一种紧缩结构的新型毫米波基片集成波导滤波器
第２５卷第２期２００６年４月红外与毫米波学报
Ｊ．Ｉ妇ｄＭｉｌｌｉｍ．ＷａｖｅｓＶ０１．２５．Ｎｏ．２
Ａｐｒｉｌ，２００６
文章编号：１００１—９０１４（２００６）０２一０１３９一０４
一种紧缩结构的新型毫米波基片集成波导滤波器
汤红军，洪伟
（东南大学无线电工程系毫米波国家重点实验室，江苏南京２１００９６）
摘要：提出了一种紧缩结构的新型毫米波基片集成波导（ｓｌｗ）滤波器，在结构紧缩的同时性能得到了显著改善．在设计的一组ｓｌｗ毫米波滤波器中，长度从传统滤波器的２３．１ｍｍ压缩到新型滤波器的１２Ｈｕｎ．测试结果显示新型滤波器阻带衰减大于５４ｄＢ，相对于性能相近的传统Ｓ１ｗ滤波器改善１２ｄＢ以上．具有超过５０ｄＢ衰减的阻带宽度超过９ＧＨｚ．上边带过渡特性更陡，同时仍保持了传统ｓｌｗ滤波器所具有的陡峭下边带特性和低损耗特性．
关键词：基片集成波导；毫米波；滤波器
中图分类号：ＴＮ７１３文献标识码：Ａ
ＮｏＶＥＬＭＩＬＬ妇江ＥＴＥＲＷＡＶＥＳＵＢＳＴＲＡＴＥＩＮＴＥＧＲＡＴＥＤ
ＷＡＶＥＧＵ玎）ＥＦＩＬＴＥＲＷＩＴＨＣｏＭＰＡＣＴ
ＣｏＮＦＩＧＵＲＡＴＩｏＮ
ＴＡＮＧＨｏｎｇ－Ｊｕｎ，ＨＯＮＧＷｅｉ
（ＳｔａｔｅＫｅｙＬａｂ．０ｆＭｉｌｌｉｍｅｔｅｒＷａｖｅｓ，Ｄｅｐｔ．０ｆＲａｄｉｏＥｎ西ｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｏｕｔｈｅａｓｔＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｍｃｔ：ＡｎｏｖｅｌｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗａＶｅｇｕｉｄｅ（ＳＩＷ）ｆｉｌｔｅｒｗｉｔｈｃｏｍｐａｃｔｃｏＩｌｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｗａｓｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｉｔｓｐｅｒｆｏｍａｎｃｅｉｓｉｍｐｍｖｅｄａｐｐａｒｅｎｔｌｙｗｈｉｌｅｔｈｅｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｉｓｃｏｍｐａｃｔｅｄ．ＩｎｔｈｅｄｅｓｉｇｎｅｄｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒｗａｖｅＳＩＷｆｉｌｔｅｒｓ，ｔｈｅｌｅｎｍｈｉｓｒｅｄｕｃｅｄｆ而ｍ２３．１ｍｍｏｆ删ｉｔｉｏｎａｌｆｉｌｔｅｒｔｏ１２ｍｍｏｆｎｏｖｅｌｆｉｌｔｅｒ．Ｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｔｏｐｂａｎｄｒｅ—ｉｅｃｔｉｏｎｏｆｎｏｖｅｌｆｉｌｔｅｒｓｉｓｍｏｒｅｔｈａＩｌ５４ｄＢ，ｉｍｐｒｏｖｅｄ砒ｌｅａｓｔ１２ｄＢｃｏｒｎｐａｒｅｄｔｏｔｈｅｔｍｄｉｔｉｏｎａｌｆｉｌｔｅｒｗｉｔｈｓｉｍｉｌａｒｐｅｄ＇ｏｍ．ａｎｃｅ．Ｔｈｅｂａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｓｔｏｐｂａｎｄｗｉｔｈｒｅｉｅｃｔｉｏｎｂｅｔｔｅｒｔｈａｎ５０ｄＢｈａｓｂｅｅｎｅｘｐａｎｄｅｄｔｏｍｏｒｅｔｈａｎ９ＧＨｚ．ＩｔｈａｓａｓｈａｒｐｅｒｔＩ彻ｓｉｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｔｔＩｌｅ
ｕｐｐｅｒｓｉｄｅｂａｎｄｂｕｔｓｔｉⅡｋｅｅｐｓｔ１１ｅｓｈａｒｐ
ｔｒ粕ｓｉｔｉｏｎｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃａｔｔｈｅ１０ｗｅｒｓｉｄｅｂａｎｄａｎｄｌｏｗｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓ．０ｆｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌＳＩＷｆｉｌｔｅｒ．
ＫｅｙｗＯｒｄｓ：ｓｕｂｓｔｒａｔｅｉｎｔｅｇｒａｔｅｄｗａｖｅｇｕｉｄｅ；ｒＩｌｉＵｉｍｅｔｅｒｗａｖｅ；ｆｉｌｔｅｒ’
引言
ｓｌｗ滤波器有显著改善?
