CN112086722B - 一种高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，谐振器包括第一层金属板、第一层介质板、第二层金属板、第二层介质板、第三层金属板、第三层介质板、第四层金属板，第一层金属板上设置有馈电微带线转共面波导结构，第二层金属板为容性贴片结构，第三层金属板设置有感性螺旋线结构，第四层金属板为全金属覆盖的地，第二层介质板中有上金属盲孔，上金属盲孔上端连接第二层金属板内的容性贴片，上金属盲孔下端连接第三层金属板内感性螺旋线的一端，第三层介质板中设置有下金属盲孔，第三层介质板内的下金属盲孔上端连接第三层金属板内的感性螺旋线，将四个谐振器组合形成四阶带通滤波器；本发明具有高选择性、宽阻带和小型化特性的优点。

Description

一种高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法
技术领域
本发明涉及微波技术领域，具体涉及一种基于容性和感性组合加载结构的基片集成波导带通滤波器设计方法。
背景技术
随着5G、卫星通信、物联网及手持终端技术的飞速发展，无线通信***对前端电路的重量、体积、集成度和电气性能等提出越来越高的要求。微波滤波器作为选频器件，广泛应用于通信***前端电路。对于多通道接收机，需要使用的滤波器数量较多，因此小型化可集成的滤波器对于减小接收机的体积尤为重要。
相比于微带谐振器，基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）谐振器具有较高的品质因数，使得SIW带通滤波器具有更小的带内***损耗，因此SIW滤波器在通信***前端电路中得到广泛研究和应用。但是，当工作频率较低时，基于基片集成波导设计滤波器具有尺寸较大的缺点。因此，基于基片集成波导实现小型化的高性能滤波器具有非常重要意义。
为了减小尺寸，可以采用在SIW谐振器的表面蚀刻交指结构设计滤波器，例如，“A.Pourghorban Saghati, A. Pourghorban Saghati and K. Entesari, "UltraMiniatureSIW Cavity Resonators and Filters," IEEE Transactions on Microwave Theory andTechniques, vol. 63, no. 12, pp. 4329-4340, Dec. 2015.”，通过增加谐振器等效电容，进而减小谐振器尺寸，实现小型化的滤波器。
为了进一步减小尺寸，可以在方形SIW谐振器中增加容性贴片结构设计滤波器，例如“M. Ho, J. Li and Y. Chen, "Miniaturized SIW cavity resonator and itsapplication in filter design," IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters, vol. 28, no. 8, pp. 651-653, Aug. 2018.”，通过容性贴片减小了SIW谐振器的尺寸，进而提高了滤波器的集成度。
为了进一步减小尺寸，可以采用八分之一模SIW谐振器加载容性贴片设计滤波器，例如“Q. Liu, D. Zhou, D. Zhang, C. Bian, and Y. Zhang, “Ultra-compact quasi-elliptic bandpass filter based on capacitive-loaded eighth-mode SIWcavities,” International Journal of Microwave and Wireless Technologies,2020, 12(2): 109-115.”，相比于方形SIW谐振器加载容性贴片设计的滤波器，尺寸减小了八分之七。
基于以上方法，虽然可以实现小型化的滤波器，但是对于对尺寸有更严格要求的通信***，其不能满足应用需求，并且实现的滤波器阻带特性较差；因此，提出了基于容性和感性加载结构组合的SIW滤波器设计方法，实现高选择性、宽阻带和小型化特性的带通滤波器提供一种基于容性和感性加载结构组合的SIW滤波器设计方法，实现高选择性、宽阻带和小型化特性的带通滤波器是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，而提供一种基于容性和感性加载结构组合的滤波器设计方法，实现高选择性、宽阻带和小型化特性的带通滤波器。
