一种结合HMSIW和DGS结构的宽带带通滤波器设计详解

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。