基片集成波导（Ｓ１ｗ）技术是近年来发展起来的新技术¨“Ｊ，基于Ｓ１ｗ的滤波器具有很多优点，如无明显的辐射、插损小、成本低、易与有源电路集成等等．相对于传统微带等类型的滤波器∞Ｊ，它是较有竞争力的微波毫米波应用技术．Ｓ１ｗ腔体滤波器通常沿一轴线直线布局，其结构关于轴线对称，结构简单而且仿真时可利用其对称性减少仿真时间，有利于提高设计效率．但其长度较大，频率响应的上边带性能较差，过渡带宽且阻带衰减远低于下边带．，本文提出了一种紧缩型腔体布局的毫米波ｓｌｗ滤波器结构，不仅整体结构紧凑，长度减小，布局灵活性增加，而且其上边带性能相对于传统结构的１新型紧缩结构ＳＩＷ滤波器
采用新型正方形腔体紧缩结构的Ｓ１ｗ滤波器的几何结构如图１所示．这里仅给出了上表面金属层和金属化过孔的形状，其下表面完全为金属层覆盖．所有腔体通过级连方式组成滤波器，前后各级关于级连中心对称．腔体２个耦合端口（或耦合孔）分别位于正方形的相邻边．各内部耦合孔位于所在边的正中，而耦合端口则偏向另一耦合孔方向，且端口开口的一侧紧靠另一耦合孔所在的边．该结构有助于改善上边带特性，耦合孔相互越靠近对上边带越有利∞’７｜．但内部耦合孔放在所在边的正中便于滤波器整体步局，而输入输出的耦合端口的位置受限
收稿日期：２００５－０７－１３，修回日期：２００５—０９—２８融ｅｉｖｅｄ
ｄａｔｅ：２００５－０７?１３，肿ｖｉｓｅｄｄａｔｅ：２００５?０９－２８
基金项目：国家自然科学基金重大项目（６０３９０５４０）第七子课题的资助
作者简介：汤红军（１９７１．），男，四川蓬溪人，东南大学在读博士生，主要从事微波毫米波元器件及电路系统的研究．
红外与毫米波学报２５卷
较少，偏离中心则可以改善滤波器特性．这种布局既灵活方便，又可使性能得到改善．与传统布局比较，
图１ｓｌｗ滤波器的紧缩结构，６。、６。为耦合孔宽度，
６。、ｄ。为耦合端口的宽度和深度，耽ｉ、既为内外正方
形腔体宽度，既，为微带线宽度，ｄ。、ｐ。为金属化孑Ｌ的
孔径和孔距
Ｆｉｇ．１ＣｏｍｐａｃｔｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎｏｆＳＩＷｆｉｌｔｅｒ，６ｍ、６ｆａｒｅ
ｗｉｄｔｈｓｏｆｔＩｌｅｃｏｕｐｌｉｎｇｈｏｌｅ，６。、ｄ。ａｒｅｔｈｅｗｉｄｔｈ锄ｄ
ｄｅｐｔｈｏｆｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｐｏｒｔ，ｗ：。、Ｔｒ∞ａｒｅｔｈｅｗｉｄｔｈｓｏｆｉｎ－
ｎｅｒａｎｄｏｕｔｅｒｓｑｕａｒｅｃａｖｉｔｈ，佛，ｍｉｓｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｍｉ－
ｃｒｏｓｔｒｉｐ，ｄ。ａｎｄｐ。ａｒｅｔｈｅ
ｄｉ锄ｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｍｅｔａｌｌｉｚｅｄＶｉａａｎｄｔｈｅｓｐａｃｅｂｅｔｗｅｅｎｖｉａｓ，ｌｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ
上述紧缩结构使长度可显著缩小．这里定义的标准结构，不仅具有高效率的设计方法，而且最佳情况下其性能非常接近理想滤波器．
对于在薄介质基片上的ｓｌｗ滤波器，腔体形状通常并无限制．理论上圆形腔体有最高的固有品质数和最小的面积．但正多边中与圆形腔体的固有品质数差别微小，选择腔体形状主要还应从滤波器布局灵活性、体积、是否便于仿真、优化、制作等方面来考虑．ｓｌｗ侧壁由金属化过孔排列而成，相邻腔体间孔距要符合工艺要求和无电磁能量泄漏要求幛１．正方形、正六边形Ｓ１ｗ腔体紧缩布局时相邻边完全重合，可共用相邻边．而圆形腔体在多腔相邻区域始终存在缝隙，受多种因素限制，腔体易变形．对于正方形腔体，布局有一定的灵活性．其各边的孑Ｌ呈直线排列，建模、仿真和优化的过程中容易保持准确形状．正六边形腔体介于两者之间，布局灵活性高，但其斜边会增加建模、仿真和优化的难度，并可能产生更大的误差．而正方形腔体的Ｓ１ｗ滤波器在采用上述紧缩结构时，同样可以有较好的性能，因此本文主要考虑基于正方形腔体的ｓｌｗ滤波器．
２ＳＩＷ滤波器设计方法
设计方法主要基于传统的耦合谐振电路滤波器理论旧Ｊ，它用输入输出谐振电路（腔体）的外在品质因数（Ｑ。）、内部谐振电路（腔体）间的耦合系数（后）等确定滤波器的归一化频率响应，再利用相对带宽、中心频率等参数完全确定滤波器实际的频率响应，设计时一般可由解析方法来求Ｑ。、矗．文献［１］提供了计算ｓｌｗ滤波器外在品质因数、腔体间耦合系数的一般数值方法．利用这些方法对基于薄介质基片上的新型紧缩结构ｓｌｗ滤波器参数所作的研究提供了以下的结论，可以从Ｑ。、后快速求解滤波器的几何结构．对于内部腔体和内部耦合孑Ｌ，图２给出了腔体间耦合系数（矗）与开口宽度（６）对腔体宽度（伽）的比值（６／伽）的关系曲线和加载腔体的谐振频率与腔体本征频率的比值（玩）随６／叫变化的关系曲线．当金属化过孔的直径（ｄ。）的影响较小时，它们由６／
图２内部腔体的特性，／为腔体双加载时的谐振频
率Ｚ为腔体本征频率，６为耦合孔开口宽度，甜为正
方形腔体宽度，｜ｉ｝为腔体间耦合系数
Ｆｉｇ．２
