CN111755784B - 基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型siw滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，包括层叠设置的三层基片集成波导腔体，在每层所述基片集成波导腔体的中心位置皆设置有金属柱，在每层所述基片集成波导腔体的上下方皆层叠有金属层，在最上层和最下层的金属层上皆设置有作为输入或输出的共面波导形式的馈线，且两个共面波导形式的馈线在水平向上相对设置；可以很好地解决传统滤波器技术设计尺寸紧凑且具有高选择性的带通滤波器已不能完全满足技术发展需要的问题，具有带内损耗小，边带抑制高和尺寸小的特征。

Description

基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器

技术领域

本发明涉及小型化带通滤波器技术领域，具体地说，是基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器。

背景技术

随着现代社会信息化的发展，无线通信技术被广泛应用于社会的各行各业，新的通信标准和制式层出不穷。多领域的应用与日益紧张的频谱资源也促使无线通信技术不断革新，射频通信***不断向小型化、高性能等方向发展。滤波器作为射频通信***中的关键器件，其尺寸缩减与高选择性一直是现代射频通信***的研究热点。

目前，滤波器的实现主要以平面微带为主，有插损过大、功率容量不足的缺陷。基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）则继承了微带线和金属波导的优点，具有低损耗、高品质因素、高功率容量、重量轻、易于加工和便于集成等特点，可以对微带类型结构的缺陷进行改善和提高。而由于SIW的性能受到截止频率的限制，所以SIW腔体占据的尺寸总是很大，传统的SIW结构不利于滤波器的小型化设计。为了有效减小滤波器的尺寸，将加载消逝模技术引入到混合电磁耦合SIW滤波器的设计中，使SIW滤波器变得更加紧凑，且保持谐振器具有相对较高的品质因数。通过在谐振器间引入交叉耦合是目前最普遍在频谱中引入有限传输零点，提高带通滤波器选择性的方法，然而引入交叉耦合，对谐振器的数量和拓扑结构要求较高，且产生的传输零点数量有限。

因此，采用传统滤波器技术设计尺寸紧凑且具有高选择性的带通滤波器已不能完全满足技术发展的要求，亟需一种基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于设计基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，可以很好地解决传统滤波器技术设计尺寸紧凑且具有高选择性的带通滤波器已不能完全满足技术发展需要的问题，具有带内损耗小，边带抑制高和尺寸小的特征。

本发明通过下述技术方案实现：基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，包括层叠设置的三层基片集成波导腔体，在每层所述基片集成波导腔体的中心位置皆设置有金属柱，在每层所述基片集成波导腔体的上下方皆层叠有金属层，在最上层和最下层的金属层上皆设置有作为输入或输出的共面波导形式的馈线，且两个共面波导形式的馈线在水平向上相对设置。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：每一层上的所述金属柱高度略小于（几乎等于）该层基片集成波导腔体的厚度。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：单层的所述基片集成波导腔体的宽度为6mm、长度为7.3mm、厚度为0.4mm，所述金属柱的直径为0.4mm，高度为0.36mm。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述基片集成波导腔体由基片集成波导腔体所在基板边沿竖直设置的边缘金属柱围合而成。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在最上方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上设置有在腔体中心位置以中心线为对称轴呈对称设置的两个梯形耦合窗；在最下方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上亦设置有在腔体中心位置以中心线为对称轴呈对称设置的两个梯形耦合窗。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：两个金属层上的梯形耦合窗的对称轴在空间位置上呈十字交叉。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：最上方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上两个梯形耦合窗的尺寸大小为：上底0.5mm、下底1.1mm、高0.4mm，最下方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上两个梯形耦合窗的尺寸大小为：上底0.5mm、下底0.8mm、高1.3mm。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：任一金属层上的两个梯形耦合窗通过底边进行对称设置。

进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述基片集成波导腔体的基板材料采用相对介电常数为13.3的ULF-140陶瓷材料。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

本发明通过在相互垂直耦合的两个SIW谐振腔（基片集成波导腔体）中间的金属层上刻蚀耦合窗，使之同时存在电场能量与磁场能量的交互，从而实现混合电磁耦合，并可以在通带两侧同时引入传输零点，实现滤波器的高选择性。

