- 研究背景
随着科技水平的不断发展，传统低频通信越来越难以满足人们的需求，5G高频段、Ka波段、E波段等高频段通信技术等成为研究热点，随着频率提升，微波电路和器件会更小、更紧凑，且对性能要求也更高。作为重要的微波器件，滤波器广泛应用于各个领域，因此滤波器的小型化是重要研究方向。新兴的基片集成波导技术具有高品质因数、大功率容量、易于加工、造价低和容易集成等优点[1]，为实现滤波器的小型化提供了一个方向。本课题将重点研究基片集成波导在滤波器小型化的应用，探究如何将滤波器做到更小的尺寸，以满足微波器件向小体积、高集成度不断发展的需求。
二、国内外研究现状
十九世纪六十年代，Maxwell（1831-1879）在安培、奥斯特和法拉第等前人理论和实验的基础上，建立了著名的Maxwell方程组，奠定了电磁学的基础。在以后的一百多年里，电磁学理论日趋完善，从而使得电磁技术和微波技术在工程中得到了广泛的应用。其中以金属波导和微波同轴线为代表的第一代微波电路技术受到了很大的关注和研究[1]。金属波导电路之所以被广泛地应用于军事通信、地面雷达等领域，是因为金属波导元部件如滤波器、定向耦合器、匹配器、魔T、吸收负载和谐振腔体等具有很高的品质因数，极低的损耗，较好的温度特性，牢固的机械结构和高功率容量等显著优点，这也使得这类器件在当今很多特殊领域（如军事通信和武器、天文雷达和卫星通信等）还是首选部件。
但是，非平面结构的金属导波结构的显著缺点，例如体积大、重量重、加工工艺和调试过程复杂，应用系统造价昂贵，维护困难，难以适应当今小型化、低成本的要求[2]，随着微波技术的发展，涌现出了许多可以替代金属波导的新技术,以微带线为代表的平面传输线得到了广泛的研究与应用[3]。
微带电路可以完全在平面上实现，具有体积小，重量轻，造价低的优势，同时系统的连接和安装微波有源器件十分方便。作为微带电路的发展，共面波导、鳍线、悬置微带线等技术极大的丰富了平面电路的内容，增加了电路的多样性。但是随着人们生活水平的不断提高，对通信系统容量的要求越来越高，同时由于在高频微波频段有着极为丰富的频谱资源，现代通信系统正在朝高频微波特别是毫米波频段发展。在这一频段上，微带电路中电磁波的泄漏和辐射比较严重，电路的插入损耗大、Q值比较低，特别在毫米波电路的设计中，这些现象更明显[4] 。
二十世纪后期，随着新型材料技术（如砷化镓Ga As、磷化铟InP和高电阻率硅）的发展，高频率（如毫米波频段）有源微波电路的实现成为可能，它们也直接导致了混合微波集成电路（HMIC）和单片微波集成电路（MMIC）的产生[1]。另一方面，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。
基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）技术是二十一世纪初提出的一种可以集成于介质基片中的具有低插损低辐射等特性的新的导波结构，它是通过在上下底面为金属层的低损耗介质基片上，利用金属化通孔阵列而实现的，其目的是在介质基片上实现传统的金属波导的功能[1]。基片集成波导兼具了波导和平面传输线的优势，是一种极具发展前景的技术[5]。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装内，极大地降低了成本；而且它的传播特性与矩形金属波导类似，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，同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以该结构可以利用PCB或LTCC工艺精确的实现，并可与微带电路实现无隙集成[6]。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大批量生产。因此，大量基于SIW的研究相继展开，并且成功设计出多种了基于SIW技术的微波器件。
基片集成波导最先被加拿大蒙特利尔大学的吴柯教授提出，东南大学洪伟教授在此基础上提出了半模基片集成波导（Half-mode Substrate Integrated Waveguide, HMSIW）[1]。目前，SIW技术已经受到世界各地学者的青睐，被广泛应用于高品质微波毫米波电路中无源和有源微波器件的设计，各种基于SIW 的微波器件和电路应运而生。无源器件是基片集成电路中最基本也是最重要的组成部分，其中包括功分器、耦合器、滤波器、环形器等[7]。
滤波器是无源器件中重要的一类，而传统微波滤波器主要采用的是金属波导结构和平面微带结构。但是金属波导结构的滤波器体积和重量较大，而且加工调试过程复杂以及不能和平面电路集成，而采用微带结构设计的滤波器属于平面电路，高介电常数的基板使得波长大为减小，因此电路结构紧凑，易于集成，同时可采用印刷电路板工艺进行大批量生产，加工周期短且价格较低[8]。但是微带属于半开放式结构，因此，品质因数较低，损耗较大，尤其在现代通信系统不断向高频乃至毫米波频段发展，介质损耗、导体损耗和由开放空间造成的辐射损耗将进一步增加[9] 。
因此综合了微带结构和金属波导结构的特性，取长补短，实现了波导结构平面化和集成化的SIW是一种优秀的新型导波结构，在滤波器设计中得到了广泛的研究[8]。SIW滤波器有着高Q值、低损耗、易于集成等特点，现代通信系统中的滤波器也正朝着小型化、高选择性、宽阻带、多通带、超宽带、低损耗、大功率、可调谐等多方向发展[10] 。