ｃｈ锄ｃｔｅｒｉｓｔｉｃ０ｆｉｎｎｅｒｃａｖｉｔｙ，，ｉｓｔｈｅｒｅｓｏｎ粕ｔｆｂｑｕｅｎｃｙｏｆｄｏｕｂｌｅｌｏａｄｅｄｃａｖｉｔｙ，工ｔｈｅｅｉｇｅⅢｋｑｕｅｎｃｙ
ｏｆｃａｖｉｔｙ，６ｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｃｏｕｐｌｉｎｇｈｏｌｅ，伽ｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆ
ｓｑｕａｒｅｃａｖｉｔｙ，ａｎｄ尼ｔｈｅｃｏｕｐｌｉｎｇｃｏｅｆ王ｉｃｉｅｎｔ
图３输入输出腔体的特性，，为腔体单加载时的谐
振频率Ｚ为腔体本征频率，６为耦合端口开口宽度，
埘为正方形腔体宽度，Ｑ。为腔体间外在品质因数，钾。
为微带线宽度
Ｆｉｇ．３
ｃｈ眦ｃｔｅｒｉｓｔｉｃｏｆＬ／０ｃａｖｉｔｙ，厂ｉｓｔｈｅｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙｏｆｓｉｎｇｌｅ
ｌｏａｄｅｄｃａｖｉｔｙ，工ｔｈｅｅｉｇｅｎｆｂｑｕｅｎｃｙｏｆｃａｖｉｔｙ，６ｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆｃｏｕｐｌｉｎｇｐｏｒｔ，训ｔｈｅｗｉｄｔｈｏｆ
ｓｑｕａｒｅｃａｖｉｔｙ，Ｑ。ｔｈｅｅｘｔｅｍａｌｑｕａｌｉｔｙｆａｃｔｏｒａｎｄ删ｍｔｈｅ
ｗｉｄｔｈｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ
２期汤红军等：一种紧缩结构新型毫米波基片集成波导滤波器１４１
ｗ唯一决定．设计时根据所要求的南查到对应的６／侧，并查到对应此６／训的．缎值．根据滤波器的中心频率求出腔体的本征频率，并由此进一步确定钾，６．对于输入（或输出）腔体利用图３求缎、钾，６．因为Ｑ。相等的腔体其缎基本不随彬。／加而变，所以图３只给出了训。／训＝０．１３时的缎曲线，只需找到埘。／伽＝０．１３曲线上等于Ｑ，的点对应的６／叫，并找出对应此６／掣的．缎，即可由此确定鲫．图３存在３条Ｑ。曲线，分别对应不同的归一化微带宽度埘。／
加．利用图３求６／删有２种方法．第一种方法，取伽。／训＝Ｏ．１３（定值）．其求解过程同图２中完全一样．但因为腔体宽度加待定，设计完成后的微带线宽度通常不等于要求的宽度，一般可通过渐变线过渡到需要的宽度．第二种方法，微带宽度为定值，但根据求得的宽度埘作适当修正来找到对应实际埘。／伽的近似６／似值．其方法为：以埘。／ｔ￡Ｊ＝ｏ．１３曲线上等于Ｑ。的点为参考点；过参考点作等Ｑ。线（值为Ｑ。的水平线）；若实际的叫。／埘在ｏ．１３和ｏ．２６之间，设等Ｑ。线在两线间截得的长度为￡，训。／叫＝Ｂ，则从参考点沿等Ｑ。线往２ｔＪ。／埘＝ｏ．２６方向移动（曰／ｏ．１３．１）￡的距离即为所求的点．它对应的６／叫即为修正后的值．若训。知在０．０６５和０．１３之间，截得的长度也表示为￡，则应往叫。／埘＝０．０６５方向移动（２一∥ｏ．０６５）￡的距离．耦合端口深度幽一般取零．默认厚度０．２５ｍｍ．选定任一曲线后，如果整个滤波器（沿平面）等比例放大或缩小，或者单独改变介质常数，或者基片厚度变化时保持微带特征阻抗不变，曲线基本不变．
注意滤波器的任一腔体都是通过２个耦合孔（或端口）双加载的，同一腔体通常会求得２个不同的似．图２是双加载条件下的结论，只需将２个．∥工平均后作为腔体缎近似值．图３是在耦合端口单加载条件下求得的．首先应将得到的缎平方得到其等效双加载条件下的缎值，然后再平均（另一耦合孔是内部耦合孔，所有内部耦合孔都要由图２求得）．各腔体宽度一般不相等，但差别很小，所以
腔体宽度也可以取相同值，这样比较简便，腔体数较多时也便于腔体布局．但经验显示，考虑腔体宽度差别时后期的优化更容易，效果也更好．’
为了验证上述结论，设计了２个可用于本地多
点分配业务（ＬＭＤＳ）上下行通道的具有上述新型紧缩结构的４腔毫米波ｓｌｗ滤波器．其性能为：ＢＰＦｌ，中心频率２５ＧＨｚ，３ｄＢ带宽１．５ＧＨｚ，相对带宽ｏ。０６；ＢＰ砣，中心频率２６．２ＧＨｚ，３ｄＢ带宽１．５ＧＨｚ，相对带宽０．０５７．另外还设计了一个性能相近的传统结构的４腔ｓｌｗ滤波器ＢＰ乃作为参照，性能如下：中心频率２６．２ＧＨｚ，３ｄＢ带宽１．．５ＧＨｚ，相对带宽０．０５７．设计ＢＰＦ３时主要利用全波仿真求解调整，为加快速度，其参数调整步长较大．其耦合端口深度ｄｏ＝０．７５ｍｍ．
滤波器采用了对称结构．所取基片介电常数为２．２，厚度为Ｏ．２５４ｍｍ。微带线宽度为０。７５ｍｍ（５０Ｑ特征阻抗），未用渐变线．计算所得Ｑ。、Ｊ｜｝。七ｉ分别为１８、ｏ．０４５、ｏ．０３３５．腔体固有品质因数取２１０（经验值，考虑了粗糙度的影响）．最终的设计结果见表１所列，其中列出了通过查图得到的几何参数，以及在此基础上经全波仿真优化调整后的几何参数．可以看到二者极其接近，表明工具图提供的数值有足够精度，足以满足设计要求．
３滤波器实现与测试结果
