窄带带通滤波器的应用设计与测试分析
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。
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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。
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