(jiǎn)化整個(gè)濾波器的結(jié)構(gòu)，便于具體設(shè)計(jì)，濾波器采用了對(duì)稱設(shè)計(jì)。因此，外部Q值可根據(jù)公式(4)進(jìn)行計(jì)算，所以得到：

根據(jù)表1以及公式(3)和公式(4)，可得到QS1=Q5L=14.7。

2.4 濾波器的仿真

根據(jù)以上分析得到了諧振器之間的耦合系數(shù)，再利用電磁仿真軟件HFSS建立起SIW濾波器的初始模型，然后通過(guò)調(diào)整模型結(jié)構(gòu)尺寸可獲得比較好的S參數(shù)，而后再進(jìn)行仿真優(yōu)化?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中LTCC（Low Temperature Co-fired Ceramic，低溫共燒陶瓷）產(chǎn)品的介電常數(shù)、損耗角正切等對(duì)濾波器體積、熱穩(wěn)定性、損耗等指標(biāo)的影響，選用一種適用于微波射頻電路的LTCC生胚介質(zhì)材料Ferro A6M作為SIW濾波器的基板材料，其介電常數(shù)為5.9，損耗角正切0.001 5，基片厚度設(shè)置為0.254 mm，金屬層厚度設(shè)為0.018 mm。所有通孔均做金屬化處理，濾波器對(duì)外的輸出、輸入接口均設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω微帶線結(jié)構(gòu)。

最后通過(guò)仿真優(yōu)化，得到具體的濾波器物理尺寸：d=0.2 mm，s=0.38 mm，L1=2.61 mm，L2=3.01 mm，L3=3.08 mm，W0=0.95 mm，W1=1.62 mm，W2=1.54 mm，W3=1.51 mm，W=3.06 mm（如圖3所示，L表示孔間的距離）。

仿真的模型和結(jié)構(gòu)參數(shù)含義如圖2和圖3所示，仿真得到的濾波器S參數(shù)如圖4所示。

圖2 SIW濾波器仿真模型

圖3 SIW濾波器結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 仿真得到的SIW濾波器S參數(shù)圖

3 濾波器的實(shí)物加工與測(cè)試

根據(jù)第2節(jié)仿真優(yōu)化得到的物理尺寸，對(duì)濾波器進(jìn)行了實(shí)物加工。具體通過(guò)LTCC工藝進(jìn)行基板制作和打孔，再利用薄膜工藝完成基板上的金屬層圖形制作，最后得到的濾波器實(shí)物如圖5所示。整個(gè)濾波器結(jié)構(gòu)長(zhǎng)25 mm，寬3.3 mm。

圖5 SIW濾波器實(shí)物圖

對(duì)加工完成的濾波器實(shí)物進(jìn)行了性能指標(biāo)測(cè)試。整個(gè)測(cè)試在常溫環(huán)境下進(jìn)行，測(cè)試時(shí)將濾波器背面粘接在一個(gè)金屬測(cè)試臺(tái)中，兩端通過(guò)金絲鍵合與一段50 Ω微帶傳輸線相連，再將測(cè)試臺(tái)上K接頭的探針焊接于微帶線上進(jìn)行測(cè)試。作為整個(gè)測(cè)試用的輸入、輸出端口，K接頭再通過(guò)轉(zhuǎn)換接頭連接于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的接口上。實(shí)物測(cè)試連接圖如圖6所示：

圖6 SIW濾波器實(shí)物測(cè)試圖

通過(guò)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀得到的SIW濾波器S參數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖7和圖8所示，從測(cè)試結(jié)果可以看出，在濾波器通帶29.6 GHz—31.4 GHz范圍內(nèi)，其最大插損為4.25 dB；反射參數(shù)除了在30 GHz附近稍差以外，在其余頻率下均小于-13 dB；在通帶外35 GHz處，其抑制大于50 dB?？鄢郎y(cè)試時(shí)用于連接的微帶線、K接頭及金絲鍵合等帶來(lái)的損耗，實(shí)際濾波器在通帶內(nèi)的插損約為2.75 dB，整體測(cè)試性能良好。從仿真和測(cè)試結(jié)果來(lái)看，整體的S參數(shù)性能吻合較好，但整個(gè)的頻率往低端偏移約200 MHz，帶內(nèi)的反射參數(shù)也比仿真數(shù)據(jù)稍差一些。原因在于，在SIW濾波器加工過(guò)程中介質(zhì)材料實(shí)際的介電常數(shù)偏差、基板實(shí)際厚度、孔間距的加工誤差以及測(cè)試采用的兩段微帶線及K接頭等都會(huì)對(duì)最終的測(cè)試結(jié)果造成不利的影響。下一步為減小測(cè)試誤差，可減小微帶線的長(zhǎng)度，提高加工精度，并選用探針測(cè)試臺(tái)來(lái)進(jìn)行測(cè)試。

圖7 S12參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果圖

圖8 S22參數(shù)實(shí)測(cè)結(jié)果圖

4 結(jié)論

采用基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)了一款毫米波帶通濾波器，本文對(duì)其實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行了理論分析，并利用電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行了仿真優(yōu)化，最后闡述了通過(guò)LTCC和薄膜等工藝技術(shù)進(jìn)行實(shí)物加工的過(guò)程，并對(duì)濾波器實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果表明，整個(gè)SIW毫米波濾波器性能良好、結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成，可廣泛應(yīng)用于毫米波電路與系統(tǒng)。

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Design of a Millimeter Wave Substrate Integrated Waveguide Filter

ZHONG Li1, ZHANG Xianrong2
(1. Chengdu Polytechnic, Chengdu 610041, China; 2. Microsystem Center, Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610036, China)

A miniaturized millimeter wave bandpass filter based on the substrate integrated waveguide (SIW) structure was designed and fabricated. The coupling structure parameters of the bandpass filter were analysed and calculated by coupling matrix synthesis techniques. The filter structure was simulated by 3D electromagnetic field analysis software HFSS. For the bandpass filter, the center frequency is 30.7 GHz, the pass band is from 29.8 GHz to 31.6 GHz, the insertion loss is below 2.75 dB, the reflection parameter is less than -13 dB and the suppression above 35 GHz is larger than 50 dB. Testing results show that the millimeter wave filter has good performance with the tested results in accordance with the simulation results.

millimeter wave substrate integrated waveguide (SIW) passband filter

鐘麗：碩士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任成都職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子信息工程系講師，主要研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、微波電路。

張先榮：工程師，博士畢業(yè)于電子科技大學(xué)，現(xiàn)任職于中國(guó)西南電子技術(shù)研究所微系統(tǒng)中心，主要研究方向?yàn)楹撩撞娐放c系統(tǒng)、微系統(tǒng)。

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.15.008

TN713

A

1006-1010(2017)15-0040-04

鐘麗,張先榮. 一種毫米波基片集成波導(dǎo)濾波器設(shè)計(jì)[J]. 移動(dòng)通信, 2017,41(15): 40-43.

四川省教育廳科研資助項(xiàng)目（17ZB0141）

2017-06-21

責(zé)任編輯：文竹 liuwenzhu@mbcom.cn