所有滤波器都在ＲｏｇｅｒｓＤｕｒｏｉｄ５８８０基片上实现，并经过标准印刷电路板（ＰＣＢ）工艺制作完成．新型紧缩结构的２个ＳＩＷ滤波器腔体ＢＰＦｌ和ＢＰＦ２分别占据约１２．４ｍｍ×１２．４ｍｍ和１２ｍｍ×１２ｍｍ的面积．传统结构的Ｓ１ｗ滤波器腔体占据面积为２３．１ｍｍ×６．４ｍｍ．为了与测试夹具适配，微带馈线被延长，所有基片总长度达到３５ｍｍ．一段与延长线相同的长２０ｍｍ的５０欧姆微带线和相同接头相连经矢网测得的插入损耗为１．２ｄＢ＠２５．５ＧＨｚ（含接头损耗）．所有测试的Ｓ参数全都包含上述额外损耗，未作任何扣除．所有滤波器实物照片见图４．ＢＰＦｌ的测试结果见图５．其中还引人了具有完全相同的后、Ｑ。参数的Ｌｃ耦合谐振电路滤波器的仿真ｓ参数．可以看到二者高度吻合．插入损耗的差别主要是由额外的损耗引起的．因此紧缩型滤波器的特征完全可用理想的ＬＣ耦合谐振电路滤波器等效．ＢＰ砣与ＢＰＦ３的测试结果对比见图６．从图５和图６可以看到，相对于参考Ｓ１ｗ滤波器，采用新结构的２个ＳＩＷ滤波器的上边带性能有明显改善，过
表１滤波器设计结果（单位：ｍｍ）
Ｔａｂｌｅ１Ｔｈｅ獬ｌｌｌｔｓｏｆｄｅｓｉｇｎｏｆＳ１ｗｍｔｅ玮（ｕＩｌｉｔｍｍ）６ｉ５ｍ６Ｄ；戚ｎ℃ｏ
唧燃ｉ：嚣孺意；：翟襄晨挚盎等掣。Ｂ眦：：篡；：黧ｉ：曩：宝磊耋黧囊震誊肾怒２婴沁ＢＰＦ３２．００２．２０１．９５４．９６４．９０优化值０ｐｔｉｍｉｚｅｄｖａｌｕｅ
１４２红外与毫米波学报２５卷
四腔ｓｌｗ形腔体滤波器的实物照片Ｐｈｏｔｏｇｒ印ｈｉｃｏｆＳＩＷｆｉｌｔｅｒｓ诵ｔｈ４ｃａｖｉｔｉｅｓ
２０２５３０３５４０伪Ｈｚ图５ＢＰＦｌ的测试结果与等效的耦合ＬＣ谐振电路滤波器的仿真结果
Ｆｉｇ．５Ｍｅａｓｕｒｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆ６ｌｔｅｒＢＰＦｌａｕｄｓｉｍｕｌａｔｅｄｒｅｓｕｌｔｓｏｆｅｑｕｉｖａｌｅｎｔＬＣｒｅｓｏｎａｎｔｃｉｒｃｕｉｔｓ要高∞。竺高图６ＢＰＦ２和ＢＰＦ３的测试结果Ｆｉｇ．６ＭｅａｓｕｒｅｄＲｅｓｕｌｔｓｏｆＢＰＦ２＆ＢＰＦ３渡带变陡，上下边带更对称．其滤波器阻带衰减大于５４ｄＢ，改善程度超过１２ｄＢ．有用的阻带宽度扩展至腔体的第二个谐振频率处，阻带衰减超过５０ｄＢ的频带宽度分别达到９．３５ＧＨｚ（ＢＰＦｌ）和９．６６ＧＨｚ（ＢＰ砣），而参考Ｓ１ｗ滤波器仅在极窄的频率范围内有略大于４０ｄＢ的阻带衰减．所有ｓｌｗ滤波器下边带都有良好特性．ＢＰＦｌ插损为３．９ｄＢ（若减去接头和微带过渡段引入的插损，滤波器自身的插损应为２．７ｄＢ），中心频率２５．０３ＧＨｚ，３ｄＢ带宽１．４４ＧＨｚ．
ＢＰ砣插损为４．０ｄＢ（若减去额外插损，滤波器自身
的插损应为２．８ｄＢ），中心频率２６．２２ＧＨｚ，３ｄＢ带宽
１．４３ＧＨｚ．参考滤波器ＢＰＦ３插损为３．６ｄＢ（若减去
额外插损，滤波器自身的插损应为２．４ｄＢ），中心频
率２６．２０ＧＨｚ，３ｄＢ带宽１．６４ＧＨｚ．测试结果表明，新型
Ｓ１ｗ滤波器不仅结构更加紧缩，而且带外性能也明显
改善，具有更理想的滤波特眭．
４结语
描述了新型紧缩型毫米波ｓｌｗ滤波器结构的
主要特征，并提出了在此结构上的快速设计工具图．实验结果验证了设计工具图的有效性，同时也证实新型紧缩型ＳＩＷ滤波器有极理想的滤波器特性．相对于传统结构Ｓ１ｗ滤波器其选择性、阻带特性等性能显著改善．而Ｓ１ｗ滤波器原有的优良的下边带特性、低损耗等优点仍得到保留．整体结构紧缩，最大
长度减少近一半．
ＲＥＦＥＲＥＮＣＥＳ
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雕嗡曼高∞竺
一种紧缩结构的新型毫米波基片集成波导滤波器
作者：汤红军， 洪伟， TANG Hong-Jun， HONG Wei
作者单位：东南大学,无线电工程系毫米波国家重点实验室,江苏,南京,210096
刊名：
红外与毫米波学报
英文刊名：JOURNAL OF INFRARED AND MILLIMETER WAVES
年，卷(期)：2006，25(2)
引用次数：3次
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相似文献(10条)
1.学位论文郝张成基片集成波导技术的研究2005
随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标越来越高，同时其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide，slW)技术是近几年提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构，它可以有效地实现无源和有源集成，使微波毫米波系统小型化，甚至可把整个微波毫米波系统制作在一个封装内；而且它的传播特性与矩形金属波导类似，所以由其构成的微波毫米波甚至亚毫米波部件及子系统具有高Q值、高功率容量、易与其它平面电路和芯片集成等优点，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用普通PCB工艺、LTCC工艺、甚至薄膜电路工艺精确实现。与传统的波导形式微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉，不需任何事后调试工作，非常适合微波毫米波电路的集成设计和大批量制作。基片集成波导技术目前处于刚刚兴起的阶段，因此有许多理论问题需要研究，有很多应用领域亟待开拓。 