混合耦合型消逝?；刹▽?dǎo)濾波器

黃永茂 陳艾 趙乙

摘? 要：文章提出了一種混合耦合互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型消逝?；刹▽?dǎo)濾波器。面對面互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型基片集成波導(dǎo)傳輸線單元可支持消逝模傳播，實(shí)現(xiàn)電尺寸小型化，有效縮減物理尺寸。而通過基片集成波導(dǎo)和互補(bǔ)開環(huán)諧振器的混合耦合，可在諧振頻率上阻帶產(chǎn)生一個(gè)傳輸零點(diǎn)，提升單元選擇性。然而，僅由一個(gè)傳輸零點(diǎn)實(shí)現(xiàn)的選擇性在某些工程應(yīng)用中難以滿足需求。針對該問題，文章對面對面互補(bǔ)開環(huán)諧振器進(jìn)行改進(jìn)，構(gòu)建具有內(nèi)部混合耦合結(jié)構(gòu)的雙模諧振器，在單元諧振頻率的下阻帶產(chǎn)生一個(gè)新的傳輸零點(diǎn)，增強(qiáng)單元選擇性。為了驗(yàn)證上述想法，基于該諧振器實(shí)現(xiàn)了一個(gè)消逝模濾波器，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其性能良好，尺寸緊湊，有望用于實(shí)際工程。

關(guān)鍵詞：混合耦合;基片集成波導(dǎo);帶通濾波器

中圖分類號：TN713? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2020）03-0039-02

Abstract： A mixed-coupled complementary open-loop resonator loaded evanescent mode substrate integrated waveguide filter is presented in this paper. The substrate integrated waveguide transmission line unit loaded with face-to-face complementary open-loop resonator can support evanescent mode propagation， realize electrical size miniaturization and effectively reduce physical size. Through the mixed coupling of the substrate integrated waveguide and the complementary open-loop resonator， a transmission zero can be generated in the stopband on the resonant frequency and the unit selectivity can be improved. However， the selectivity realized by only one transmission zero is difficult to meet the demand in some engineering applications. In order to solve this problem， the face-to-face complementary open-loop resonator is improved to construct a dual-mode resonator with internal mixed coupling structure， which produces a new transmission zero in the lower stopband of the unit resonant frequency to enhance the unit selectivity. In order to verify the above idea， a vanishing mode filter is realized based on the resonator. the experimental results show that it has good performance and compact size， and is expected to be used in practical engineering.

Keywords： hybrid coupling; substrate integrated waveguide; bandpass filter

基片集成波導(dǎo)（substrate integrated waveguide， SIW）因其平面化、高品質(zhì)因數(shù)、高功率容量等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用于微波電路與天線的設(shè)計(jì)[1]。然而，受其大物理尺寸局限，多數(shù)SIW的文獻(xiàn)側(cè)重于基礎(chǔ)理論研究，鮮有關(guān)于其射頻工程應(yīng)用的相關(guān)報(bào)道。事實(shí)上，SIW的主模截止頻率主要由其橫向?qū)挾却_定。當(dāng)工作頻率相同時(shí)，SIW的尺寸常大于對應(yīng)的微帶電路尺寸，因此，對射頻和低頻微波應(yīng)用而言，SIW技術(shù)存在尺寸劣勢[2]。

為了縮減SIW的物理尺寸，國內(nèi)外學(xué)者提出了多種方法。其中，基于超表面結(jié)構(gòu)加載的消逝模SIW可在傳統(tǒng)SIW的截止區(qū)實(shí)現(xiàn)導(dǎo)波傳輸，因而備受關(guān)注[1-3]。2009年，文獻(xiàn)[1]提出了互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型SIW，并對其濾波器應(yīng)用進(jìn)行了詳細(xì)分析。然而，這類單元的傳輸阻帶上僅有一個(gè)由互補(bǔ)開環(huán)諧振器和SIW之間的混合耦合產(chǎn)生、位于上阻帶的傳輸零點(diǎn)，其選擇性常難以滿足對濾波器有特殊要求的實(shí)際工程需求。為解決該問題，文獻(xiàn)[1]和[2]均利用反向邊對邊互補(bǔ)開環(huán)諧振器結(jié)構(gòu)產(chǎn)生混合耦合，在諧振頻率下阻帶形成一個(gè)零點(diǎn)。

針對濾波器的選擇性問題，本文提出了另一種混合耦合結(jié)構(gòu)，可在濾波器的下阻帶產(chǎn)生一個(gè)額外零點(diǎn)，提升其選擇性并保持電路尺寸緊湊。

1 混合耦合互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型SIW濾波器

1.1 基本單元

圖1給出了所提出的混合耦合互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型SIW單元的幾何結(jié)構(gòu)及其等效電路模型。當(dāng)電磁波以主模傳輸進(jìn)入單元時(shí)，其縱向中心線兩邊結(jié)構(gòu)不同，會(huì)產(chǎn)生獨(dú)特電磁響應(yīng)，使得該單元的傳輸特性與常規(guī)面對面互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載SIW的傳輸特性顯著不同：環(huán)形槽為SIW和互補(bǔ)開環(huán)諧振器之間提供容性耦合，而環(huán)形槽開口處金屬為二者之間提供感性耦合，進(jìn)而形成混合耦合，可為單元產(chǎn)生上阻帶傳輸零點(diǎn)。面對面互補(bǔ)開環(huán)諧振器中間金屬帶為二者提供感性耦合，而新加的連接槽則在二者間形成顯著容性耦合，進(jìn)而產(chǎn)生較強(qiáng)的混合耦合，為單元產(chǎn)生下阻帶傳輸零點(diǎn)。

