CN103337678B - 具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器，通过引入不相邻腔体间额外的交叉耦合，可以在靠近通带很近的阻带范围内形成传输零点，这些传输零点对提高滤波器的边带过渡特性以及带外抑制特性非常有效，使滤波器具有良好的选择性，进而改善了传统主模直接耦合SIW矩形谐振腔滤波器上下边带不对称、上边带过渡特性缓和、选择性差的缺点。本发明简单易行，工作带宽较大。同时该滤波器使用单层PCB板实现，具有建模简单，在高频段具有插损小、上下边带过渡特性陡峭、阻带衰减特性增加、加工成本低以及易于集成等优点。

Description

具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及一种X波段滤波器，具体是一种具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器，该滤波器使用基片集成波导结构，在不相邻的谐振腔间引入额外的交叉耦合，从而在靠近通带的阻带内形成传输零点，使上下边带过渡特性陡峭，特别适用于较高频段、低损耗、高集成度、以及对选择性有较高要求的应用场合。

背景技术

滤波器是电路***中重要的组件之一，广泛被应用于通信、雷达等***中。高性能的滤波器能够降低***的噪声系数，减小***的带外干扰，提高接收***的灵敏度等，从而大大的提高射频***的性能。

为了适应快速增长的无线通信业务对频谱资源的要求，无线通信频率开始从低频段逐渐向高频段甚至毫米波频段扩展。因此，针对微波毫米波频段开展高集成度低成本射频电路的研究具有重要意义。

微波电路中常使用基于金属波导结构滤波器，以及基于微带线、共面线结构的滤波器。金属波导结构滤波器由于其高Q值和高功率容量等特性一直被广泛地应用于各种微波毫米波***中，特别在军事通信、雷达和卫星通信等领域。但是这种滤波器体积庞大，加工工艺和调试过程复杂，且不容易与其他平面电路集成，从而大大增加了***成本。与此相对的，微带结构滤波器可以在平面上实现，也易于与其他平面电路集成，然而这类电路中电磁波的泄露和辐射较严重，且损耗较大，Q值较低，特别在高频段中，这些缺点更加明显。因此，传统应用于设计微波无源器件的电路技术（金属波导、微带线等）^[1]已经完全不能适应现代无线通信对微波元器件小型化、低成本、集成化的要求^[2]。

为了解决金属波导结构以及微带线结构的缺陷，提出了一种新型的导波结构——基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW），它通过在上下表面为金属层的低损耗介质基片上嵌入两列平行化孔构成^[3]。其传播特性与矩形波导类似，所以由其构成的微波部件具有高Q值。同时，基片集成波导可采用传统的印刷电路板（PCB）技术与微带线、共面波导等平面传输线电路集成在同一块介质基片上，因而具有较高的集成度，此外还具有重量轻、无明显辐射、插损小等优点，特别适用于在较高频段上设计高性能的滤波器。

传统的基片集成波导滤波器设计基本是基于主模矩形谐振腔以及圆形谐振腔设计的（主模：单个腔体谐振频率最低的谐振模式，对于SIW腔体，即TE₁₀₁模式）。

传统的矩形谐振腔SIW滤波器常采用共轴的布局方式。这种布局方式建模简单，仿真时利用其对称性，实际的计算量减少了一半。但是其选择性较差，通常表现为上边带过渡特性缓慢，而下边带性能良好，呈明显的非对称性，这一缺点严重的影响了其实用价值^[3]。

传统的圆形谐振腔SIW滤波器，布局方式灵活，在平面电路各种形状腔体中，圆形腔体具有最高的无载品质因数。但是其建模复杂，对仿真设计增加了难度。

参考文献

[1]薛良金.毫米波工程基础.哈尔滨工业大学出版社，2004.

[2]张胜，王子华，肖健康，李英.基于基片集成波导（SIW）的双模带通滤波器.微波学报.2007年4月

[3]汤红军.毫米波前端集成技术研究[D].东南大学博士论文，2006.

发明内容

发明目的：提出了一种具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器。通过引入不相邻腔体间额外的交叉耦合（Cross-Coupled），可以在靠近通带很近的阻带范围内形成传输零点，这些传输零点对提高滤波器的边带过渡特性以及带外抑制特性非常有效，使滤波器具有良好的选择性，进而改善了传统主模直接耦合SIW矩形谐振腔滤波器上下边带不对称、上边带过渡特性缓和、选择性差的缺点。

本发明提供了一种简单易行，工作带宽较大的高频段滤波器设计思路。该滤波器使用单层PCB板实现，具有建模简单，在高频段具有插损小、上下边带过渡特性陡峭、阻带衰减特性增加、加工成本低以及易于集成等优点。

技术方案：一种具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器，是一种良好的上下边带选择性的交叉耦合基片集成波导滤波器。主要基于基片集成波导技术以及交叉耦合技术，非常适合在高频段甚至于毫米波频段设计高性能滤波器。

