CN112952318B - 基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器 - Google Patents

基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，包括顶层金属层、上层介质基片、中间层金属层、下层介质基片和底层金属层。顶层介质基片和底层介质基片上均设置沿田字形布置的六组金属化通孔，中间金属层上蚀刻有四个L形槽；两层层介质基片上的六组金属化通孔与三层金属层、两层介质基片和四个L形槽构成四个双重折叠的折叠基片集成波导谐振腔。中间层金属层上还设置有一个I形槽用来实现两个谐振腔之间的混合电磁耦合。本发明滤波器结构紧凑，馈电简单，选择性和带外抑制好，降低了加工难度，与传统的基片集成波导交叉耦合滤波器相比，面积减少了四分之三，减少了辐射损耗，更适合应用于现代微波/毫米波电路集成。

Description

基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，可用于微波/毫米波技术领域。
背景技术
作为射频/微波电路的一个重要组成部分，现代滤波器朝着低成本，重量轻，小型化，高功率容量，高性能的方向发展。在过去的十年中，一些高性能，低成本的基片集成波导滤波器被提出。这些基片集成波导滤波器结合了波导以及平面电路结构的各种优点，包括低损耗，低成本，高性能并且便于平面集成。此外，对于窄带信道的要求，一种具有高带外抑制的准椭圆函数滤波器被提出。电耦合和磁耦合都可以用来设计具有有限传输零点的准椭圆函数滤波器。
在交叉耦合带通滤波器的基础上，结合折叠基片集成波导技术沿着两条对称的H面对基片集成波导谐振腔折叠两次得到双重折叠基片集成波导谐振腔。用双重折叠的基片集成波导谐振腔设计交叉耦合带通滤波器能够保持高性能的同时进一步缩小滤波器的尺寸，同时封闭式的结构便于最终的带通滤波器和其他平面电路集成。
综上所述，如何发挥双重折叠基片集成波导以及交叉耦合滤波器的优势，并提供一种小型化双层折叠基片集成波导滤波器件，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。
发明内容
发明目的：为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器。
技术方案：本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
一种基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，包括顶层介质基片、底层介质基片及设置在二者之间的中间层金属层，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；
所述顶层介质基片与底层介质基片上均设置有六组金属化通孔，所述六组金属化通孔沿田字形布置，与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层、底层金属层、底层介质基片相连接，构成金属电壁；顶层介质基片和底层介质基片上的六组金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层、底层金属层、底层介质基片和中间金属层上蚀刻的四个L形槽构成四个双重折叠的折叠基片集成波导谐振腔，分别是沿顺时针方向分布的第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；相邻两个谐振腔中间的缺少一部分金属化通孔以形成磁耦合窗；
中间层金属层上设置有一个I形槽；所述第一谐振腔和第四谐振腔通过所述I形槽实现混合电磁耦合；
中间层金属层上设置有两条与折叠基片集成波导谐振腔相连接的带状线、及两条与带状线相连接的微带线，两条微带线构成该四阶交叉耦合带通滤波器的两个端口。
优选地，所述顶层介质基片与底层介质基片叠合放置且相互贴合。
优选地，所述第一谐振腔和第四谐振腔的两个L形槽靠近两腔的连接处并且背对背放置，所述I形槽打断该两个L形槽的相互平行的两条边，且接续在两条边之间；所述第二谐振腔和第三谐振腔的两个L形槽沿田字形的外框放置；四个L形槽关于滤波器中线对称。
优选地，中间金属层上第一谐振腔和第四谐振腔的对称位置上设置有所述I形槽。
优选地，所述带状线和微带线构成了输入端口和输出端口的过渡结构，两组微带线-带状线过渡结构相互平行，关于第一谐振腔和第四谐振腔的连接线对称。
优选地，所述顶层介质基片与底层介质基片材质和厚度相同。
有益效果：本发明采用以上技术方案与现有的技术相比，具有以下技术效果：本发明设计结构简单，滤波器结构紧凑，滤波器选择特性及带外抑制好，插损低。其双层的结构与传统的基片集成波导滤波器相比面积减小四分之三，更适合应用于现代微波/毫米波电路集成中。因为双重折叠的基片集成波导谐振腔在L形槽处的电场最强，在此处蚀刻I槽与两个背对背设置的L形槽相连接能够实现第三谐振腔和第四谐振腔之间的混合电磁耦合在滤波器的通带两侧形成三个传输零点提高滤波器的选择特性，并且由于双重折叠基片集成波导谐振腔中不存在TE102和TE201模，因此基于该谐振腔的带通滤波器有很宽的带外抑制。同时由于L形槽和耦合I形槽都蚀刻在中间金属层上，整体滤波器是一个封闭式结构减小了由于在传统基片集成波导谐振腔的上层金属上或者地板蚀刻花纹所引起的辐射损耗，降低了加工难度与成本，便于和其他平面电路集成。
附图说明
图1是本发明实施例的三维结构示意图。
图2是本发明实施例的三维剖分图。
图3是本发明实施例的俯视结构示意图。
图4是本发明实施例的S参数幅度的仿真结果图。
其中，1-顶层金属层，2-顶层介质基片，3-中间层金属层，4-底层介质基片，5-底层金属层，6-金属化通孔，7-L形槽，8-I形槽，9-微带线，10-带状线。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围内。
本发明实施例揭示了一种基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，如图1、图2和图3所示，该四阶交叉耦合带通滤波器包括顶层介质基片2、底层介质基片4及设置在两者之间的中间层金属层3，顶层介质基片与底层介质基片叠合放置且相互贴合，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层1，底层介质基片的下表面设置有底层金属层5，中间层金属层上开设有四个L形槽7，一个I形槽8。
顶层介质基片2与底层介质基片4上均设置有六组尺寸和周期相同的金属化通孔6，六组金属化通孔6沿田字形布置，与顶层金属层1、顶层介质基片2、中间层金属层3、底层金属层4、底层介质基片5相连接，构成四个双重折叠基片集成波导谐振腔金属电壁。其中十字交叉的两组金属化通孔中间的缺少一部分金属通孔来形成了四个腔体之间的磁耦合窗。顶层介质基片2和底层介质基片4上的六组金属化通孔与顶层金属层1、顶层介质基片2、中间层金属层3、底层金属层4、底层介质基片5、中间层金属层3上四个L形槽7构成四个双重折叠基片集成波导谐振腔，分别是沿顺时针方向分布的第一谐振腔①，第二谐振腔②，第三谐振腔③和第四谐振腔④。
第一谐振腔①和第四谐振腔④的两个L形槽靠近两腔的连接处并且背对背放置。第二谐振腔②和第三谐振腔的L形槽沿田字形的外框放置。四个L形槽关于滤波器中线对称。
中间层金属层3上设置有两条与折叠基片集成波导谐振腔相连接的带状线10、及两条与带状线相连接的微带线9，两条微带线构成该四阶交叉耦合带通滤波器的两个端口。
由于折叠集成波导四阶交叉耦合带通滤波器是一种双层电路，微带线到带状线过渡电路接入折叠基片集成波导谐振腔以实现阻抗匹配。
本发明实施例中，双层折叠基片集成波导谐振腔通过在两层印刷电路板上设计一系列金属化通孔实现的。中间层金属层3上蚀刻的四个L形槽7，以构成四个双重折叠的基片集成波导谐振腔，中间金属层上的I形槽在谐振腔①和④的连接线上，I形槽和第一谐振腔①以及第四谐振腔④的L形槽相连接，形成一个混合电磁耦合结构。
在具体设计实例中，顶层介质基片与底层介质基片均为Rogers 5880介质板，其中，顶层介质基片与底层介质基片的介电常数均为2.2，顶层介质基片与底层介质基片的厚度均为0.508mm。中间金属层上设置有两条与折叠基片集成波导谐振腔相连接的微带线转带状线过渡结构构成该双层折叠基片集成波导四阶交叉耦合滤波器的两个输入输出端口，两条微带线的阻抗均为50欧姆。本发明中的两个输入输出端口相互平行并且关于谐振腔①和④的连接线对称。L形槽7最外侧距离两边的金属通孔的圆心的距离为1mm。本发明设计结构简单，尺寸紧凑，滤波器选择特性和带外抑制好，降低了加工难度和加工成本且面积减小。
图4为本发明中S参数幅度的仿真结果，由图4可知，本发明交叉耦合滤波器的3-dB工作带宽为3.9GHz-4.21GHz，中心频率为4.05GHz，相对带宽为7.7％，输入端口与输出端口的回波损耗均大于21dB。通带两边2.5GHz，3.8GHz和4.21GHz处分别有一个传输零点提高了交叉耦合滤波器的选择特性和带外抑制特性。
本发明可实现在一个较窄的频段上顺利实现输入信号功率的选择，相比较同等技术的基片集成波导电路下的交叉耦合带通滤波器，本发明在减小滤波电路尺寸的同时提高了电路性能，制作工艺简单，成本低廉。同时由于高次模TE102和TE201在双重折叠的基片集成波导谐振腔中不存在，本发明的交叉耦合滤波器有很宽的带外抑制。

