CN107516753A - 一种基于基片集成波导非完整模的滤波器 - Google Patents
一种基于基片集成波导非完整模的滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明通过三个技术特征来减小的谐振腔的尺寸,第一是采用非完整模式的基片集成波导,第二是通过在谐振腔表面加载小型化圆环单元(Circular‑Ring Miniaturized‑Element,CRME)来激发更低阶谐振频率进而减小谐振腔尺寸,第三是共面波导与CRME相结合的馈电方式;本发明基于基片集成波导非完整模的超小型化滤波器具有较低的损耗和良好的频率选择特性,且能够大幅度减小滤波器的尺寸;设计的新型圆环谐振单元大幅度改善了滤波器的带外抑制特性,单层PCB板的设计也利于加工、与其他平面电路的集成以及成本的降低。
Description
技术领域
本发明属于基片集成波导滤波器技术领域,尤其涉及一种基于基片集成波导非完整模的滤波器。
背景技术
随着移动通信***的快速发展,无线电频谱变得越来越拥挤,同时对微波滤波器提出了更高的要求,尤其是要求更高的带外抑制特性和具有更小的体积。
目前常用于传输微波的基片集成波导结构兼具高品质因数,大功率容量等优点,常被广泛应用于无线通信***。还有对基片集成波导进行适当设计得到的非完整模如八分之一模基片集成波导、十六分之一模基片集成波导,这些非完整模能大幅度减小器件的尺寸,满足小型化的需求,更利于与射频电路***的集成。
为了实现小型化,现有技术介绍了一种堆叠式的三阶基片集成波导滤波器,使用多层分布结构,通过调节电磁耦合强度,改善频选和谐波抑制特性。这种堆叠式的滤波器结构复杂,包含的层数较多,例如第一到第三介质基板,第一到第三中间金属层,不利于滤波器与平面电路的集成;另一方面多层结构加工困难度高,对应制板成本高。
发明内容
针对上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导非完整模的滤波器,能够使用单层电路板结构实现超小型化滤波器。
为达到上述目的,本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于基片集成波导非完整模的滤波器,包括由上层金属面、中间介质层以及下层金属面组成的基板,在所述基板上从左至右依次设置有左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔、中间八分之一模基片集成波导谐振腔以及右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔之间设置有第一径向开放缝隙,并通过所述第一径向开放缝隙相互电耦合;
所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔之间设置有第二径向开放缝隙,并通过所述第二径向开放缝隙相互电耦合;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔上还分别设置有一个金属化中心通孔;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔通过两个金属化中心通孔相互磁耦合。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为:
(1)所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第一缝隙单元,所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第二缝隙单元,所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第三缝隙单元;
所述第一缝隙单元包含沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的圆弧腔内侧蚀刻的第一圆弧缝隙、与所述第一圆弧缝隙的一端连通且沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的左边缘蚀刻的第二径向缝隙、与所述第二径向缝隙的一端连通且与所述第一圆弧缝隙同心的第三圆弧缝隙、与所述第三圆弧缝隙的一端连通且沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的右边缘蚀刻的第四径向缝隙以及与所述第四径向缝隙的一端连通且与所述第三圆弧缝隙同心的第五圆弧缝隙;
所述第三缝隙单元与所述第一缝隙单元镜像对称。
(2)所述第二缝隙单元包含左侧缝隙和右侧缝隙,所述左侧缝隙的结构与第三缝隙单元的结构相同,所述右侧缝隙的结构与第一缝隙单元的结构相同,且左侧缝隙对应的第五圆弧缝隙与右侧缝隙对应的第五圆弧缝隙连通。
(3)所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上还设置有第一馈电端,所述第一馈电端用于输入需要滤波的信号;
所述第一馈电端由第一共面波导馈电结构的中心带右侧边缘与第一缝隙单元的第二径向缝隙外侧边缘连接形成,并使得第一缝隙单元的第二径向缝隙与第一缝隙单元第一圆弧缝隙连通处形成开放缝隙;
所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上还设置有第二馈电端,所述第二馈电端用于输出滤波后的信号;
所述第二馈电端由第二共面波导馈电结构的中心带左侧边缘与第三缝隙单元对应的第二径向缝隙外侧边缘连接形成,并使得第三缝隙单元对应的第二径向缝隙与第三缝隙单元对应的第一圆弧缝隙连通处形成开放缝隙。
