MEMS 毫米波滤波器

RF MEMS—射频微机电系统吴群教授关键词：Microelectromechanical system，Radio frequency微机电系统（Microelectromechanical system）代表了一项与集成电路制造工艺相同的新兴技术，在射频与微波领域得到广泛应用。

无线通信发展的趋势是缩小系统尺寸、降低成本和功耗。

本文综述了当前国际上MEMS技术的最新发展现状，对在射频与微波应用的各种MEMS器件关键技术进行了探讨。

最后展望了未来的发展前景。

引言未来的射频与微波系统要求更加灵活、更加复杂，而同时又要求体积小、重量轻和功耗低。

目前最熟悉的应用就是无线通信领域，诸如手机、无线接入、全球定位系统和蓝牙技术。

据信，能够实现上述功能的最有前途的就是与现今集成电路和单片微波集成电路相兼容的平面制造工艺技术----微机电系统（MEMS）。

MEMS是微电子技术基础上发展起来的具有多学科交叉和渗透的新兴学科。

二十一世纪人们将实现把硅/锗有源器件、微加工元件与MEMS器件集成到一块晶片中[1]。

对新世纪里的科学技术、生产方式和人类生产质量都将产生深远的影响，被认为是关系到国家科学技术发展、国防安全和经济繁荣的关键技术。

在美国被国防部先进技术署（DARPA）确定为美国高技术领域的优先发展的新技术。

我国MEMS研究起步较早，在时间上同国外差距不大，在MEMS微型传感器、执行器等研究已有许多成果。

但在MEMS射频与微波应用领域，我国还处于刚刚起步阶段。

MEMS是结合电和机械元件并利用集成电路批量加工工艺、尺寸在微米到毫米的微型器件或器件阵列。

MEMS加工技术采用常规的集成电路加工工艺制造三维机械结构，相应的广泛应用的MEMS加工技术包括硅表面加工、体加工、裂变键合和LIGA加工（采用X射线光刻、电铸、及注塑工艺）。

其中，表面加工是最为重要的技术。

MEMS器件用于射频与微波领域具有执行速度快、损耗低和品质因数高的优点，是最有吸引力和竞争力的[2]。

s0兰姆波声表面波滤波器频率范围兰姆波声表面波滤波器（Lamb wave acoustic surface wave filters）是一种基于声表面波的滤波器，广泛应用于无线通信、雷达系统、声纳系统和混频器等领域。

