CN106410336A - 一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器 - Google Patents
一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其包括：依次堆叠分布的顶面金属层、第一介质基板、第一中间金属层、第二介质基板、第二中间金属层、第三介质基板及底面金属层；第一介质基板、第二介质基板及第三介质基板上分别形成第一谐振腔、第二谐振腔及第三谐振腔；顶面金属层上设置有输入端口，底面金属层上设置有输出端口；第一中间金属层用于调节第一谐振腔与第二谐振腔之间的磁耦合系数，以获取第一传输零点；第二中间金属层用于调节第二谐振腔与第三谐振腔之间的电耦合系数，以获取第二传输零点。本发明的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，调节电磁耦合强度，获取额外的传输零点，在不改变现有尺寸同时，大大改善了频选和谐波抑制特性。
Description
技术领域
本发明涉及基片集成波导滤波器技术领域，特别涉及一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器。
背景技术
随着移动通信和卫星通信等方面的迅猛发展，对微波集成电路提出了更高的要求。高可靠的设备要求微波集成电路在满足电气性能指标的同时，应尽可能减小电路占用面积。高品质因数(Q值)、等时延、带内低***损耗、带外高抑制特性的窄带带通滤波器越来越多的被人们重视。其中高品质因数和等时延不会对信号的相位产生影响；较低的带内插损则不会在过滤信号时对有用的频谱产生影响；带外较高的抑制特性则会对无用的频谱信号进行抑制，从而使得获取的信号更容易被识别，不会为噪声所影响。
基片集成波导技术是基于波导结构集成化思想而提出的，它一般通过在双面覆铜的低损耗介质基片上下金属面间引入周期性金属化通孔阵列，这样上下金属面相当于介质填充矩形波导的宽边。自基片集成波导技术产生以后，首先被大量的应用到各种带通滤波器的设计中，通过引入多个传输零点来改善其频选特性的同时，会由于多个谐振器的存在造成电路面积的增大和通带内***损耗的恶化。
经对现有的基片集成波导滤波器进行检索后发现，为了实现小型化，将基片集成波导垂直堆叠，如IEEE TRANS.ON MICROWAVE AND THEORY TECHNOLOGY第55卷中发表的滤波器(Design of vertically stacked waveguide filters in LTCC)一文，通过级联四个基片集成波导谐振器来获取准椭圆特性，从而达到改善边带陡峭性的目的。然而，其需要多层工艺才能实现，通带的寄生特性较差，对于无用信号即噪声的抑制度不够。
发明内容
本发明针对上述现有技术中存在的问题，提出一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其可以看成是由两个二阶基片集成波导滤波器级联而成，改变了两个二阶滤波器的耦合系数性质，可以独立控制该三阶滤波器的传输零点，从而达到改善滤波器频率选择性的目的。
为解决上述技术问题，本发明是通过如下技术方案实现的：
本发明提供一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其包括：依次堆叠分布的顶面金属层、第一中间金属层、第二中间金属层以及底面金属层，其中，
所述顶面金属层与所述第一中间金属层之间、所述第一中间金属层与所述第二中间金属层之间以及所述第二中间金属层与所述底面金属层之间分别设置有：第一介质基板、第二介质基板以及第三介质基板；
所述第一介质基板、所述第二介质基板以及所述第三介质基板上分别形成第一谐振腔、第二谐振腔以及第三谐振腔；
顶面金属层上设置有输入端口，所述底面金属层上设置有输出端口；
所述第一中间金属层用于调节所述第一谐振腔与所述第二谐振腔之间的磁耦合系数，以获取第一传输零点；
所述第二中间金属层用于调节所述第二谐振腔与所述第三谐振腔之间的电耦合系数，以获取第二传输零点。
