高性能毫米波CSRR-SIW帶通濾波器研制

周 聰，董洪成，王禁城，蘇國東，2，王 翔，劉 軍

(1.杭州電子科技大學(xué)浙江省大規(guī)模集成電路設(shè)計重點實驗室，浙江 杭州 310018；2.毫米波國家重點實驗室，江蘇 南京 210096)

0 引 言

隨著后摩爾時代的到來，雷達(dá)、商用通信設(shè)備、電子戰(zhàn)武器等通信系統(tǒng)的小型化、高可靠性、高集成度迎來全新挑戰(zhàn)。微波濾波器在微波通信系統(tǒng)領(lǐng)域充當(dāng)著極其重要的角色，直接影響通信系統(tǒng)的整體性能。為了研制毫米波頻段應(yīng)用的高性能濾波器，一般將金屬腔體設(shè)計方法、印刷電路板(Printed Circuit Board，PCB)工藝、低溫共燒陶瓷(Low Temperature Co-fired Ceramic，LTCC)技術(shù)、集成無源器件(Integrated Passive Device，IPD)技術(shù)等引入毫米波濾波器的設(shè)計中[1]。相較于其他幾類技術(shù)，IPD技術(shù)可以將無源器件及其設(shè)計的電路做到更小型化、易集成和高性能。因此，采用IPD技術(shù)設(shè)計毫米波濾波器是實現(xiàn)高性能微波通訊系統(tǒng)的重要研究方向。文獻(xiàn)[2]基于硅襯底的IPD工藝設(shè)計了一款3.0～10.6 GHz可調(diào)諧陷波濾波器，通過雙間隙可調(diào)電容器實現(xiàn)了陷波頻率調(diào)諧。文獻(xiàn)[3]采用耦合電感器的方式，通過IPD工藝加工了3款中心頻率為28 GHz的帶通濾波器，頻帶寬度可達(dá)9.6 GHz。在GaAs襯底的IPD工藝上，文獻(xiàn)[4]設(shè)計了一款帶1/8波長耦合傳輸線和Marchand巴倫的帶通濾波器，并在終端加載電容器，解決了傳統(tǒng)巴倫無法控制奇偶模阻抗值的問題，減輕了大耦合系數(shù)產(chǎn)生的負(fù)面影響；文獻(xiàn)[5]設(shè)計了一款寬阻帶低通濾波器，在15～30 GHz的阻帶內(nèi)擁有30 dB的衰減量。研究人員嘗試采用IPD技術(shù)在基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide，SIW)上蝕刻不同形狀的并聯(lián)互補(bǔ)開口諧振環(huán)(Complementary Split-Ring Resonator，CSRR)，研制了30 GHz以下的帶通濾波器。但是，在毫米波頻段實現(xiàn)高性能帶通濾波器，依舊存在傳輸損耗較高、覆蓋頻帶較窄、尺寸過大等問題。所以，本文從SIW高通濾波特性和CSRR基本原理出發(fā)，采用硅基IPD技術(shù)，研制了一款工作于毫米波頻段加載并聯(lián)互補(bǔ)開口諧振環(huán)的基片集成波導(dǎo)(CSRR-SIW)帶通濾波器。

1 CSRR-SIW帶通濾波器的研制

SIW帶通濾波器的設(shè)計中，SIW的高通濾波特性、SIW與矩形波導(dǎo)的等效關(guān)系、CSRR工作原理等是分析濾波器特性、實現(xiàn)最優(yōu)化設(shè)計的基礎(chǔ)。在分析SIW帶通濾波器的實現(xiàn)原理和CSRR技術(shù)的基礎(chǔ)上，本文采用IPD工藝，通過改變CSRR物理結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析CSRR對帶通濾波器性能的影響，研制了一款工作于毫米波頻段的CSRR-SIW帶通濾波器。

1.1 SIW高通濾波特性

SIW結(jié)構(gòu)通過2列均勻排布的金屬過孔來打通多層金屬面和金屬材料之間的介質(zhì)，將電磁波限制在介質(zhì)基片金屬面以及均勻排布的2列金屬過孔之間，從而達(dá)到與矩形波導(dǎo)類似的高通濾波傳輸效果。SIW的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，SIW的2列金屬過孔的寬度為WSIW，金屬過孔的直徑為Dv，相鄰2個金屬過孔的距離為p。電磁波在SIW上傳播時的插入損耗和回波損耗主要由Dv和p決定，SIW尺寸的設(shè)計原則一般要求Dv<0.2λg，Dv/WSIW<0.2，Dv/p≥0.5，其中λg為矩形波導(dǎo)波長[6]。

圖1 基片集成波導(dǎo)基本結(jié)構(gòu)