它的频率范围主要由其设计参数和工作原理所决定。

兰姆波是一种横纵混合的声表面波，其在限制介质中传播，能够有效地沿着表面传播。

由于兰姆波的特殊传播特性，使得它在滤波器设计中具有很大的潜力。

兰姆波声表面波滤波器主要基于表面微悬挂线原理，通过在晶片表面上构建一系列的电极和输入/输出引线，通过精确的布局和连接实现声表面波的传播和滤波效果。

兰姆波声表面波滤波器的频率范围受到多个因素的影响。

首先，频率范围受到晶片尺寸和形状的限制。

较小的晶片尺寸通常对应较高的工作频率，而较大的晶片尺寸通常对应较低的工作频率。

其次，频率范围还与晶片材料的声速和密度有关。

高声速和低密度的材料有助于实现较高的工作频率范围。

此外，晶片的厚度和表面处理也会对频率范围产生影响。

厚度较小的晶片通常能够实现更高的工作频率。

对晶片表面进行适当的处理可以改变声表面波的传播速度，进而改变滤波器的工作频率范围。

另外，兰姆波声表面波滤波器的频率范围还受到电极设计和布局的影响。

电极的宽度、间距和形状都会对滤波器的传输特性产生重要影响。

通过调整电极参数，可以改变声表面波滤波器的频率响应，从而实现特定的频率范围。

在实际应用中，兰姆波声表面波滤波器的工作频率范围通常在几百兆赫兹（MHz）到几千兆赫兹（GHz）之间。

然而，随着技术的不断发展，对于更高频率的需求也在不断增加。

一些研究已经证明，在太赫兹（THz）频段，兰姆波声表面波滤波器依然具有潜力和应用前景。

总之，兰姆波声表面波滤波器的频率范围主要受到晶片尺寸、晶片材料、晶片厚度、表面处理和电极设计等因素的影响。

通过优化这些参数，可以实现不同频率范围的滤波器。

随着技术的不断进步，兰姆波声表面波滤波器在更高频率范围的应用也具有很大潜力。

fbar滤波器工艺
Fbar滤波器工艺是一种高科技的电子器件制造技术。

它是利用MEMS（微电子机械系统）和封装技术实现的。

目前，Fbar滤波器广泛应用于移动通信、无线电、航空航天、医疗等领域。

下面我们来分步骤地阐述Fbar滤波器工艺。

1. 晶圆制备：Fbar滤波器制作的第一步是制备晶圆。

晶圆通常是采用硅材料制作的。

在晶圆上，先制备出Mesa结构，然后将金属电极沉积在Mesa结构上。

2. MEMS制造：MEMS制造是Fbar滤波器制造中的关键步骤。

MEMS是一种微型机械结构，其尺寸通常在10微米至1毫米之间。

MEMS 制造需要采用先进的光刻、蒸发和离子注入等工艺。

制备好的MEMS结构通常包括压电材料和衬底。

3. 生长压电薄膜：Fbar滤波器制造的另一个重要步骤是在MEMS 结构表面生长压电材料薄膜。

压电材料是一种特殊的晶体，可以在电场的作用下发生形变，从而产生机械波。

在生长压电薄膜时，需要考虑到压电材料的纯度、结晶度等因素。

4. 组装封装：Fbar滤波器制造的最后一步是进行组装封装。

对于MEMS结构和生长好的压电薄膜，需要采用粘贴和烘干等步骤进行组装，并将组装好的部件隔离和封装。

在Fbar滤波器制造的每个步骤中，都需要采用不同的工艺条件和工具，因此制造过程较为复杂。

不过，随着技术的不断发展，Fbar 滤波器制造工艺也在不断完善和优化。

同时，Fbar滤波器的应用领域也在逐步拓展，未来有望在更广泛的领域发挥重要作用。

mems卡尔曼滤波
MEMS卡尔曼滤波是一种用于处理微机电系统（MEMS）传感器输出数据的滤波方法。

MEMS传感器是小型化的传感器，可以在许多应用中使用，例如智能手机，汽车和医疗设备。

MEMS传感器的输出数据通常存在噪声和误差，需要使用滤波器来提高数据质量和准确性。

卡尔曼滤波是一种常用的滤波方法，可以通过对传感器输出的数据进行预测和校正来减少误差和噪声。

MEMS卡尔曼滤波将传感器输出数据建模为状态变量的向量，并使用卡尔曼滤波算法来估计每个状态变量的最佳值。

MEMS卡尔曼滤波是一种非常有效的滤波方法，可以在减少传感器输出数据误差的同时，保持较高的数据采样率和精度。

它已被广泛应用于许多领域，包括飞行控制，自动导航，机器人技术和医疗设备等。

使用MEMS卡尔曼滤波可以改善传感器输出数据的质量，并提高系统的准确性和稳定性。

对于需要高精度和高稳定性的应用，如自动导航和医疗设备等，MEMS卡尔曼滤波是一种非常有用的滤波方法。

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ＭＥＭＳ器件与技术ＭＥＭＳＤｅｖｉｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ收稿日期：２００８－０１－３０基金项目：国家自然科学基金（６０６７６０４７）；上海－应用材料研究发展基金（０６ＳＡ１１）Ｅ－ｍａｉｌ：ｚｈａｎｇｙｈ２２＠１６３．ｃｏｍ基于ＭＥＭＳ技术的微波滤波器研究进展欧阳炜霞，张永华，王超，郭兴龙，赖宗声（华东师范大学微电子电路与系统研究所，上海２００２４１）摘要：基于ＭＥＭＳ技术的滤波器是现行ＲＦ结构中一个关键的ＭＥＭＳ器件。