Claims (4)

1.一种基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，其特征在于：包括顶层介质基片、底层介质基片及设置在二者之间的中间层金属层，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；
所述顶层介质基片与底层介质基片上均设置有六组金属化通孔，所述六组金属化通孔沿田字形布置，与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层、底层金属层、底层介质基片相连接，构成金属电壁；顶层介质基片和底层介质基片上的六组金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间层金属层、底层金属层、底层介质基片和中间金属层上蚀刻的四个L形槽构成四个双重折叠的折叠基片集成波导谐振腔，分别是沿顺时针方向分布的第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔；相邻两个谐振腔中间的缺少一部分金属化通孔以形成磁耦合窗；
中间层金属层上设置有一个I形槽；所述第一谐振腔和第四谐振腔通过所述I形槽实现混合电磁耦合；
中间层金属层上设置有两条与折叠基片集成波导谐振腔相连接的带状线、及两条与带状线相连接的微带线，两条微带线构成该四阶交叉耦合带通滤波器的两个端口；
所述第一谐振腔和第四谐振腔的两个L形槽靠近两腔的连接处并且背对背放置，所述I形槽打断该两个L形槽的相互平行的两条边，且接续在两条边之间；所述第二谐振腔和第三谐振腔的两个L形槽沿田字形的外框放置；四个L形槽关于滤波器中线对称；
中间金属层上第一谐振腔和第四谐振腔的对称位置上设置有所述I形槽。
2.根据权利要求1所述的基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，其特征在于：所述顶层介质基片与底层介质基片叠合放置且相互贴合。
3.根据权利要求1所述的基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，其特征在于：所述带状线和微带线构成了输入端口和输出端口的过渡结构，两组微带线-带状线过渡结构相互平行，关于第一谐振腔和第四谐振腔的连接线对称。
4.根据权利要求1所述的基于折叠基片集成波导谐振腔的四阶交叉耦合带通滤波器，其特征在于：所述顶层介质基片与底层介质基片材质和厚度相同。
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