平面自封装5G毫米波滤波器研究

As the future 5G millimeter wave mobile communication develops, higher requirements are come up for filters such as miniaturization, low-cost, easy-integration and packaging, which makes the design of millimeter wave filters face huge challenges. It is known that millimeter wave substrate integrated waveguide (SIW) filters have drawbacks of surface waves and spatial radiation, so they need packaging in practical application. Gap waveguide (GW) technology-based filters can solve the problems of surface waves and spatial radiation, but they are too bulky to integrate. This project proposes a methodology of employing self-packaging substrate integrated gap waveguide (SP-SIGW) technology to explore and investigate 5G millimeter wave filtering devices including transmission microstrip lines and filters. For the first step, the project will study the theory of SP-SIGW transmission microstrip lines and filters using equivalent circuits theory and research deeply into the coupling mechanism of filter circuits using the electromagnetic coupling design theory. For the second step, the project will adopt the electromagnetic simulation tools to realize SP-SIGW planar self-packaging microstrip lines and put forward SP-SIGW technology-based planar self-packaging 5G millimeter wave filters. Through researches in this project, the planar self-packaging 5G millimeter wave filters can be low in cost and easy for integration. And this project is of great importance to the development of the future 5G massive MIMO mobile communication networks and internet of things and the development of the millimeter wave technology.

随着5G毫米波移动通信的发展，对滤波器的小型化低成本、易集成和封装等提出了更高的要求，毫米波滤波器设计面临巨大的挑战。基片集成波导（SIW）滤波器存在辐射损耗和表面波，实际应用需要进行封装；间隙波导（GW）滤波器虽然解决了空间辐射和表面波问题，但体积大，难以集成。本项目提出采用自封装基片集成间隙波导（SP-SIGW）技术开展5G毫米波滤波器研究，包括传输微带线和滤波器。项目将采用等效电路理论对SP-SIGW传输微带线和滤波器的理论开展研究，通过电磁耦合设计理论的进一步分析，对滤波器电路之间的耦合机理进行深入探讨；结合电磁仿真，研究实现SP-SIGW平面化自封装的微带传输线，进而提出基于SP-SIGW技术的平面化自封装的5G毫米波滤波器。项目研究将能以低成本实现易集成的平面化自封装5G毫米波滤波器，对未来5G大规模MIMO移动通信网络和物联网的发展以及整个毫米波技术的发展具有重要研究意义。

本项目“平面自封装5G毫米波滤波器研究”，在三个方面开展研究工作。.一是基于集成基片间隙波导（ISGW）的波导理论研究。首先采用变分法和横向谐振法等对ISGW、P-ISGW和ISGW槽间隙波导的特性阻抗、色散、及有效介电常数进行理论研究，推导出相应的计算表达式或近似表达式，建立了ISGW波导模式散射理论，探索出波导结构参数和材料参数对波导特性的影响。.二是基于集成基片间隙波导（ISGW）的平面自封装5G毫米波滤波器研究， 首先提出TE_101模的ISGW槽间隙波导滤波器设计和三阶滤波器设计研究，以及FSS辅助的多频段ISGW单腔多模滤波器设计新方法，给出采用耦合矩阵综合来调整腔体谐振频率的单腔多模腔体滤波器设计流程。设计的ISGW腔体滤波器带外抑制和频率选择性好，多波段滤波响应灵活，使三频滤波器很轻松地调整为双频、四频或其他多频滤波器。其次是基于ISGW的平面封装耦合滤波器研究方面,提出基于ISGW的三角形开口谐振环的电耦合低损耗高带外抑制毫米波带通滤波器。提出了基于ISGW的电磁耦合滤波器综合和设计流程，可方便地采用该综合和设计流程设计具有有限个传输零点，良好带外抑制的多阶电磁耦合集成基片间隙波导滤波器。.三是基于集成基片间隙波导（ISGW）的多功能器件融合研究，包括模式转换器、耦合器、天线、滤波天线和滤波功分器等。包括：建立模式耦合理论，提出9模式转换的转换器，提出集成基片间隙波导的3-dB S-ISGW耦合器和双带线S-ISGW耦合器， 基于集成基片间隙波导的圆极化漏波天线和磁偶极子天线，以及基于基片集成间隙波导的滤波天线和滤波功分器等。.项目的研究能以低成本实现易集成的平面化自封装5G毫米波滤波器及多功能滤波器件，将对未来5G\B5G\6G等超大规模MIMO移动通信网络、探测、传感和物联网的发展以及整个毫米波技术的发展具有重要研究意义和广泛应用前景。