混合耦合型消逝模基片集成波导滤波器

作者:未知

  摘  要:文章提出了一种混合耦合互补开环谐振器加载型消逝模基片集成波导滤波器。面对面互补开环谐振器加载型基片集成波导传输线单元可支持消逝模传播,实现电尺寸小型化,有效缩减物理尺寸。而通过基片集成波导和互补开环谐振器的混合耦合,可在谐振频率上阻带产生一个传输零点,提升单元选择性。然而,仅由一个传输零点实现的选择性在某些工程应用中难以满足需求。针对该问题,文章对面对面互补开环谐振器进行改进,构建具有内部混合耦合结构的双模谐振器,在单元谐振频率的下阻带产生一个新的传输零点,增强单元选择性。为了验证上述想法,基于该谐振器实现了一个消逝模滤波器,实验结果表明其性能良好,尺寸紧凑,有望用于实际工程。
  关键词:混合耦合;基片集成波导;带通滤波器
  中图分类号:TN713         文献标志码:A         文章编号: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(substrate integrated waveguide, SIW)因其平面化、高品质因数、高功率容量等优点,被广泛用于微波电路与天线的设计[1]。然而,受其大物理尺寸局限,多数SIW的文献侧重于基础理论研究,鲜有关于其射频工程应用的相关报道。事实上,SIW的主模截止频率主要由其横向宽度确定。当工作频率相同时,SIW的尺寸常大于对应的微带电路尺寸,因此,对射频和低频微波应用而言,SIW技术存在尺寸劣势[2]。
  为了缩减SIW的物理尺寸,国内外学者提出了多种方法。其中,基于超表面结构加载的消逝模SIW可在传统SIW的截止区实现导波传输,因而备受关注[1-3]。2009年,文献[1]提出了互补开环谐振器加载型SIW,并对其滤波器应用进行了详细分析。然而,这类单元的传输阻带上仅有一个由互补开环谐振器和SIW之间的混合耦合产生、位于上阻带的传输零点,其选择性常难以满足对滤波器有特殊要求的实际工程需求。为解决该问题,文献[1]和[2]均利用反向边对边互补开环谐振器结构产生混合耦合,在谐振频率下阻带形成一个零点。
  针对滤波器的选择性问题,本文提出了另一种混合耦合结构,可在滤波器的下阻带产生一个额外零点,提升其选择性并保持电路尺寸紧凑。
  1 混合耦合互补开环谐振器加载型SIW滤波器
  1.1 基本单元
  图1给出了所提出的混合耦合互补开环谐振器加载型SIW单元的几何结构及其等效电路模型。当电磁波以主模传输进入单元时,其纵向中心线两边结构不同,会产生独特电磁响应,使得该单元的传输特性与常规面对面互补开环谐振器加载SIW的传输特性显著不同:环形槽为SIW和互补开环谐振器之间提供容性耦合,而环形槽开口处金属为二者之间提供感性耦合,进而形成混合耦合,可为单元产生上阻带传输零点。面对面互补开环谐振器中间金属带为二者提供感性耦合,而新加的连接槽则在二者间形成显著容性耦合,进而产生较强的混合耦合,为单元产生下阻带传输零点。   为了更加直观地理解图1(a)所示单元的传输特性,采用三维电磁仿真软件ANSYS Electronics对该单元进行全波电磁仿真。仿真设置单元的介质基板选为Rogers Kappa438,厚度为1.524mm、相对介电常数?着r为4.38、损耗角正切为0.005。几何尺寸为:a=0.6、b=7、c=e=0.6、d=1.0、R=0.3、p=1.0、w=16(单位为mm)。图1(b)给出了该单元的本征奇模电场矢量分布,其谐振频率fo为1.83GHz,无载品质因数Qu为132.6;图1(c)的偶模电场矢量分布对应谐振频率fe为2.18GHz,无载品质因数Qu为127.5。显然,单个混合耦合互补开环谐振器加载型SIW单元中同时存在奇模与偶模谐振模式,是双模谐振器。
  图2 本文所提单元的四个寄生模式电场强度分布
  谐振单元的寄生模式对滤波器阻带特性具有重要影响。图2给出了本文所提单元的四个寄生模式电场强度分布。如图2(a)和2(b)所示,该单元的第一、二阶寄生模式的谐振频率分别为6.42GHz和6.64GHz,无载品质因数分别为183.5和228.2。对比这两个模式可发现,二者为奇偶模,难以形成寄生通带。图2(c)和2(d)给出了该单元的第三、四阶寄生模式,其谐振频率分别为9.84GHz和9.87GHz,无载品质因数分别为248.1和209.5。对比这两个模式不难发现,二者相对独立,因而会引起寄生通带。
  1.2 消逝模滤波器
  为了论证上述混合耦合机理的有效性,本文设计了一个基于该单元的消逝模滤波器,其结构如图3所示。该滤波器由混合耦合互补开环谐振器加载型SIW单元和50欧姆微带线组成。在谐振单元和微带线间采用“微带-SIW”直接过渡实现阻抗匹配,有利于缩减尺寸。最后,采用全波仿真软件对该滤波器进行建模与仿真,得到优化后的几何尺寸如图3所示。
  2 实验
  为了验证上述设计的有效性,采用机械凿刻工艺加工了一个滤波器样品。加工所用介质基板是厚度为1.524mm的Rogers Kappa438材料。完成机械凿刻后,采用液态银浆浇灌过孔,实现金属化。最终完成的滤波器样品实物照片如图4中插图所示,其核心部分物理尺寸为17mm×8mm,等效电尺寸为0.015,结构紧凑。其中,和0分别是2GHz的导波波长和真空波長,且存在关系:。
  采用安立37347C矢量网络分析仪对滤波器样品进行测试。从图4可知,滤波器的仿真与测试结果一致性高:中心工作频率为2.0GHz,相对带宽为21%,通带内插损不超过1.5dB。同时,滤波器还具有两个传输零点,分别位于1.0GHz和4.1GHz处,选择性较好。
  图4 本文所提滤波器的仿真与测试结果
  3 结论
  本文实现了一款尺寸紧凑的消逝模SIW滤波器。在SIW中的两个面对面互补开环谐振器间引入连接槽,构建混合耦合型电磁结构,在单元谐振频率的下阻带产生一个新的传输零点,有效提升了单元选择性。基于该单元实现的消逝模滤波器同时具有高选择、宽阻带、小型化等特点,有望在未来的射频系统中得到应用。
  参考文献:
  [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.
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