一種加載F型電磁帶隙的多層SIW帶通濾波器*

楊 君，許林青，張仕順，徐 娟，趙建平

（曲阜師范大學(xué)，山東 曲阜 273165）

0 引 言

電磁帶隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）結(jié)構(gòu)是一種周期性慢波結(jié)構(gòu)。它的帶阻特性能夠使特定阻抗頻段內(nèi)的電磁波完全不能在其中傳輸，具有明顯的禁帶特性。它的制作簡單、體積小、便于集成等優(yōu)點，使其得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在天線、濾波器等方面[1]。

隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，微波電路和射頻無源器件在無線電系統(tǒng)中扮演著越來越重要的角色。由于頻率資源日漸緊張，實際應(yīng)用對微波、毫米波系統(tǒng)工作質(zhì)量和頻帶的要求越來越苛刻。所以，在保證器件性能的前提下，實現(xiàn)產(chǎn)品小型化是一種必然趨勢。為了滿足無線通信技術(shù)的要求，提出了一種新型導(dǎo)波結(jié)構(gòu)——基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide，SIW）[2]。它具備了損耗低、品質(zhì)因數(shù)高、功率容量大、體積小、易于與其他元器件集成的優(yōu)點。SIW自身的優(yōu)異性能使其被廣泛應(yīng)用到了微波、毫米波電路的各個領(lǐng)域，尤其是在衛(wèi)星通信和無線基站等方面應(yīng)用[3]。

如圖1所示，基片集成波導(dǎo)是將傳統(tǒng)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)集成在介質(zhì)基片中，上下兩層金屬片，中間填充介質(zhì)。與矩形波導(dǎo)不同的是，它采用雙排平行的周期金屬通孔限制電磁波的傳輸，將電磁波限制在壁內(nèi)空間傳播，起到電壁的作用。

圖1 SIW基本結(jié)構(gòu)

然而，SIW濾波器的兩側(cè)是金屬通孔，而金屬通孔之間存在間隙，使得SIW濾波器具有一定的能量泄露。根據(jù)經(jīng)驗公式，當金屬通孔直徑d，金屬通孔圓心間距p，SIW的寬度wa和波長λg滿足式（1）～式（3）時，能量泄露將足夠小，可以忽略不計[4]。

本文設(shè)計的濾波器中心頻率為24 GHz，相對帶寬約40%，回波損耗小于-10 dB，插入損耗小于-25 dB。在HFSS中建立模型仿真，介質(zhì)基片是介電常數(shù)為2.94的羅杰斯6002，高度h為0.508 mm。

1 雙層SIW帶通濾波器

相對于微帶線濾波器，SIW濾波器的尺寸仍然不夠小。為了減小濾波器的尺寸，SIW濾波器引入了雙層概念[5]。雙層SIW濾波器的電磁耦合拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，位于同一層諧振腔之間的磁耦合是通過諧振腔之間的電感窗口實現(xiàn)的，而兩層介質(zhì)基板之間的電耦合則是通過蝕刻在中間層上的圓型通孔實現(xiàn)的。

圖2 雙層SIW濾波器耦合拓撲結(jié)構(gòu)

圖3是兩層SIW帶通濾波器的結(jié)構(gòu)圖，尺寸如下：W=8.4 mm，d=0.4 mm，wa=6.07 mm，w50=1.27 mm，b=3.83 mm，b1=1.9 mm，b2=2.4 mm，L=14 mm，L1=11.2 mm，p=0.22 mm，p1=0.18 mm。 圖 4是HFSS的仿真結(jié)果圖。從插入損耗看，該濾波器的高頻具有較好的帶外截止性能，但是低頻端的帶外截止性能相對較差。

圖3 雙層SIW帶通濾波器結(jié)構(gòu)

