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基于CSRR的K波段HMSIW带通滤波器设计解析
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2017-11-14
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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
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
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