為了更加直觀地理解圖1（a）所示單元的傳輸特性，采用三維電磁仿真軟件ANSYS Electronics對該單元進(jìn)行全波電磁仿真。仿真設(shè)置單元的介質(zhì)基板選為Rogers Kappa438，厚度為1.524mm、相對介電常數(shù)？著r為4.38、損耗角正切為0.005。幾何尺寸為：a=0.6、b=7、c=e=0.6、d=1.0、R=0.3、p=1.0、w=16（單位為mm）。圖1（b）給出了該單元的本征奇模電場矢量分布，其諧振頻率fo為1.83GHz，無載品質(zhì)因數(shù)Qu為132.6;圖1（c）的偶模電場矢量分布對應(yīng)諧振頻率fe為2.18GHz，無載品質(zhì)因數(shù)Qu為127.5。顯然，單個(gè)混合耦合互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型SIW單元中同時(shí)存在奇模與偶模諧振模式，是雙模諧振器。

圖2 本文所提單元的四個(gè)寄生模式電場強(qiáng)度分布

諧振單元的寄生模式對濾波器阻帶特性具有重要影響。圖2給出了本文所提單元的四個(gè)寄生模式電場強(qiáng)度分布。如圖2（a）和2（b）所示，該單元的第一、二階寄生模式的諧振頻率分別為6.42GHz和6.64GHz，無載品質(zhì)因數(shù)分別為183.5和228.2。對比這兩個(gè)模式可發(fā)現(xiàn)，二者為奇偶模，難以形成寄生通帶。圖2（c）和2（d）給出了該單元的第三、四階寄生模式，其諧振頻率分別為9.84GHz和9.87GHz，無載品質(zhì)因數(shù)分別為248.1和209.5。對比這兩個(gè)模式不難發(fā)現(xiàn)，二者相對獨(dú)立，因而會(huì)引起寄生通帶。

1.2 消逝模濾波器

為了論證上述混合耦合機(jī)理的有效性，本文設(shè)計(jì)了一個(gè)基于該單元的消逝模濾波器，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。該濾波器由混合耦合互補(bǔ)開環(huán)諧振器加載型SIW單元和50歐姆微帶線組成。在諧振單元和微帶線間采用“微帶-SIW”直接過渡實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，有利于縮減尺寸。最后，采用全波仿真軟件對該濾波器進(jìn)行建模與仿真，得到優(yōu)化后的幾何尺寸如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述設(shè)計(jì)的有效性，采用機(jī)械鑿刻工藝加工了一個(gè)濾波器樣品。加工所用介質(zhì)基板是厚度為1.524mm的Rogers Kappa438材料。完成機(jī)械鑿刻后，采用液態(tài)銀漿澆灌過孔，實(shí)現(xiàn)金屬化。最終完成的濾波器樣品實(shí)物照片如圖4中插圖所示，其核心部分物理尺寸為17mm×8mm，等效電尺寸為0.015，結(jié)構(gòu)緊湊。其中，和0分別是2GHz的導(dǎo)波波長和真空波長，且存在關(guān)系：。

采用安立37347C矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對濾波器樣品進(jìn)行測試。從圖4可知，濾波器的仿真與測試結(jié)果一致性高：中心工作頻率為2.0GHz，相對帶寬為21%，通帶內(nèi)插損不超過1.5dB。同時(shí)，濾波器還具有兩個(gè)傳輸零點(diǎn)，分別位于1.0GHz和4.1GHz處，選擇性較好。

圖4 本文所提濾波器的仿真與測試結(jié)果

3 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了一款尺寸緊湊的消逝模SIW濾波器。在SIW中的兩個(gè)面對面互補(bǔ)開環(huán)諧振器間引入連接槽，構(gòu)建混合耦合型電磁結(jié)構(gòu)，在單元諧振頻率的下阻帶產(chǎn)生一個(gè)新的傳輸零點(diǎn)，有效提升了單元選擇性?；谠搯卧獙?shí)現(xiàn)的消逝模濾波器同時(shí)具有高選擇、寬阻帶、小型化等特點(diǎn)，有望在未來的射頻系統(tǒng)中得到應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

[1]Y. D. Dong， et al. Substrate integrated waveguide loaded by complementary split-ring resonators and its applications to miniaturized waveguide filters[J]. IEEE Trans. Microw. Theory Tech.， 2009，57（9）：2211-2223.

[2]M. Danaeian， et al. Compact bandpass filter based on SIW loaded by open complementary split-ring resonators[J]. Int. J. RF Microw. Comput. Aided Eng.， 2016，26（8）：674-682.

[3]Azad A R， Mohan A. Sixteenth-mode substrate integrated waveguide bandpass filter loaded with complementary split-ring resonator[J]. Electron. Lett.， 2017，53（8）：545-547.