CN108539336A

CN108539336A - 带宽可独立控制的hmsiw双模双频带滤波器

Info

Publication number: CN108539336A
Application number: CN201810448519.4A
Authority: CN
Inventors: 郭君; 游彬; 杨增
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2018-05-11
Filing date: 2018-05-11
Publication date: 2018-09-14
Anticipated expiration: 2038-05-11
Also published as: CN108539336B

Abstract

本发明涉及一种带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器。本发明利用双层HMSIW腔交错折叠方式，通过垂直耦合方式构成双频带滤波器；利用HMSIW腔的TE101和TE201模同时工作，两个腔的TE101模构成第一通带，两个腔的TE201模构成第二个通带；中间层有6个耦合槽，改变耦合槽的大小可以控制两个通带的耦合强度；输入输出馈线分别加载在上层金属面和下层金属面。通过引入HMSIW双模工作和利用双层板叠加的方式迎合了现代多标准射频***对于小型化的要求并解决了传统双频带滤波器尺寸大、设计复杂的问题。

Description

带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体为一种双层板的半模基片集成波导(HMSIW)双模双频带滤波器，是一种带宽可独立控制、小型化的HMSIW双频带射频滤波器。

背景技术

随着无线通信的快速发展，对双频带和多频带滤波器的需求越来越大，需要滤波器具有体积小，损耗低，频率选择性高，灵活性高的特点。新兴的基板集成波导(SIW)技术，由于低成本，低轮廓，相对高Q值，高功率处理能力和高密度集成的优点，代表了现代无线通信***非常有希望的候选者，为微波和毫米波应用提供了有吸引力的平台。

在过去几年中，已经基于SIW结构进行了多种技术的研究和开发，以实现双频带或多频带BPF。(1)一种实现方法是在一个滤波器电路中单独合成两个单频带BPF，然后与专门设计的匹配网络并联，形成一个双频带滤波器，导致电路尺寸较大。(2)另一种方法是通过在SIW表面上加载不同类型的互补***环谐振器(CSRR)分别产生在SIW截止频率之下传播的多个通带。然而，由于缺乏设计自由度，这种多频带BPF通常难以实现更高阶的响应。并且由于表面的槽结构导致滤波器的辐射损耗增加，降低了滤波器的性能。(3)此外，带阻谐振器通过一个反相器与带通谐振器耦合，以实现双带或多带滤波响应。然而，这种技术仅适用于具有彼此相邻的通带的那些BPF，并且滤波器的尺寸比较大。减小双频带SIW滤波器尺寸的有效设计技术是充分利用谐振腔中的基模和高阶模式。两个相邻SIW腔通过开窗磁耦合可以实现双模双频带滤波器，但是两个通带带宽不能独立控制。为了进一步的减小SIW双频带滤波器的尺寸，大家趋向于设计HMSIW双频带滤波器，或是采用多层板的方法，但是如何控制HMSIW双频带滤波器的通带带宽独立控制依然是个问题。目前基于HMSIW双模双频带滤波器是比较少的，具有两个带宽可独立控制的小型化的双频带SIW滤波器更是及其少的。为了满足现代多标准无线通信的发展，研究具有带宽可独立控制，小型化的SIW双频带滤波器具有迫切需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种双层折叠的带宽可独立控制的半模基片集成波导(HMSIW)结构的双模双频带滤波器。

本发明利用半模基片集成波导中的TE101和TE201模式同时工作，通过垂直混合电磁耦合方式形成两个通带，可以独立的控制两个通带的带宽，采用折叠双层HMSIW结构大大减小了双频带滤波器的尺寸，符合现代无线通信***对于小型化、多频带的要求。

本发明滤波器主要包括两个HMSIW谐振腔，输入输出馈线，以及六个耦合槽。

所述的滤波器主要由上下叠加的两层介质板构成，上层介质板的上表面铺设有第一金属层及输入馈线，下层介质板的下表面铺设有第二金属层及输出馈线，上下介质板间设有中间金属层；

所述的下层介质板设有贯穿介质板的若干周期性分布第二金属柱，这些金属柱围合成“匚”结构；上层介质板设有贯穿介质板的若干周期性分布第一金属柱，这些金属柱围合的结构为第二金属柱围合结构水平翻转后的结构，大小尺寸相同；且呈“匚”结构水平翻转后的若干第一金属柱两臂与呈“匚”结构的若干第二金属柱两臂位置重合，即重合部分的第一金属柱、第二金属柱上下设置；