本发明的目的是这样实现的：一种高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，包括谐振器，所述谐振器包括第一层金属板、第一层介质板、第二层金属板、第二层介质板、第三层金属板、第三层介质板、第四层金属板，所述第一层金属板上设置有馈电微带线转共面波导结构，所述第二层金属板为容性贴片结构，第二层金属板上设置有容性贴片，所述第三层金属板设置有感性螺旋线结构，所述第四层金属板为全金属覆盖的地，所述第二层介质板中有上金属盲孔，上金属盲孔上端连接第二层金属板内的容性贴片，上金属盲孔下端连接第三层金属板内感性螺旋线的一端，所述第三层介质板中设置有下金属盲孔，第三层介质板内的下金属盲孔上端连接第三层金属板内的感性螺旋线，下端连接第四层金属板的全金属覆盖的地，将四个所述的谐振器组合形成一个四阶带通滤波器。
四个谐振器分别为第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，第一谐振器和第二谐振器通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，第二个和第三个谐振器通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，第三个和第四个谐振器之间通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，实现主耦合路径：第一谐振器至第二谐振器、第二谐振器至第三谐振器和第三谐振器至第四谐振器，并且三条主耦合的耦合系数为正。
第一谐振器和第四谐振器之间增加交叉耦合路径，两个谐振器之间主要通过容性贴片之间的缝隙进行耦合，实现一条交叉耦合路径：第一谐振器至第四谐振器，并且耦合系数为负，因此实现两个有限频率传输零点。
馈电微带线转共面波导结构包括馈电微带线和馈电共面波导缝隙，馈电微带线转共面波导结构激励第一谐振器和第四谐振器，馈电微带线宽度W0=3.89mm，馈电共面波导缝隙宽度g0=0.25mm。
第二谐振器和第三谐振器的容性贴片小于第一谐振器和第四谐振器的容性贴片；第二谐振器和第三谐振器的感性螺旋线长度小于第一谐振器和第四谐振器的感性螺旋线长度。
容性贴片与感性螺旋线连接处为馈电端口，馈电端口为四个，四个馈电端口均为50Ω微带线转共面波导结构。
第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板均采用Rogers5880型号，相对介电常数为2.2，第一层介质板厚度为0.254mm，第二层介质板和第三层介质板均为0.508mm。
第一层金属板、第二层金属板、第三层金属板和第四层金属板的厚度均为35μm。
谐振器外侧周围设置有金属通孔，金属通孔上端与第一层金属板相接，下端与第四层金属板相接，金属通孔的直径均为0.6mm，两相邻金属通孔之间的间距为1mm。
本发明的有益效果：通过本发明所采用的以上技术方案，与现有的技术相比，能够取得以下有益效果：
（1）本发明采用容性和感性加载结构的谐振器设计滤波器，有效降低了谐振器的等效电容和等效电感，从而大大减小了滤波器的尺寸，实现的滤波器具有小型化的优点。
（2）本发明提出的设计方法实现了抑制了滤波器中高次模的传输，从而实现了宽阻带的特性。
（3）本发明提出的设计方法在滤波器通带两侧分别实现一个有限传输零点，滤波器具有高选择性的优势。
（4）本发明与的微带线滤波器相比，具有电磁屏蔽作用，可以抑制电磁能量向外辐射，并具有抗干扰能力强的特性；本发明具有高选择性、宽阻带和小型化特性的优点。
附图说明
图1是本发明提出的谐振器的3D结构示意图。
图2是本发明提出的谐振器的侧视图。
图3是本发明提出的谐振器的第二层金属层结构示意图。
图4是本发明提出的谐振器的第三层金属层结构示意图。
图5是本发明提出的四阶带通滤波器的3D结构示意图。
图6是本发明提出的四阶带通滤波器第一层金属层结构示意图。
图7是本发明提出的四阶带通滤波器第二层金属层结构示意图。
图8是本发明提出的四阶带通滤波器第三层金属层结构示意图。
图9是本发明提出的四阶带通滤波器仿真和测试曲线图。
图10是本发明提出的四阶带通滤波器宽频带测试曲线图。
图中 1、第一层金属板 2、第二层金属板 3、金属通孔 4、感性螺旋线 5、容性贴片6、上金属盲孔 7、下金属盲孔 8、第一层介质板 9、第二层介质板 10、第三层金属板 11、第三层介质板 12、第四层金属板 13、馈电微带线 14、馈电共面波导缝隙 15、第一谐振器16、第二谐振器 17、第三谐振器 18、第四谐振器。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
实施例1
