CN107799856B - 基片集成波导可调滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基片集成波导可调滤波器，包括谐振腔和第一可调器件；谐振腔包括第一金属层，介质层与第二金属层，介质层夹于第一金属层和第二金属层之间，谐振腔内设置金属通孔，金属通孔贯通第一金属层、介质层和第二金属层的边缘，围成矩形腔体；第一金属层沿着矩形腔体内侧边缘开有缝隙；第一可调器件分布在矩形腔体内的不同位置，用于控制谐振腔的谐振频率。上述基片集成波导可调滤波器在第一金属层开有缝隙，使得谐振腔金属层上下耦合，极大地减小谐振腔的谐振频率，当设计中心频率相同的基片集成波导可调滤波器，本发明的基片集成波导可调滤波器横向面积更小，提高可集成度。

Description

基片集成波导可调滤波器
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是涉及一种基片集成波导可调滤波器。
背景技术
随着现代无线通信***的快速发展和军事信息技术的日益进步，频谱资源变得愈发稀缺，电子对抗变得越来越激烈。为了提高频谱资源的利用率和军事信息的安全性，多通带、扩跳频和动态频率分配等频谱技术被大量应用，这些大大促进了可调微波器件的发展。可调器件不仅能减少***中不同频带所需器件的数目，实现***的小型化，也能满足现代通信多频段、多性能、抗干扰的需求。因此，可调微波滤波器在移动通信、雷达、电子战***等高技术领域有着广泛的应用空间。
当前，基片集成波导(Substrate-Integrated-Waveguide，SIW)可调滤波器多为全模基片集成波导，其横向面积仍然较大，集成度低。
发明内容
基于此，有必要针对全模基片集成波导面积大的问题，提供一种基片集成波导可调滤波器。
一种基片集成波导可调滤波器，包括谐振腔和第一可调器件；
谐振腔包括第一金属层、介质层与第二金属层，介质层夹于第一金属层和第二金属层之间，谐振腔内设置金属通孔，金属通孔贯通第一金属层、介质层和第二金属层的边缘，围成矩形腔体；第一金属层沿着矩形腔体内侧边缘开有缝隙；
第一可调器件分布在矩形腔体内的不同位置，用于控制谐振腔的谐振频率。
上述基片集成波导可调滤波器包括谐振腔和第一可调器件，谐振腔包括上金属层、介质层和第二金属层，四周通过金属通孔围成矩形腔体，第一金属层开有缝隙，第一可调器件分布在腔体不同位置，用于控制谐振腔的谐振频率。该基片集成波导可调滤波器通过在第一金属层开有缝隙，改变了电场与磁场的分布，极大地减小谐振腔的谐振频率，当设计中心频率相同的基片集成波导可调滤波器，本发明的基片集成波导可调滤波器横向面积更小，提高可集成度。
附图说明
图1为本发明的谐振腔的结构示意图；
图2为一个实施例的基片集成波导可调滤波器的局部侧剖示意图；
图3为一个实施例的基片集成波导可调滤波器示意图；
图4为一个实施例的基片集成波导可调滤波器的传输参数变化示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明的保护范围。
一种基片集成波导可调滤波器，包括谐振腔100和第一可调器件。
参见图1所示，图1为本发明的谐振腔100的结构示意图。谐振腔100包括第一金属层110、介质层120与第二金属层130，介质层120夹于第一金属层110和第二金属层130之间，谐振腔100内设置金属通孔140，金属通孔140贯通第一金属层110、介质层120和第二金属层130的边缘，围成矩形腔体；第一金属层110沿着矩形腔体内侧边缘开有缝隙150；
第一可调器件分布在矩形腔体内的不同位置，用于控制谐振腔的谐振频率。
