基于CSRR的K波段HMSIW帶通濾波器

　　1 引言

　　互補型開(kāi)口諧振環(huán)(CSRR)是一種通過(guò)在導體上蝕刻環(huán)狀開(kāi)口槽來(lái)產(chǎn)生負有效介電常數的結構，在其諧振頻率附近會(huì )出現非常陡峭的阻帶傳輸特性?；刹▽?SIW)是一種近年來(lái)廣受關(guān)注的新型傳輸線(xiàn)結構，它具有和填充了介質(zhì)的矩形波導類(lèi)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，并且能用標準PCB工藝實(shí)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?；刹▽?HMSIW)對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(guò)程和仿真與測試結果。實(shí)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(gè)CSRR結構可以由軸向的電場(chǎng)激勵，其被激勵時(shí)的等效模型類(lèi)似于一個(gè)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?？紤]到HMSIW中傳播的是TE0.5,1波，它和SIW以及矩形波導具有類(lèi)似的內部電場(chǎng)分布，所以我們將CSRR蝕刻于HMSIW的上表面，將開(kāi)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(gè)設計過(guò)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(gè)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(huì )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(jìn)行。對這里的

　　接著(zhù)，就要調整兩個(gè)CSRR的各項尺寸，使具有阻帶特性的諧振點(diǎn)出現在濾波器預定的上邊帶附近。對諧振點(diǎn)位置具有較大影響的主要是兩類(lèi)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(kāi)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(zhù)環(huán)本身尺寸的任一項的增加而降低，會(huì )隨著(zhù)開(kāi)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(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(guān)如圖3所示。

　　圖3 基于CSRR的HMSIW帶通濾波器外觀(guān)

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

　　圖4 實(shí)測和仿真S參數

　　實(shí)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(yōu)于-12 dB,帶外抑制達到-40 dB以下。與仿真結果相比，實(shí)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(guān)。

　　4 結論

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