与传统的采用金属矩形或圆柱波导以及半导体元件制作的滤波器相比，ＭＥＭＳ滤波器具有低损耗、高隔离度、线性好、体积小、易于集成等优点。

对利用ＭＥＭＳ技术制作的滤波器做了分类总结，综述了近几年ＭＥＭＳ滤波器的研究进展，包括硅体微加工滤波器、ＬＩＧＡ传输线型滤波器和基于ＭＥＭＳ开关／电容实现的可调滤波器。

指出可调滤波器的开发适应微波、毫米波波段的多频段、宽带无线通信系统的迫切需要，具有重要的现实意义。

关键词：ＭＥＭＳ技术；硅体微加工；ＬＩＧＡ技术；微波滤波器；可调滤波器中图分类号：ＴＮ７１３；ＴＨ７０３文献标识码：Ａ文章编号：１６７１－４７７６（２００８）０４－０２１４－０５ＲｅｖｉｅｗｏｎＭＥＭＳＭｉｃｒｏｗａｖｅＦｉｌｔｅｒｓＯｕｙａｎｇＷｅｉｘｉａ，ＺｈａｎｇＹｏｎｇｈｕａ，ＷａｎｇＣｈａｏ，ＧｕｏＸｉｎｇｌｏｎｇ，ＬａｉＺｏｎｇｓｈｅｎｇ（ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＭｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＣｉｒｃｕｉｔ＆Ｓｙｓｔｅｍ，ＥａｓｔＣｈｉｎａＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ２００２４１，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＦｉｌｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｓｉｎｃｕｒｒｅｎｔＲＦｓｙｓｔｅｍｓ．Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｉｌｔｅｒｓｕｔｉｌｉｚｉｎｇｍｅｔａｌｌｉｃｒｅｃｔａｎｇｕｌａｒ／ｃｉｒｃｕｌａｒｗａｖｅｇｕｉｄｅｓｏｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ，ＭＥＭＳｆｉｌｔｅｒｓｈａｖｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｉｎｃｌｕｄｉｎｇｌｏｗｌｏｓｓ，ｈｉｇｈｉｓｏｌａｔｉｏｎ，ｅｘｃｅｌｌｅｎｔｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ｅａｓｙｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ，ｅｔｃ．ＦｉｌｔｅｒｓｂａｓｅｄｏｎＭＥＭＳｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙａｒｅｃｌａｓｓｉｆｉｅｄａｎｄｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．ＴｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｐｒｏｇｒｅｓｓｅｓｏｆＭＥＭＳｆｉｌｔｅｒｓｏｖｅｒｔｈｅｐａｓｔｓｅｖｅｒａｌｙｅａｒｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇｓｉｌｉｃｏｎｂｕｌｋｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ，ＬＩＧＡｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎｌｉｎｅｓａｎｄＭＥＭＳ－ｓｗｉｔｃｈｅｓ／ｃａｐａｃｉｔｏｒｓ－ｂａｓｅｄｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒｓ．Ｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒｓｈａｖｅｍｏｒｅｉｎｔｅｒｅｓｔａｓｔｈｅｙｍｅｅｔｔｈｅｕｒｇｅｎｔｄｅｍａｎｄｏｆｍｏｄｅｒｎｍｉｃｒｏｗａｖｅ／ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅｍｕｌｔｉｂａｎｄ，ｗｉｄｅ－ｂａｎｄｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ（ＭＥＭＳ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｓｉｌｉｃｏｎｂｕｌｋｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ＬＩＧＡｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；ｍｉｃｒｏｗａｖｅｆｉｌｔｅｒ；ｔｕｎａｂｌｅｆｉｌｔｅｒＥＥＡＣＣ：２５７５；１２７０Ｄ０引言滤波器作为一种选频元件，用来抑制噪声、选择或限定ＲＦ／微波信号的频段范围，在许多ＲＦ／微波应用中起着重要的作用。