基于本发明提出的容性感性组合加载结构谐振器的3D示意图如图1所示，侧视图如图2所示，包括从上到下依次为第一层金属1板、第一层介质板8、第二层金属板2、第二层介质板9、第三层金属板10、第三层介质板11、第四层金属板12，其中第一层金属板1为全金属覆盖、第二层金属板2为容性贴片结构如图3所示、第三层金属板10为感性螺旋线结构如图4所示、第四层金属板12为全金属覆盖的地、第二层介质板9中有金属盲孔连接容性贴片5和感性螺旋线4、第三层介质板11中有金属盲孔连接感性螺旋线4和全金属覆盖的地。
采用本四个本发明提出的容性感性组合加载的谐振器可以实现一个四阶带通滤波器，本发明所述的四阶带通滤波器的3D示意图如图5所示，包括从上到下依次为第一层金属板1、第一层介质板8、第二层金属板2、第二层介质板9、第三层金属板10、第三层介质板11、第四层金属板12，其中第一层金属板1上设有微带线转共面波导馈线结构如图6所示、第二层金属板2为容性贴片结构如图7所示、第三层金属板10为感性螺旋线结构如图8所示、第四层金属12板为全金属覆盖的地、第二层介质板9中有金属盲孔连接容性贴片5和感性螺旋线4、第三层介质板11中有金属盲孔连接感性螺旋线4和全金属覆盖的地。
谐振器的数量为四个，分别为第一谐振器15、第二谐振器16、第三谐振器17和第四谐振器18，第一谐振器15和第二谐振器16通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，第二个和第三个谐振器通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，第三个和第四个谐振器之间通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，实现主耦合路径：第一谐振器15至第二谐振器16、第二谐振器16至第三谐振器17和第三谐振器17至第四谐振器18，并且三条主耦合的耦合系数为正。
第一谐振器15和第四谐振器18之间增加交叉耦合路径，两个谐振器之间主要通过容性贴片5之间的缝隙进行耦合，实现一条交叉耦合路径：第一谐振器15至第四谐振器18，并且耦合系数为负，因此实现两个有限频率传输零点。
馈电微带线转共面波导结构包括馈电微带线13和馈电共面波导缝隙14，馈电微带线转共面波导结构激励第一谐振器15和第四谐振器18，馈电微带线13宽度W0=3.89mm，馈电共面波导缝隙14宽度g0=0.25mm。
第二谐振器16和第三谐振器17的容性贴片5小于第一谐振器15和第四谐振器18的容性贴片5；第二谐振器16和第三谐振器17的感性螺旋线4长度小于第一谐振器15和第四谐振器18的感性螺旋线4长度。
容性贴片5与感性螺旋线4连接处为馈电端口，馈电端口为四个，四个馈电端口均为50Ω微带线转共面波导结构。
第一层介质板8、第二层介质板9和第三层介质板11均采用Rogers5880型号，相对介电常数为2.2，第一层介质板8厚度为0.254mm，第二层介质板9和第三层介质板11均为0.508mm。
第一层金属板1、第二层金属板2、第三层金属板10和第四层金属板12的厚度均为35μm。
谐振器外侧周围设置有金属通孔3，金属通孔3上端与第一层金属板1相接，下端与第四层金属板12相接，金属通孔3的直径均为0.6mm，两相邻金属通孔之间的间距为1mm。
图9说明了本发明上述具体实施例中的四阶带通滤波器的散射参数仿真与测试结果。测试的中心频率为0.502GHz，带内***损耗1.94dB，带内反射损耗为14.5dB，1dB的带宽为26MHz(相对带宽5.18％)，测得两个有限频率传输零点分别位于0.467GHz和0.535GHz。具体实施例中所示的带通滤波器实现了通带两侧分别有一个有限频率传输零点，表明滤波器具有很好的通带选择性。
图10说明了本发明上述具体实施例中的四阶带通滤波器的宽频带散射参数测试结果。抑制水平大于40dB和20dB的阻带分别到4.68GHz和4.98GHz，也就是分别到9.32倍和9.92倍的通带中心频率。宽频带测试结果表明，基于本发明方法设计的滤波器实现了非常宽的阻带抑制特性，达到了在宽频带范围内抑制噪声信号的目的。
在本发明实施例中，滤波器的尺寸为29mm×27mm，归一化尺寸为0.051λg×0.047λg，其中λg为中心频率处的归一化波导波长，表明基于本发明方法实现的带通滤波器具有非常小的尺寸，达到了小型化的目的；本发明具有一种高选择性、宽阻带和小型化特性的优点。
实施例2
