基片集成波导滤波器
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基片集成波导滤波器的研究 Study on The SIW Filters
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
Waveguide
什么是波导
在微波或可见光波段中引导波按照一定 在微波或可见光波段中引导波按照一定 方向传播的装置 方向传播的装置
射频与微波技术实验室
总结
ＳＩＷ优点
损耗低、品质因数高、功率容量大 低剖面、尺寸小、易于集成 高通特性 带阻特性 左手特性
ＣＳＲＲ 思考
在此基础上如何实现超宽带、双通带滤波器？ 深入研究新型ＣＳＲＲ结构，进一步降低辐射损 耗，提升阻带特性。
射频与微波技术实验室
射频与微波技术实验室
四类不同的CSRRs-SIW单元
射频与微波技术实验室
新型CSRRs-SIW单元
除去中心微带线
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW谐振单元等效电路
等效
模型
只能在有限的频率范围内 有效， 有效，它不能反映出谐振 器高次模的影响， 器高次模的影响，但是能 够完全解释这些结构的 传输特性
射频与微波技术实验室
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
Baidu Nhomakorabea
SIW的基本特性
基本特性
矩形波导 截止特性
长、宽、间隔
漏波特性
电磁泄漏
等效关系
射频与微波技术实验室
SIW与RW的等效关系
研究表明当 p < λ0 ⋅ ε r 2 , d p < 4 SIW与RW有如下 与 有如下 等效关系： 等效关系： aequ = a − d 2 0.95 p , l = l − d 2 0.95 p
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW Filter 实物
（三阶）中心频率：5.05GHz，3dB带宽为0.33GHz， 三阶）中心频率：5.05GHz，3dB带宽为0.33GHz， 带宽为0.33GHz 带内最小插入损耗大约2.03dB 带内回波损耗优于2.03dB， 带内最小插入损耗大约2.03dB，带内回波损耗优于16.6dB，显示出良好的通带传输和阻带抑制特性。 16.6dB，显示出良好的通带传输和阻带抑制特性。
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW Filter
2007年 2007年
南京理工大学的车文荃教授设计了一个5阶带 南京理工大学的车文荃教授设计了一个 阶带 通滤波器，实现了带内最大差损小于1.5dB， 通滤波器，实现了带内最大差损小于 ， 回波损耗低于-20dB 回波损耗低于
射频与微波技术实验室
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW Filter 设计步骤
1 根据设计指标 ，选择合适的 低通原型滤波 器函数， 器函数，求出 阶数， 阶数，得到低 通原型滤波器 的元件值 2 根据低通原型 元件值确定谐 振器单元间的 耦合系数， 耦合系数，外 部品质因数 3 在仿真软件中 建模仿真， 建模仿真，得 到谐振单元、 到谐振单元、 输入输出端口 具体尺寸。 具体尺寸。 仿真优化
射频与微波技术实验室
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
Complementary Split Ring Resonator Split Ring Resonator 一对开口方向相反的同心金属环
Complementary Split Ring Resonator SRR的互补结构 SRR的互补结构
射频与微波技术实验室
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
CSRR-SIW Filter
2007年 2007年
电子科大的张小川、徐军等人， SIW上表面蚀 电子科大的张小川、徐军等人，在SIW上表面蚀 CSRR设计了一个带通滤波器 刻3个CSRR设计了一个带通滤波器
射频与微波技术实验室
SIW的产生背景
2005年 2005年
加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授提出并率 先成功地应用了基片集成波导（ 先成功地应用了基片集成波导（Substrate Waveguide）技术。 Integrated Waveguide）技术。
基片集成波导兼具矩形波导和微带线的优 品质因数高、辐射损耗小、体积小、 点：品质因数高、辐射损耗小、体积小、 重量轻、容易加工和集成。 重量轻、容易加工和集成。
• 空心金属波导管
– 矩形波导
• 微带线 • 光纤
射频与微波技术实验室
SIW的产生背景
历史追溯
二战时期 • 以金属波导和微波同轴线为代表的第一代 微波电路
– 矩形波导(Rectangular Waveguide)