本发明通过在SIW腔体（基片集成波导腔体）中心加载电容柱（金属柱），形成消逝模，有效降低腔体谐振频率，减小了结构的相对尺寸，使滤波器变得更加紧凑，且能够保持谐振器具有相对较高的品质因数，有利于小型化的设计。

附图说明

图1为基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器的分层结构示意图。

图2为基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器的整体结构示意图。

图3为本发明中最上方基片集成波导腔体与中间基片集成波导腔体之间的金属层示意图，其有两个梯形耦合窗，分别位于对称的左右两侧。

图4为本发明中中间基片集成波导腔体与最下方基片集成波导腔体之间的金属层示意图，其有两个梯形耦合窗，分别位于对称的前后两侧。

图5为本发明的S参数图。

其中，1、基片集成波导腔体；2、金属柱；3、最上方腔体与中间腔体之间的金属层；4、中间腔体与最下方腔体之间的金属层；5、最上方的金属层；6、最下方的金属层；7、输入共面波导；8、输出共面波导。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

值得注意的是：在本申请中，某些需要应用到本领域的公知技术或常规技术手段时，申请人可能存在没有在文中具体的阐述该公知技术或/和常规技术手段是一种什么样的技术手段，但不能以文中没有具体公布该技术手段，而认为本申请不符合专利法第二十六条第三款的情况。

名词解释：

SIW：Substrate integrated waveguide的英文缩写，即为基片集成波导。

实施例1：

基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，可以很好地解决传统滤波器技术设计尺寸紧凑且具有高选择性的带通滤波器已不能完全满足技术发展需要的问题，具有带内损耗小，边带抑制高和尺寸小的特征，如图1、2、3、4所示，特别采用下述设置方式：包括层叠设置的三层基片集成波导腔体1，在每层所述基片集成波导腔体的中心位置皆设置有金属柱2，在每层所述基片集成波导腔体的上下方皆层叠有金属层（最上方腔体与中间腔体之间的金属层3、中间腔体与最下方腔体之间的金属层4、最上方的金属层5、最下方的金属层6），在最上层和最下层的金属层（最上方的金属层5、最下方的金属层6）上皆设置有作为输入或输出的共面波导形式的馈线（输入共面波导7、输出共面波导8），且两个共面波导形式的馈线在水平向上相对设置（即输入共面波导7设置在左端，则相应的输出共面波导8设置在右端；输入共面波导7设置在右端则相应的输出共面波导8设置在左端）。

实施例2：

本实施例是在上述实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、2、3、4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：每一层上的所述金属柱2高度略小于（几乎等于）该层基片集成波导腔体的厚度；优选的，单层的所述基片集成波导腔体的宽度为6mm、长度为7.3mm、厚度为0.4mm，所述金属柱的直径为0.4mm，高度为0.36mm。

实施例3：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、2、3、4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：所述基片集成波导腔体由基片集成波导腔体所在基板边沿竖直设置的边缘金属柱围合而成。

实施例4：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、2、3、4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：在最上方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层（最上方腔体与中间腔体之间的金属层3）上设置有在腔体中心位置以中心线为对称轴呈对称设置的两个梯形耦合窗；在最下方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层（中间腔体与最下方腔体之间的金属层4）上亦设置有在腔体中心位置以中心线为对称轴呈对称设置的两个梯形耦合窗；优选的，两个金属层（最上方腔体与中间腔体之间的金属层3、中间腔体与最下方腔体之间的金属层4）上的梯形耦合窗的对称轴在空间位置上呈十字交叉。

实施例5：

本实施例是在上述任一实施例的基础上进一步优化，与前述技术方案相同部分在此将不再赘述，如图1、2、3、4所示，进一步的为更好地实现本发明，特别采用下述设置方式：最上方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上两个梯形耦合窗的尺寸大小为：上底0.5mm、下底1.1mm、高0.4mm，最下方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上两个梯形耦合窗的尺寸大小为：上底0.5mm、下底0.8mm、高1.3mm。

