CN108808191A - 一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器 - Google Patents

一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器。该滤波器包括四个谐振腔和四个方形开口谐振环：四个谐振腔分别位于两层介质层上，两层介质层表面分别贴有金属贴片，输入端连接微带线，通过共面波导渐变线连接上层介质层表面的矩形贴边，两层介质层中间共用金属地板，金属地板上刻蚀圆形通孔，下层介质层表面的矩形贴片通过共面波导渐变线连接过渡为微带线连接输出端；矩形贴片四侧边线均设有金属通孔；四个方形开口谐振环设置于两层介质层表面的金属贴片上。该滤波器具有体积小、重量轻的优点，且保证了较好的带外抑制，通带内回波损耗较小。

Description

一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器
一技术领域
本发明涉及微波滤波器技术领域，特别是一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器。
二背景技术
微波毫米波集成电路技术是世界各国大力发展的无线通信技术，实现***的多功能混合，减小***体检和重量，在卫星通信、个人移动通信等领域有很大的应用价值。随着无线通信技术的高速发展，提出一些具有功率容量大，品质因数高，低损耗，易加工等优点的新型技术变得十分重要，基片集成波导SIW技术应运而生。
基片集成波导滤波器与传统矩形波导滤波器相比，实现形式更加丰富，结构更加灵活，易加工且易于与其他电路元器件结合，适合微波毫米波电路的集成和制作。由于SIW滤波器大多是平面结构，在频率较低时，结构尺寸相对较大。
为了减少器件的尺寸，提出了双层基片集成波导的概念，尺寸虽减少了但还能实现整个基片集成波导的功能，基片集成波导带通滤波器同样也存在不能权衡带外抑制和通带内回波损耗的缺点，不容易控制和调节，因此引入了开口谐振环(F.Falcone,T.Lopetegi,J.D.Bacana,R.Marques,F.martin,and M.Sorolla,“Effective Negative-εStopband Microtrip Lines Based on Complementary Split Ring Resonators,”IEEEMicro.Wireless Compon.Lett.,vol.14,no.6,pp.2075-2084,Jun.2004)。开口谐振环具有高频率选择性，但是带宽较窄，只能实现窄带带通特性。
三发明内容
本发明的目的在于提供一种结构简单、容易实现的加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，从而既保证了较好的带外抑制性能，又能使通带内回波损耗足够小。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，包括由上至下设置的第一介质层、第二介质层，其中第一介质层上表面设置第一金属贴片，第一介质层、第二介质层之间设置共用金属地板，第二介质层下表面设置第二金属贴片；
所述第一介质层的上表面，输入端连接第一微带线，第一微带线通过第一共面波导渐变线连接第一金属贴片；
所述第二介质层的下表面，第二金属贴片通过第二共面波导渐变线连接第二微带线，第二微带线连接输出端；
第一金属贴片、第二金属贴片的四侧边线均设有金属通孔，每个金属通孔从上至下依次贯穿第一金属贴片、第一介质层、共用金属地板、第二介质层、第二金属贴片；
所述第一金属贴片、共用金属地板、第二金属贴片、金属通孔，在第一介质层形成第一、二谐振腔，在第二介质层形成第三、四谐振腔；第一、三谐振腔位于输入端、输出端一侧；
第二谐振腔正上方的第一金属贴片上设有第一、二方形开口谐振环，第一、二方形开口谐振环位于与第一谐振腔相邻的电场最大处；第四谐振腔正下方的第二金属贴片上设有第三、四方形开口谐振环，第三、四方形开口谐振环位于与第三谐振腔相邻的电场最大处。
进一步地，所述第一、三方形开口谐振环设置于输入端一侧且旋转-45°，第二、四方形开口谐振环设置于输出端一侧且旋转+45°。
进一步地，所述第一金属贴片、第二金属贴片的宽度即两侧金属通孔中心间的距离，根据以下公式确定：