圖4 HFSS仿真結(jié)果

2 加載F-EBG雙層SIW帶通濾波器

2.1 F-EBG結(jié)構(gòu)的性能分析

EBG結(jié)構(gòu)是周期性結(jié)構(gòu)，其周期性引發(fā)散射波相位的周期分布，各單元的散射波造成反相疊加而相互抵消，形成頻率帶隙。EBG結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是基于帶隙的存在，因此電磁帶隙可以起到對電磁波的阻帶作用。所以，將EBG結(jié)構(gòu)應(yīng)用到SIW中，可以實現(xiàn)濾波作用。EBG是一種高等效性結(jié)構(gòu)，圖5為單個F-EBG的相位變化。由相位變化可知，F(xiàn)-EBG結(jié)構(gòu)在39 GHz處出現(xiàn)-90°的相位反轉(zhuǎn)，因此可以將其等效為諧振腔加載電感結(jié)構(gòu)。圖6為它的等效電路。

圖5 F-EBG結(jié)構(gòu)的相位變化

圖6 F-EBG的等效電路

圖7是單個F-EBG的阻抗特性圖。

圖7 F-EBG阻抗特性

對比圖5和圖7可以看到，在相位反轉(zhuǎn)處，F(xiàn)-EBG出現(xiàn)高阻特性。鑒于F-EBG的帶阻特性和高等效性，將F-EBG引入SIW帶通濾波器中，利用其使特定阻抗頻段內(nèi)的電磁波完全不能在其中傳輸?shù)奶匦裕瑢-EBG利用到SIW帶通濾波器的低頻端，提高低頻端的頻帶選擇性。

2.2 加載F-EBG雙層SIW帶通濾波器

為了提高雙層SIW濾波器低頻端的帶外截止性能，本文提出了加載F-EBG結(jié)構(gòu)的雙層SIW帶通濾波器[6]。在雙層SIW濾波器的上下兩層金屬上，分別加載相同的F-EBG，通過調(diào)節(jié)F-EBG的大小和個數(shù)，對SIW濾波器進行優(yōu)化得到最終的結(jié)果。圖8是上下金屬貼片分別加載單個F-EBG的SIW帶通濾波器結(jié)構(gòu)圖。

圖8 加載單個F-EBG的SIW濾波器結(jié)構(gòu)

圖9為加載不同個數(shù)F-EBG的SIW帶通濾波器的差值損耗仿真結(jié)果?？梢钥吹?，通過加載F-EBG，提高了高頻處的頻率截止性；隨著F-EBG個數(shù)的增加，低頻段處產(chǎn)生一個明顯的傳輸零點，明顯提高了通帶選擇性。當分別加載3個F-EBG結(jié)構(gòu)時，SIW的帶外截止性能最好。

圖9 加載不同個數(shù)F-EBG仿真結(jié)果

圖10是上下分別加載3個F-EBG的SIW濾波器結(jié)構(gòu)圖。該濾波器尺寸如下：W=8.3 mm，wa=0.4 mm，wa=6.07 mm，w50=1.27 mm，b=3.83 mm，b1=1.9 mm，b2=2.4 mm，L=15.7 mm，L1=11.17 mm，p=0.21 mm，p1=0.18 mm。

圖10 加載3個F-EBG的SIW濾波器結(jié)構(gòu)

圖11是上下金屬貼片分別加載3個F-EBG的仿真結(jié)果圖?？梢钥吹剑摓V波器實現(xiàn)了中心頻率是24 GHz，保持了40%的帶寬，且通帶內(nèi)相對平滑，最小通帶插入損耗為30.9 dB，而回波損耗大于10 dB。通過加載F-EBG，分別在17.4 GHz和31.2 GHz處產(chǎn)生兩個傳輸零點，通過引入傳輸零點，提高了該濾波器的截至特性，從而改進該濾波器的通帶選擇性和帶外抑制性?？梢?，該過濾器具有體積小、一體化程度高的特點，同時保持了很好的通帶選擇性和帶外截止性。

圖11 加載3個F-EBG仿真結(jié)果

3 結(jié) 語

本文提出了一個四階雙層SIW帶通濾波器，為了提高低頻端的帶外抑制性能，分別在上下兩層金屬貼片上加載F型電磁帶隙，通過對F-EBG不同方向的調(diào)整，證明了加載F-EBG可以有效提高雙層SIW的通帶選擇性，使得濾波器的實現(xiàn)形式更加靈活。

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