基于三角形SIW谐振腔的带通滤波器设计研究

取得了客观的成果。它可有效地实现无源和有源集成，使毫米波系统小型化，甚至可把整
个毫米波系统制作在一个封带内，极大地降低了成本；而且它的传播特性与矩形金属波导
累死，所以由其构成的毫米波和亚毫米波部件及子系统具有高 Q 值、高功率容量、易集成
等优点，与传统波导形式的微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器
正是为了解决上述矛盾，一种基于介质基片的波导结构被提了出来——基片集成波
导。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）是一种立体的周期性结构，它能
够利用 PCB、LTCC 等集成工艺制作，通过金属通孔或者空气过孔限制向外辐射的电磁波， 从而代替传统矩形金属波导或者非辐射介质波导（NRD）[4]。1998 年，Hirokawa[5]和 Uchimura[6]分别提出了一种通过金属通孔的一维阵列形成的结构，他们注意到金属通孔的
关键词：基片集成波导，带通滤波器，三角形谐振腔，多层介质结构
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南京邮电大学硕士研究生学位论文
Abstract
Abstract
With the rapid development of wireless and mobile communication technology, the RF blocks are required smaller and smaller, at the same time, the performance is required higher and higher. As an important part of the blocks, the band pass filters with high-quality, flat group-delay, low insertion loss and good frequency selectivity have received more and more attention all over the world. It is also well known that the substrate integrated waveguide (SIW) components take a lot of merits such as high quality factor, low insertion loss, high power capability, low-cost and easy integration etc, especially in the cavity filters field.
In recent years, a large number of documents have already taken a deep research on filters based on rectangular or circular SIW resonator. Compared with them, the equilateral triangle SIW resonator has the advantage of convenient layout and compact structure. By using this feature, and on the basis of giving full play to the compact advantage of equilateral triangle SIW resonator, this paper designs sixth-degree planar cross-coupled bandpass filters and fourth-degree multilayer cross-coupled narrowband band-pass filters. After the simulation and optimization through commercial software-High Frequency Structure Simulator (HFSS), the results reveal high restraint outside the band and good frequency selectivity.
本文首先对基片集成波导的传输特性以及基片集成波导/微带线转换器的设计做了简 要介绍；然后对基片集成波导谐振腔的设计进行了分析研究，内容包括谐振腔的激励方式 和腔间耦合结构的设计等；最后，重点研究了基于三角形 SIW 谐振腔的带通滤波器的设计， 尤其针对交叉耦合技术的应用进行了深入研究。
近年来，已经有大量文献对基于矩形、圆形 SIW 谐振腔的滤波器做了深入的研究。而 三角形 SIW 谐振腔与它们相比，有着方便布局，结构紧凑的优点。本文正是利用这一特点， 在充分发挥等边三角形 SIW 谐振腔紧凑性优点的基础上，设计了平面结构的六腔体交叉耦 合带通滤波器和多层结构的四腔体交叉耦合窄带带通滤波器。并利用电磁仿真软件 HFSS 进行了仿真和优化，得到了良好的带外抑制和频率选择性。
阵列可以起到和金属壁相似的作用。用两排金属通孔和上下导体表面就能模拟一个介质填
充的矩形金属波导，从而把波限制在一定的范围内向前传输。其中，金属通孔直径和波长
的比例关系、金属通孔直径和通孔间距的比例关系都会影响基片集成波导的插入损耗[7][8]。
随后，D源自文库slandes、Ke Wu、Wei Hong 等众多学者又在此领域做了大量的研究和应用工作，
件的加工成本十分低廉，不需任何事后调试工作，非常适合微波毫米波集成电路的设计和
Key Words: Substrate Integrated Waveguide (SIW), band-pass filters, triangle resonators, multilayer substrates
II
南京邮电大学学位论文原创性声明
本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
研究生签名：____________ 导师签名：____________ 日期：_____________
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第一章 绪论
第一章 绪论
1.1 研究背景与意义
微波毫米波技术是一门古老而又永葆活力的学科，而微波工程领域也常常被认为是相 当成熟的学科。现代电磁理论的基础是由詹姆斯·克拉克·麦克斯韦（James Clerk Maxwell） 在 1873 年用公式建立起来的[1],1864 年，Maxwell 发表了论文《A Dynamical Theory of the Electromagnetic Field》，为微波毫米波技术的诞生发展奠定了坚实的数学理论基础，自那以 后的一百多年间里，这一领域的工程师和科学家门从不同的方面和角度把该理论运用到各 种科学实践活动中[2]。微波毫米波技术发展到今天，其应用领域几乎囊括了人类生产生活 的各个领域，例如无线电广播电视、卫星通信、移动通信、无线接入以及医学的检查和治 疗，人们甚至可以用电磁波来探测地球内部乃至宇宙深处复杂的结构和环境。
近年来，随着无线通信事业的迅猛发展，频率资源的日益紧张，作为分离有用和无用 信号的微波滤波器成为通信系统中的重要部件，其性能的优劣直接影响了整个通信系统的 质量。高阻带抑制、低通带损耗、宽频带、高功率、寄生通带远和带内平坦群时延等成为 用户的主要技术指标要求，同时，体积、成本、设计速度也是用户关心的话题。传统的滤 波器根据其频率响应可以分为巴特沃兹、切比雪夫和椭圆函数等。现在，一种广义切比雪 夫的传递函数被用于滤波器设计中，其设计及其灵活，但是无表可查。这种滤波器的传输 零点位置可以任意确定，最多可以实现和滤波器阶数一样多的传输零点。其传输零点位置 既可以放在通带外以提高阻带抑制，又可以放在通带内将滤波器的一个通带分成多个通 带，传输零点不仅可以位于实轴来提高频率选择性，又可以位于虚轴来平坦滤波器的群时 延[3]。
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1.2 基片集成波导的发展现状与应用
随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标要求越来 越高，同时要求其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可 靠性、多功能性和低成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开 发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集 成技术。在毫米波频段，电路功能模块包括天线之间通过电磁耦合和互连紧密相连，在这
In this paper, the design basis of substrate integrated waveguide components is introduced firstly. Such as the electromagnetic propagation characteristics and the type and structure of the transformation between the SIW structure and the microstrip; Secondly, the cross-coupling theory of filters is studied, especially for the analysis of the phase model; Then, the substrate integrated waveguide resonator is mainly studied, including both the incentive way of resonator and the structure of coupling between cavities; Finally, based on the previous theory, the cross-coupled filter based on equilateral triangle SIW resonator is taken a further research.
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第一章 绪论
种情况下，电路模块的设计需要从整体上来考虑。到目前为止，设计高性能的毫米波系统
所采用的主要还是经典的波导技术。但是这种比较成熟的技术并不适合于低成本、大批量
的商业应用。这主要是因为利用这种技术在完成电路的加工以后，需要较昂贵的调整机构，
同时需要复杂繁琐的调整工作来实现预期设计的电路功能。
南京邮电大学 硕士学位论文 基于三角形SIW谐振腔的带通滤波器设计研究 姓名：程啸 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：程崇虎
2011-04
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摘要
摘要
随着无线通信和移动通信技术的迅猛发展，射频前端系统正在向着小型化、轻量化、 高可靠性、多功能性和低成本的方向发展。作为系统重要的组成部分，高品质因数、等时 延、低插入损耗和高选频特性的带通滤波器倍受关注。而基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）技术所构成的元器件具有高品质因数、低插入损耗、大功率容量、造价 低和易于集成等优点，特别是在腔体滤波器领域更是有着广阔的前景。