优选的，任一金属层上的两个梯形耦合窗通过底边进行对称设置。

优选的，所述基片集成波导腔体的基板材料采用相对介电常数为13.3的ULF-140陶瓷材料。

实施例6：

以下实施例的描述中省略了本领域技术人员公知的某些技术特征，但不应以没有在文中直接清楚的描述，而认为该技术方案公开不充分，导致技术方案模糊不清。

如图1所示，该基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器包括三层基片集成波导腔体1，三个加载在腔体中心位置的金属柱2，最上方腔体与中间腔体之间的金属层3，中间腔体与最下方腔体之间的金属层4，最上方的金属层5，最下方的金属层6以及输入共面波导7、输出共面波导8。基片集成波导腔体1的尺寸为7mm*6mm*0.4mm，采用介电常数为13.3的ULF-140陶瓷材料，其损耗角正切值为0.0005。

本发明为三阶带通滤波器，基于基片集成波导结构实现，每层基片集成波导腔体1即为一个谐振器。如图1所示，通过在基片集成波导腔体1的中心位置加载一根与腔体几乎等厚度的金属柱2构成加载了消逝模的谐振腔，金属柱2底部与腔体下金属面接触，顶部与腔体上金属面留有0.04mm的间隙，从而使得SIW（基片集成波导）腔体的基模谐振频率降低。

如图3、图4所示，在两两SIW（基片集成波导）腔体1的中间共用金属层（最上方腔体与中间腔体之间的金属层3、中间腔体与最下方腔体之间的金属层4）上皆蚀刻两个梯形耦合窗，两个梯形耦合窗在腔体中心位置的两侧对称放置。两种结构开窗的区域即存在较强的电场能量也有较强的磁场能量，从而实现了混合电磁耦合，进而在通带两侧各引入一个传输零点，提高滤波器的选择性。如图3所示，最上方腔体与中间腔体之间金属层3上的梯形耦合窗的上底为0.5mm，下底为1.1mm，高为0.4mm；如图4所示，中间腔体与最下方腔体之间金属层4上的梯形耦合窗的上底为0.5mm，下底为0.8mm，高为1.3mm。

如图5所示，其示出了所述基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器的S参数，中心频率为10.1GHz，3dB带宽为280MHz，相对带宽为2.77%，最小***损耗为1.82dB，带内回波损耗优于19dB，在8.28GHz和10.99GHz频点处各有一个传输零点，具有良好的边带选择性。

综上所述，该带通滤波器（混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器）结构简单，设计方便，具有良好的通带响应和双边带抑制特性，且以更少阶数实现了双传输零点，同时尺寸紧凑，非常适合现代射频通信***。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：包括层叠设置的三层基片集成波导腔体，在每层所述基片集成波导腔体的中心位置皆设置有金属柱，在每层所述基片集成波导腔体的上下方皆层叠有金属层，在最上层和最下层的金属层上皆设置有作为输入或输出的共面波导形式的馈线，且两个共面波导形式的馈线在水平向上相对设置；在最上方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上设置有在腔体中心位置以中心线为对称轴呈对称设置的两个梯形耦合窗；在最下方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上亦设置有在腔体中心位置以中心线为对称轴呈对称设置的两个梯形耦合窗；两个金属层上的梯形耦合窗的对称轴在空间位置上呈十字交叉。

2.根据权利要求1所述的基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：每一层上的所述金属柱高度略小于该层基片集成波导腔体的厚度。

3.根据权利要求2所述的基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：单层的所述基片集成波导腔体的宽度为6mm、长度为7.3mm、厚度为0.4mm，所述金属柱的直径为0.4mm，高度为0.36mm。

4.根据权利要求1所述的基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：所述基片集成波导腔体由基片集成波导腔体所在基板边沿竖直设置的边缘金属柱围合而成。

5.根据权利要求1所述的基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：最上方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上两个梯形耦合窗的尺寸大小为：上底0.5mm、下底1.1mm、高0.4mm，最下方的所述基片集成波导腔体与中间的所述基片集成波导腔体之间的金属层上两个梯形耦合窗的尺寸大小为：上底0.5mm、下底0.8mm、高1.3mm。

6.根据权利要求1所述的基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：任一金属层上的两个梯形耦合窗通过底边进行对称设置。

7.根据权利要求1~6任一项所述的基于消逝模加载的混合电磁耦合紧凑型SIW滤波器，其特征在于：所述基片集成波导腔体的基板材料采用相对介电常数为13.3的ULF-140陶瓷材料。

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