CN109273809A - 基于源和负载耦合的基片集成波导准椭圆带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于源和负载耦合的基片集成波导准椭圆带通滤波器，主要解决现有技术难以同时满足小型化、低损耗、带外性能优良的问题；其包括：基片集成波导腔(1)、50Ω微带传输线(2)和梯形渐进微带传输线(3)，该梯形渐近微带传输线(3)与基片集成波导腔(1)和50Ω微带传输线(2)分别为过渡连接和平滑连接，基片集成波导腔(1)的上表面中心刻蚀有五个对称非重复矩形槽(4)；基片集成波导腔(1)的一侧设有开路枝节加载微带线(5)，该开路枝节加载微带线(5)与50Ω微带传输线(2)垂直连接。本发明具有高频率选择性、高Q值、高功率容量、低辐射、低损耗、小型化和容易连接的优点，可应用在射频收发装置前端。

Description

基于源和负载耦合的基片集成波导准椭圆带通滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种基片集成波导准椭圆带通滤波器，可用于射频收发装置前端。

技术背景

随着通信技术的飞速发展，微波和毫米波通信器件和***的开发引起了越来越多的关注。在微波和毫米波通信***中，有些无源器件比如天线、滤波器，因为体积太大或是性能达不到要求而不能将它们和有源器件集成在一个芯片组上，但是可以通过***级封装技术将它们封装到一个***中，在频率不高的情况下，***级封装技术可以用传统的毫米波器件比如微带线和共面波导来实现，而在高于30GHz的频率下，由于其传输损耗和辐射损耗的增大，难以满足高性能、低损耗和高可靠性的现代通信器件的要求，由此，加拿大蒙特利尔大学吴柯教授的课题组和东南大学毫米波国家重点实验室洪伟教授的课题组提出了基片集成波导SIW技术，目前已成为当今国内外研究的热点。微波滤波器是通信***和无线***中常用的元器件之一，其性能的优劣直接影响到整个***的质量。SIW滤波器是一种在介质基片上实现的滤波器，它的性能类似矩形波导滤波器，但却属于平面电路。它具有品质因数高，功率容量大，易于加工，易于集成等特点。SIW滤波器正在被广泛的研究。

对SIW滤波器而言，高性能和小型化是发展目标。通过与其他相关技术来发展滤波器是SIW滤波器的一个发展方向。目前已经利用的相关技术有：光子带隙结构，共面波导，左手材料等。随着新材料，新工艺，新技术的不断出现，SIW滤波器也将不断发展。一些新的滤波器理论也必将促进SIW滤波器的发展。

在SIW滤波器的设计中，为了提高滤波器的频率选择性，在不影响通带特性的情况下在通带外引入有限频率传输零点已经成为同时实现滤波器高选择性和小尺寸的重要手段。传输零点能够改善阻带特性，使得滤波器在较低阶的情况下就能满足所需要的选择性要求，同时也减小了带内插损和滤波器尺寸。所以，滤波器的传输零点设计是滤波器研究和设计的一个重要内容。在有限频率产生传输零点的机理是信号的多径传输，并在有限频率上相位相反，相互抵消。产生传输零点常用的方法有交叉耦合滤波器、可控电磁耦合滤波器、源-负载耦合滤波器等。大多数滤波器传输零点的产生都是通过在谐振器上设置不同的信号传输路径来实现的。X.Chen,W.Hong等人发表的"Substrate integrated waveguideelliptic filter with transmission line inserted inverter,"ElectronicsLetters,vol.41,pp.851-852,2005.中提出了一款SIW椭圆滤波器，此款滤波器利用腔体谐振器之间的交叉耦合分别在高频和低频阻带端各产生一个传输零点，这两个传输零点大大改善了其带外性能，但由于此款滤波器的腔体结构使得其尺寸相对较大；在"Substrateintegrated waveguide filter with mixed coupled modified trisections,"Electronics Letters,vol.49,pp.482-483,2013.中Z.Q.Xu,P.Wang等人利用电磁混合耦合原理设计出一款具有四个传输零点的带通滤波器，虽然其带外性能表现良好，但其相对带宽较窄无法满足一些应用要求。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于源和负载耦合的基片集成波导准椭圆带通滤波器，以减小滤波器的尺寸，增加滤波器的带宽，提高滤波器带外性能。