本文对如何利用基片集成波导技术实现高性能基片集成波导器件以及基片集成波导集成子系统开展研究。 为了解决基片集成波导的测试问题和基片集成波导与微带电路的无隙集成问题，本文在第一章对多种基片集成波导一微带电路转换器的设计方法进行了研究，探讨了测试和计算基片集成波导器件插损的方法，实验测试结果和全波仿真结果的良好吻合验证了方法的正确性和有效性。 本文的第二章和第三章基于基片集成波导技术，设计和实现了多种新颖的集成高性能滤波和双工器件：基片集成波导感性通孔滤波器、基片集成波导感性窗滤波器、基片集成波导E面感性带滤波器、基片集成波导L型双工器、基片集成波导T型双工器、多层基片集成波导椭圆滤波器、单层基片集成波导传输零点滤波器、具有传输零点的双模基片集成波导滤波器、基片集成波导一有损地面超宽带滤波器、基片集成波导一电子带隙结构超宽带滤波器、基片集成波导一共面波导超宽带滤波器等。本文在微波频段(4GHz-18GHz)和毫米波频段(26.5Gz-40GHz)对这些滤波器件进行了设计并给出了测试结果。这些结果表明这些滤波器件具有良好的滤波特性，并具有高品质因数、大功率容量、易于加工、成本低和容易集成等优点。其中，基片集成波导一共面波导超宽带滤波器、多层基片集成波导椭圆滤波器等多种滤波器和双工器为首次提出并实现。成果已在本领域国际最高刊物IEEE Trans．on MTT、IEEE Wireless Components and Guided Wave Letters、IEEProc．-H等上发表，并已被他人引用。 在第四章中，利用基片集成波导技术对功率分配器进行了研究；提出和设计了可以用于毫米波的基片集成波导强耦合器和弱耦合器的定向耦合器结构；提出丫正反线性渐变槽天线的基片集成波导馈电系统，将正反线性渐变槽天线和基片集成波导馈电系统无隙地集成在一起；提出了基片集成波导馈电的介质谐振天线的设计。本章在 X 波段、Ku波段和26.0GHz的毫米波频段对以上器件进行了实验研究，给出了测试结果，这些结果表明了所提出的基片集成波导功率分配器件的优越性。本文在第五章对多种基片集成波导天线进行了研究。针对实际应用的863 项目B3G系统，设计了基片集成波导定向天线和基片集成波导全向天线；高频微波电路常使用较薄的介质基片，在这种介质基片上难以实现高增益和宽频带的平面天线，为了克服这一难点，本章提出和设计了平衡馈电基片集成波导天线，并对之进行了实验验证；本章还首次提出了基片集成波导滤波天线的概念，并对之进行了研究。 本文的最后一章对基片集成波导集成子系统进行了研究。采用基片集成波导技术将基片集成波导天线、基片集成波导馈电系统、基片集成波导双工器和基片集成波导镜像抑制滤波器等元部件一体化设计并集成在同一块介质基片上，形成了X 波段无线微波链接系统(Radio Link)的子集成系统并给出了仿真和实验结果。
2.学位论文汤红军毫米波前端集成新技术研究2006
为了适应快速增长的无线通信业务对频率资源的要求，无线通信频率开始从微波低频段逐渐向高频段甚至毫米波频段扩展。由于技术难度和成本问
基片集成波导是近几年兴起的一种高性能低成本的微波毫米波无源电路集成新技术。本文主要结合无线通信背景研究基片集成波导技术，包括基于基片集成波导的高性能滤波器、双工器等通信系统中的关键元部件和毫米波射频前端的单板集成技术等。论文的主要工作如下： 研究了毫米波频段高性能基片集成波导滤波器设计中的基本问题，如影响基片集成波导腔体O值和谐振频率的各种因素，并给出了可指导设计的结论，其中对损耗因素的深入研究使得设计更加准确并可指导对基片及其参数以及腔体形状的选择。研究了影响腔体间耦合系数和影响腔体外部品质因数的各种因素，归纳出了主要因素及其对耦合系数影响，其关系总结为简单的曲线用于实际滤波器的设计。 研究并提出了几种新型主模滤波器。通过研究发现基片集成波导腔滤波器上下边带性能严重不对称的原因在于滤波器中的上边带耦合系数随频率上升明显增大，从而提出了通过改变输入输出端口之间的夹角来优化实现上下边带对称性能的设计与实现方法。基于最佳夹角原理，提出并实现了性能优良的圆腔、正方形腔体、六边形腔体等多种类型的新型滤波器。相对于传统滤波器性能有了很大改善，布局上更紧凑。所有滤波器都以实验方法验证了结论的正确，其中紧缩结构正方形腔体滤波器应用在后面所述的针对本地多点分配业务的毫米波单板射频前端电路中。 研究了双模基片集成波导腔体的基本特性，并用之设计了多种双模滤波器。研究了影响双模滤波特性的各种因素，并总结出了用于设计的变化特性曲线。设计并实现了基于圆形腔体、椭圆形腔体和混合使用圆腔和椭圆腔的多种新型滤波器，这些滤波器分别在下边带、上边带和双边实现了极好的选择性，而且都得到了实验验证。 研究发现基于圆腔、椭圆腔的双模滤波器具有互补的陡峭过渡特性，从而提出了一种新型平面双工器。它利用了双模滤波器的非对称特性，很好地平衡了双工器中低损耗和高选择性这一对相互冲突的参数要求，在传统上认为有较大损耗的基片上实现了一个工作于毫米波频段的具有低插入损耗的基片集成波导双工器，实验结果与设计结果非常吻合。 利用了基片集成波导滤波器的低损耗和高选择性优点来抑制镜频等干扰信号，从而设计并实现了一种高性能的谐波混频器。实验结果表明设计的谐波混频器具有较低的变频损耗和较高的镜频抑制度。 针对本地多点分配业务(LMDS)无线通信系统，基于上述基片集成波导技术的研究基础，首次设计并实现了一个Ka波段单板集成毫米波前端。利用紧缩型结构的基片集成波导滤波器有效地缩减了射频单元面积，提高了集成度，改善了性能，同时利用基片集成波导器件结构上封闭的特点有效地改善了电路各部分之间的交扰。整机的实验测试结果验证了预期的设计目标，从而证明了基片集成波导技术在现代微波毫米波通信系统中应用的可行性和所具有的成本、性能、结构上的优势。