为了实现滤波器的超小型化,本发明通过三个技术特征来减小滤波器的尺寸,第一是采用非完整模式的基片集成波导,第二是通过在谐振腔表面加载小型化圆环单元(Circular-Ring Miniaturized-Element,CRME)来激发更低阶谐振频率进而减小谐振腔尺寸,第三是共面波导与CRME相结合的馈电方式;本发明基于基片集成波导非完整模的超小型化滤波器具有较低的损耗和良好的频率选择特性,且能够大幅度减小滤波器的尺寸;设计的新型圆环谐振单元大幅度改善了滤波器的带外抑制特性,单层PCB板的设计也利于加工、与其他平面电路的集成以及成本的降低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导非完整模的滤波器结构示意图;
图2为本发明实施例提供的从完整模SIW谐振腔到十六分之一模SIW谐振腔的分割过程示意图;
图3为本发明实施例提供的第一缝隙单元、第二缝隙单元以及第三缝隙单元的结构示意图;
图4为本发明实施例提供的共面波导馈电结构与CRME结合的馈电结构以及共面波导馈电结构的示意图;
图5为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导非完整模的滤波器上层金属面示意图;
图6为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导非完整模的滤波器下层金属面示意图;
图7为本发明实施例提供的一种基于基片集成波导非完整模的滤波器的拓扑示意图;
图8为本发明实施例提供的频率从0.6-1.2GHz的S参数仿真结果示意图,其中横坐标为频率,纵坐标为散射参数的幅度响应;
图9为本发明实施例提供的频率展宽从0-3GHz的S参数仿真结果示意图,其中横坐标为频率,纵坐标为散射参数的幅度响应;
其中,标号1表示上层金属面,标号2表示中间介质板,标号3表示下层金属面,标号41表示左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔,标号42表示右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔,标号5表示中间八分之一模基片集成波导谐振腔,标号6表示金属化中心通孔,标号7表示第一开放缝隙,标号8表示第二开放缝隙,标号A表示第一馈电端,标号B表示第二馈电端,标号a、b、c、d、e分别依次表示第一缝隙单元对应的第一圆弧缝隙、第二径向缝隙、第三圆弧缝隙、第四径向缝隙、第五圆弧缝隙,标号R表示第三缝隙单元对应的第二径向缝隙外侧边缘,标号L表示第二共面波导馈电结构的中心带左侧边缘。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于基片集成波导非完整模的滤波器,如图1所示,包括由上层金属面1、中间介质层2以及下层金属面3组成的基板,在所述基板上从左至右依次设置有左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔41、中间八分之一模基片集成波导谐振腔5以及右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔42;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔41和所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔5之间设置有第一径向开放缝隙7,并通过所述第一径向开放缝隙7相互电耦合(谐振腔的介质板等效为电容);
所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔5和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔42之间设置有第二径向开放缝隙8,并通过所述第二径向开放缝隙相互电耦合;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔41和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔42上还分别设置有一个金属化中心通孔6;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔41和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔42通过两个金属化中心通孔6相互磁耦合(金属化中心通孔等效为电感)。
需要补充的是,非完整模式的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)有半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW),四分之一模基片集成波导(Quarter Mode Substrate Integrated Waveguide,QMSIW)等;HMSIW谐振腔是沿着SIW谐振腔的理想磁壁切割得到的,继续沿着HMSIW的理想磁壁切割会得到QMSIW。对QMSIW进行同样的操作会得到八分之一模基片集成波导EMSIW,进一步可以十六分之一模基片集成波导。由此大大减小了谐振腔的尺寸,增大了小型化系数。从完整模SIW到十六分之一模SIW谐振腔的演进过程如图2所示。
进一步的,如图3所示为本发明实施例提供的第一缝隙单元、第二缝隙单元以及第三缝隙单元的结构示意图,所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第一缝隙单元,所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第二缝隙单元,所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第三缝隙单元;