本发明采用如下技术方案：

该交叉耦合基片集成波导滤波器由三个主模为TE₁₀₁谐振模式矩形谐振腔和一个主模为TE₂₀₁谐振模式（同时存在TE₁₀₁、TE₂₀₁、TE₃₀₁模式）的一个超大谐振腔组成，每个谐振腔提供一个极点。为了使滤波器边带过渡特性更加陡峭，采用交叉耦合技术：由谐振腔体通过感性耦合窗直接耦合形成正耦合；由主模为TE₂₀₁谐振模式的超大谐振腔体中各个谐振模式之间的耦合，形成负耦合。通过相互之间的交叉耦合，可以在靠近通带很近的阻带范围内形成传输零点，提高滤波器的边带过渡特性以及带外抑制特性，使滤波器的选择性能提高。

该滤波器，采用基片集成波导技术，包含介质基片以及分别位于介质基片的上下表面的上表面金属铜、下表面金属铜；由贯穿上下表面的金属化孔阵列围成依次连接的主模为TE101模式第一矩形谐振腔、第二矩形谐振腔和第三矩形谐振腔；为了在通带附近形成传输零点，由贯穿上下表面的金属化孔阵列围成一个位于第一、第二、第三谐振腔上方，主模为TE201的超大谐振腔体（第四矩形谐振腔），超大谐振腔体与第一谐振腔和第三谐振腔相连接；第一矩形谐振腔的右侧与第二矩形谐振腔左侧重合，并在侧壁的正中设有第一耦合窗；第二矩形谐振腔的右侧与第三矩形谐振腔左侧重合，并在侧壁的正中设有第二耦合窗；第一、三矩形谐振腔的上侧与第四矩形谐振腔的下侧的重合部分设有第三、第四耦合窗；在第一矩形谐振腔的左侧正中设有共面波导输入端，在第三矩形谐振腔右侧正中设有共面波导输出端；整个滤波器结构呈中心轴镜像对称。

金属化通孔直径d：0.5mm。

金属化通孔孔间距为p：0.85mm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.该滤波器通过腔体之间的交叉耦合，在通带附近形成传输零点，从而改善了传统基片集成波导主模矩形腔体滤波器上下边带过渡性能缓和（尤其是上边带），使其边带过渡特性陡峭，带外抑制增加；

2.该滤波器具有较小的插损，采用高次模腔体结构，相较于主模腔体滤波器，可以进一步的减小损耗；

3.该滤波器采用矩形谐振腔体结构，且整个滤波器模型呈中心轴镜像对称，仿真建模简单；

4.该滤波器采用单层基片集成波导结构，可以利用成熟的单层印刷电路板工艺（PCB），实现简单且精度高，易于与有源平面电路集成，相较于传统的金属波导滤波器是较有竞争力的微波毫米波应用技术；

5.该滤波器以基片集成波导作为谐振器，电路结构封闭，基本消除了辐射泄漏，因此其损耗远远低于基于微带或共面线滤波器，非常适用于在高频段甚至毫米波段设计高性能滤波器。

附图说明

图1（a）为本发明单个基片集成波导矩形腔体平面结构示意图；

图1（b）为本发明单个基片集成波导矩形腔体侧面结构示意图；

图2为本发明实施例滤波器平面结构示意图；

图3为本发明实施例滤波器信号传输路径的拓补图；

图4为本发明实施例滤波器主要磁场分布图；

图5为本发明实施例滤波器的传输特性图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

该交叉耦合基片集成波导滤波器结构如图1（a）、1(b)、图2所示，由三个主模为TE₁₀₁谐振模式矩形谐振腔和一个主模为TE₂₀₁谐振模式（同时存在TE₁₀₁、TE₂₀₁、TE₃₀₁模式）的一个超大谐振腔组成。该滤波器采用基片集成波导技术，包含介质基片1以及分别位于介质基片1的上下表面的上表面金属铜21、下表面金属铜22；由贯穿上下表面的金属化孔阵列3围成依次连接的主模为TE₁₀₁模式第一矩形谐振腔51、第二矩形谐振腔52和第三矩形谐振腔53；为了在通带附近形成传输零点，由贯穿上下表面的金属化孔阵列3围成一个位于第一矩形谐振腔51、第二矩形谐振腔52和第三矩形谐振腔53上方，主模为TE₂₀₁超大谐振腔体（第四矩形谐振腔）54，且与第一矩形谐振腔51和第三矩形谐振腔53相连接；第一矩形谐振腔51的右侧与第二矩形谐振腔52左侧重合，并在侧壁的正中设有第一耦合窗61；第二矩形谐振腔52的右侧与第三矩形谐振腔53左侧重合，并在侧壁的正中设有第二耦合窗62；第一矩形谐振腔51、第三矩形谐振腔53的上侧与第四矩形谐振腔54的下侧的重合部分设有第三耦合窗63、第四耦合窗64；在第一矩形谐振腔51的左侧正中设有共面波导输入端71，在第三矩形谐振腔53右侧正中设有共面波导输出端72；整个滤波器结构呈中心轴镜像对称。

