CN114284664B - 基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，由上至下包括顶层金属层、上层介质层、中间金属层、下层介质和底层金属层，在中间金属层上设置由六组金属化通孔组成的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，并通过在第一谐振腔和第三谐振腔上设置矩形槽、在第二谐振腔上设置L型槽以及连通三个谐振腔的儿字形槽，组成新型的带状线耦合结构。本发明设计结构简单，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腔体耦合带通滤波器相比，面积减小，同时双层封闭式结构，减少了辐射损耗，所设计的带通滤波器差损低，更适合应用于现代毫米波电路集成。

Description

基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器

技术领域

本发明涉及微波技术领域，尤其涉及基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器。

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。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。

在基片集成波导的基础上，提出了折叠基片集成波导，以实现横向尺寸的小型化，同时保留基片集成波导的所有优点。对于相同的截止频率，折叠基片集成波导的横向尺寸的大小几乎是基片集成波导的一半。因此，折叠基片集成波导是一种很有应用前景的波导，可用于设计许多微波/射频组件。沿着传统的基片集成波导谐振腔的一条对称虚拟磁壁对其进行折叠，得到一次折叠的基片集成波导谐振腔，沿着两条对称虚拟磁壁折叠两次，得到双重折叠的折叠基片集成波导谐振腔。和传统的基片集成波导谐振腔不同，折叠谐振腔存在不同的边界条件，既有电壁，又有磁壁。

随着这滤波器综合技术的进步，一些新的耦合拓扑被提出，比如doublet、扩展doublet以及盒型拓扑。这类盒型耦合拓扑不仅为滤波器的设计提供了新的可能性，而且还具有独特的性能。近年来一些基于盒型拓扑结构的小型化高性能的带通滤波器相继被提出。

综上所述，如何发挥混合折叠基片集成波导谐振腔以及盒型拓扑的优势，实现不同折叠基片集成波导谐振腔之间的不同边界条件（磁壁-电壁）之间的耦合，并提供一种小型化高性能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

本发明旨在提供一种小型化高性能的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器。

为解决上述技术问题，本发明是采用下述技术方案实现的：

基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，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金属层，顶层介质基片的上表面设置顶层金属层，底层介质基片的下表面设置底层金属层，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，与顶层金属层、顶层介质基片、中间金属层、底层金属层、底层介质基片相连接；六组金属化通孔将中间金属层分为通过公共金属化通孔壁依次连接的四边形的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，且第一谐振腔和第三谐振腔通过一个公共的金属化通孔相交；

所述第一谐振腔和第三谐振腔为一次折叠的折叠基片集成波导谐振腔，第一谐振腔和第三谐振腔上分别设置有矩形槽和用做输入端口和输出端口的过渡结构，矩形槽设置在第一谐振腔和第三谐振腔相交的金属化通孔壁处，过渡结构设置在与矩形槽相对的金属化通孔壁处；

所述第二谐振腔为双重折叠的折叠基片集成波导谐振腔，第二谐振腔的公共金属化通孔壁处设置有L形槽，并在L形槽的两直线端设置儿字形槽，儿字形槽设置在靠近公共的金属化通孔的一端，儿字形槽连通相邻的两个谐振腔。

进一步的，所述第一谐振腔和第三谐振腔均为矩形，所述第二谐振腔为正方形，且第一谐振腔和第三谐振腔关于第二谐振腔的一条对角线对称。

进一步的，所述过渡结构包括第一微带线、与第一微带线一端连接的带状线以及与第一微带线另一端连接的第二微带线，过渡结构通过带状线连接在第一谐振腔和第三谐振腔上。

进一步的，所述顶层介质基片与底层介质基片叠合放置且相互贴合。

进一步的，所述顶层介质基片与底层介质基片材质和厚度相同。

进一步的，所述第二微带线的阻抗均为50欧姆。

进一步的，所述顶层介质基片与底层介质基片均为Rogers 5880介质板，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。

进一步的，所述L形槽和矩形槽的最外侧距离两边的金属通孔壁的圆心的距离为1mm。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

通过六组金属化通孔将中间金属层分成依次连接的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，并通过设置在第二谐振腔上的L形槽、设置在第一谐振腔和第三谐振腔矩形槽以及连通相邻谐振腔的儿字形槽，能够形成新型的带状线耦合，实现混合折叠基片集成波导谐振腔以及盒型拓扑的结合，从而能错开不同的折叠基片集成波导谐振腔中的高次模的谐振频率进而进一步拓宽带通滤波器的阻带，提高带通滤波器的带外抑制水平；同时便于利用不同的折叠基片集成波导谐振腔设计高阶带通滤波器而不被折叠基片集成波导谐振腔的边界条件所限制，提高了使用折叠基片集成波导谐振腔设计小型化带通滤波器的设计灵活度；另外L形槽、两个矩形槽以及儿字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混合集成，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。

