一种新型的HMSIW宽带带通滤波器

摘要：提出一种基于半模基片集成波导和缺陷地结构的新型宽带带通滤波器，蒋半模基片集成波导的高通特性与改进的哑铃形缺陷地结构的低通特性结合，实现了一种宽带小型化的带通滤波器。仿真与测试结果表明，该滤波器中心频率为5．3 GHz，相对带宽为53％，通带范围内插入损耗小于1．6 dB。该滤波器具有宽带小型化，容易集成等优点。
关键词：半模基片集成波导；缺陷地结构；哑铃形缺陷地结构；宽带带通滤波器

0 引言
    近年来，基片集成波导(SIW)在微波及毫米波电路设计中得到了广泛的应用。基片集成波导具有品质因数高，功率容量大，易于集成，成本低等优点。然而，在有的应用场合，SIW的体积仍然比较大；为进一步地缩小尺寸，一种小型化结构“半模基片集成波导”被提出来。半模基片集成波导(HMSIW)具有与SIW相似的传输和截止特性，而且尺寸减小了1／2，结构更加紧凑。
    缺陷地结构(DGS)是在微带线的接地金属板上刻蚀周期或非周期的栅格结构，改变传输线的分布电感和分布电容，获得带阻特性和慢波特性等。哑铃型DGS结构简单，已被广泛地应用在低通滤波器的设计中。
    本文将具有高通传输特性的HMSIW与具有低通特性的改进的周期性哑铃形DGS结构结合，实现结构紧凑的宽带带通滤波器。

1 宽带带通滤波器的设计
1．1 半模基片集成波导
    将SIW沿中心面切开，得到的1／2结构就是HMSIW，切开的面可近似等效为理想磁壁。HMSIW的宽度大约是SIW的1／2，但它具有和SIW相似的传播和截止特性。HMSIW的基本结构如图1所示。图中d是金属化通孔的直径，p是相邻金属化孔的距离，Wh是HMSIW的宽度，锥形过渡线的宽度和长度分别是Wt和Lt，输入输出的微带线宽度和长度分别是W0和L01。

    合理选择金属孔的大小和间距，SIW可以等效为介质填充的矩形波导。根据要求的截止频率3．7 GHz，可以由式(1)计算出SIW的宽度WSIW =25．2 mm，HMSIW的宽度Wh大约是对应的WSIW的1／2。
   
    锥形过渡线的宽度Wt和长度Lt最佳尺寸需要经过全波仿真和优化来确定，以实现更宽的工作带宽和更小的损耗。HMSIW的传输特性曲线如图2所示。在4．1～8．9 GHz的范围内反射损耗小于-10 dB，由此可见，HMSIW具有较好的高通传输特性。
1．2 改进的哑铃形DGS结构
    如图3所示，改进的DGS结构是将传统的哑铃型DGS中间的矩形缝隙偏移到了上、下两个矩形的一端，而且采用微带线补偿的方式改善DGS低通滤波器的带内特性。

    如图4所示，改进的DGS结构的带内波纹特性得到了改善，带内反射损耗减小，由图5可知，导带宽度Wc主要影响DGS低通滤波器的通带特性，对阻带特性影响较小。而且随着其值的不断 增加，通带内的波纹越来越小，通带特性越来越好；其次，对阻带衰减极点的影响可忽略不计。

1．3 HMSIW-DGS带通滤波器
    半模基片集成波导具有高通传输特性，周期性哑铃形DGS具有低通传输特性，将两者结合就可实现宽带带通滤波器。如图6所示，由于过渡部分的微带线逐渐变宽，具有微带线补偿作用，所以将两对改进的哑铃型DGS刻蚀在HMSIW过渡结构的下方以减小反射损耗。优化DGS和HMS IW部分之间的距离t1可以得到S11性能最好的结果。优化后的滤波器的尺寸如表1所示。

2 测量结果
    滤波器的实物如图7所示，与传统的SIW带通滤波器相比，这种HMSIW带通滤波器尺寸变得更小，更易于集成。

    图8给出了仿真和测试曲线，仿真与实测结果吻合的较好。实测结果中，滤波器的中心频率为5．3 GHz，相对带宽可达51％(3．9～6．7 GHz)，具有良好的宽带特性；带内最大插入损耗小于1．6 dB。

3 结语
    该滤波器结合了HMSIW的高通特性和周期性DGS的低通特性，实现了较宽的带宽，带内反射损耗特性较好。与传统的SIW滤波器相比，该滤波器具有小型化、结构筒单、更易于集成的特点，具有广泛的应用前景。