19世纪 年代 世纪60年代 世纪 • 微带电路、平面微波电路 微带电路、
– 小型化、低成本、易于集成 小型化、低成本、 – 半开放式结构、能量泄露、辐射损耗 半开放式结构、能量泄露、
CSRRs-SIW Filter
2009年加州大学洛杉矶分校的Yuan 2009年加州大学洛杉矶分校的Yuan 年加州大学洛杉矶分校的 Dong， Dan Dong，Tatsuo Itoh
深入分析了CSRRs特性及其等效电路模型 深入分析了CSRRs特性及其等效电路模型 CSRRs 提出一种新型CSRRs--通过去除两个谐振 提出一种新型CSRRs--通过去除两个谐振 CSRRs-环之间的微带线
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率的影响因素
外环半径对CSRR谐振频率的影响 外环半径对CSRR谐振频率的影响 CSRR
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率影响因素
环半径对CSRR谐振频率的影响 环半径对CSRR谐振频率的影响 CSRR
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率的影响因素
开口间距对CSRR谐振频率的影响 开口间距对CSRR谐振频率的影响 CSRR
射频与微波技术实验室
SIW的截止特性
与普通的金属矩形波导类似， 与普通的金属矩形波导类似，基片集成波 导的截止频率主要由两排金属化通孔的间 确定： 距a确定：
d2 a − f c (TE10 ) = 0.95 p 2 εr c
射频与微波技术实验室
SIW的漏波特性
RW的TE10模的场结构与壁电流 RW的TE10模的场结构与壁电流
射频与微波技术实验室
SIW的漏波特性
间隙越小 泄露越小
如何选择？ 如何选择？
制作工艺 有限
泄漏小 易加工
1 1 d λg < , d a < 5 5
p < 4d
射频与微波技术实验室
利用SIW实现带通滤波器
两大方向
利用SIW的 的 利用 高通特性， 高通特性， 与带阻或低 通的结构相 结合
利用SIW谐 谐 利用 振腔结构， 振腔结构， 直接采用腔 体或模式间 的耦合理论
射频与微波技术实验室
CSRR基本性质
基本结构与等效电路
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率
谐振频率
可以推出，f0跟环半径、环间距、开口 跟环半径、 可以推出， 跟环半径 环间距、 间距有关 应用有限元仿真软件 HFSS 对 CSRR 进行性能分析。CSRR 外环半径为 3.5mm，环宽为0.5mm，环间距为 0.3mm，开口间距为 0.2mm。 ， 。
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
Waveguide
什么是波导
在微波或可见光波段中引导波按照一定 在微波或可见光波段中引导波按照一定 方向传播的装置 方向传播的装置
射频与微波技术实验室
总结
ＳＩＷ优点
损耗低、品质因数高、功率容量大 低剖面、尺寸小、易于集成 高通特性 带阻特性 左手特性
ＣＳＲＲ 思考
在此基础上如何实现超宽带、双通带滤波器？ 深入研究新型ＣＳＲＲ结构，进一步降低辐射损 耗，提升阻带特性。
射频与微波技术实验室
射频与微波技术实验室
四类不同的CSRRs-SIW单元
射频与微波技术实验室
新型CSRRs-SIW单元
除去中心微带线
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW谐振单元等效电路
等效
模型
只能在有限的频率范围内 有效， 有效，它不能反映出谐振 器高次模的影响， 器高次模的影响，但是能 够完全解释这些结构的 传输特性
射频与微波技术实验室
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
Baidu Nhomakorabea
SIW的基本特性
基本特性
矩形波导 截止特性
长、宽、间隔
漏波特性
电磁泄漏
等效关系
射频与微波技术实验室
SIW与RW的等效关系
研究表明当 p < λ0 ⋅ ε r 2 , d p < 4 SIW与RW有如下 与 有如下 等效关系： 等效关系： aequ = a − d 2 0.95 p , l = l − d 2 0.95 p
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW Filter 实物
（三阶）中心频率：5.05GHz，3dB带宽为0.33GHz， 三阶）中心频率：5.05GHz，3dB带宽为0.33GHz， 带宽为0.33GHz 带内最小插入损耗大约2.03dB 带内回波损耗优于2.03dB， 带内最小插入损耗大约2.03dB，带内回波损耗优于16.6dB，显示出良好的通带传输和阻带抑制特性。 16.6dB，显示出良好的通带传输和阻带抑制特性。
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW Filter