附图说明

图1是本发明实施例1的三维结构图；

图2是本发明图1中三维结构的***图；

图3是图1的俯视图；

图4是本发明实施例1中滤波器的S参数幅度的仿真结果图。

图中：顶层金属层1；顶层介质基片2；中间金属层3；底层介质基片4；底层金属层5；金属化通孔6；第一谐振腔61；第二谐振腔62；第三谐振腔63；L形槽7；矩形槽8；儿字形槽9；带状线10；第一微带线11；第二微带线12。

实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”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”等仅用于描述目的，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”等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，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，包括顶层介质基片2、底层介质基片4及设置在二者之间的中间金属层3，顶层介质基片2的上表面设置顶层金属层1，底层介质基片4的下表面设置底层金属层5，顶层介质基片2与底层介质基片4上均设置有六组金属化通孔6，六组金属化通孔6与顶层金属层1、顶层介质基片2、中间金属层3、底层金属层5、底层介质基片4相连接；六组金属化通孔6将中间金属层3分为通过公共金属化通孔壁依次连接的四边形的第一谐振腔61、第二谐振腔62和第三谐振腔63，且第一谐振腔61和第三谐振腔63通过一个公共的金属化通孔相交。

第一谐振腔61和第三谐振腔63均为一次折叠的折叠基片集成波导谐振腔，第一谐振腔61和第三谐振腔63上分别设置有矩形槽8和用做输入端口和输出端口的过渡结构，矩形槽8设置在第一谐振腔61和第三谐振腔63相交的金属化通孔壁处，过渡结构设置在与矩形槽8相对的金属化通孔壁处。

第二谐振腔62为双重折叠的折叠基片集成波导谐振腔，第二谐振腔62的公共金属化通孔壁处设置有L形槽7，并在L形槽7的两直线端设置儿字形槽9，儿字形槽9靠近公共的金属化通孔设置，儿字形槽9连通相邻的两个谐振腔。

实施例1

如图1-图3所示，在一种实施方式中，第一谐振腔61和第三谐振腔63为一次折叠的矩形折叠基片集成波导谐振腔，第二谐振腔62为双重折叠的正方形折叠基片集成波导谐振腔，且第一谐振腔61和第三谐振腔63关于第二谐振腔62的一条对角线对称。对于正方形的第二谐振腔62来说，与第一谐振腔61和第二谐振腔62的公共金属化通孔壁的电场最强，因此选择在公共金属化通孔壁处设置L形槽7，形成磁壁，更好的将场耦合出去，出于同样的目的，本实施例中选择在第一谐振腔61和第三谐振腔63相交的金属化通孔壁处设置矩形槽8。由于矩形的第一谐振腔61和第三谐振腔63中均存在三个金属电壁和一个磁壁，正方形折叠腔中有两个电壁和两个磁壁，同时由于整个带通滤波器的高度对称性，使得带通滤波器更加小型化，降低了设计的复杂度，在两个矩形谐振腔的电壁以及正方形谐振腔的磁壁之间形成耦合。将L形槽7和矩形槽8按照十字形进行摆放，可以通过将耦合位置往十字形汇聚处偏移，从而更好的调节第一谐振腔61和第三谐振腔63中的单模TE101以及第二谐振腔62的双模的耦合大小，即可以调节模式TE101分别与模式TE103和模式TE301的耦合系数的比值。

过渡结构包括第一微带线11、与第一微带线11一端连接的带状线10以及与第一微带线11另一端连接的第二微带线12，过渡结构通过带状线10连接在第一谐振腔61和第三谐振腔63上以实现阻抗匹配。带状线10-微带线-微带线的过渡结构相互垂直并且关于第二谐振腔62的一条对角线对称，设置在第一谐振腔61和第三谐振腔63上的过渡结构分别构成了带通滤波器的两个端口，一个用作输入端口，一个用作输出端口。两个端口的第二微带线12的阻抗为50欧姆。