3.会议论文邓磊.唐高弟基片集成波导传输特性分析与应用仿真2006
基片集成波导(SIW)是一种新型的高Q值、低损耗集成导波结构,并能方便实现与微带线、共面波导等平面传输线的集成,且易于设计和加工,可以广泛应用于微波毫米波集成电路中.在介绍基片集成波导的传输特性和主要的设计公式基础上,利用电磁场仿真软件设计了基片集成波导与微带线的过渡结构、功分器、滤波器等无源器件,验证了基片集成波导作为毫米波传输线的优良性能.
4.学位论文赵毅基片集成波导微波毫米波无源器件研究2009
基片集成波导技术是近几年提出的一种新型导波结构。本文利用矩形波导与基片集成波导在传播特性上的相似性，采用了矩形波导无源器件的设计方法，对基片集成波导无源器件的设计方法进行了基础性的研究，主要得到了如下结果： 1.设计出了Ka波段基片集成波导带通滤波器。该滤波器采用的是切比雪夫并联电感耦合波导滤波器结构，中心频率高，制作出了实物并用矢量网络分析仪进行了测试。由实测结果可知，Ka波段基片集成波导滤波器的中心频率是34.7GHz，带宽是2.8GHz，通带内插入损耗是3.5dB，回波损耗小于-14.8dB。 2.设计出了Ka波段的基片集成波导Y型功率分配器。该结构中，采用了三个金属化调谐通孔改善了输入端的反射系数，避免在频率为35GHz的地方出现较大的回波损耗，制作出了实物并用矢量网络分析仪进行了测试。由实测结果可知，在Ka波段全频段，输入端的回波损耗小于-10dB：两输出端支路的插入损耗分别是2.4dB和3.39dB，波动幅度分别达到1.8dB和2.7dB，两输出端之间的隔离度大于5dB，相位差在-9°到13.5°之间波动。 3.设计出了31GHz到39GHz十字型基片集成波导定向耦合器，该结构的定向耦合器尺寸小(21×21mm2)，工作频率高，并且能够在较宽频段上拥有较好的性能，制作出了实物并用矢量网络分析仪进行了测试。由实测结果可知，输入端的回波损耗小于-12.5dB，直传系数在3.2dB到4.2dB之间波动，隔离度大于24.8dB，耦合度在3.6dB到8dB之间波动。输出端与耦合端之间的相位差在97°到130°之间波动。 本文研究的工作涉及了基片集成波导滤波器，功率分配器，定向耦合器等无源器件的设计技术，并对其中一些部分做了理论分析和实验结果的研究，并总结了相关的经验，为基片集成波导无源器件的设计提供了一定的技术借鉴。
5.学位论文陈志君基片集成波导圆极化天线研究2008
二十世纪后期，微波技术经历了一个飞速发展的过程。现代微波毫米波系统迅速向小型化、轻量化、高集成度方向发展。一些微波毫米波新技术也随之产生并发展。 基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)是近年来提出的一种微波毫米波新型集成导波结构。它具有插入损耗小、辐射低、功率容量高、易于与其它平面电路集成等优点。通过在上下金属覆层的介质基片上周期性排列金属化通孔，基片集成波导可利用标准的印刷电路板工艺(PCB)实现。基片集成波导具有类似于传统矩形金属波导TE波的传播特性，并对TM波具有自然的抑制作用，在其基础上设计的微波毫米波元部件具有高Q值、低插损、相对较高的功率容量等优点。它还可以利用低温共烧陶瓷(LTCC)、薄膜(Thin-Film)工艺和MEMS等工艺来实现。这几类工艺与传统矩形波导相比，加工成本明显降低。同时与微带线、槽线、共面波导相比，基片集成波导的优势主要体现在它是一种封闭性的结构，这种结构可明显提高抗干扰以及功率容量。2006年由东南大学毫米波国家重点实验室提出的半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)可在保持基片集成波导优良性能的前提下尺寸缩减约50％，2007年提出的折叠半模基片集成波导又进一步将尺寸缩减约一半，即原SIW的约四分之一。
本文针对基片集成波导圆极化天线这一研究方向，深入地研究了基片集成波导定向耦合器，交叉相位功率分配器，谐振式45度线极化缝隙阵列天线以及基片集成波导圆极化天线的设计方法。此外，还设计了W波段基片集成波导与传统金属矩形波导的转换器，为进一步研究W波段SIW元器件和天线打下了基础。 论文第一章介绍了此课题的相关研究背景以及本论文的研究目标和内容。 第二章首先简单介绍了基片集成波导的基本结构以及分析方法，并通过考察基片集成波导和等效矩形波导的截止频率对等效公式进行了验证；其次根据实验需要设计了基片集成波导和微带线的转换器；最后重点介绍了W波段(75GHz-110GHz)基片集成波导和WR-10金属矩形波导的转换器，并对该设计与仿真结果进行了实验验证，测试数据与仿真结果的一致验证了设计的正确性。 第三章针对谐振式45度线极化缝隙阵列天线进行了研究，分析了45度角倾斜的缝隙单元的谐振特性以及辐射特性。在此基础上提出了在一条基片集成波导上的斜缝阵列设计方法，并设计了1×8，1×16的斜缝阵列。为了对1×16斜缝阵列进行横向拓展，设计了八路交叉楣位功率分配器，进而设计了8×16的谐振式45度线极化缝隙阵列天线。 第四章针对基片集成波导圆极化天线进行了研究，设计了90度三分贝定向藕合器并利用第三章设计的45度线极化天线和交叉相位功率分配器，综合设计了基片集成波导圆极化缝隙阵列天线。实验数据与仿真结果的一致验证了设计的正确性。
