CN112310581A - 一种基于基片集成波导5g高选择性ltcc带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于滤波器技术领域，公开了一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，包括共面波导(CPW)馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器；六腔SIW谐振器设置有六个相邻的SIW谐振器电容隔板。本发明采用一种新颖的基于低温共烧陶瓷的三维结构，实现了输入和输出之间的正、负耦合和交叉耦合，该结构实现了高耦合系数、宽3dB带宽和低损耗，通过设计一个六阶交叉耦合滤波器，验证了该结构的有效性，改进后的圆SIW腔体体积减小幅度较大，具有较高的频率选择性、较宽的带宽和优异的性能。由于这些独特的性能，所提出的小型化BPF在现代无线通信***，特别是在第五代(5G)移动通信***中具有广阔的应用前景。

Description

一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导5G高选择性 LTCC带通滤波器。

背景技术

目前：随着卫星通信和雷达技术的飞速发展，人们对微波毫米波***的小 型化提出了更高的要求。矩形波导滤波器在高频下性能优良，但其具有体积大、 成本高、难以与其他平面器件集成等缺点。众所周知，SIW滤波器的传统结构 主要是基于矩形腔体。基片集成波导(SIW)技术成为比矩形波导更有吸引力的替 代品。SIW继承了矩形波导屏蔽结构的高品质因数、低批量生产成本、易制作 的优点。众所周知，在有限频率下，为了增加带通滤波器的选择性，需要磁耦 合和电耦合来产生传输零点(TZs)。LTCC技术被认为是最适合用于毫米波微波 多芯片组件的工艺，也是各种工艺中最有前途的技术之一。

在过去的几十年里，人们对各种SIW滤波器都给予了很大的关注。最近， 为了实现滤波器的小型化，人们开发了许多SIW滤波器拓扑，包括二模SIW滤 波器、五极切比雪夫SIW带通滤波器、双层SIW滤波器。然而，这些结构的设 计具有辐射损耗并且设计复杂。而不适合实现低调、简化包装和轻量化设计。 为了提高滤波器的频率选择性，经常引入有限传输零点以获得清晰的边带性能， 而不是增加谐振子的数量。具有三维多层结构和优异选择性的SIW滤波器还有 待改进。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的SIW滤波器的拓扑 结构，具有辐射损耗并且设计复杂。而不适合实现低调、简化包装和轻量化设 计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于基片集成波导5G高选择 性LTCC带通滤波器。

本发明是这样实现的，一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波 器包括共面波导(CPW)馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器；

所述六腔SIW谐振器设置有六个相邻的SIW谐振器电容隔板。

进一步，将谐振频率设为滤波器的中心频率，确定基于TE₁₀₁模的SIW腔 的初始尺寸，公式如下：

式中，a和l分别为基于TE₁₀₁模的SIW腔的宽度和长度。d和p是金属化 孔的直径和相邻孔之间的中心距。c₀为真空中的光速，而ε_r为衬底的介电常数。

进一步，所述六腔SIW谐振器中的R1与R6、R2与R5、R3与R4的耦合 是通过共享谐振器间金属通孔壁上的感应窗实现的。

进一步，在中间金属层上引入一个方形槽，在R2和R3之间、R5和R6之 间产生+90度的电耦合。

进一步，在R1,R2和R4,R5在不同的层之间产生-90度的磁耦合，使用一 对矩形槽在两个空腔的中心来实现，腔内装有间隔的相移随频率的变化而变化。

进一步，矩形槽和感应窗位于谐振腔磁场最强的位置。

进一步，当输入信号的频率低于谐振频率时，谐振腔表现为电容性(+90度)， 反之，谐振腔表现为电感性(-90度)。

进一步，六阶BPF的结构有三层，以A6铁质陶瓷为基础，厚度为0.394mm， 相对介电常数为5.76。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明提出了一种基于三层SIW和LTCC技术的新型带通滤波器，采用一 种新颖的基于低温共烧陶瓷的三维结构，实现了输入和输出之间的正、负耦合 和交叉耦合，该结构实现了高耦合系数、宽3dB带宽和低损耗。通过设计一个 六阶交叉耦合滤波器，验证了该结构的有效性。设计的滤波器显示带通中心为 28.0GHz,3dB带宽为6.5％，高于现有的解决方案。改进后的圆SIW腔体体积减 小幅度较大，缩小幅度为7.0×3.8×1.2mm³(0.65λ₀×0.35λ₀×0.11λ₀)。实验结果表明， 该方法具有较高的频率选择性、较宽的带宽和优异的性能。由于这些独特的性 能，所提出的小型化BPF在现代无线通信***，特别是在第五代(5G)移动通信 ***中具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波 器的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的六阶SIW滤波器的耦合矩阵的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的六阶BPF的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波 器的的仿真结果曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于基片集成波导5G高选择 性LTCC带通滤波器，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器主要 由共面波导馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器组成。采用一种新颖的基于 低温共烧陶瓷的三维结构，实现了输入和输出之间的正、负耦合和交叉耦合。 因为三维结构中层叠腔的垂直耦合并且采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，因此大 大减小了滤波器的尺寸。滤光器体积减小到7.0×3.8×1.2mm³(0.65λ₀×0.35λ₀×0.11λ₀)，因此足以实现小型化程度集成。仿真和实测结果表明，设计的BPF 实现了中心频率28.0GHz，分数带宽为6.5％的3dB带宽。该滤波器适用于5G 无线通信中的应用。