SIW與矩形波導(dǎo)具有相似的傳輸效果，將SIW等效為矩形波導(dǎo)用于分析SIW的傳輸特性是普遍采用的設(shè)計方法。設(shè)矩形波導(dǎo)的寬度為WRWG，SIW與等效矩形波導(dǎo)的等效關(guān)系為[7]：

(1)

式中，

(2)

(3)

(4)

通過設(shè)計確定的WSIW，WRWG，Dv，p和相對介電常數(shù)εr，并定義電磁波在真空中傳播速度為vc，SIW中傳輸TE10模的截止頻率fcTE10為：

(5)

由式(5)可見，設(shè)計越高的截止頻率，需要提供越小的WRWG，這正好與毫米波頻段帶通濾波器設(shè)計小型化相契合。SIW的高通濾波特性能夠提供良好的低頻帶外抑制，但僅僅通過SIW不足以設(shè)計帶通濾波器。文獻(xiàn)[8]指出，在表面刻蝕開口諧振環(huán)及其變形結(jié)構(gòu)的SIW會產(chǎn)生消逝模效應(yīng)，即在截止頻率下，引入電容性單元，形成諧振，從而在波導(dǎo)截止頻率外產(chǎn)生通帶。所以，本文通過在SIW上加載開口諧振環(huán)的變形結(jié)構(gòu)CSRR研制了一款低插入損耗和良好帶外抑制效果的帶通濾波器，并采用共面波導(dǎo)互聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步降低匹配損耗。

1.2 CSRR-SIW帶通濾波器的參數(shù)設(shè)計及仿真

開口諧振環(huán)技術(shù)(Split-Ring Resonator，SRR)最早應(yīng)用于左手材料結(jié)構(gòu)單元，由2個方形開口金屬環(huán)開口相對嵌套而成[9]。通過在金屬平面刻蝕SRR結(jié)構(gòu)形狀，得到互補(bǔ)開口諧振環(huán)CSRR[10]，實現(xiàn)類似左手材料中介電常數(shù)和磁導(dǎo)率同時為負(fù)值的效果。Zhuang等[11]第一次將CSRR技術(shù)應(yīng)用到SIW帶通濾波器設(shè)計中，實現(xiàn)了良好的帶外抑制效果。本文研制的加載CSRR的SIW帶通濾波器上蝕刻的圓型CSRR基本結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，刻蝕線寬c、外環(huán)刻蝕半徑r和環(huán)間距d決定了CSRR環(huán)內(nèi)的諧振效果[10]。圓型CSRR金屬與金屬之間產(chǎn)生感應(yīng)電容C0，鑲嵌于內(nèi)外環(huán)之間的金屬則產(chǎn)生感應(yīng)電感L0，其等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2(b)所示。諧振回路的諧振頻率為：

(6)

圖2 圓形CSRR的基本結(jié)構(gòu)及等效拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研制的CSRR-SIW帶通濾波器結(jié)構(gòu)采用共面波導(dǎo)過渡到微帶、微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)的互聯(lián)方式，并在SIW高通濾波器上刻蝕2個開口相對的圓型CSRR，實現(xiàn)了較好的帶外抑制效果。相較于凹型過渡結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)擁有更大的靈活性。相較于錐型過度結(jié)構(gòu)，共面波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)在實現(xiàn)寬傳輸頻帶和低插入損耗的同時，使得帶通濾波器更加緊湊。為了實現(xiàn)SIW的高通效應(yīng)，根據(jù)SIW的一般設(shè)計規(guī)則與矩形波導(dǎo)等效方法將SIW的結(jié)構(gòu)參數(shù)WSIW設(shè)置為1 300 μm，Dv設(shè)置為50 μm，p設(shè)置為100 μm。采用三維全波電磁場仿真軟件建立的CSRR-SIW帶通濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示，其中W1，W2，W3，W4，L1為共面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的物理尺寸，c，d，r為圖2(a)中圓形CSRR結(jié)構(gòu)的尺寸參數(shù)，e為CSRR開口處的寬度，g為2個CSRR中心的距離。

圖3 CSRR-SIW帶通濾波器結(jié)構(gòu)示意圖

為了獲得高性能帶通濾波器，研究CSRR對SIW帶通濾波器的影響。將本文設(shè)計的CSRR-SIW帶通濾波器放入三維全波電磁場仿真軟件進(jìn)行仿真，帶通濾波器性能隨CSRR物理尺寸變化情況如圖4所示。從圖4(a)和(b)可以看出，調(diào)整CSRR的刻蝕線寬c和環(huán)間距d會使并聯(lián)諧振電容值變化，改變諧振頻率點，最終影響CSRR-SIW帶通濾波器的帶寬和通帶的截止頻率。從圖4(c)可以看出，減小外環(huán)刻蝕半徑r可以使傳輸零點往高頻移動，從而增強(qiáng)帶外抑制的效果，選擇過大的r值使得零點處于帶寬內(nèi)；從圖4(d)可以看出，增大開口e可以降低并聯(lián)諧振電感，使得零點向高頻處產(chǎn)生微小移動，相較于調(diào)整c和d，調(diào)整e對帶通濾波器影響不明顯。