较佳地，所述第一介质基板、所述第二介质基板以及所述第三介质基板中设置有金属化过孔。
较佳地，所述第一介质基板中的金属化过孔包括多个，且多个所述金属化过孔沿所述第一介质基板的边缘呈阵列排布，以形成所述第一谐振腔；和/或，
所述第二介质基板中的金属化过孔包括多个，且多个所述金属化过孔沿所述第二介质基板的边缘呈阵列排布，以形成所述第二谐振腔；和/或，
所述第三介质基板中的金属化中的金属化过孔包括多个，且多个所述金属化过孔沿所述第三介质基板的边缘呈阵列排布，以形成所述第三谐振腔。
较佳地，所述第一中间金属层上设置有：第一开孔以及第一开槽，用于在低边带获取第一传输零点；
所述第二中间金属层上设置有：第二开孔以及第二开槽，用于在高边带获取第二传输零点。
较佳地，所述第一开孔的尺寸、所述第一开孔偏离所述第一中间金属层的中心位置以及所述第一开槽的尺寸用于调节所述第一传输零点的位置。
较佳地，所述第二开孔的尺寸、所述第二开孔偏离所述第二中间金属层的中心位置的距离以及所述第二开槽的尺寸用于调节所述第二传输零点的位置。
较佳地，所述第一开槽的尺寸以及所述第二开孔的尺寸分别用于调节所述磁耦合系数以及所述电耦合系数的大小。
较佳地，所述输入端口以及所述输出端口为化学腐蚀出的共面波导微带电路。
较佳地，所述输入端口与所述输出端口相对于所述堆叠式三阶基片集成波导滤波器呈中心对称结构。
相较于现有技术，本发明具有以下优点：
(1)本发明提供的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，可以看成是两个二阶集成波导滤波器的垂直堆叠，通过分析两个基片集成波导滤波器之间的混合电、磁耦合，实现可以控制的传输零点从而得到较好的频率选择性；
(2)本发明通过在中间层开开孔及开槽的方法，调节电磁耦合强度，获取额外的传输零点，对比现有的滤波器结构，本发明在不改变几何尺寸同时，大大改善了其频选和谐波抑制特性；
(3)本发明将混合耦合引入至三阶基片集成波导交叉耦合滤波器中，在传统三阶基片集成波导交叉耦合结构中得到了准椭圆特性，采用新颖的堆叠耦合拓扑来实现高性能基片集成波导元件，大大改善了其频选特性的同时又不会造成电路面积的增大和通带内***损耗的恶化；
(4)本发明的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，采用化学腐蚀，即印刷电路板的结构，便于加工。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。
附图说明
下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明：
图1为本发明的实施例的堆叠式三阶基片波导滤波器的结构示意图；
图2a为本发明的实施例的磁耦合占控制地位的二阶基片集成波导滤波器的结构图；
图2b为图2a的俯视图；
图2c为图2a的二阶基片集成波导滤波器的输入端口到输出端口的传输特性曲线图；
图2d为磁耦合占控制地位时，耦合系数随圆孔尺寸rad1、偏移中心腔体的距离diff1及缝隙长度Ls1的变化情况图；
图3a为本发明的实施例的电耦合占控制地位的二阶基片集成波导滤波器的结构图；
图3b为图3a的俯视图；
图3c为图3a的二阶基片集成波导滤波器的输入端口到输出端口的传输特性曲线图；
图4为本发明的实施例的堆叠式三阶基片集成波导滤波器中带宽随Ls1，rad2的变化情况图；
图5a为本发明的实施例的堆叠式三阶基片集成波导滤波器的输入端口的尺寸示意图；
图5b为本发明的实施例的堆叠式三阶基片集成波导滤波器的输出端口的尺寸示意图；
图6a为本发明的实施例的堆叠式三阶基片集成波导滤波器的传输零点随L3的变化图；
图6b为本发明的实施例的堆叠式三阶基片集成波导滤波器的传输零点随L4的变化图；
图7为本发明的实施例的堆叠式三阶基片集成波导滤波器的输入端口到输出端口的传输特性曲线图。
