摘要：无线通信技术的迅猛发展使得对射频器件的要求更加苛刻。基片集成波导滤波器对传统矩形波导滤波器尺寸相对减小，但是在实际应用中仍然存在尺寸过大、通带选择性差等问题。因此，提出了一种加载F型电磁带隙的双层基片集成波导带通滤波器。双层基片集成波导滤波器有效减小了滤波器的尺寸，而加载具有阻波特性的F型电磁带隙结构则极大地提高了滤波器的通带选择性能和带外抑制性能。最后，采用基于有限元全波分析方法的高频电磁软件HFSS，设计了一款中心频率为24 GHz、相对带宽为40%的带通滤波器，进一步验证了其电磁特性。
0 引 言
电磁带隙（Electromagnetic Band Gap，EBG）结构是一种周期性慢波结构。它的带阻特性能够使特定阻抗频段内的电磁波完全不能在其中传输，具有明显的禁带特性。它的制作简单、体积小、便于集成等优点，使其得到了广泛应用，尤其是在天线、滤波器等方面[1]。
随着无线通信技术的迅猛发展，微波电路和射频无源器件在无线电系统中扮演着越来越重要的角色。由于频率资源日渐紧张，实际应用对微波、毫米波系统工作质量和频带的要求越来越苛刻。所以，在保证器件性能的前提下，实现产品小型化是一种必然趋势。为了满足无线通信技术的要求，提出了一种新型导波结构——基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）[2]。它具备了损耗低、品质因数高、功率容量大、体积小、易于与其他元器件集成的优点。SIW自身的优异性能使其被广泛应用到了微波、毫米波电路的各个领域，尤其是在卫星通信和无线基站等方面应用[3]。
如图1所示，基片集成波导是将传统波导结构集成在介质基片中，上下两层金属片，中间填充介质。与矩形波导不同的是，它采用双排平行的周期金属通孔限制电磁波的传输，将电磁波限制在壁内空间传播，起到电壁的作用。
然而，SIW滤波器的两侧是金属通孔，而金属通孔之间存在间隙，使得SIW滤波器具有一定的能量泄露。根据经验公式，当金属通孔直径d ，金属通孔圆心间距p ，SIW的宽度wa 和波长
满足式（1）～式（3）时，能量泄露将足够小，可以忽略不计[4]。
本文设计的滤波器中心频率为24 GHz，相对带宽约40%，回波损耗小于-10 dB，插入损耗小于-25 dB。在HFSS中建立模型仿真，介质基片是介电常数为2.94的罗杰斯6002，高度hh为0.508 mm。
1 双层SIW带通滤波器
相对于微带线滤波器，SIW滤波器的尺寸仍然不够小。为了减小滤波器的尺寸，SIW滤波器引入了双层概念[5]。双层SIW滤波器的电磁耦合拓扑结构如图2所示，位于同一层谐振腔之间的磁耦合是通过谐振腔之间的电感窗口实现的，而两层介质基板之间的电耦合则是通过蚀刻在中间层上的圆型通孔实现的。
图3是两层SIW带通滤波器的结构图，尺寸如下：W =8.4 mm， d=0.4 mm，wa =6.07 mm，w50 =1.27 mm，b =3.83 mm，b1 =1.9 mm，b2 =2.4 mm，L =14 mm，L1 =11.2 mm，p =0.22 mm，P1 =0.18 mm。图4是HFSS的仿真结果图。从插入损耗看，该滤波器的高频具有较好的带外截止性能，但是低频端的带外截止性能相对较差。
2 加载F-EBG双层SIW带通滤波器
2.1 F-EBG结构的性能分析
EBG结构是周期性结构，其周期性引发散射波相位的周期分布，各单元的散射波造成反相叠加而相互抵消，形成频率带隙。EBG结构的应用是基于带隙的存在，因此电磁带隙可以起到对电磁波的阻带作用。所以，将EBG结构应用到SIW中，可以实现滤波作用。EBG是一种高等效性结构，图5为单个F-EBG的相位变化。由相位变化可知，F-EBG结构在39 GHz处出现-90°的相位反转，因此可以将其等效为谐振腔加载电感结构。图6为它的等效电路。
图7是单个F-EBG的阻抗特性图。对比图5和图7可以看到，在相位反转处，F-EBG出现高阻特性。鉴于F-EBG的带阻特性和高等效性，将F-EBG引入SIW带通滤波器中，利用其使特定阻抗频段内的电磁波完全不能在其中传输的特性，将F-EBG利用到SIW带通滤波器的低频端，提高低频端的频带选择性。
2.2 加载F-EBG双层SIW带通滤波器
为了提高双层SIW滤波器低频端的带外截止性能，本文提出了加载F-EBG结构的双层SIW带通滤波器[6]。在双层SIW滤波器的上下两层金属上，分别加载相同的F-EBG，通过调节F-EBG的大小和个数，对SIW滤波器进行优化得到最终的结果。图8是上下金属贴片分别加载单个F-EBG的SIW带通滤波器结构图。