式中，fc为加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的截止频率，v为光在第一介质层、第二介质层中的传播速度，λc为截止频率fc所对应的波长，aequ为矩形贴片的等效宽度，asiw为矩形贴片的实际宽度，c为光在真空中传播的速度，εr为第一层介质层、第二层介质层的介电常数，d为金属通孔的直径，p为相邻金属通孔圆心之间的距离。
进一步地，所述第一介质层和第二介质层的厚度和介电常数相等，厚度范围为0.5～2mm、介电常数范围为2～6。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)采用双层基片集成波导结构，可以实现体积小、重量轻、易于集成的特性；(2)采用开口谐振环与双层SIW滤波器相结合，通过调节方形开口谐振环的旋转角度和尺寸，便于调节滤波器的选择性和带外抑制性等性能，在实现宽带带通滤波特性的同时可以实现高选择性，提高了带外抑制性能和差值损耗；(3)采用开口谐振环与双层SIW滤波器相结合，减小了滤波器的尺寸，同时也降低了加工和制作的难度。
四附图说明
图1是本发明加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的结构图，其中(a)为侧视图，(b)为金属地板的俯视图，(c)为第一介质层的上表面电路图，(d)为第二介质层的下表面电路图。
图2是本发明加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的S参数结果图。
图3是本发明加载开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器与未加载谐振环双层基片集成波导带通滤波器的S参数比较图。
五具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
本发明加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，该滤波器包括四个谐振腔和四个方形开口谐振环：四个谐振腔分别位于两层介质层上，两层介质层表面分别贴有金属贴片，输入端连接微带线，通过共面波导渐变线连接上层介质层表面的矩形贴边，两层介质层中间共用金属地板，金属地板上刻蚀圆形通孔，下层介质层表面的矩形贴片通过共面波导渐变线连接过渡为微带线连接输出端；矩形贴片四侧边线均设有金属通孔；四个方形开口谐振环设置于两层介质层表面的金属贴片上。结合图1(a)～(d)，具体结构如下：
包括由上至下设置的第一介质层1、第二介质层2，其中第一介质层1上表面设置第一金属贴片11，第一介质层1、第二介质层2之间设置共用金属地板12，第二介质层2下表面设置第二金属贴片22；
所述第一介质层1的上表面，输入端4连接第一微带线31，第一微带线31通过第一共面波导渐变线71连接第一金属贴片11；
所述第二介质层2的下表面，第二金属贴片22通过第二共面波导渐变线72连接第二微带线32，第二微带线32连接输出端5；
第一金属贴片11、第二金属贴片22的四侧边线均设有金属通孔6，每个金属通孔6从上至下依次贯穿第一金属贴片11、第一介质层1、共用金属地板12、第二介质层2、第二金属贴片22；
所述第一金属贴片11、共用金属地板12、第二金属贴片22、金属通孔6，在第一介质层1形成第一、二谐振腔81、82，在第二介质层2形成第三、四谐振腔83、84；第一、三谐振腔81、83位于输入端4、输出端5一侧；
第二谐振腔82正上方的第一金属贴片11上设有第一、二方形开口谐振环51、52，第一、二方形开口谐振环51、52位于与第一谐振腔81相邻的电场最大处；第四谐振腔84正下方的第二金属贴片22上设有第三、四方形开口谐振环53、54，第三、四方形开口谐振环53、54位于与第三谐振腔83相邻的电场最大处。
进一步地，所述第一、三方形开口谐振环51、53设置于输入端4一侧且旋转-45°，第二、四方形开口谐振环52、54设置于输出端5一侧且旋转+45°。
进一步地，所述第一金属贴片11、第二金属贴片22的宽度即两侧金属通孔6中心间的距离，根据以下公式确定：
式中，fc为加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的截止频率，v为光在第一介质层1、第二介质层2中的传播速度，λc为截止频率fc所对应的波长，aequ为矩形贴片的等效宽度，asiw为矩形贴片的实际宽度，c为光在真空中传播的速度，εr为第一层介质层1、第二层介质层2的介电常数，d为金属通孔6的直径，p为相邻金属通孔6圆心之间的距离。