本实施例中，谐振腔100通过第一金属层110、介质层120、第二金属层130以及金属通孔140形成基片集成波导，其具有低损耗、高Q值的特性。在谐振腔的矩形腔体内引入第一可调器件，第一可调器件分布在腔体不同位置，可以控制谐振腔100的谐振频率，实现基片集成波导滤波器中心频率可调。在基片集成波导的第一金属层110开有缝隙150，缝隙150改变了谐振腔100金属层电场与磁场的分布，极大地减小谐振腔100的谐振频率，当设计中心频率相同的基片集成波导可调滤波器，可以做到原始基片集成波导的1/4大小，而谐振频率不变。本发明的基片集成波导可调滤波器横向面积更小，体积小，集成度高。
可选的，缝隙150宽度为0.2mm至1mm。
可选的，缝隙150形状包括C型、L型、I型中任一种。
缝隙150的长度对谐振频率影响较大，缝隙150越长，则谐振频率越低，可以根据基片集成波导可调滤波器的实际需要计算缝隙150的长度与宽度。缝隙150的长度决定了基片集成波导的小型化程度，而缝隙150的形状根据缝隙150的实际长度确定。
在一个实施例中，谐振腔100的数量为两个以上；谐振腔100通过错位级联的排布方式，形成共面耦合；任意两个级联的谐振腔100的重叠边形成感性窗300，感性窗300用于控制谐振腔100腔间耦合量。
本实施例中，基片集成波导可调滤波器由两个以上的带有缝隙150的集成波导可调谐振腔100采用错位级联的腔体排布方式组成，相邻的谐振腔100之间形成共面腔间，谐振腔100之间形成共面耦合。除公共金属通孔壁的金属通孔，构造感性窗300，感性窗300实现谐振腔100腔间的耦合，腔体之间的耦合量的大小取决于感性窗300的尺寸。通过改变感性窗300的尺寸，可以控制谐振腔100腔间的耦合。
在一个实施例中，基片集成波导可调滤波器还包括第二可调器件，第二可调器件设置在感性窗300位置，第二可调器件用于调整感性窗300的尺寸，控制谐振腔腔间的耦合量。
本实施例中，在感性窗300的位置引入第二可调器件，用于调节感性窗30的尺寸，进而可以控制谐振腔100腔间的耦合量，控制基片集成波导可调滤波器的带宽，适当的组合可以使得基片集成波导可调滤波器在可调范围内带宽不变。
具体的，由于感性窗300的大小决定着谐振腔100腔间的耦合量的大小，可以通过载入金属柱减小感性窗300大小，从而实现减小耦合量的方法。在感性窗300位置引入第二可调器件，第二可调器件的金属柱等间隔排列于感性窗300上，通过第二可调器件直接增加或者减少金属柱改变感性窗300的尺寸，可以实现控制耦合，进而控制基片集成波导可调滤波器的带宽，实现带宽可调。适当的组合可以保持在可调范围内，基片集成波导可调滤波器的带宽不变。
参见图2所示，图2为一个实施例基片集成波导可调滤波器的局部侧剖示意图。基片集成波导可调滤波器还包括介质衬底220、金属柱230以及金属过孔240；
介质衬底220与谐振腔100的第一金属层110连接；金属过孔240设置在介质衬底220中，金属过孔240贯穿介质衬底220，金属过孔240的一端与目标可调器件210的一端相连，另一端与第一金属层110相连；
谐振腔的第一金属层110开有方形孔160，金属柱230通过方形孔160穿过第一金属层110，贯通介质衬底220与谐振腔的介质层120，一端与第二金属层130相连，另一端与目标可调器件210的另一端相连，其中，目标可调器件包括第一可调器件或第二可调器件。
本实施例中，第一可调器件与第二可调器件具有一样的结构，该结构巧妙的实现调节谐振腔中心频率的功能以及调节谐振腔腔间耦合量的功能。
具体的，介质衬底220是用于加载目标可调器件210的，以免目标可调器件210影响谐振腔100的性能。每个金属柱230周围开有边长为一定长度的方形孔160，使得金属柱230不与第一金属层110短接。这些孔的尺寸远远小于谐振腔100的尺寸，因此几乎不影响腔体的场的分布。金属柱230贯通介质衬底220以及介质层120，下端与第二金属层130相接，上端与目标可调器件210相接。金属过孔240是用于连接目标可调器件210与第一金属层110的。其中，金属柱230与金属过孔240是成对设置的。