如图1-10所示，一种高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，包括谐振器，所述谐振器包括第一层金属板1、第一层介质板8、第二层金属板2、第二层介质板9、第三层金属板10、第三层介质板11、第四层金属板12，所述第一层金属板1上设置有馈电微带线转共面波导结构，所述第二层金属板2为容性贴片结构，第二层金属板2上设置有容性贴片5，所述第三层金属板10设置有感性螺旋线结构，所述第四层金属板12为全金属覆盖的地，所述第二层介质板9中有上金属盲孔6，上金属盲孔6上端连接第二层金属板2内的容性贴片5，上金属盲孔6下端连接第三层金属板10内感性螺旋线4的一端，所述第三层介质板11中设置有下金属盲孔7，第三层介质板11内的下金属盲孔7上端连接第三层金属板10内的感性螺旋线4，下端连接第四层金属板12的全金属覆盖的地，将四个所述的谐振器组合形成一个四阶带通滤波器。
本发明采用容性和感性加载结构的谐振器设计滤波器，有效降低了谐振器的等效电容和等效电感，从而大大减小了滤波器的尺寸，实现的滤波器具有小型化的优点；本发明提出的设计方法实现了抑制了滤波器中高次模的传输，从而实现了宽阻带的特性；本发明提出的设计方法在滤波器通带两侧分别实现一个有限传输零点，滤波器具有高选择性的优势；本发明与的微带线滤波器相比，具有电磁屏蔽作用，可以抑制电磁能量向外辐射，并具有抗干扰能力强的特性；本发明具有高选择性、宽阻带和小型化特性的优点。

Claims (6)

1.一种高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，包括谐振器，其特征在于：所述谐振器包括第一层金属板、第一层介质板、第二层金属板、第二层介质板、第三层金属板、第三层介质板、第四层金属板，所述第一层金属板上设置有馈电微带线转共面波导结构，所述第二层金属板为容性贴片结构，第二层金属板上设置有容性贴片，所述第三层金属板设置有感性螺旋线结构，所述第四层金属板为全金属覆盖的地，所述第二层介质板中有上金属盲孔，上金属盲孔上端连接第二层金属板内的容性贴片，上金属盲孔下端连接第三层金属板内感性螺旋线的一端，所述第三层介质板中设置有下金属盲孔，第三层介质板内的下金属盲孔上端连接第三层金属板内的感性螺旋线，下端连接第四层金属板的全金属覆盖的地，将四个所述的谐振器组合形成一个四阶带通滤波器；
四个所述谐振器分别为第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，第一谐振器和第二谐振器通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，第二个和第三个谐振器通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，第三个和第四个谐振器之间通过感性螺旋线结构之间的缝隙进行耦合，实现主耦合路径：第一谐振器至第二谐振器、第二谐振器至第三谐振器和第三谐振器至第四谐振器，并且三条主耦合的耦合系数为正；
所述第一谐振器和第四谐振器之间增加交叉耦合路径，两个谐振器之间主要通过容性贴片之间的缝隙进行耦合，实现一条交叉耦合路径：第一谐振器至第四谐振器，并且耦合系数为负，因此实现两个有限频率传输零点；
所述第二谐振器和第三谐振器的容性贴片小于第一谐振器和第四谐振器的容性贴片；第二谐振器和第三谐振器的感性螺旋线长度小于第一谐振器和第四谐振器的感性螺旋线长度。
2.如权利要求1所述的高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，其特征在于：所述馈电微带线转共面波导结构包括馈电微带线和馈电共面波导缝隙，馈电微带线转共面波导结构激励第一谐振器和第四谐振器，馈电微带线宽度W0=3.89mm，馈电共面波导缝隙宽度g0=0.25mm。
3.如权利要求1所述的高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，其特征在于：所述容性贴片与感性螺旋线连接处为馈电端口，馈电端口为四个，四个馈电端口均为50Ω微带线转共面波导结构。
4.如权利要求1所述的高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，其特征在于：所述第一层介质板、第二层介质板和第三层介质板均采用Rogers5880型号，相对介电常数为2.2，第一层介质板厚度为0.254mm，第二层介质板和第三层介质板均为0.508mm。
5.如权利要求1所述的高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，其特征在于：所述第一层金属板、第二层金属板、第三层金属板和第四层金属板的厚度均为35μm。
6.如权利要求1所述的高选择性宽阻带小型化带通滤波器设计方法，其特征在于：四个所述谐振器外侧周围设置有金属通孔，金属通孔上端与第一层金属板相接，下端与第四层金属板相接，金属通孔的直径均为0.6mm，两相邻金属通孔之间的间距为1mm。
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