圖4 CSRR-SIW帶通濾波器性能隨CSRR物理尺寸變化情況

結(jié)合CSSR的物理參數(shù)對SIW帶通濾波器的影響分析和SIW帶通濾波器小型化高性能設(shè)計的要求，本文通過設(shè)計優(yōu)化得到CSRR-SIW帶通濾波器的尺寸參數(shù)如下：對稱CSRR的刻蝕線寬c=40 μm，環(huán)間距d=40 μm，外環(huán)蝕刻半徑r=200 μm，CSRR中心至SIW中心線位置距離g=345 μm，共面波導(dǎo)線寬W1=250 μm，共面波導(dǎo)線長L1=600 μm，圖3中共面波導(dǎo)物理尺寸參數(shù)W2，W3和W4分別為75 μm，455 μm和50 μm。采用三維全波電磁場仿真軟件仿真得到CSRR-SIW帶通濾波器的插入損耗與回波損耗仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 CSRR-SIW帶通濾波器的插入損耗與回波損耗仿真結(jié)果

從圖5可以看出，通帶內(nèi)最低插入損耗為-2.38 dB，3dB帶寬通帶覆蓋范圍為36.8～57.2 GHz，中心頻率47 GHz的插入損耗為-2.54 dB，3dB帶寬達(dá)20.4 GHz，回波損耗在37.2～56.8 GHz頻帶范圍內(nèi)小于-9 dB，在諧振頻率65.5 GHz的衰減達(dá)到-37.4 dB。

2 CSRR-SIW帶通濾波器的加工與測試

采用硅基IPD工藝對本文研制的CSRR-SIW帶通濾波器進(jìn)行加工。圖6(a)為濾波器實物的示意圖。濾波器的寬度為1400 μm，長度為2540 μm，厚度為540 μm。采用Keysight的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對帶通濾波器進(jìn)行評估測試，并將測試數(shù)據(jù)與三維全波電磁場仿真軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 加工電路效果與測試環(huán)境

從圖6(b)可以看出，在通帶40.9 GHz處，最低插入損耗達(dá)到-1.07 dB，3dB帶寬通帶覆蓋35.9～56.6 GHz，在中心頻率46.2 GHz處的插入損耗為-1.20 dB，3dB帶寬達(dá)20.7 GHz，回波損耗在38.1～55.7 GHz頻帶范圍內(nèi)小于-10 dB，在諧振頻率65.5 GHz的衰減達(dá)到-33.6 dB。由于SIW的物理尺寸在實際加工中存在誤差，同時受仿真精度的影響，SIW的高通諧振頻率向低頻移動了0.9 GHz，改變了SIW的特性阻抗，使得匹配情況發(fā)生變化，最終影響到回波損耗。

對相關(guān)毫米波帶通濾波器的性能進(jìn)行綜合分析，結(jié)果如表1所示。

表1 相關(guān)毫米波帶通濾波器的設(shè)計性能

從表1可以看出，本文設(shè)計的CSRR-SIW帶通濾波器帶寬優(yōu)于文獻(xiàn)[12-15]，高頻帶外抑制性能優(yōu)于[12]和文獻(xiàn)[14]，在插入損耗方面優(yōu)于文獻(xiàn)[12-15]，所以本文研制的毫米波帶通濾波器具有一定的同行競爭力。

3 結(jié)束語

文中研制了一款35.8～56.6 GHz 低插入損耗的CSRR-SIW帶通濾波器。從矩形波導(dǎo)與SIW帶通濾波器的基礎(chǔ)理論入手，通過分析SIW的高通特性及CSRR物理參數(shù)對帶通濾波器性能的影響確定了帶通濾波器的物理模型，并選用適合微系統(tǒng)集成的硅基IPD制造工藝進(jìn)行加工，研制出寬頻帶、低插入損耗、強(qiáng)帶外抑制的CSRR-SIW帶通濾波器，為設(shè)計高性能、小型化、易集成的毫米波帶通濾波器提供借鑒方案。后續(xù)計劃繼續(xù)研究不同類型CSRR結(jié)構(gòu)加載方式，在確保低插入損耗的同時進(jìn)一步提高帶通濾波器的中心頻率和帶外抑制效果。