可选的，金属过孔240包括金属实心柱、金属空心柱中任一种。
在一个实施例中，当目标可调器件210闭合时，金属柱230通过金属过孔240连接到第一金属层110，接入至谐振腔100腔内。
本实施例中，当目标可调器件210闭合时，腔体内的金属柱230通过金属过孔240连接到腔体上壁。当目标可调器件210作为第一可调器件设置在谐振腔100内时，金属柱230作为谐振柱连接到腔体上壁，使腔内场受到扰动，腔体谐振频率就会改变，从而实现调节中心频率。当目标可调器件210作为第二可调器件设置在感性窗300上时，金属柱230作为耦合柱连接到腔体上壁，使得感性窗300金属柱增加，从而减小感性窗300尺寸，改变谐振腔100腔间的耦合量。
具体的，基片集成波导腔体等效为一个平面LC谐振腔，当目标可调器件210断开时，调谐柱与腔体上壁开路，因此在腔内的主模TE101场几乎没有受到扰动，谐振频率接近主模的谐振频率：
Figure GDA0002296684000000051
式中，c是光速；μr是基片的相对磁导率，εr是基片的相对介电常数，Weff是谐振腔的长，Leff是谐振腔的宽。
当目标可调器件210闭合时，腔体内的金属柱230作为调谐柱，通过金属过孔240连接到第一金属层110，调谐柱产生表面电流，因而调谐柱可以看作是并联入一个电感LP，使腔内场受到扰动，腔体谐振频率就会改变。电感的大小取决于调谐柱所处位置的电场大小，将调谐柱放在电场的最大值(磁场的最小值)处，谐振频率变化最大，越远离电场中心位置谐振频率变化越小。在腔体中心附近，电场值最大，LP值最小，因此调谐柱接入腔体中心位置附近时，谐振频率变化值最大，其值由
Figure GDA0002296684000000052
给出，其中，Leq是L与LP的并联值。通过选择合适地调谐柱的位置，可以将腔体的谐振频率调节到想要的值，腔体内随电场变化的谐振频率是设计可调谐振腔的基础。
可选的，第一可调器件的数量为一个以上。
第一可调器件的数量为一个以上，分布在谐振腔内不同的位置，可以实现多个中心频率可调。
通过在谐振腔上的不同位置加载第一可调器件，当所有开关处在闭合状态时频率变化最大。理论上N个金属柱230会有2N种频率状态，但是由于每个金属柱230引起的频率偏移都不同，金属柱230组合在一起时会有重复的频率出现，所以最终的可调频率个数受到一定限制。在设计可调滤波器时，考虑到尽量小的影响馈电耦合能量，金属柱230的位置选择排布在远离馈电的腔体一侧。
在一个实施例中，目标可调器件210包括RF MEMS开关；
RF MEMS开关通过安装衬垫与介质衬底220相连；
RF MEMS开关的一端通过安装衬垫与金属过孔240相连，另一端通过安装衬垫与金属柱230相连。
本实施例中，目标可调器件210使用的是RF MEMS开关，RF MEMS器件***损耗低，隔离度好，控制电路能耗低、工作频带宽、功率容量大、体积小、损耗小，易集成，性能稳定。
具体的，RF MEMS开关的数量与金属柱230、金属过孔240的数量一致。
参见图3所示，图3为其中一个实施例的基片集成波导可调滤波器示意图。谐振腔100的数量为两个，第一可调器件的数量为十个，第二可调器件的数量为四个。
两个谐振腔100采用错位级联的排布方式，形成共面腔间；感性窗300位置设置四个第二可调器件，用于控制感性窗300的尺寸，控制谐振腔100腔间的耦合量；十个第一可调器件中心对称分布于两个谐振腔100中，用于控制谐振腔的谐振频率。
本实施例中的基片集成波导可调滤波器通过第一可调器件与第二可调器件的不同的闭合组合，实现中心频率可调，其可调范围如图4所示，频率间隔50MHz，带宽基本不变，***损耗小于-20dB，具体传输参数变化见图4。该基片集成波导可调滤波器具有小型化、低损耗、稳定Q值等特点。
