基于CSRR的K波段HMSIW帶通濾波器

　　1 引言

　　互補(bǔ)型開口諧振環(huán)(CSRR)是一種通過在導(dǎo)體上蝕刻環(huán)狀開口槽來產(chǎn)生負(fù)有效介電常數(shù)的結(jié)構(gòu)，在其諧振頻率附近會(huì)出現(xiàn)非常陡峭的阻帶傳輸特性?；刹▽?dǎo)(SIW)是一種近年來廣受關(guān)注的新型傳輸線結(jié)構(gòu)，它具有和填充了介質(zhì)的矩形波導(dǎo)類似的傳輸特性，并且可以集成在薄介質(zhì)基片上，方便的和其它平面微波器件相連，并且能用標(biāo)準(zhǔn)PCB工藝實(shí)現(xiàn)。SIW的寬度由工作頻段直接決定，這使其尺寸在較低的微波頻段仍然顯得偏大。文獻(xiàn)中報(bào)道的半?；刹▽?dǎo)(HMSIW)對(duì)SIW做了進(jìn)一步改進(jìn)，在保留SIW的傳輸特性的同時(shí)將尺寸縮減了近50%。

　　本文將CSRR技術(shù)應(yīng)用于HMSIW中，綜合利用兩者的傳輸特性提出了一種結(jié)構(gòu)緊湊的窄帶帶通濾波器，并給出相應(yīng)的設(shè)計(jì)過程和仿真與測(cè)試結(jié)果。實(shí)現(xiàn)的濾波器工作在K波段，通帶中心頻率為20GHz，相對(duì)帶寬為6.2%。

　　圖1 基于CSRR的HMSIW帶通濾波器結(jié)構(gòu)

　　2 設(shè)計(jì)與仿真

　　本文中的HMSIW濾波器采用了圖1所示的結(jié)構(gòu)。一個(gè)CSRR結(jié)構(gòu)可以由軸向的電場(chǎng)激勵(lì)，其被激勵(lì)時(shí)的等效模型類似于一個(gè)電偶極子。文獻(xiàn)中將CSRR蝕刻于SIW的上金屬表面，使其可以被SIW中傳播的TE10模激勵(lì)。考慮到HMSIW中傳播的是TE0.5,1波，它和SIW以及矩形波導(dǎo)具有類似的內(nèi)部電場(chǎng)分布，所以我們將CSRR蝕刻于HMSIW的上表面，將開口縫隙沿HMSIW的縱向擺放，以保證其在HMSIW上被正確的激勵(lì)，其細(xì)節(jié)如圖2所示。

　　圖2 蝕刻于HMSIW上金屬表面的CSRR

　　整個(gè)設(shè)計(jì)過程大致可以分為兩步：首先，根據(jù)濾波器預(yù)定設(shè)計(jì)指標(biāo)中的下邊帶位置確定HMSIW的寬度(W_1)，這個(gè)寬度值應(yīng)該使對(duì)應(yīng)的HMSIW的截止頻率位于所設(shè)計(jì)濾波器的-3 dB帶寬之外，以保證濾波器的通帶響應(yīng)不會(huì)被HMSIW所截止。這樣就能利用HMSIW的高通特性構(gòu)成濾波器的下邊帶。具體的計(jì)算可以根據(jù)公式

　　進(jìn)行。對(duì)這里的

　　接著，就要調(diào)整兩個(gè)CSRR的各項(xiàng)尺寸，使具有阻帶特性的諧振點(diǎn)出現(xiàn)在濾波器預(yù)定的上邊帶附近。對(duì)諧振點(diǎn)位置具有較大影響的主要是兩類尺寸，即環(huán)本身的尺寸(a_1,a_2,b_1,b_2,c_1,c_2)及環(huán)開口的大小(g)。在其他尺寸固定不動(dòng)的情況下，諧振頻率會(huì)隨著環(huán)本身尺寸的任一項(xiàng)的增加而降低，會(huì)隨著開口的增大而變高。使用三維商用仿真軟件CST進(jìn)行優(yōu)化后可以方便地得到所需要的CSRR的尺寸。假設(shè)的濾波器工作在20GHz，經(jīng)仿真優(yōu)化后得到的尺寸列于表1中。

　　表1 HMSIW帶通濾波器尺寸(mm)

　　3 測(cè)試結(jié)果與分析

　　在設(shè)計(jì)完成之后應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的PCB工藝對(duì)該濾波器進(jìn)行了制作。選用的基片材料為0.254mm厚的Roggers 5880。完成后的濾波器外觀如圖3所示。

　　圖3 基于CSRR的HMSIW帶通濾波器外觀

　　使用AgilentE8363B型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果都示于圖4中。

　　圖4 實(shí)測(cè)和仿真S參數(shù)

　　實(shí)測(cè)顯示的濾波器-3 dB工作帶寬為19.3 GHz到20.6 GHz，帶內(nèi)中心頻率處插損低于-4 dB，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-12 dB,帶外抑制達(dá)到-40 dB以下。與仿真結(jié)果相比，實(shí)測(cè)的濾波器-3 dB帶寬略寬一些，帶內(nèi)反射也有所增加，這可能和蝕刻槽的加工誤差有關(guān)。

　　4 結(jié)論

　　本文采用將CSRR結(jié)構(gòu)與HMSIW相結(jié)合的方式，設(shè)計(jì)了一個(gè)窄帶帶通濾波器并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)現(xiàn)的帶通濾波器體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適合被集成于微波，毫米波平面電路中，具有一定的應(yīng)用前景。