标号说明：1-顶面金属层，2-第一中间金属层，3-第二中间金属层，4-底面金属层，5-第一介质基板，6-第二介质基板，7-第三介质基板，8-输入端口，9-输出端口，10-第一开孔，11-第二开孔，12-第一开槽，13-第二开槽。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
结合图1-图7，对本发明的堆叠式三阶基片集成波导滤波器进行详细描述，其结构示意图如图1所示，其包括：依次堆叠的顶面金属层1、第一中间金属层2、第二中间金属层3以及底面金属层4，顶面金属层1与第一中间金属层2之间设置有第一介质基板5，第一中间金属层2和第二中间金属层3之间设置有第二介质基板6，第二中间金属层2与底面金属层4之间设置有第三介质基板7；顶面金属层1上设置有输入接口8，底面金属层4上设置有输出接口9。第一介质基板5、第二介质基板6以及第三介质基板7上分别形成第一谐振腔、第二谐振腔以及第三谐振腔。
本实施例中，通过在第一介质基板5、第二介质基板6以及第三介质基板7中分别设置多个金属化通孔，多个金属化通孔沿介质基板的边缘呈阵列分布，分别形成第一谐振腔、第二谐振腔以及第三谐振腔。
本发明的设计原理为：交叉耦合系数矩阵可表现为：
通过该系数矩阵我们可以得到两个传输零点：
Ω1＝M23·M3L/M2L
Ω2＝MS1·M12/MS2
以磁耦合为主的M12和以电耦合为主M23分别控制着这两个传输零点，当两者方向相反时，就可以在高低边带得到两个传输零点，从而增加了带外抑制，得到较好的频率选择性。
本实施例的滤波器，将混合耦合引入至三阶基片集成波导交叉耦合滤波器中，在传统三阶基片集成波导交叉耦合结构中得到了准椭圆特性，采用新颖的堆叠耦合拓扑来实现高性能基片集成波导元件，大大改善了其频选特性的同时而不会造成电路面积的增大和通带内***损耗的恶化。本实施例可以看成是两个二阶基片集成波导滤波器的组合，一个为第一谐振腔和第二谐振腔组成的滤波器I，其结构示意图如图2a所示，其是磁耦合占控制地位，其俯视图如图2b所示，其中标出了第一开孔的直径rad1，第一开孔偏离第一中间金属层的中心的距离diff1，第一开槽的长度Ls1，图2c给出了输入端口到输出端口的传输特性|S21|的变化情况，图2d给出了磁耦合占控制地位时，耦合系数随圆孔尺寸rad1、偏移中心腔体的距离diff1及缝隙长度Ls1的变化情况图，第一开孔的尺寸越小，第一开槽越长，则磁耦合越强，可以通过第一开孔的尺寸rad1、第一开孔偏离第一中间金属层的中心位置的距离diff1以及第一开槽的尺寸Ls1在低边带获取第一传输零点。另一个为第二谐振腔和第三谐振腔组成的滤波器II，其结构示意图如图3a所示，其是电耦合占控制地位，其俯视图如图3b所示，其中标出了一二开孔的直径rad2，第二开孔偏离第二中间金属层的中心位置的距离diff2，第一开槽的长度Ls2，图3c给出了输出端口到输出端口的传输特性|S21|的变化情况，第二开孔11的尺寸越大，第二开槽13越短，则电耦合越强，可以通过调节第二开孔的尺寸rad2、第二开孔偏离第二中间金属层的中心位置的距离diff2以及第二开槽的尺寸Ls2在高边带获得第二传输零点。
谐振腔内部中心处电场最强而磁场最弱。将谐振腔按垂直方向堆叠在一起，组成一个二阶滤波器。腔体中间层导体面中心处开开孔，主要影响二阶谐振腔的电耦合，通过调整开孔的尺寸及离中心腔体的偏移距离即可控制电耦合系数，孔径越大，距离中心腔体的偏移距离越短则腔体间的电耦合越强。同理在腔体中间层导体面四周开开槽可以影响上下腔体的磁耦合，调整开槽的尺寸即可控制磁耦合系数，开槽越长则腔体间的磁耦合越强。
如图4给出了堆叠式三阶基片集成波导滤波器中带宽随Ls1，rad2的变化情况图，可以通过调节Ls1，rad2的尺寸控制带宽，Ls1，rad2数值越大，磁耦合系数M12和电耦合系数M23则相应变大，则带宽越宽。
如图5a、5b分别给出了输入端口8、输出端口9的尺寸图，当L3、L4变化时，传输零点的位置也跟着变化，如图6a、6b分别给出了传输零点随L3、L4的变化情况图，当L3变大时，MS1相应的变大，从而传输零点向低边带偏移，反之当L4变大时，M3L变大，传输零点向高边带偏移。