具体的，第一可调器件与第二可调器件可以是RF MEMS开关。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基片集成波导可调滤波器，其特征在于，包括谐振腔和第一可调器件；
所述谐振腔包括第一金属层、介质层与第二金属层，所述介质层夹于所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述谐振腔内设置金属通孔，所述金属通孔贯通所述第一金属层、介质层和第二金属层的边缘，围成矩形腔体；所述第一金属层沿着矩形腔体内侧边缘开有缝隙；
所述第一可调器件分布在所述矩形腔体内的不同位置，用于控制所述谐振腔的谐振频率；
所述谐振腔的数量为两个以上；所述谐振腔通过错位级联的排布方式，形成共面耦合；任意两个级联的谐振腔的重叠边形成感性窗，所述感性窗用于控制谐振腔腔间耦合量；
所述基片集成波导可调滤波器还包括第二可调器件，所述第二可调器件设置在感性窗位置，所述第二可调器件用于调整感性窗的尺寸，控制谐振腔腔间的耦合量，其中，所述第二可调器件的金属柱等间隔排列于感性窗上。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导可调滤波器，其特征在于，所述缝隙形状包括C型、L型、I型中任一种。
3.根据权利要求2所述的基片集成波导可调滤波器，其特征在于，所述缝隙宽度为0.2mm至1mm。
4.根据权利要求1至3任一所述的基片集成波导可调滤波器，其特征在于，还包括介质衬底、金属柱以及金属过孔；
所述介质衬底与所述谐振腔的第一金属层连接；所述金属过孔设置在所述介质衬底中，所述金属过孔贯穿所述介质衬底，所述金属过孔的一端与目标可调器件的一端相连，另一端与所述第一金属层相连；
所述谐振腔的第一金属层开有方形孔，所述金属柱通过所述方形孔穿过所述第一金属层，贯通所述介质衬底与所述谐振腔的介质层，一端与所述第二金属层相连，另一端与所述目标可调器件的另一端相连，其中，所述目标可调器件包括第一可调器件或第二可调器件。
5.根据权利要求4所述的基片集成波导可调滤波器，其特征在于，当所述目标可调器件闭合时，所述金属柱通过所述金属过孔连接到所述第一金属层，接入至所述谐振腔腔内。
6.根据权利要求4所述的基片集成波导可调滤波器，其特征在于，所述目标可调器件包括RF MEMS开关；
所述RF MEMS开关通过安装衬垫与所述介质衬底相连；
所述RF MEMS开关的一端通过所述安装衬垫与所述金属过孔相连，另一端通过所述安装衬垫与所述金属柱相连。
7.根据权利要求4所述的基片集成波导可调滤波器，其特征在于，所述金属过孔包括金属实心柱、金属空心柱中任一种。
8.一种基片集成波导可调滤波器，其特征在于，包括谐振腔、第一可调器件以及第二可调器件；
所述谐振腔包括第一金属层、介质层与第二金属层，所述介质层夹于所述第一金属层和所述第二金属层之间，所述谐振腔内设置金属通孔，所述金属通孔贯通所述第一金属层、介质层和第二金属层的边缘，围成矩形腔体；所述第一金属层沿着矩形腔体内侧边缘开有缝隙；
所述谐振腔的数量为两个，两个谐振腔采用错位级联的排布方式，形成共面腔间；两个级联的谐振腔的重叠边形成感性窗，所述感性窗用于控制谐振腔腔间耦合量；
所述第一可调器件分布在所述矩形腔体内的不同位置，用于控制所述谐振腔的谐振频率；其中，第一可调器件的数量为十个，十个第一可调器件中心对称分布于两个谐振腔中；
所述第二可调器件设置在感性窗位置，所述第二可调器件用于调整感性窗的尺寸，控制谐振腔腔间的耦合量，其中，第二可调器件的数量为四个。
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