基于SIW技术的毫米波滤波器研究与设计杨君豪;孙曼;张金玲【摘要】基于基片集成波导(substrate integrated waveguide,SIW)结构设计了两款四阶的耦合带通滤波器,使用三维全波电磁场仿真软件HFSS对设计的两款滤波器进行了仿真设计和优化.由仿真结果分析得出,两款滤波器的工作频率均位于毫米波频段.第一款SIW滤波器实现了切比雪夫型响应,中心频率为20 GHz,带宽为2 GHz,通带内的插入损耗低于1.5 dB,回波损耗低于-20 dB,在阻带中对信号的衰减程度可以达到50 dB.第二款SIW滤波器实现了准椭圆函数型的响应,中心频率为29.1 GHz,带宽为300 MHz,通带内的插入损耗低于1 dB,回波损耗低于-20 dB,在通带到阻带的过渡中实现了两个陷波点.仿真结果表明,在毫米波滤波器设计中引入SIW结构,有利于优化滤波器尺寸,得到较好的滤波器性能指标,是毫米波滤波器发展的一个重要方向.【期刊名称】《电波科学学报》【年(卷),期】2019(034)004【总页数】6页(P518-523)【关键词】毫米波;带通滤波器;基片集成波导(SIW);切比雪夫响应;准椭圆函数响应;交叉耦合【作者】杨君豪;孙曼;张金玲【作者单位】北京邮电大学,北京100876;中国移动福建分公司,福建362200;北京邮电大学,北京100876;北京邮电大学,北京100876【正文语种】中文【中图分类】TN713引言毫米波无线通信技术是微波无线通信技术向更高频段的延伸,近年来得到了广泛关注与重视,其主要原因有:毫米波对应的频谱资源丰富;毫米波自身的传输特性良好;现代芯片制造工艺的快速发展为毫米波通信设备的制造提供了保障;毫米波通信技术已经成为许多新兴技术的发展需要. 滤波器作为通信系统中重要的组成部分,发挥着对信号频率分割和提取的功能,其性能的优劣直接影响了整个系统的通信质量. 研究小体积、高性能的毫米波滤波器对于实现收发组件单片化,以及促进毫米波技术的发展具有重要意义.基片集成波导(substrate integrated waveguide, SIW)结构是2000年提出的一种新型电路结构,它兼有传统金属波导和微带电路等平面传输线的双重优点[1-3], 其辐射损耗低、功率容量大、易与平面电路集成且抗干扰能力强. 近年来,对SIW 技术的关注度不断增加,相关的技术在微波及毫米波电路领域得到了广泛的应用[4-6]. 基于SIW结构设计的滤波器具备波导滤波器损耗低、Q值高和功率容量大的优点,同时还具备了微带线滤波器尺寸小、易集成的优点. 在滤波器朝着小型化、集成化发展的过程中,电磁兼容、电磁干扰等技术问题也日益突出. 将SIW结构运用到滤波器的设计中是毫米波电路发展的一个重要方向.2003年,文献[7]在绝缘介质基片中加入周期排列的金属通孔,通过四个中心偏置的金属化通孔的直径大小与偏离度控制各谐振腔之间的耦合,实现了三阶的滤波器结构. 这是第一款真正意义上的SIW滤波器.2005年,文献[8]将电磁带隙(electromagnetic band gap, EBG)结构运用到滤波器的设计中,设计出了一款应用周期性EBG结构的SIW滤波器. 该滤波器实现了超宽带特性与结构上的紧凑性,既具备了EBG结构的阻带特性,又保留了SIW结构本身的高通特性. 随后,利用圆形SIW谐振腔进一步实现SIW滤波器的小型化. 圆形SIW谐振腔滤波器的结构特点在于可以通过改变输入首末两端的角度来调节滤波器的品质因数.近年来,频率选择性表面(frequency selective surface, FSS)、互补开口谐振环(complementary split ring resonator, CSRR)和周期排列的十字形缺陷地(defected ground structure, DGS)结构相继被应用到SIW腔体滤波器与SIW矩形谐振滤波器中. 