6.期刊论文邓磊.唐高弟.DENG Lei.TANG Gao-di基片集成波导功分器仿真设计-信息与电子工程2008,6(2)
为了实现毫米波电路小型化设计,探讨了基片集成波导(SIW)功分器的工作原理,介绍了SIW功分器的设计规则和关键技术,使用HFSS仿真设计并实际制作了一个Ka波段SIW功分器,测试结果表明其在毫米波频段具有良好的性能,且结构简单,易于生产.
7.学位论文岳桂芹基于基片集成波导技术无源器件的研究2008
微带线和波导是两种重要的微波毫米波传输系统。微带线作为一种平面电路结构，便于系统的集成，但损耗较大。波导具有极小的传输损耗和高Q值，但由于体积较大，不利于系统的集成化和小型化。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide)是近年来出现的一种新型微波毫米波传输结构
，它具有矩形波导和微带线的一系列优点，如矩形波导的高品质因数、低损耗和微带线的体积小、重量轻、易于集成等优点。因此利用它可实现高性能集成微波毫米波器件，并应用到微波毫米波系统中。 本文首先介绍了基片集成波导的结构和传输特性，并与矩形波导比较，分析了其传输特点。在此基础上，提出了三种基片集成波导转换结构形式，解决了基片集成波导的层间耦合问题，以适应立体电路的发展。其中包括一种单层异面转换结构和两种基片集成波导层间耦合转换结构，并在微波频段(Ku波段)和毫米波频段(Ka波段)进行了仿真优化设计。研制的Ku波段单层异面转换结构在整个
Ku波段，插入损耗都在1dB左右，且波动不大于0.5dB;反射损耗基本上都大于15dB。同向层间耦合转换结构在频率11.4GHz～12.2GHz，和
13.3GHz～14.2GHz，反射损耗都大于20dB。插入损耗约1.5dB，其中包括SMA接头的损耗。 随后设计了微波频段(Ku波段)和毫米波频段(Ka波段)基片集成波导定向耦合器，仿真结果说明设计的可行性和器件性能的良好性。同时研制了Ku波段的基片集成波段定向耦合器，实验结果如下：在比较宽的带宽内，S11小于-15dB；从频率13.3GHz到13.6GHz，S11小于-20dB。另外，在很宽的带宽内，端口2和端口3的差值小于1dB，符合期望的结果。最后仿真优化了一种基于广义切比雪夫原理的基片集成波导滤波器，仿真结果说明该结构具有较低的带内插损。
8.会议论文邓磊.唐高弟基片集成波导功分器仿真设计2007
基片集成波导(SIW)是一种新型的高Q值、低损耗集成导波结构，并能方便实现与微带线、共面波导等平面传输线的集成，且易于设计和加工，可以广泛应用于微波毫米波集成电路中。 本文探讨了SIW功分器的工作原理，介绍了SIW功分器的设计规则和关键技术，并使用HFSS仿真设计了一个
9.学位论文韦婧加边微带线特性的研究及折叠半模基片集成波导滤波器的设计2007
随着现代微波毫米波电路与系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标越来越高，并迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性方向发展。同时由于集成电路技术的发展和应用的推动，频率则趋向更高的微波毫米波范围，而常用的微带线在高频时损耗较大，因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。针对使用频率增加时微带线损耗显著增加这一问题，本文提出了一种新型的加边微带线，在相同特性阻抗条件下，20GHz时这种加边微带线较传统微带线的损耗减小20％以上，并且可以实现较强的耦合。折叠半模基片集成波导(Folded Haif Mode SubstrateIntegrated
Waveguide，FHMSIW)技术是基于半模基片集成波导(Half Mode Substrate IntegratedWaveguide，HMSIW)与折叠波导技术提出的一种可以集成于介质基片中的新的导波结构。和半模基片集成波导相比，折叠半模基片集成波导尺寸减小了约一半，因此可以使微波毫米波系统进一步地小型化。 本文第二章采用商业软件仿真结合TL数值校准技术分析了新型加边微带线的传输特性，主要包括导体损耗、介质损耗以及传播常数的分析，给出特性阻抗的变化曲线，并对耦合加边微带线做出分析。 在第三章中，对折叠半模基片集成波导的传输特性进行了分析，研究了折叠半模基片集成波导-微带转换器的结构和设计方法，实验测试结果和全波仿真结果的吻合验证了方法的正确性和有效性。 在第四章中，基于折叠半模基片集成波导技术，设计和实现了不同形式的折叠半模基片集成波导槽缝式滤波器，这些滤波器具有良好的选择性。 在第五章中，基于基片集成脊波导技术，设计了工作于5.8GHz的基片集成脊波导滤波器，该滤波器的寄生通带的频率位于通带频率约3倍处。