所述第一缝隙单元分包含沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的圆弧腔内侧蚀刻的第一圆弧缝隙a、与所述第一圆弧缝隙a的一端连通且沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的左边缘蚀刻的第二径向缝隙b、与所述第二径向缝隙b的一端连通且与所述第一圆弧缝隙a同心的第三圆弧缝隙c、与所述第三圆弧缝隙c的一端连通且沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的右边缘蚀刻的第四径向缝隙d以及与所述第四径向缝隙d的一端连通且与所述第三圆弧缝隙c同心的第五圆弧缝隙e;
所述第三缝隙单元与所述第一缝隙单元镜像对称。
所述第二缝隙单元包含左侧缝隙和右侧缝隙,所述左侧缝隙的结构与第三缝隙单元的结构相同,所述右侧缝隙的结构与第一缝隙单元的结构相同,且左侧缝隙对应的第五圆弧缝隙与右侧缝隙对应的第五圆弧缝隙连通。
本发明实施例运用小型化圆环单元(Circular-Ring Miniaturized-Element,CRME)结构(即第一缝隙单元、第二缝隙单元以及第三缝隙单元),CRME结构最大程度的利用了滤波器的表面面积,而且其特殊结构特别适合非完整模谐振腔,与八分之一模SIW(EMSIW)和十六分之一模SIW结合的CRME结构如图3所示。该CRME结构能在谐振腔表面引入并联的电感和电容,在同一工作频率下大大减少了滤波器的尺寸,更加有利于谐振腔的小型化。
进一步的,如图3所示,所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上还设置有第一馈电端A,所述第一馈电端用于输入需要滤波的信号;
所述第一馈电端由第一共面波导馈电结构的中心带右侧边缘与第一缝隙单元的第二径向缝隙外侧边缘连接形成,并使得第一缝隙单元的第二径向缝隙与第一缝隙单元第一圆弧缝隙连通处形成开放缝隙;
所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上还设置有第二馈电端B,所述第二馈电端用于输出滤波后的信号;
如图4(a)所示,对所述第二馈电端进行具体说明(所述第一馈电端的结构与所述第二馈电端的结构类似),所述第二馈电端由第二共面波导馈电结构的中心带左侧边缘L与第三缝隙单元对应的第二径向缝隙外侧边缘R连接形成,并使得第三缝隙单元对应的第二径向缝隙与第三缝隙单元对应的第一圆弧缝隙连通处形成开放缝隙。
在毫米波范围,共面波导是性能良好,且相比微带体积更小的传输线。本发明实施例提供的馈电方式如图4(a)所示,即将共面波导与CRME结构相结合,在对谐振腔馈电的同时,引入了共面波导不连续结构,在谐振腔表面与CRME结合处形成高低电阻,并且引入接地电容和表面电容,相比现有技术中直接用共面波导馈电的方式(如图4(b)所示),能够使能量更好的传输,表面电场分布更加密集,在满足良好阻抗匹配的前提下,进一步减小了最终滤波器的尺寸。
示例性的,如图5所示,本发明实施例提供的滤波器中,两个十六分之一模基片集成波导谐振腔的半径R1分别为32毫米;所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔的半径R2为38毫米。
所述第一缝隙单元中,每个圆弧缝隙和每个径向缝隙的宽度D1分别为0.3毫米,第一圆弧缝隙与第三圆弧缝隙的距离D2为12.9毫米,第三圆弧缝隙与第五圆弧缝隙的距离为12.9毫米。
所述第二缝隙单元中,每个圆弧缝隙和每个径向缝隙的宽度D3分别为0.8毫米,第一圆弧缝隙与第三圆弧缝隙的距离D4为14毫米,第三圆弧缝隙与第五圆弧缝隙的距离为14毫米。
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔上还分别设置有一个金属化中心通孔,每个金属化中心通孔的直径D5为0.3毫米;
其中,每个金属化中心通孔设置在对应的十六分之一模基片集成波导谐振腔的夹角顶端处。
需要说明的是,左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔以及右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔都是扇形结构,其各自的顶端是指扇形结构中圆弧对应的顶角区域,且中心通孔分别设置在顶角的中心上。
所述两个十六分之一模基片集成波导谐振腔和一个八分之一模基片集成波导谐振腔上分别设置有呈圆弧状排列的多个金属化通孔,每个金属化通孔的直径D6为0.25毫米。
本发明仿真实验中,设计了一款中心频率为850MHz的三腔滤波器,其介质板材料为Rogers RT/Duroid 5880(tm)(介电常数为2.2,损耗正切角为0.0009),厚度为2mm。介质板尺寸为38.2mm×38.2mm。滤波器的上表面结构如图5所示,下表面结构如图6所示。
该滤波器尺寸如下,十六分之一模SIW谐振腔的半径R1=32mm,其上CRME环的缝隙D1=0.3mm,相邻环的距离D2=12.9mm,八分之一模SIW谐振腔的半径R2=38mm,其上CRME环的缝隙D3=0.8MM,对应相邻环的距离D4=14mm。实现两个十六分之一模谐振腔磁耦合的金属化中心通孔的直径D5=0.3mm,十六分之一模SIW谐振腔和八分之一模SIW谐振腔的金属化通孔直径D6=0.25mm。该滤波器由三个谐振腔耦合形成,拓扑示意图如图7所示,其中虚线表示电耦合,实线表示磁耦合。
对于滤波器的设计过程,首先确定滤波器的阶数和模拟原型电路,如切比雪夫原型滤波器等,还有滤波器设计的相对带宽,接着按照公式(1)和(2)计算理论的外部品质因数Qe和耦合系数Kij,其中FBW为滤波器带宽,g0为模拟原型电路的波源内电阻归一化值,g1为模拟原型电路中第一个电感或电容的归一化值,gi和gj分别为模拟原型电路中对应的电感和电容归一化值;
然后代入结构,进而指导滤波器的设计和优化。在优化过程中,先分别对两个谐振腔进行弱耦合馈电,通过公式(3)调整谐振腔间距Ox和Oy(Ox和Oy具体如图6中标识所示)得到设计要求的耦合系数,加上馈电端口之后根据公式(4)来调整馈电长度得到要求的外部品质因数Qe值。