基于FSS设计的SIW滤波器具有单边陡降效应,通过调节腔体尺寸可以实现低频、高频陡降特性的转换,并能通过单元结构合成实现双边的陡降特性;应用耦合开口谐振环技术的SIW滤波器在利用微扰原理实现双模特性的同时,实现了阻带上的传输零点,提高了带外抑制特性;基于周期十字型DGS结构设计的SIW滤波器在提高了高频带外抑制的同时,保持了谐振腔的品质因数. 此外,应用到SIW滤波器的结构还包括共面波导、缺陷地等[9-12].针对毫米波通信系统中对滤波器小型化、高性能的需求,本文对SIW结构在毫米滤波器设计中的应用进行了研究. 对SIW的结构特点、传输特性进行了分析,结合在耦合谐振带通滤波器的设计中常用的耦合矩阵法,设计了两款工作频率位于毫米波频段的带通滤波器. 第一款为直接耦合型SIW滤波器,馈电方式采用微带线——SIW的直接转换结构,滤波器响应形式为传输零点位于无穷远传处的切比雪夫型带通滤波器. 为了进一步实现滤波器小型化、高带外抑制性能的需求,设计了第二款交叉耦合型SIW滤波器,馈电方式采用共面波导——SIW转换结构,进一步缩小了滤波器整体大小,且滤波器响应形式为通带两侧各有一个传输零点的准椭圆函数型带通滤波器,提高了滤波器带外抑制性能. 通过电磁仿真软件分别对两款滤波器进行了仿真,并对仿真结果进行了分析.1 SIW毫米波滤波器的理论分析1.1 SIW的结构特点SIW结构特点在于它将周期排列的金属圆柱或金属通孔嵌入介质基片,以此来达到与矩形金属波导侧壁类似的效果,将电磁波限制在基片上下两个金属面和两排金属通孔间. SIW的结构示意如图1所示. 其中,d表示金属通孔的直径,s表示相邻金属孔间圆心到圆心的距离,h表示基板厚度,l表示两列金属孔之间的距离.图1 SIW结构示意图Fig.1 Configuration schematic of SIW由于金属圆孔之间存在间隔,使得电磁波会在孔间产生泄露,造成了SIW结构特有的漏波特性. 漏波损耗的程度主要由金属通孔的直径d和相邻金属孔的间距s决定. 为了尽量减小漏波损耗,SIW尺寸的一般设计原则有[13]d<0.2λg,s<2d,d<0.2l.(1)由式(1)可以看出,s/d的数值即孔间隙越小,电磁波越难以在孔间发生泄露. 但从实际的角度出发,由于制造工艺有限,过小的孔直径和孔间距无疑会给实际生产带来困难. 因此对于SIW结构来说,选取合适的d值与s值,使得整个结构漏波损耗小且易于加工是相当有必要的. 图2是SIW单个谐振腔模型,两端采用微带线直接过渡型转换结构.图2 SIW单个谐振腔结构Fig.2 Configuration of a single SIW resonator通过对如图2所示的SIW单个谐振腔进行仿真优化,当d取0.5 mm,s取1 mm时,工作在30 GHz的SIW谐振腔实现了与传统矩形波导相似的传输特性. 在d与s值确定的情况下,谐振频率fc主要由两列金属孔之间的距离l决定,计算公式如下:(2)图2的SIW谐振腔的电场分布情况如图3所示.由仿真结果可以看出,通过谐振腔的电磁波被有效地限制在两排金属孔之间,几乎没有在孔间产生漏波损耗.图3 SIW谐振腔电场分布Fig.3 Magnitude of electric field distribution in the SIW cavity at resonance frequency1.2 SIW的转换结构SIW主要由介质基板和金属化通孔构成,虽然它也是一种平面结构,但是在实际电路应用中SIW难以和其他平面电路直接相连,因此SIW滤波器设计中应用了常用平面电路(如微带线)到SIW的转换结构,用来解决SIW连接与测试的问题.SIW与平面电路之间的转换结构一般有如下设计要求[8]:能实现较宽的工作带宽、较小的插入损耗和较简易的加工结构.SIW滤波器常用的五种基本平面电路转换结构如图4所示[14-17]. 