图9为加载不同个数F-EBG的SIW带通滤波器的差值损耗仿真结果。可以看到，通过加载F-EBG，提高了高频处的频率截止性；随着F-EBG个数的增加，低频段处产生一个明显的传输零点，明显提高了通带选择性。当分别加载3个F-EBG结构时，SIW的带外截止性能最好。
图10是上下分别加载3个F-EBG的SIW滤波器结构图。该滤波器尺寸如下：W =8.3 mm，d =0.4 mm，wa =6.07 mm，w50 =1.27 mm，b =3.83 mm，b1 =1.9 mm，b2 =2.4 mm，L =15.7 mm，L1 =11.17 mm，p =0.21 mm，p1 =0.18 mm。
图11是上下金属贴片分别加载3个F-EBG的仿真结果图。可以看到，该滤波器实现了中心频率是24 GHz，保持了40%的带宽，且通带内相对平滑，最小通带插入损耗为30.9 dB，而回波损耗大于10 dB。通过加载F-EBG，分别在17.4 GHz和31.2 GHz处产生两个传输零点，通过引入传输零点，提高了该滤波器的截至特性，从而改进该滤波器的通带选择性和带外抑制性。可见，该过滤器具有体积小、一体化程度高的特点，同时保持了很好的通带选择性和带外截止性。
3 结 语
本文提出了一个四阶双层SIW带通滤波器，为了提高低频端的带外抑制性能，分别在上下两层金属贴片上加载F型电磁带隙，通过对F-EBG不同方向的调整，证明了加载F-EBG可以有效提高双层SIW的通带选择性，使得滤波器的实现形式更加灵活。
参考文献：
[1] Xu F,Wu K.Guided-wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide[J].IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques,2005,53(01):66-72.
[2] Deslandes D,Wu K.Integratedd Microstrip and Rectangular Waveguide Inplanar Form[J].IEEE Microw. Wireless Compon. Lett.,2001,11(02):68-70.
[3] Dwslandes D,Wu K.Single-Substrate Integration Technique f Planar Circuits and Waveguide Filters[J].IEEE Trans. Micro. Theory Tech.,2003,51(02):593-596.
[4] Li L,Wei Q F,Li Z F,et al.Compact Concavo-convex Cavity Filters Using Multilayer Substrate Integratedd Waveguide[J].IEEE IET Journals & Magaziens,Electronics Letters,2011,47(08):500-502.
[5] John S.Strong Localization of Photons in Certain Disordered Dielectric Superlattices[J].Physical Review Letters,1987,58(20):446-448.
[6] Motra S,Nath A,Rout S R,et al.Band Pass Filter Design Using Half Mode Substrate Integrated Waveguide (HMSIW) with Periodically loaded F-EBG Structures[C].IEEE Conferences,2016 IEEE Students’ Technology Symposium(TechSym),2016:192-195.
作者简介：
杨 君，曲阜师范大学硕士，主要研究方向为微波无源器件及优化设计；
许林青，曲阜师范大学硕士，主要研究方向为微波无源器件及优化设计；
张仕顺，曲阜师范大学硕士，主要研究方向为微波无源器件及优化设计；
徐 娟，曲阜师范大学讲师，博士，主要研究方向为微波毫米波无源器件与天线、相控阵与波束赋形技术、智能优化算法；
赵建平，曲阜师范大学教授，学士，主要研究方向为无线通信、应用系统设计。
（本文选自《通信技术》2018年第六期）
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