其中fi和fj分别为弱耦合馈电时两个谐振腔的谐振频率,f0为有馈电端口的谐振腔的谐振频率,△f±90o为偏离中心频率正负90度相位的频率范围。通过多次仿真实验,得到满足设计要求的参数Ox和Oy的值为0.2mm,此外通过实验验证CRME结构的圈数影响滤波器带外抑制性能,当CRME为3环时,小型化和带外抑制特性达到均衡的状态。
在电磁仿真软件HFSS里建立该滤波器模型进行仿真,仿真结果如图8和9所示。其中,图8为本发明仿真实验中频率从0.6-1.2GHz的S参数仿真结果图,其中横坐标为频率,纵坐标为散射参数的幅度响应,图9为本发明仿真试验中频率展宽从0-3GHz的S参数仿真结果图,其中横坐标为频率,纵坐标为散射参数的幅度响应,由仿真结果可知,滤波器中心频率为850MHz,相对带宽为29.4%(相对带宽为信号带宽与中心频率之比),工作频段内***损耗|S21|小于0.5dB,回波损耗|S11|大于20dB,当频段展宽至3GHz带外抑制良好,***损耗|S21|都小于40dB,且滤波器尺寸仅为38.2mm×38.2mm×2mm。以上数据表明,本发明基于基片集成波导非完整模的超小型化滤波器具有较低的损耗和良好的频率选择特性,且能够大幅度减小滤波器的尺寸;设计的新型圆环谐振单元大幅度改善了滤波器的带外抑制特性,单层PCB板的设计也利于加工、与其他平面电路的集成以及成本的降低。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明的保护范围并不局限于此,任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内,可轻易想到变化或替换,都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此,本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种基于基片集成波导非完整模的滤波器,其特征在于,包括由上层金属面、中间介质层以及下层金属面组成的基板,在所述基板上从左至右依次设置有左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔、中间八分之一模基片集成波导谐振腔以及右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔之间设置有第一径向开放缝隙,并通过所述第一径向开放缝隙相互电耦合;
所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔之间设置有第二径向开放缝隙,并通过所述第二径向开放缝隙相互电耦合;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔上还分别设置有一个金属化中心通孔;
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔和所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔通过两个金属化中心通孔相互磁耦合。
2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导非完整模的滤波器,其特征在于,所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第一缝隙单元,所述中间八分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第二缝隙单元,所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上设置有第三缝隙单元;
所述第一缝隙单元包含沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的圆弧腔内侧蚀刻的第一圆弧缝隙、与所述第一圆弧缝隙的一端连通且沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的左边缘蚀刻的第二径向缝隙、与所述第二径向缝隙的一端连通且与所述第一圆弧缝隙同心的第三圆弧缝隙、与所述第三圆弧缝隙的一端连通且沿左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔的右边缘蚀刻的第四径向缝隙以及与所述第四径向缝隙的一端连通且与所述第三圆弧缝隙同心的第五圆弧缝隙;
所述第三缝隙单元与所述第一缝隙单元镜像对称。
3.根据权利要求2所述的一种基于基片集成波导非完整模的滤波器,其特征在于,
所述第二缝隙单元包含左侧缝隙和右侧缝隙,所述左侧缝隙的结构与第三缝隙单元的结构相同,所述右侧缝隙的结构与第一缝隙单元的结构相同,且左侧缝隙对应的第五圆弧缝隙与右侧缝隙对应的第五圆弧缝隙连通。
4.根据权利要求2所述的一种基于基片集成波导非完整模滤波器,其特征在于,
所述左侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上还设置有第一馈电端,所述第一馈电端用于输入需要滤波的信号;
所述第一馈电端由第一共面波导馈电结构的中心带右侧边缘与第一缝隙单元的第二径向缝隙外侧边缘连接形成,并使得第一缝隙单元的第二径向缝隙与第一缝隙单元的第一圆弧缝隙连通处形成开放缝隙;
所述右侧十六分之一模基片集成波导谐振腔对应的上层金属面上还设置有第二馈电端,所述第二馈电端用于输出滤波后的信号;
所述第二馈电端由第二共面波导馈电结构的中心带左侧边缘与第三缝隙单元对应的第二径向缝隙外侧边缘连接形成,并使得第三缝隙单元对应的第二径向缝隙与第三缝隙单元对应的第一圆弧缝隙连通处形成开放缝隙。
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