其中,(a)为直接过渡结构,适用于SIW的等效阻抗与微带线特性阻抗相同的情况;(b)为凸型过渡结构,在实现SIW与微带结构过渡的同时完成了二者阻抗的匹配;(c)是凹型过渡结构,通过一段共面波导的过渡来完成阻抗匹配;(d)是SIW滤波器设计中最为常见的锥形过渡结构,其结构简单,能起到很好的展宽频段的效果,在实现微带线与SIW的阻抗匹配的同时,又减小反射带来的影响;(e)是共面波导过渡结构,相比于其他过渡结构,该结构最为紧凑,能够在体积更小的滤波器中发挥很好的作用. 其主要由一段共面波导短截线和两条短路槽构成,实现的效果与锥型过渡类似. 在后续设计中分别采用了(a)和(e)的过渡结构.(a) 直接过渡 (b) 凸型过渡 (c) 凹型过渡 (a) Direct (b) Convex (c) Concave transition transition transition(d) 锥型过渡 (e) 共面波导过渡 (d) Cone transition (e) CPW transition图4 SIW 滤波器平面电路转换结构Fig.4 Transitions from planar circuits to SIW filter 2 SIW毫米波带通滤波器的设计与仿真2.1 直接耦合型SIW带通滤波器本节设计了一款直接耦合的SIW带通滤波器,采用直接耦合的形式,工作频率覆盖19～21 GHz,通带内插入损耗小于1.5 dB,回波损耗小于-20 dB,带外抑制特性良好. 具体设计过程如下:根据所需设计的滤波器中心频率和带宽,确定滤波器的截止频率,通过公式(1),由截止频率计算得出滤波器中SIW谐振腔的尺寸. 由于设计中实现的滤波器为耦合谐振器带通滤波器,因此采用耦合矩阵法计算出各谐振腔之间的耦合系数和外部品质因数. 利用电磁仿真软件HFSS建立子工程,通过仿真得到耦合系数和外部品质因数与谐振腔的物理尺寸之间的对应关系,计算得到滤波器各部分的尺寸大小. 建立初步的滤波器整体模型,并设置相关的激励和边界条件. 其中,金属圆柱可以用边界条件为perfect E的圆柱面代替. 对模型进行仿真分析,仿真得到的响应波形与理论上会存在误差,该误差可以通过对整体模型的进一步优化来减小或消除.通过仿真对比得到,在谐振频率处于20 GHz时,谐振腔宽度H=10.5 mm. 根据技术指标要求,确立该滤波器使用的阶数为4阶. 采用耦合系数法,利用Matlab编程计算得出该滤波器的归一化耦合矩阵为(3)通过转换可以得到相邻谐振腔之间的耦合系数,转换公式如下:Mi,j=WFB×mi,j,i≠j.(4)计算得到M1,2=0.083 6,M2,3=0.060 59,M3,4=0.082 36. 滤波器的外部Q值是影响滤波性能的一个重要因素,可以通过式(5)得到:(5)式(4)、(5)中:WFB表示滤波器的相对带宽;M0,1表示输入端口与第一个谐振腔之间的M矩阵耦合系数;M4,5表示输出端口与最后一个谐振腔之间的M矩阵耦合系数,由“N+2”型耦合矩阵的计算方法可以得到. 带入数值后得到品质因数Q1=Q2=17.3.综上计算得到了谐振器之间的相关系数,使用电磁仿真软件HFSS建立该SIW之间耦合带通滤波器的初始模型,通过参数扫描对模型尺寸进行调整,以实现较好的传输特性.直接耦合SIW滤波器平面结构如图5所示. 从图中可以看出,四个由金属板面与金属圆柱组成的四个谐振腔呈横向排列. 第一个和第二个谐振腔通过过渡结构接入源和负载,各谐振腔通过横向的耦合窗口进行能量的传递.整个滤波器平面尺寸为26 mm×15 mm,具体尺寸为:L1=4.0 mm,L2=4.5 mm,W0=4.3 mm,W1=3.2 mm,W2=3.0 mm,H=10.5 mm.图5 直接耦合SIW滤波器平面结构图Fig.5 Top view of the direct coupled SIW filter通过电磁仿真软件HFSS得到的S11、S21仿真曲线如图6所示,因为滤波器采用直接耦合,所实现的响应为切比雪夫型响应. 