该滤波器每单个谐振腔提供一个极点。为了使滤波器的边带过渡特性更陡峭，在不相邻的腔体之间引入了交叉耦合技术。具体交叉耦合实施方式如下：所述滤波器信号传输路径如图3所示。该滤波器的主信号传输路径为①源-腔体1（第一矩形谐振腔51）-腔体2（第二矩形谐振腔52）-腔体3（第三矩形谐振腔53）-负载（腔体1、2、3都基于TE₁₀₁谐振模式）；②源-腔体1-腔体4（第四矩形谐振腔54）-腔体3-负载（腔体4基于TE₂₀₁谐振模式）。滤波器内的磁场分布图如图4所示。传输路径①形成正耦合，传输路径②形成负耦合，如图3所示，因此在TE₂₀₁谐振频率与通带之间会产生一个传输零点。与此同时，腔体4中存在的TE₁₀₁模式寄生响应在源与负载之间形成了一条新的信号传输路径③：源-腔体1-腔体4（基于TE₁₀₁谐振模式）-腔体3-负载。路径③形成的正耦合与路径②形成的负耦合在TE₁₀₁谐振频率与通带之间形成第二个传输零点，如图3所示；同理，腔体4中存在的寄生响应TE₃₀₁在源与负载之间形成了一条新的传输路径④：源-腔体1-腔体4（基于TE₃₀₁谐振模式）-腔体3-负载。路径④形成的正耦合与路径②形成的负耦合在通带与TE₃₀₁谐振频率之间又形成一传输零点，如图3所示。传输路径通过相互之间的交叉耦合，可以在靠近通带很近的阻带范围内形成传输零点，这些零点对提高滤波器的边带过渡特性以及带外抑制特性，使滤波器的选择性能提高。

滤波器的设计实物图如图4所示。整个滤波器由四个腔体呈中心轴镜像对称。滤波器采用了成熟的印刷电路板（PCB）工艺，在介电常数为2.2，厚度为0.508mm的Rogers5880介质基片1上制作而成。实例中的各几何参数值如下表所示：

滤波器的传输特性如图5所示，其中虚线为仿真结果，实线为测试结果，仿真与测试结果吻合良好。实测滤波器中心频率为12GHz，3dB带宽约为1GHz，回波损耗优于-15.6dB，***损耗为1.3dB。该损耗包括高频夹具接头损耗以及微带线的影响，扣除这部分损耗，滤波器的***损耗将更小。该滤波器通过交叉耦合产生的三个传输零点使其选择性良好，下边带过渡特性类似于准椭圆滤波器边带过渡性质，上边带过渡性能陡峭，非常适用于较高频段、低损耗、高集成度、以及对选择性有较高要求的应用场合。

Claims (3)

1.一种具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：包括三个主模为TE₁₀₁谐振模式矩形谐振腔和一个主模为TE₂₀₁谐振模式的一个超大谐振腔，依次称为第一矩形谐振腔、第二矩形谐振腔、第三矩形谐振腔和第四个矩形谐振腔，每个谐振腔提供一个极点；第一矩形谐振腔、第二矩形谐振腔、第三矩形谐振腔通过感性耦合窗直接耦合形成正耦合；第一矩形谐振腔、第三矩形谐振腔与第四矩形谐振腔中的TE₁₀₁和TE₃₀₁模式之间的耦合形成正耦合；第一矩形谐振腔、第四矩形谐振腔中的TE₂₀₁模式与第三矩形谐振腔之间的耦合，形成负耦合。

2.如权利要求1所述的具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述滤波器包含介质基片以及分别设在介质基片上下表面的上表面金属铜、下表面金属铜；由贯穿上下表面的金属化孔阵列围成依次连接的主模为TE₁₀₁模式第一矩形谐振腔、第二矩形谐振腔和第三矩形谐振腔；为了在通带附近形成传输零点，由贯穿上下表面的金属化孔阵列围成一个位于第一、第二、第三谐振腔上方，主模为TE₂₀₁的超大谐振腔，即第四矩形谐振腔，超大谐振腔与第一矩形谐振腔和第三矩形谐振腔相连接；第一矩形谐振腔的右侧与第二矩形谐振腔左侧重合，并在侧壁的正中设有第一耦合窗；第二矩形谐振腔的右侧与第三矩形谐振腔左侧重合，并在侧壁的正中设有第二耦合窗；第一矩形谐振腔、第三矩形谐振腔的上侧与第四矩形谐振腔的下侧的重合部分设有第三耦合窗、第四耦合窗；在第一矩形谐振腔的左侧正中设有共面波导输入端，在第三矩形谐振腔右侧正中设有共面波导输出端；整个滤波器结构呈中心轴镜像对称。

3.如权利要求2所述的具有陡峭边带特性的交叉耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述滤波器使用单层PCB板实现，其中，金属化孔直径d为：0.5mm；金属化孔孔间距p为：0.85mm。