2007年 2007年
南京理工大学的车文荃教授设计了一个5阶带 南京理工大学的车文荃教授设计了一个 阶带 通滤波器，实现了带内最大差损小于1.5dB， 通滤波器，实现了带内最大差损小于 ， 回波损耗低于-20dB 回波损耗低于
射频与微波技术实验室
射频与微波技术实验室
CSRRs-SIW Filter 设计步骤
1 根据设计指标 ，选择合适的 低通原型滤波 器函数， 器函数，求出 阶数， 阶数，得到低 通原型滤波器 的元件值 2 根据低通原型 元件值确定谐 振器单元间的 耦合系数， 耦合系数，外 部品质因数 3 在仿真软件中 建模仿真， 建模仿真，得 到谐振单元、 到谐振单元、 输入输出端口 具体尺寸。 具体尺寸。 仿真优化
射频与微波技术实验室
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
Complementary Split Ring Resonator Split Ring Resonator 一对开口方向相反的同心金属环
Complementary Split Ring Resonator SRR的互补结构 SRR的互补结构
射频与微波技术实验室
Contents
1
SIW 产生背景 SIW 基本特性 CSRR 基本特性
CSRR-SIW 滤波器
射频与微波技术实验室
2
3
4
CSRR-SIW Filter
2007年 2007年
电子科大的张小川、徐军等人， SIW上表面蚀 电子科大的张小川、徐军等人，在SIW上表面蚀 CSRR设计了一个带通滤波器 刻3个CSRR设计了一个带通滤波器
射频与微波技术实验室
SIW的产生背景
2005年 2005年
加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授提出并率 先成功地应用了基片集成波导（ 先成功地应用了基片集成波导（Substrate Waveguide）技术。 Integrated Waveguide）技术。
基片集成波导兼具矩形波导和微带线的优 品质因数高、辐射损耗小、体积小、 点：品质因数高、辐射损耗小、体积小、 重量轻、容易加工和集成。 重量轻、容易加工和集成。
• 空心金属波导管
– 矩形波导
• 微带线 • 光纤
射频与微波技术实验室
SIW的产生背景
历史追溯
二战时期 • 以金属波导和微波同轴线为代表的第一代 微波电路
– 矩形波导(Rectangular Waveguide)
19世纪 年代 世纪60年代 世纪 • 微带电路、平面微波电路 微带电路、
– 小型化、低成本、易于集成 小型化、低成本、 – 半开放式结构、能量泄露、辐射损耗 半开放式结构、能量泄露、
CSRRs-SIW Filter
2009年加州大学洛杉矶分校的Yuan 2009年加州大学洛杉矶分校的Yuan 年加州大学洛杉矶分校的 Dong， Dan Dong，Tatsuo Itoh
深入分析了CSRRs特性及其等效电路模型 深入分析了CSRRs特性及其等效电路模型 CSRRs 提出一种新型CSRRs--通过去除两个谐振 提出一种新型CSRRs--通过去除两个谐振 CSRRs-环之间的微带线
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率的影响因素
外环半径对CSRR谐振频率的影响 外环半径对CSRR谐振频率的影响 CSRR
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率影响因素
环半径对CSRR谐振频率的影响 环半径对CSRR谐振频率的影响 CSRR
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率的影响因素
开口间距对CSRR谐振频率的影响 开口间距对CSRR谐振频率的影响 CSRR
射频与微波技术实验室
SIW的截止特性
与普通的金属矩形波导类似， 与普通的金属矩形波导类似，基片集成波 导的截止频率主要由两排金属化通孔的间 确定： 距a确定：
d2 a − f c (TE10 ) = 0.95 p 2 εr c
射频与微波技术实验室
SIW的漏波特性
RW的TE10模的场结构与壁电流 RW的TE10模的场结构与壁电流
射频与微波技术实验室
SIW的漏波特性
间隙越小 泄露越小
如何选择？ 如何选择？
制作工艺 有限
泄漏小 易加工
1 1 d λg < , d a < 5 5
p < 4d
射频与微波技术实验室
利用SIW实现带通滤波器
两大方向
利用SIW的 的 利用 高通特性， 高通特性， 与带阻或低 通的结构相 结合
利用SIW谐 谐 利用 振腔结构， 振腔结构， 直接采用腔 体或模式间 的耦合理论
射频与微波技术实验室
CSRR基本性质
基本结构与等效电路
射频与微波技术实验室
CSRR谐振频率
谐振频率
可以推出，f0跟环半径、环间距、开口 跟环半径、 可以推出， 跟环半径 环间距、 间距有关 应用有限元仿真软件 HFSS 对 CSRR 进行性能分析。CSRR 外环半径为 3.5mm，环宽为0.5mm，环间距为 0.3mm，开口间距为 0.2mm。 ， 。