从仿真结果可以看出,在滤波器通带19～21 GHz的范围内,插入损耗始终小于1.5 dB,回波损耗始终小于-20 dB. 带外抑制特性十分良好,在通带外的17 GHz处,对信号的衰减程度达到了50 dB.图6 直接耦合SIW滤波器S参数仿真曲线Fig.6 Simulated S parameters of the direct coupled SIW filter2.2 交叉耦合型SIW带通滤波器2.1节中所设计的SIW直接耦合带通滤波器,实现的是一般的切比雪夫响应,其传输零点位于无穷远处. 为了在通带与阻带的过渡带中实现明显的下陷,即在通带的两边实现一对陷波点,本小节用置于腔体中心的金属孔对代替原SIW滤波器中的金属孔窗口,设计了一款实现交叉耦合的SIW带通滤波器. 工作频率覆盖28.9～29.2 GHz,通带内插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB,带外抑制特性良好.为了使设计的滤波器结构更为紧凑,该滤波器在连接端采用共面波导过渡结构,在输入、输出两端加入了共面波导短截线和1/4波长短路槽.共面波导过渡结构与其他过渡结构相比更适用于小体积的SIW滤波器,相应的代价是该转换结构会使滤波器的通带带宽受到限制. 采用耦合系数法,利用Matlab编程计算得到该滤波器的耦合矩阵如式(6)所示,引入交叉耦合后,矩阵中M1,4与M4,1的数值不再为零.(6)通过电磁仿真软件HFSS建立该滤波器的初始模型,模型的平面结构如图7所示. 可以看到,滤波器由三对纵向金属孔构成了四个谐振腔. 通过调整孔间距W1、W2,可以改变对应的耦合量. 对比2.1节设计的直接耦合型SIW滤波器,本款滤波器的尺寸更小、结构更为紧凑. 整体的尺寸为4 mm×14 mm,其中W1=0.65mm,W0=2.10 mm,W2=1.10 mm,L1=2.50 mm,L2=2.35 mm,H=2.80 mm.图7 交叉耦合SIW滤波器平面示意图Fig.7 Top view of the cross coupled SIW filter通过电磁仿真软件HFSS得到的滤波器S11、S21仿真曲线如图8所示.图8 交叉耦合SIW滤波器S参数仿真曲线Fig.8 Simulated S parameters of the cross coupled SIW filter从仿真曲线可以看出,通带内插入损耗小于1 dB,回波损耗小于-20 dB,在通带两边各产生一个陷波点,带外抑制特性良好.对上述设计的两款SIW带通滤波器进行对比分析,由滤波器的平面结构示意图可知(如图5、图7所示,其中图5中馈电结构采用微带线——SIW直接转换结构,图7中馈电结构采用共面波导——SIW转换结构),共面波导转换结构使滤波器整体更加紧凑,进一步缩小了滤波器的整体大小,实现了滤波器小型化的应用需求．由仿真结果S参数曲线可知(如图6、图8所示),设计的第二款准椭圆函数型SIW带通滤波器,通过引入交叉耦合,在通带两侧各引入了一个传输零点,在相同阶数下,相比较于传输零点在无穷远处的切比雪夫型SIW带通滤波器,提高了带通滤波器的选择性,抑制更加陡峭.3 结论本文针对毫米波滤波器的设计,引入SIW结构,研究了SIW的结构特点及传输特性,结合耦合谐振带通滤波器设计中的耦合矩阵法,设计了两款工作频率位于毫米波频段的带通滤波器,并通过电磁仿真软件HFSS分别进行了仿真．结果表明,两款滤波器均实现了设计指标,满足毫米波通信系统需求. 分析得出,将SIW结构应用到毫米波滤波器的设计中,有利于优化滤波器尺寸,得到较好的滤波器性能指标,是毫米波滤波器发展的一个重要方向.参考文献【相关文献】[1] CASSIVI Y, PERREGRINI L, ARCIONI P, et al. 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