上述第一、二金属柱同时分别贯穿第一、二金属层；

上层介质板、第一金属层、若干第一金属柱、中间金属层构成了第一个HMSIW谐振腔；下层介质板、第二金属层、若干第二金属柱、中间金属层构成了第二个HMSIW谐振腔。

所述的中间金属层设有两列耦合槽，每列设有三个耦合槽；左侧第一列耦合槽从上至下命名为第一至三耦合槽，右侧第一列耦合槽从上至下命名为第四至六耦合槽；位于队列中间位置的第二、第五耦合槽分别设置在第一、二HMSIW谐振腔的TE101模式电场最强的位置；第一、三耦合槽设置在第一HMSIW谐振腔的TE201模式电场最强的位置，第四、六耦合槽设置在第二HMSIW谐振腔的TE201模式电场最强的位置；

所述的耦合槽形状不做限定，可以是半圆形、圆形等等。

所述的输入馈线、输出馈线分别位于第一、二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁侧。

所述的输入馈线与第一HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离ti，影响输入端的外部耦合系数；输出馈线与第二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离to，影响输出端的外部耦合系数；

第一、二HMSIW谐振腔的大小决定TE101、TE201模式的谐振频率；第一、二金属柱的直径d满足条件:d＜0.2λ，其中λ是谐振模式波长，相邻金属柱间的距离P需满足条件P<2*d，以防止谐振腔电磁能量泄露；

第二、五耦合槽的尺寸面积主要影响TE101模式的耦合强度，第一、三、四、六耦合槽的尺寸面积主要影响TE201模式的耦合强度；

进一步地，双频带滤波器采用双层PCB板叠加工艺或LTCC工艺。

当HMSIW谐振腔的TE101和TE201模式同时工作，两个HMSIW谐振腔的TE101模式构成第一个通带，两个HMSIW腔的TE201模式构成第二个通带。

工作过程：

所述的滤波器存在两个HMSIW谐振腔，每个谐振腔的TE101和TE201模式同时工作，两个谐振腔以上下叠加的方式，通过垂直混合电磁耦合形成双频带滤波器，两个谐振腔的TE101模式构成第一通带，两个谐振腔的TE201模式构成第二通带，垂直耦合是通过中间金属层的耦合槽实现，改变耦合槽的大小可以改变混合电磁耦合强度，中间金属层的第二、五耦合槽主要控制第一个通带的耦合强度，中间金属层的第一、三、四、六耦合槽主要控制第二个通带的耦合强度，通带带宽可独立控制。

本发明的有益效果如下：

本发明创新性的将HMSIW交错折叠，利用HMSIW的双模式同时工作，通过中间金属层的不同位置开耦合槽形成双频带滤波器，所述的双频带滤波器的两个通带带宽可独立控制，设计的滤波器的尺寸大大减小，并且制造工艺要求低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，包括三层金属层的结构图，其中图(a)是顶层(上介质板的上表面)，图(b)是中间层(上介质板与下介质板的中间层)，图(c)是底层(下介质板的下表面)；

图2为本发明结构的侧视图；

图3为本发明滤波器的S参数仿真曲线；

其中1为第一金属柱，2为输入馈线，3为第一金属层，ti为输入馈线与第一HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离，4-9分别为第一至六耦合槽，10为中间金属层，11为第二金属层，12为输出馈线，13为上介质板，14为下介质板，15为第二金属柱，to为输出馈线与第二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的距离，d是金属柱的直径，P是相邻金属柱之间的距离，h是介质板的厚度，a、b是HMSIW谐振腔的长、宽。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明

如图1、2所示，该发明HMSIW双频带滤波器由两层PCB板叠加而成，下层介质板14设有贯穿介质板的若干周期性分布第二金属柱15，这些金属柱围合成“匚”结构；上层介质板13设有贯穿介质板的若干周期性分布第一金属柱1，这些金属柱围合的结构为第二金属柱围合结构水平翻转后的结构，大小尺寸相同；且呈“匚”结构水平翻转后的若干第一金属柱1两臂与呈“匚”结构的若干第二金属柱15两臂位置重合，第一金属柱1、第二金属柱15同时分别贯穿第一金属层3和第二金属层11。上层介质板13、第一金属层3、若干第一金属柱1、中间金属层10构成了第一个HMSIW谐振腔；下层介质板14、第二金属层11、若干第二金属柱15、中间金属层10构成了第二个HMSIW谐振腔。通过改变HMSIW腔的长宽a、b以及介质板的厚度h可以调整HMSIW谐振腔的谐振频率。

