基于CSRR的K波段HMSIW帶通濾波器

　　1 引言

　　互補型開口諧振環(CSRR)是一種通過在導體上蝕刻環狀開口槽來產生負有效介電常數的結構，在其諧振頻率附近會出現非常陡峭的阻帶傳輸特性。基片集成波導(SIW)是一種近年來廣受關注的新型傳輸線結構，它具有和填充了介質的矩形波導類似的傳輸特性，并且可以集成在薄介質基片上，方便的和其它平面微波器件相連，并且能用標準PCB工藝實現。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。文獻中報道的半模基片集成波導(HMSIW)對SIW做了進一步改進，在保留SIW的傳輸特性的同時將尺寸縮減了近50%。

　　本文將CSRR技術應用于HMSIW中，綜合利用兩者的傳輸特性提出了一種結構緊湊的窄帶帶通濾波器，并給出相應的設計過程和仿真與測試結果。實現的濾波器工作在K波段，通帶中心頻率為20GHz，相對帶寬為6.2%。

　　圖1 基于CSRR的HMSIW帶通濾波器結構

　　2 設計與仿真

　　本文中的HMSIW濾波器采用了圖1所示的結構。一個CSRR結構可以由軸向的電場激勵，其被激勵時的等效模型類似于一個電偶極子。文獻中將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。考慮到HMSIW中傳播的是TE0.5,1波，它和SIW以及矩形波導具有類似的內部電場分布，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，其細節如圖2所示。

　　圖2 蝕刻于HMSIW上金屬表面的CSRR

　　整個設計過程大致可以分為兩步：首先，根據濾波器預定設計指標中的下邊帶位置確定HMSIW的寬度(W_1)，這個寬度值應該使對應的HMSIW的截止頻率位于所設計濾波器的-3 dB帶寬之外，以保證濾波器的通帶響應不會被HMSIW所截止。這樣就能利用HMSIW的高通特性構成濾波器的下邊帶。具體的計算可以根據公式

　　進行。對這里的

　　接著，就要調整兩個CSRR的各項尺寸，使具有阻帶特性的諧振點出現在濾波器預定的上邊帶附近。對諧振點位置具有較大影響的主要是兩類尺寸，即環本身的尺寸(a_1,a_2,b_1,b_2,c_1,c_2)及環開口的大小(g)。在其他尺寸固定不動的情況下，諧振頻率會隨著環本身尺寸的任一項的增加而降低，會隨著開口的增大而變高。使用三維商用仿真軟件CST進行優化后可以方便地得到所需要的CSRR的尺寸。假設的濾波器工作在20GHz，經仿真優化后得到的尺寸列于表1中。

　　表1 HMSIW帶通濾波器尺寸(mm)

　　3 測試結果與分析

　　在設計完成之后應用標準的PCB工藝對該濾波器進行了制作。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型矢量網絡分析儀進行了測試，測試結果和仿真結果都示于圖4中。

　　圖4 實測和仿真S參數

　　實測顯示的濾波器-3 dB工作帶寬為19.3 GHz到20.6 GHz，帶內中心頻率處插損低于-4 dB，帶內回波損耗優于-12 dB,帶外抑制達到-40 dB以下。與仿真結果相比，實測的濾波器-3 dB帶寬略寬一些，帶內反射也有所增加，這可能和蝕刻槽的加工誤差有關。

　　4 結論

　　本文采用將CSRR結構與HMSIW相結合的方式，設計了一個窄帶帶通濾波器并對其進行了測試。實現的帶通濾波器體積小，結構簡單，適合被集成于微波，毫米波平面電路中，具有一定的應用前景。