基于CSRR的K波段HMSIW带通滤波器

　　1 引言
　　互补型开口谐振环(CSRR)是一种通过在导体上蚀刻环状开口槽来产生负有效介电常数的结构，在其谐振频率附近会出现非常陡峭的阻带传输特性。基片集成波导(SIW)是一种近年来广受关注的新型传输线结构，它具有和填充了介质的矩形波导类似的传输特性，并且可以集成在薄介质基片上，方便的和其它平面微波器件相连，并且能用标准PCB工艺实现。SIW的宽度由工作频段直接决定，这使其尺寸在较低的微波频段仍然显得偏大。文献中报道的半模基片集成波导(HMSIW)对SIW做了进一步改进，在保留SIW的传输特性的同时将尺寸缩减了近50%。
　　本文将CSRR技术应用于HMSIW中，综合利用两者的传输特性提出了一种结构紧凑的窄带带通滤波器，并给出相应的设计过程和仿真与测试结果。实现的滤波器工作在K波段，通带中心频率为20GHz，相对带宽为6.2%。
　　


　　图1 基于CSRR的HMSIW带通滤波器结构
　　2 设计与仿真
　　本文中的HMSIW滤波器采用了图1所示的结构。一个CSRR结构可以由轴向的电场激励，其被激励时的等效模型类似于一个电偶极子。文献中将CSRR蚀刻于SIW的上金属表面，使其可以被SIW中传播的TE10模激励。考虑到HMSIW中传播的是TE0.5,1波，它和SIW以及矩形波导具有类似的内部电场分布，所以我们将CSRR蚀刻于HMSIW的上表面，将开口缝隙沿HMSIW的纵向摆放，以保证其在HMSIW上被正确的激励，其细节如图2所示。
　　


　　图2 蚀刻于HMSIW上金属表面的CSRR
　　整个设计过程大致可以分为两步：首先，根据滤波器预定设计指标中的下边带位置确定HMSIW的宽度(W_1)，这个宽度值应该使对应的HMSIW的截止频率位于所设计滤波器的-3 dB带宽之外，以保证滤波器的通带响应不会被HMSIW所截止。这样就能利用HMSIW的高通特性构成滤波器的下边带。具体的计算可以根据公式
　　


　　进行。对这里的

取一半就可以得到和具有同样截止频率的矩形波导相等效的HMSIW宽度。

　　接着，就要调整两个CSRR的各项尺寸，使具有阻带特性的谐振点出现在滤波器预定的上边带附近。对谐振点位置具有较大影响的主要是两类尺寸，即环本身的尺寸(a_1,a_2,b_1,b_2,c_1,c_2)及环开口的大小(g)。在其他尺寸固定不动的情况下，谐振频率会随着环本身尺寸的任一项的增加而降低，会随着开口的增大而变高。使用三维商用仿真软件CST进行优化后可以方便地得到所需要的CSRR的尺寸。假设的滤波器工作在20GHz，经仿真优化后得到的尺寸列于表1中。
　　表1 HMSIW带通滤波器尺寸(mm)
　　3 测试结果与分析
　　在设计完成之后应用标准的PCB工艺对该滤波器进行了制作。选用的基片材料为0.254mm厚的Roggers 5880。完成后的滤波器外观如图3所示。
　　


　　图3 基于CSRR的HMSIW带通滤波器外观
　　使用AgilentE8363B型矢量网络分析仪进行了测试，测试结果和仿真结果都示于图4中。
　　


　　图4 实测和仿真S参数
　　实测显示的滤波器-3 dB工作带宽为19.3 GHz到20.6 GHz，带内中心频率处插损低于-4 dB，带内回波损耗优于-12 dB,带外抑制达到-40 dB以下。与仿真结果相比，实测的滤波器-3 dB带宽略宽一些，带内反射也有所增加，这可能和蚀刻槽的加工误差有关。
　　4 结论
　　本文采用将CSRR结构与HMSIW相结合的方式，设计了一个窄带带通滤波器并对其进行了测试。实现的带通滤波器体积小，结构简单，适合被集成于微波，毫米波平面电路中，具有一定的应用前景。