为实现上述目的，本发明包括：基片集成波导腔1、50Ω微带传输线2和梯形渐进微带传输线3，该梯形渐近微带传输线3与基片集成波导腔1和50Ω微带传输线2分别为过渡连接和平滑连接；其特征在于：基片集成波导腔1的上表面中心刻蚀有五个对称非重复矩形槽4；基片集成波导腔1的一侧设有开路枝节加载微带线5，该开路枝节加载微带线5与50Ω微带传输线2垂直连接。

进一步，所述五个对称非重复矩形槽4中的四个矩形槽成轴对称水平分布，位于基片集成波导腔1上表面中轴线两侧，另外一个矩形槽位于上表面中轴线上，形成大小不同的三类矩形槽。

进一步，所述开路枝节加载微带线5是由微带线和两个开路枝节构成，且两个开路枝节加载于微带线的中段，微带线两端与50Ω微带传输线2垂直连接。

进一步，所述基片集成波导腔1为一矩形波导，其上下底面为金属层，中间是介电常数ε＝2.2的低损耗介质基片，介质两边是两排金属化通孔。

进一步，所述开路枝节加载微带线5紧邻于基片集成波导腔1上侧一排的金属通孔。

进一步，所述基片集成波导腔1的两排通孔间的距离W为17mm～18mm,相邻两通孔间距离S为小于波导波长的五分之一,金属通的孔直径为D且满足D>0.25*S。

与传统基片集成波导带通滤波器相比，本发明具有以下优点：

1.本发明由于在基片集成波导腔的上表面金属层刻蚀五个对称非重复矩形槽以代替利用谐振腔构成谐振器的方法，通过这五个对称非重复矩形槽将基片集成波导腔分割成四个谐振器使其之间直接电耦合产生一个不具有传输零点的四阶带通频率响应，使得滤波器尺寸大大减小，同时也因为此方法使得其带宽较上述滤波器更宽。

2.本发明由于利用开路枝节加载的微带线直接连接输入输出端口的方法来实现源和负载耦合，使得在上述带通频率响应的基础上增加了三个传输零点，又由于传输零点的引入使得通带响应的边缘陡降系数提高，从而提高了滤波器的频选特性，并且由于传输零点的引入使得阻带得以延长，大大提高滤波器的带外性能。

3.本发明由于采用的是基片集成波导技术，使得所设计得带通滤波器兼有矩形波导和微带器件的优点，即具有低辐射、低损耗、高Q值、高功率容量、小型化和容易连接等优点，同时能通过现有的PCB或LTCC工艺来制作。

4.本发明由于采用梯形渐进微带传输线过渡结构将基片集成波导与50Ω微带传输线连接，我们可以实现基片集成波导结构与微带线的阻抗匹配，从而减少二者连接处的电磁能量损耗，获得较好的性能。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的上层金属面结构示意图；

图3是本发明的下层金属面的结构示意图；

图4是本发明的回波损耗和***损耗随频率变化的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、解决的技术问题以及技术方案更加清晰，以下结合附图和具体实施例作进一步的描述。

参照图1、图2和图3，本发明包括基片集成波导1、50Ω微带传输线2、梯形渐进微带传输线3、五个对称非重复矩形槽4和开路枝节加载微带线5，其中：

所述基片集成波导1的上下底面为金属层，中间是介电常数为ε＝2.2低损耗介质基片，本实例采用的是Rogers RT/duroid 5880,其厚度为h＝0.508mm,介质两边是两排金属化通孔，两排金属通孔的圆心距为17mm～18mm，相邻金属通孔的距离为S是一个小于波导波长五分之一的值，且满足S<4D，D为通孔的直径，在本实例取但不限于S＝1.5mm、D＝1mm，W＝17.36mm。

所述五个对称非重复矩形槽4，刻蚀于基片集成波导1的上层,其中四个矩形槽成轴对称水平分布，位于基片集成波导腔1上表面中轴线两侧，另外一个矩形槽位于上表面中轴线上，形成大小不同的三类矩形槽。即第一类为中轴线两侧远端矩形槽，其长宽分别为SL₃＝6.45mm和SW₃＝0.46mm，第二类为中轴线两侧近端矩形槽，其长宽分别为SL₂＝5.65mm和SW₂＝2.01mm，第三类为中轴线处矩形槽，其长宽分别为SL₁＝6.11mm和SW₁＝2.3mm。同侧的远端矩形槽与近端矩形槽的中心距为SS₂＝4.2mm，中轴线两侧近端矩形槽与中轴线处矩形槽的中心距为SS₁＝4mm。