如图7给出了堆叠式三阶基片集成波导滤波器的输入端口到输出端口的传输特性|S21|的仿真结果，确定了其工作带宽、两个传输零点位置，验证了本实施例的滤波器的效果。
本实施例中，输入接口8和输出接口9相对于堆叠式三阶基片集成波导滤波器呈中心对称结构，便于结构优化。
较佳实施例中，顶面金属层1上的输入接口8和底面金属层4上的输出接口9是通过化学腐蚀制作的共面波导微带电路，加工简单方便。
此处公开的仅为本发明的优选实施例，本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，并不是对本发明的限定。任何本领域技术人员在说明书范围内所做的修改和变化，均应落在本发明所保护的范围内。
Claims (9)
1.一种堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，包括：依次堆叠分布的顶面金属层、第一中间金属层、第二中间金属层以及底面金属层，其中，
所述顶面金属层与所述第一中间金属层之间、所述第一中间金属层与所述第二中间金属层之间以及所述第二中间金属层与所述底面金属层之间分别设置有：第一介质基板、第二介质基板以及第三介质基板；
所述第一介质基板、所述第二介质基板以及所述第三介质基板上分别形成第一谐振腔、第二谐振腔以及第三谐振腔；
顶面金属层上设置有输入端口，所述底面金属层上设置有输出端口；
所述第一中间金属层用于调节所述第一谐振腔与所述第二谐振腔之间的磁耦合系数，以获取第一传输零点；
所述第二中间金属层用于调节所述第二谐振腔与所述第三谐振腔之间的电耦合系数，以获取第二传输零点。
2.根据权利要求1所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一介质基板、所述第二介质基板以及所述第三介质基板中设置有金属化过孔。
3.根据权利要求2所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一介质基板中的金属化过孔包括多个，且多个所述金属化过孔沿所述第一介质基板的边缘呈阵列排布，以形成所述第一谐振腔；和/或，
所述第二介质基板中的金属化过孔包括多个，且多个所述金属化过孔沿所述第二介质基板的边缘呈阵列排布，以形成所述第二谐振腔；和/或，
所述第三介质基板中的金属化中的金属化过孔包括多个，且多个所述金属化过孔沿所述第三介质基板的边缘呈阵列排布，以形成所述第三谐振腔。
4.根据权利要求1所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一中间金属层上设置有：第一开孔以及第一开槽，用于在低边带获取第一传输零点；
所述第二中间金属层上设置有：第二开孔以及第二开槽，用于在高边带获取第二传输零点。
5.根据权利要求4所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一开孔的尺寸、所述第一开孔偏离所述第一中间金属层的中心位置以及所述第一开槽的尺寸用于调节所述第一传输零点的位置。
6.根据权利要求4所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第二开孔的尺寸、所述第二开孔偏离所述第二中间金属层的中心位置的距离以及所述第二开槽的尺寸用于调节所述第二传输零点的位置。
7.根据权利要求4所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一开槽的尺寸以及所述第二开孔的尺寸分别用于调节所述磁耦合系数以及所述电耦合系数的大小。
8.根据权利要求1所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述输入端口以及所述输出端口为化学腐蚀出的共面波导微带电路。
9.根据权利要求1所述的堆叠式三阶基片集成波导滤波器，其特征在于，所述输入端口与所述输出端口相对于所述堆叠式三阶基片集成波导滤波器呈中心对称结构。
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