所述第一介质层1和第二介质层2的厚度和介电常数相等，厚度范围为0.5～2mm、介电常数范围为2～6。
本发明加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，参数设计过程如下：
(一)、第一介质层1和第二介质层2的厚度和介电常数相等，厚度为0.508mm、介电常数为2.94。
(二)优化第一、二、三、四方形开口谐振环51、52、53、54，主要调节方形开口谐振环的长度511、531及其旋转角度，使所设计基片加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的截止频率具有高选择性；
(三)、根据截止频率fc来确定基片集成波导带通滤波器中矩形贴片的宽度，即从金属通孔(6)轴心连线到对面边线的垂直距离，具体公式如上所示。
(四)、在矩形贴片的左端有第一共面波导渐变线71、第二共面波导渐变线72，优化第一、第二共面波导渐变线71、72的尺寸使得第一微带线31、第二微带线32和加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的阻抗匹配；
(五)、分别对第一、二、三、四方形开口谐振环51、52、53、54的尺寸511、531和角度，第一介质层1、第二介质层2中间共用金属地板上刻蚀圆通孔121的半径R以及第一、二共面波导渐变线71、72优化后，最后对滤波器整体进行优化和调试，使其性能要求满足设计指标。
实施例1
结合图1本发明加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器，下面设计了一个截止频率fc为29GHz的加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器，带内回波损耗小于-10dB，带外插损小于-25dB。
该加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器，包括由上至下设置的第一介质层1、第二介质层2，其中第一介质层1上表面设置第一金属贴片11，第一介质层1、第二介质层2之间设置共用金属地板12，第二介质层2下表面设置第二金属贴片22；
所述第一介质层1的上表面，输入端4连接第一微带线31，第一微带线31通过第一共面波导渐变线71连接第一金属贴片11；所述第二介质层2的下表面，第二金属贴片22通过第二共面波导渐变线72连接第二微带线32，第二微带线32连接输出端5；第一金属贴片11、第二金属贴片22的四侧边线均设有金属通孔6，每个金属通孔6从上至下依次贯穿第一金属贴片11、第一介质层1、共用金属地板12、第二介质层2、第二金属贴片22；所述第一金属贴片11、共用金属地板12、第二金属贴片22、金属通孔6，在第一介质层1形成第一、二谐振腔81、82，在第二介质层2形成第三、四谐振腔83、84；第一、三谐振腔81、83位于输入端4、输出端5一侧；
第二谐振腔82正上方的第一金属贴片11上设有第一、二方形开口谐振环51、52，第四谐振腔84正下方的第二金属贴片22上设有第三、四方形开口谐振环、53、54，第一～第四方形开口谐振环51、52、53、54靠近两侧金属通孔6，位于第二、第四谐振腔82、84中间偏左的电场最大处。所述第一、三方形开口谐振环51、53设置于输入端4一侧且旋转-45°，第二、四方形开口谐振环52、54设置于输出端5一侧且旋转+45°。
第一介质层1、第二介质层2的材料为Roger RT6002，介电常数εr＝2.94，第一介质层1、第二介质层2厚度H＝0.508mm；金属通孔6的直径d＝0.4mm，相邻金属通孔(6)圆心之间距离为p13＝0.22mm，p14＝0.2mm，p15＝0.18mm；第一介质层1、第二介质层2中间共用金属地板上刻蚀圆通孔121的半径R＝2mm；第一共面波导渐变线71、第二共面波导渐变线72长度为5.1mm；第一、二方形开口谐振环51、52的尺寸511＝1.3mm,512＝0.05mm,513＝0.1mm,514＝0.1mm，第一方形开口谐振环51旋转45°，第二方形开口谐振环52旋转-45°；第三、四方形开口谐振环53、54的尺寸531＝1.5mm,532＝0.05mm,533＝0.1mm,534＝0.1mm，第三方形开口谐振环53旋转45°，第四方形开口谐振环54旋转-45°。