所述梯形渐进微带传输线3，它是一段形状为等腰梯形的微带线，其上底W₅₀＝1.71mm、下底W_t＝4.53mm、高L_t＝3.67mm；

所述50Ω微带传输线2，其长度L₅₀＝7.18mm，宽度W₅₀＝1.71mm。

所述开路枝节加载微带线5，由一段微带线和两个加载在微带线中段的开路枝节构成，微带线分为垂直部分和水平部分，垂直部分长度为L₂＝4mm，水平部分长度为L₃＝7.675mm，微带线宽度为W₁＝0.4mm；两个开路枝节的长均为L₂＝4mm，宽均为W₂＝1mm，且两个开路枝节间的距离为W₃＝0.4mm。

上述部件的电连接关系如下：

所述梯形渐进微带传输线3的上底与50Ω微带传输线2平滑连接，即直接连接；下底与基片集成波导1的上表面金属层过渡连接，即等腰梯形微带线由窄到宽与金属层连接，且三者的水平方向对称轴重合；所述开路枝节加载微带线5，紧邻基片集成波导1上侧一排金属通孔，其微带线部分的两端与50Ω微带传输线2垂直相连，使得输入输出端口互相连通。

本发明效果可以通过以下测试进一步说明。

通过矢量网络分析仪对本实例滤波器回波损耗S₁₁和***损耗S₂₁随频率的变化进行测量，结果如图4所示。从图4可见：滤波器的中心频率在f₀＝9.1GHz处，工作宽带从f₁＝6.48GHz到f₂＝11.66GHz，相对宽带FWB＝(f₁-f₂)/f₀＝56.9％；带内***损耗低于1.3dB,工作宽带内的回波损耗优于15dB。

以上所述的仅是本发明的优选实施方式，但并不仅仅受上述实施例的限制，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创新构思的前提下所做出的若干变形和改进，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于源和负载耦合的基片集成波导准椭圆带通滤波器，包括基片集成波导腔(1)、50Ω微带传输线(2)和梯形渐进微带传输线(3)，该梯形渐近微带传输线(3)与基片集成波导腔(1)和50Ω微带传输线(2)分别为过渡连接和平滑连接；其特征在于：基片集成波导腔(1)的上表面中心刻蚀有五个对称非重复矩形槽(4)；基片集成波导腔(1)的一侧设有开路枝节加载微带线(5)，该开路枝节加载微带线(5)与50Ω微带传输线(2)垂直连接。

2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：五个对称非重复矩形槽(4)中的四个矩形槽成轴对称水平分布，位于基片集成波导腔(1)上表面中轴线两侧，另外一个矩形槽位于上表面中轴线上，形成大小不同的三类矩形槽。

3.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：位于基片集成波导腔(1)上表面中轴线两侧远端的矩形槽大小为6.45mm×0.46mm，中轴线两侧近端的矩形槽大小为5.65mm×2.01mm，中轴线处矩形槽大小为6.11mm×2.3mm。

4.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：开路枝节加载微带线(5)是由微带线和两个开路枝节构成，且两个开路枝节加载于微带线的中段，微带线两端与50Ω微带传输线(2)相连。

5.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：基片集成波导腔(1)为一矩形波导，其上下底面为金属层，中间是介电常数ε＝2.2的低损耗介质基片，介质两边是两排金属化通孔。

6.根据权利要求4或5所述的带通滤波器，其特征在于：开路枝节加载微带线(5)紧邻于基片集成波导腔(1)上侧一排的金属通孔。

7.根据权利要求4所述的带通滤波器，其特征在于：基片集成波导腔(1)的两排通孔间的距离W为17mm～18mm,相邻两通孔间距离S为小于波导波长的五分之一,金属通的孔直径为D且满足D>0.25*S。

8.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：梯形渐近微带传输线(3)为等腰梯形渐进微带线，其高L_t＝3.67mm、下底W_t＝4.53mm、上底W₅₀＝1.71mm 。

9.根据权利要求7所述的带通滤波器，其特征在于：梯形渐近微带传输线(3)的下底与基片集成波导腔(1)过渡连接且两者水平方向的对称轴重合，上底与50Ω微带传输线(2)平滑连接。

10.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：所述50Ω微带传输线长度L₅₀＝7.18mm、宽度W₅₀＝1.71mm。