如图1所示。该滤波器由CPW馈电结构和六个相邻的SIW谐振器电容隔 板组成。优化得到传输零点在±1.39j，带内返回损失为20dB，这个带通滤波器 广义耦合矩阵。通过将谐振频率设为滤波器的中心频率，可以确定基于TE₁₀₁模 的SIW腔的初始尺寸，公式如下：

式中，a和l分别为基于TE₁₀₁模的SIW腔的宽度和长度。d和p是金属化 孔的直径和相邻孔之间的中心距。c₀为真空中的光速，而ε_r为衬底的介电常数。

六阶BPF的耦合拓扑如图2所示。R1与R6、R2与R5、R3与R4的耦合 是通过共享谐振器间金属通孔壁上的感应窗实现的。在中间金属层上引入一个 方形槽，在R2和R3之间产生+90度的电耦合，R5和R6也是一样。在R1，R2 和R4，R5在不同的层之间产生-90度的磁耦合，是使用一对矩形槽在两个空腔 的中心来实现。耦合方槽的位置是谐振腔电场最强的位置。而矩形槽和感应窗 位于谐振腔磁场最强的位置。腔内装有间隔的相移随频率的变化而变化。当输 入信号的频率低于谐振频率时，谐振腔表现为电容性(+90度)，反之，谐振腔表 现为电感性(-90度)。基于这一特性，提出的SIW滤波器可以在阻带内产生两个 TZs。同时，得到六阶SIW滤波器的耦合矩阵如下：

六阶BPF的结构有三层，以A6铁质陶瓷为基础，厚度为0.394mm，相对 介电常数为5.76。其他相关参数由HFSS优化，如图3所示。表1是SIW滤波 器部分的尺寸。

表1

Symbol	Value(mm)	Symbol	Value(mm)
				L<sub>1</sub>	6.08	a<sub>2</sub>	0.75
L<sub>2</sub>	7.0	W<sub>1</sub>	0.2
				L<sub>3</sub>	1.0	W<sub>2</sub>	0.33
L<sub>4</sub>	0.95	W<sub>3</sub>	0.1
				L<sub>5</sub>	0.8	W<sub>4</sub>	3.8
S<sub>1</sub>	0.7	W<sub>5</sub>	0.2
				S<sub>2</sub>	1.02	W<sub>6</sub>	0.2
S<sub>3</sub>	1.4	r	0.09
				a<sub>1</sub>	0.88	p	0.4

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

为验证所探索的样机，利用安捷伦N5247B二端口PNA-X网络分析仪制作 并测量了上述设计的BPF。仿真得到的滤波器s参数如图4所示。设计的滤波器 1dB带宽为1.5GHz(5.3％)，3dB带宽为1.84GHz(6.5％)。1dB通频带从27.2GHz 到28.7GHz。传输零点在26.5和29.4GHz。滤波器的S参数对SIW腔的厚度很 敏感，因此其尺寸误差会引起谐振频率的偏差。表2显示了提出的带通滤波器 和近年几个SIW滤波器原型结果的一系列对比。由于这些传输零点，通带选择 性大大提高。

表2

实验结果表明，该方法具有较高的频率选择性、较宽的带宽和优异的性能。 由于这些独特的性能，所提出的小型化BPF在现代无线通信***，特别是在第 五代(5G)移动通信***中具有广阔的应用前景。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上； 术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”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装置或元 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”、“第三”等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，所述基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器包括共面波导馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器；

所述六腔SIW谐振器设置有六个相邻的SIW谐振器电容隔板。

2.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，将谐振频率设为滤波器的中心频率，确定基于TE₁₀₁模的SIW腔的初始尺寸，公式如下：

式中，a和l分别为基于TE₁₀₁模的SIW腔的宽度和长度。d和p是金属化孔的直径和相邻孔之间的中心距。c₀为真空中的光速，而ε_r为衬底的介电常数。

3.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，所述六腔SIW谐振器中的R1与R6、R2与R5、R3与R4的耦合是通过共享谐振器间金属通孔壁上的感应窗实现的。

4.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，在中间金属层上引入一个方形槽，在R2和R3之间、R5和R6之间产生+90度的电耦合。

5.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，在R1,R2和R4,R5在不同的层之间产生-90度的磁耦合，使用一对矩形槽在两个空腔的中心来实现，腔内装有间隔的相移随频率的变化而变化。

6.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，矩形槽和感应窗位于谐振腔磁场最强的位置。

7.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，当输入信号的频率低于谐振频率时，谐振腔表现为电容性，反之，谐振腔表现为电感性。

8.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，六阶BPF的结构有三层，以A6铁质陶瓷为基础，厚度为0.394mm，相对介电常数为5.76。

9.一种微波毫米波***，其特征在于，所述微波毫米波***安装有权利要求1～8任意一项所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器。

10.一种5G通信终端，其特征在于，所述5G通信终端安装有权利要求1～8任意一项所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器。

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