图2是本发明加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器S参数图，加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的上边带为29GHz，是所设计带通滤波器的截止频率，并且在16～32GHz宽的频带内没有寄生通带。
图3是本发明加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器与传统双层基片集成波导带通滤波器的S参数比较图。上层SIW带通滤波器，截止频率29GHz处没有很好的截至特性和选择特性；本发明中加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器19GHz开始到29GHz都有很好的通带特性，且在截止频率处有很好的带外截止特性，选择性能好。
综上所述，本发明加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器，由双层基片集成波导带通滤波器加载方形开口谐振环来实现，可以实现截止频率处的高选择性特性，又实现了提高滤波器的带外抑制性能、减小回波损耗的目的，并且结构简单，容易实现。

Claims (4)

1.一种加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，其特征在于，包括由上至下设置的第一介质层(1)、第二介质层(2)，其中第一介质层(1)上表面设置第一金属贴片(11)，第一介质层(1)、第二介质层(2)之间设置共用金属地板(12)，第二介质层(2)下表面设置第二金属贴片(22)；
所述第一介质层(1)的上表面，输入端(4)连接第一微带线(31)，第一微带线(31)通过第一共面波导渐变线(71)连接第一金属贴片(11)；
所述第二介质层(2)的下表面，第二金属贴片(22)通过第二共面波导渐变线(72)连接第二微带线(32)，第二微带线(32)连接输出端(5)；
第一金属贴片(11)、第二金属贴片(22)的四侧边线均设有金属通孔(6)，每个金属通孔(6)从上至下依次贯穿第一金属贴片(11)、第一介质层(1)、共用金属地板(12)第二介质层(2)、第二金属贴片(22)；
所述第一金属贴片(11)、共用金属地板(12)、第二金属贴片(22)、金属通孔(6)，在第一介质层(1)形成第一、二谐振腔(81、82)，在第二介质层(2)形成第三、四谐振腔(83、84)；第一、三谐振腔(81、83)位于输入端(4)、输出端(5)一侧；
第二谐振腔(82)正上方的第一金属贴片(11)上设有第一、二方形开口谐振环(51、52)，第一、二方形开口谐振环(51、52)位于与第一谐振腔(81)相邻的电场最大处；第四谐振腔(84)正下方的第二金属贴片(22)上设有第三、四方形开口谐振环(53、54)，第三、四方形开口谐振环(53、54)位于与第三谐振腔(83)相邻的电场最大处。
2.根据权利要求1所述的加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，其特征在于，所述第一、三方形开口谐振环(51、53)设置于输入端(4)一侧且旋转-45°，第二、四方形开口谐振环(52、54)设置于输出端(5)一侧且旋转+45°。
3.根据权利要求1或2所述的加载方形开口谐振环的双层基片集成波导带通滤波器，其特征在于，所述第一金属贴片(11)、第二金属贴片(22)的宽度即两侧金属通孔(6)中心间的距离，根据以下公式确定：
式中，fc为加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器的截止频率，v为光在第一介质层(1)、第二介质层(2)中的传播速度，λc为截止频率fc所对应的波长，aequ为矩形贴片的等效宽度，asiw为矩形贴片的实际宽度，c为光在真空中传播的速度，εr为第一层介质层(1)、第二层介质层(2)的介电常数，d为金属通孔(6)的直径，p为相邻金属通孔(6)圆心之间的距离。
4.根据权利要求1或2所述的加载方形开口谐振环双层基片集成波导带通滤波器，其特征在于，所述第一介质层(1)和第二介质层(2)的厚度和介电常数相等，厚度范围为0.5～2mm、介电常数范围为2～6。
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