由于公共的金属化通孔壁在第二谐振腔62处是磁壁，而在第一谐振腔61和第三谐振腔63处是金属电壁，在公共的金属化通孔壁上直接开窗不能形成耦合。因此，为了获得更好的带外抑制，在本实施例中，公共的金属化通孔壁上缺少一部分，并在缺少的部分和L形槽7的两直线端设置儿字形槽9，儿字形槽9设置在靠近公共的金属化通孔的一端，儿字形槽9连通相邻的两个谐振腔。两个儿字形槽9构成了新型的带状线耦合结构，用以实现第一谐振腔61和第三谐振腔63的电壁以及第二谐振腔62的磁壁之间的场耦合。通过在两个公共的金属化通孔壁处蚀刻儿字形槽9，形成带状线结构能够在不同的边界之间行成耦合，并且耦合量的大小可以通过调节儿字形槽9的尺寸来控制。同时，这种带状线耦合的结构对于使用折叠基片集成波导谐振腔来设计更高阶的带通滤波器提供了一种可供选择的方法。通过调节儿字形槽9往L形槽7汇聚处偏移量，可以调节单模TE101和双模TE301、TE103的耦合系数的大小，从而控制带通滤波器中的两个传输零点的位置。同时，调节儿字形槽9的长度会使两个矩形的谐振腔中高次模TE301的谐振频率以及正方形的谐振腔中高次模TE303的谐振频率错开，因此使用儿字形槽9来进行耦合能使得带通滤波器的上阻带够获得更好的带外抑制。

为了简化结构，同时提高滤波器选择特性和带外抑制性，降低加工难度和加工成本并减小面积，本实施例中L形槽7和矩形槽8最外侧距离两边的金属通孔的圆心的距离为1mm。顶层介质基片2与底层介质基片4均为 Rogers 5880介质板，顶层介质基片2与底层介质基片4叠合放置且相互贴合，其中，顶层介质基片2与底层介质基片4的介电常数均为2.2，顶层介质基片2与底层介质基片4的厚度均为0.508mm。

测试例1

本发明还提供了实施例1中带状滤波器的S参数幅度的仿真测试，结果如图4所示，带通滤波器的3-dB工作带宽为8.55 GHz-9.21 GHz,中心频率为8.87 GHz,相对带宽为7.4%，输入端口与输出端口的回波损耗均大于20dB。通带两边8.25GHz和9.41GHz处分别有一个传输零点提高了带通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。通过使用新型带状线耦合的方式，实现混合折叠基片集成波导谐振腔以及盒型拓扑的结合，从而能够错开不同的折叠基片集成波导谐振腔中的高次模的谐振频率进而进一步拓宽带通滤波器的阻带。此外，带状线耦合的提出便于利用不同形式的折叠基片集成波导谐振腔设计高阶带通滤波器而不被折叠基片集成波导谐振腔的边界条件所限制。并且，本发明的滤波器中蚀刻的所有槽线都位于中间金属层上，因而保留了折叠基片集成波导谐振腔固有的自封装特性，减少了辐射损耗，便于与其他平面电路进行混合集成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，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金属层，顶层介质基片的上表面设置顶层金属层，底层介质基片的下表面设置底层金属层，其特征在于，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，与顶层金属层、顶层介质基片、中间金属层、底层金属层、底层介质基片相连接；六组金属化通孔将中间金属层分为通过公共金属化通孔壁依次连接的四边形的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，且第一谐振腔和第三谐振腔通过一个公共的金属化通孔相交；

所述第二谐振腔的公共金属化通孔壁处设置有L形槽和儿字形槽，所述儿字形槽设置在L形槽的两直线端并靠近所述公共的金属化通孔的一端，儿字形槽连通相邻的两个谐振腔；所述儿字形槽内缺少金属化通孔；

所述第一谐振腔和第三谐振腔上分别设置有矩形槽和用做输入端口或输出端口的过渡结构，所述L形槽和矩形槽呈十字形进行摆放，所述过渡结构设置在与矩形槽相对的金属化通孔壁处；

所述L形槽、儿字形槽、矩形槽和过渡结构设置于中间金属层上。

2.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔和第三谐振腔均为矩形，所述第二谐振腔为正方形，且第一谐振腔和第三谐振腔关于第二谐振腔的一条对角线对称。

3.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，其特征在于，所述过渡结构包括第一微带线、与第一微带线一端连接的带状线以及与第一微带线另一端连接的第二微带线，过渡结构通过带状线连接在第一谐振腔和第三谐振腔上。

4.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，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。

5.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，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。

6.根据权利要求3所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，其特征在于，所述第二微带线的阻抗均为50欧姆。

7. 根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，其特征在于，所述顶层介质基片与底层介质基片均为Rogers 5880介质板，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。

8.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔和新型带状线耦合的带通滤波器，其特征在于，所述L形槽和矩形槽的最外侧距离两边的金属通孔壁的圆心的距离为1mm。

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