10.学位论文王元庆新型传输线及高速数字电路中信号完整性的研究2006
随着现代微波毫米波电路与系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标越来越高，同时其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。同时由于集成电路技术的发展和应用的推动，高速电路中数字脉冲信号的速度越来越高，其波效应越来越明显，频谱高端则趋向更高的微波毫米波频率范围，可达几十GHz，而常用的微带线在高频的损耗较大。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。半模基片集成波导(HMSIW)技术是基于基片集成波导(SIW)提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损、低辐射、高功率容量等特性的新的导波结构。它继承了基片集成波导的优点：可以有效地实现无源和有源电路的集成，使微波毫米波系统小型化，甚至可以把整个微波毫米波系统制作在一个封装内；传播特性与矩形金属波导类似
，所以由其构成的微波毫米波甚至亚毫米波部件及子系统具有高Q值、高功率容量、易与其它平面电路和芯片集成等优点，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用普通PCB工艺、LTCC工艺、甚至薄膜电路工艺精确实现。和基片集成波导相比，半模基片集成波导节省了约一半的尺寸，因此可以使微波毫米波系统进一步地小型化。除此之外，由于结构的原因，基片集成波导抑制了普通金属波导中的TM模，而半模基片集成波导又抑制了基片集成波导中的偶次TE模，因此它进一步有效地扩展了主模的工作带宽。于是，在高速数字电路这样的宽带电路中，半模基片集成波导可以作为低损耗互连线。此外，基于半模基片集成波导也可实现一些高性能的无源元件。 半模基片集成波导技术目前处于刚刚兴起的阶段，因此有许多理论问题需要研究，有很多应用领域亟待开拓。本文对半模基片集成波导的传输特性、高性能半模基片集成波导器件、半模基片集成波导在高速数字电路中的应用以及高速数字电路中信号完整性问题等进行了研究。 第一章研究了半模基片集成波导的传输常数、等效波导宽度的计算和测试方法，对基片集成波导、半模基片集成波导和微带线的衰减常数进行了测试和对比；研究了半模基片集成波导一微带转换器的结构和设计方法，实验测试结果和全波仿真结果的良好吻合验证了方法的正确性和有效性。 第二章分析了半模基片集成波导谐振器，并基于半模基片集成波导技术，设计和实现了多种新颖的集成高性能滤波和功率分配器件：半模基片集成波导感性窗滤波器、半模基片集成波导槽缝式滤波器、半模基片集成波导、共面波导滤波器、半模基片集成波导3dB定向耦合器，并以它们为基础设计和实现了半模基片集成波导单平衡混频器、基片集成波导平衡滤波器和半模。 第三章中，对高速数字电路中传输线的非理想特性引起的信号完整性问题进行分析，介绍了利用混合模S参数对差分电路的分析方法，然后介绍了用于估计单端传输线之间串扰的计算公式，并在此基础上提出了单端传输线与差分传输线之间串扰的简化计算公式，计算结果和电路仿真结果吻合良好验证了公式得正确性。对半模基片集成波导和耦合半模基片集成波导在高速数字电路中的应用进行了仿真和测试。 第四章将广义传输线方程推广到耦合微带结构的分析中，利用特征模分析的方法用两个一维广义传输线方程实现了二维广义传输线方程。由于在信号完整性分析中损耗是必须要考虑的因素，因此我们首次把Pade逼近与广义传输线方程结合起来将广义传输线方程推广到有耗传输线的分析，最后结合Pade逼近与广义传输线方程分析了破损地和分割地参考面的影响，计算结果与用IE3D软件得到的仿真结果一致。 最后一章设计和实现了一个3Gbps高速数字电路实验验证系统
，它提供了一个研究信号完整性问题的实验平台。本章首先介绍了高速数字电路实验验证系统的硬件设计，并介绍了如何在硬件基础上实现误码率测试功能。在实现的实验平台上进行测试，结果表明，达到了高速数字电路实验验证系统的研究目标，也就是实现了子板问3Gbps的高速数据传输，各项性能测试结果表明达到了预定的设计要求。采用全波电磁、广义传输线方程和电路系统仿真的分析方法对高速数字系统进行了系统级的信号完整性分析。时域的仿真和测量结果吻合，验证了仿真方法的正确性。
引证文献(3条)
1.张旭春.谢军伟.王积勤新型微带-槽线转换接头的设计[期刊论文]-红外与毫米波学报 2007(05)
2.徐锐敏.姚鸿飞.蔡竟业低相噪全相参毫米波频率合成源研究[期刊论文]-红外与毫米波学报 2007(03)
3.陈继新.洪伟.殷晓星.程峰.严蘋蘋低相位噪声毫米波单片压控振荡器的研制[期刊论文]-红外与毫米波学报2006(04)
本文链接：https://www.360docs.net/doc/ac18443927.html,/Periodical_hwyhmb200602014.aspx
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