新型集成式波导滤波器的设计

摘要：本文介绍了LTCC（低温共烧陶瓷）技术中广泛采用的IWG（集成式波导[1]）滤波器。设计了通带为35-36GHz的七级契比雪夫型IWG滤波器，它在34-37GHz外可以提供50dB的衰减，带内插损小于5dB，带内驻波小于1.3dB。由于这种类型的滤波器具有良好的矩形度和较小的体积以及到微带的自然过渡等优点已被广泛使用。

0 引言

为了适应毫米波前端系统的高选频性、高杂谐波抑制度、高集成度、低成本的需要，集成式波导IWG（integrated rectangular waveguide）的概念被不止一次的提出[1][2][3]。集成波导也有文献称为叠层波导（laminated waveguide）或嵌入式波导（implanted waveguide），它与传统意义上的介质波导有很多相同之处，它的最大特征是与其它平面电路共用一个介质层，波导的高度就是基片的厚度，波导的宽度由两排到地的金属化通孔（metallized post）或是金属化的凹槽（metallized grooved）[3]之间的距离决定。

1 微带到IWG的过渡

微带到IWG的过渡在两层厚为188μm的Ferro A6S的陶瓷基片上用厚膜工艺印制，长为l的锥型渐变线完成了50Ω微带线准TEM模到波导TE10的转换，如图1所示，微带线下的电场分布和波导内TE10模式的场分布的方向都是由接地面到金属层，可以想象随着微带线的宽度增加，两种场会变得取向一致，锥形渐变线可以很直观地完成这一变换过程，拓宽的微带线和金属接地面构成了波导的上下底面，而两侧的金属通孔或凹凿构成波导的侧壁，其实质就是一介质波导，可以用导波场理论来分析。波导的宽边a决定了TE10模的截止频率fc，窄边任意，可以是基片的厚度或更薄，而在很薄的基片上制作IWG可以极大的降低导体的辐射损耗而以导带的金属损耗为主。为了保证50Ω微带线宽度适当，取了两层Ferro基片的厚度，另取波导长10mm宽为4mm，两列金属化通孔做侧壁，在渐变线l为5mm、d为1.83mm时过渡的效果最好，背靠背仿真的结果显示在32-39GHz插损小于0.7dB，反射在-18dB以下，如图2、图3所示，由Ferro基片带来的介质损耗可以接受。

图1

图3 IWG的基本结构

2 IWG滤波器的设计

本文采用低温共烧陶瓷制作该滤波器，介点常数5.7，厚度188μm，损耗角正切0.002，要求通带35-36GHz，在34-37GHz外能提供50dB的衰减。使用半波导波长的IWG做串联谐振器，且，侧壁使用金属化通孔，级间的耦合通过金属化凹槽或金属化通孔形成的并联电感实现，它们的作用相当于K变换器，在LTCC工艺中实现K变换器的方法很多，本文采用金属化凹槽实现K变换器。相对金属波导其并联感抗Xj，j+1不变，仍为，折扣K变换器引入的电长度半波导谐振腔的电长度θj为，槽深贯穿介质基片，槽宽取0.2mm，槽两侧打圆角，槽长由0.2mm的钻头沿直线铣出，若定好第一个槽位，剩下的几个槽位（均是折扣后的半波导段的长度）就能确定下来，工艺上比较好实现。最后的尺寸列于表1、图4中，其中Wi表示从右数起第i个槽的长度，而Li表示从右数起第i个IWG的腔长，且Wi=Wn+2-i，Li=Ln+1-i，n表示滤波器的级数（n为奇数）。如果用金属化通孔做侧壁，孔间距d不能过大，否则会引起场的泄漏，也不能过小，必须保证在LTCC工艺的范围内，取d=2.5r，本文同时对比了金属槽和金属通孔做侧壁的效果，发现两种方式的结果基本吻合，如图5所示，通带插损在5dB内，34-37GHz外都达到了50dB的衰减。

图2 背靠背微带到IWG的过渡

表1 七级IWG滤波器的结构尺寸（单位：mm），波导宽a=4mm

图4 结构尺寸

最终滤波器的尺寸是25mm×4.5mm×0.188mm，若不计过渡的尺寸，IWG的总长度仅为14mm，相对相同级数的金属波导尺寸减小很多。

3 结论

IWG是借助于陶瓷多层技术而迅速兴起的一种波导结构，具有高Q值、高集成度、低成本的优势。借助IWG设计的波导滤波器具有很大的灵活性，还有很高的矩形度、较小的插损、不用屏蔽等优点，本文介绍了微带线等传统平面结构向IWG过渡的几种方式，并设计了7级契比雪夫型IWG滤波器，结果显示这种滤波器具有良好的矩形度，能满足大部分系统集成的需要，其潜力不可估量。

图5 HFSSCST仿真拟合曲线

审核编辑：汤梓红