如图1、2所示，上下两层PCB板是呈“匚”结构水平翻转折叠放置的，第一HMSIW谐振腔的虚拟磁壁在左边，第二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁在右边，这是为了将第一、二HMSIW谐振腔的电场最强的位置分开，然后通过在中间金属层10开耦合槽实现双频带滤波器的上下垂直混合电磁耦合。如图1所示，中间层金属层10设有第一至六耦合槽，即4-9半圆形槽，当然其他形状的槽，如圆形、矩形槽也可以实现耦合，这里采用半圆形槽主要是因为HMSIW的TE101和TE201模式的电场是呈半圆形分布的，其半圆圆心位置电场最强，由圆心向周边逐渐变弱。第一HMSIW谐振腔的左边虚拟磁壁的电场最强，第二HMSIW谐振腔的右边虚拟磁壁的电场最强，第二耦合槽5、第五耦合槽8分别是在第一HMSIW谐振腔和第二HMSIW谐振腔的TE101模式电场最强位置的耦合槽，通过垂直混合电磁耦合，改变第二耦合槽5、第五耦合槽8的大小主要可以控制TE101模式的耦合强度，调整第一通带的带宽。第一耦合槽4、第三耦合槽6是在第一HMSIW谐振腔的TE201模式电场最强位置的耦合槽，第四耦合槽7、第六耦合槽9是在第二HMSIW谐振腔的TE201模式的电场最强位置的耦合槽，通过垂直混合电磁耦合，改变第一耦合槽4、第三耦合槽6、第四耦合槽7和第六耦合槽9的大小主要可以控制TE201模式的耦合强度，调整第二通带的带宽。第一、二HMSIW谐振腔的TE101和TE201模式同时工作，双频带滤波器的第一通带由两个HMSIW谐振腔的TE101模式构成，第二通带由两个HMSIW谐振腔的TE201模式构成。通过调整第一至六(4-9)耦合槽的大小，双频带滤波器的两个通带带宽可以独立控制。

如图1、2所示，所述的双频带滤波器的输入馈线2加载在第一HMSIW谐振腔的虚拟磁壁侧，通过改变输入馈线2与第一HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离ti，调整输入端的外部耦合Q_e值；输出馈线12加载在第二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁侧，通过改变输出馈线12与第二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离to，调整输出端的外部耦合Q_e值。

表1显示了所述的滤波器的所有结构参数的具体数值。

表1滤波器结构设计参数，单位：毫米

W1	L1	W2	L2	a	b	P	d	ti	to	d1	d2	d3	d4	d5	d6	h
																	1.2	8	1.2	8	50	21	1	0.6	7.8	7.8	9	8	9	9	8	9	0.508

从附图3(a)可以看出本发明的双频带滤波器***损耗小，矩形系数高，选择性好；图3(b)、(c)可以看出本发明的滤波器的两个通带带宽可以独立控制。

本发明创新性的将HMSIW交错折叠，利用HMSIW的双模式同时工作，通过中间金属层的不同位置开耦合槽形成双频带滤波器，本发明的双频带滤波器的通带带宽可独立控制，设计的滤波器尺寸大大减小，并且制造工艺要求低。

Claims

1.带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于由上下叠加的两层介质板构成，上层介质板的上表面铺设有第一金属层及输入馈线，下层介质板的下表面铺设有第二金属层及输出馈线，上下介质板间设有中间金属层；

上述第一、二金属柱同时分别贯穿第一、二金属层；

上层介质板、第一金属层、若干第一金属柱、中间金属层构成了第一个HMSIW谐振腔；下层介质板、第二金属层、若干第二金属柱、中间金属层构成了第二个HMSIW谐振腔；

2.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于所述的输入馈线与第一HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离ti，影响输入端的外部耦合系数；输出馈线与第二HMSIW谐振腔的虚拟磁壁中间位置的最短距离to，影响输出端的外部耦合系数。

3.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于第一、二HMSIW谐振腔的大小决定TE101、TE201模式的谐振频率。

4.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于第一、二金属柱的直径d满足条件:d＜0.2λ，其中λ是谐振模式波长；相邻金属柱间的距离P需满足条件P<2*d，以防止谐振腔电磁能量泄露。

5.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于第二、五耦合槽的尺寸面积主要影响TE101模式的耦合强度，第一、三、四、六耦合槽的尺寸面积主要影响TE201模式的耦合强度。

6.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于双频带滤波器采用双层PCB板叠加工艺或LTCC工艺。

7.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于当HMSIW谐振腔的TE101和TE201模式同时工作，两个HMSIW谐振腔的TE101模式构成第一个通带，两个HMSIW腔的TE201模式构成第二个通带。

8.如权利要求1所述的带宽可独立控制的HMSIW双模双频带滤波器，其特征在于两个HMSIW谐振腔的TE101和TE201模式同时工作，两个谐振腔以上下叠加的方式，通过垂直混合电磁耦合形成双频带滤波器，两个谐振腔的TE101模式构成第一通带，两个谐振腔的TE201模式构成第二通带，垂直耦合是通过中间金属层的耦合槽实现，改变耦合槽的大小可以改变混合电磁耦合强度，中间金属层的第二、五耦合槽主要控制第一个通带的耦合强度，中间金属层的第一、三、四、六耦合槽主要控制第二个通带的耦合强度，通带带宽可独立控制。