CN102868009B - 介质加载折叠基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种介质加载折叠基片集成波导滤波器，由上至下为第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层和第三金属层，第一介质层嵌入高介电常数高Q值介质块，另有分别贯穿整个结构和第二介质层的金属化过孔和盲孔阵列。整体由谐振腔结构、馈线结构以及耦合结构三个主干部分组成。谐振腔结构具有与滤波器阶数相同的个数，由嵌入介质块周围的金属化过孔组与第一金属层、第三金属层包围部分组成。馈线结构为在第一金属层边缘处开槽实现的加载地共面波导。耦合结构分为实现电耦合的交指电耦合结构与实现磁耦合的感性窗磁耦合结构，根据滤波器设计需要在位置相邻的谐振腔间具体采用。本发明具有小型化、低插损、高频率选择性和易于加工等特点。

Description

介质加载折叠基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及的是一种射频微波技术领域的装置，具体是一种介质加载的折叠基片集成波导滤波器。

背景技术

微波滤波器对特定频段的信号或功率进行选通或选阻，是射频系统中最基本的元器件之一，其性能优劣直接影响整个系统的性能。微波滤波器的高性能与小型化一直是其技术发展的主要趋势。基片集成波导（SIW）是一种采用印刷电路板（PCB）或低温共烧陶瓷（LTCC）等工艺在基片上模拟金属波导的微波毫米波结构，其尺寸和性能介于金属波导和平面电路之间，具有小型平面化、无载品质因素（Q值）高、功率容量大、易于大批量加工和集成等优点。

经过对现有技术的检索发现，基片集成波导滤波器最先由美国专利文献号US1995/5382931《具有分层介质结构的波导滤波器（Waveguide Filter Having a LayeredDielectric Structure）》提出，但该专利简单地将金属矩形波导滤波器扁平化，与微带电路相比占据面积较大。美国专利文献号US2003/6535083B1《嵌入加脊波导滤波器（Embedded Ridge Waveguide Filter）》提出了一种对基片集成波导加脊的方法以缩小滤波器的宽度和面积；但在基片中制作脊波导需要较多的介质层，增大了工艺成本和实现难度。专利文献号CN200610096373.9《半模基片集成波导滤波器》提出了将基片集成波导一边做成开路边的方法，将滤波器宽度和面积缩小一半；但开路边会引入额外的辐射损耗，降低谐振腔的无载Q值，增大滤波器的插入损耗。专利文献号CN200920350816.1《折叠式基片集成波导滤波器》提出了将基片集成波导矩形谐振腔向一侧折叠的方法，缩小了滤波器的面积；但在谐振腔无载Q值保持不变的情况下，滤波器的体积并未缩小。专利文献号CN200920044049.1《高Q值低损耗半模基片集成波导滤波器》采用了折叠的半模基片集成波导谐振腔，虽然其面积较小，但仍由于引入开路边使得无载Q值降低。专利文献号CN201120042595.9《具有陡峭边带特性的基片集成波导滤波器》提出了一种在基片集成波导表面刻制缺陷地结构（DGS）谐振器的滤波器，其面积小且在通带左右有传输零点；但金属平面上开槽将增大谐振器的导体和辐射损耗，从而增加滤波器插入损耗。

此外，Wu，L.-S.等在IEEE Microw.Wireless Compon.Lett.期刊上发表的《介质杆加载基片集成波导腔体滤波器（Bandpass Filter Using Substrate Integrated WaveguideCavity Loaded With Dielectric Rod）》一文通过在传统基片集成矩形谐振腔中间加载两端短路的介质杆，大大缩小了谐振腔和滤波器的尺寸，提高了无载Q值和插入损耗性能，并改善了元件的寄生抑制特性；但该滤波器难以实现传输零点，面积仍比微带电路大。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出了一种介质加载的折叠基片集成波导滤波器，结合介质加载和折叠波导实现滤波器的小型化并提高谐振腔的无载Q值。

为达到上述目的，本发明提供一种介质加载折叠基片集成波导滤波器，包括：由上至下层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层，第一介质层中嵌入介质块，介质块上下端面分别与第一金属层下表面和第二金属层上表面连接；第一介质层和第二介质层四周及中间设有金属化过孔阵列贯穿整体结构并连接第一金属层、第二金属层和第三金属层，构成介质加载折叠基片集成波导滤波器的侧壁并将滤波器划分为若干谐振腔；第二介质层中设有金属化盲孔组阵列贯穿第二介质层并连接第二金属层和第三金属层，构成介质加载折叠基片集成波导折叠端的侧壁。

该介质加载折叠基片集成波导滤波器的谐振腔个数与滤波器的阶数相同，每个谐振腔结构均由第二金属层、与第二金属层相连的位于第二介质层中的金属化盲孔组、嵌入第一介质层的介质块、周围的金属化过孔组以及上下覆盖的第一金属层和第三金属层部分组成。

该介质加载折叠基片集成波导滤波器还包括用于与标准的SMA接头连接成为输入端和输出端的加载地共面波导形式的馈线结构，馈线结构由四组开设在第一金属层边缘的槽线组成，包括：第一槽线、第二槽线、第三槽线和第四槽线；第一槽线和第二槽线对应设置，二者之间的金属结构形成第一馈线导带；第三槽线和第四槽线对应设置，二者之间的金属结构形成第二馈线导带。

该第一馈线导带和第二馈线导带以第三金属层作为参考地面；或，通过在第一金属层边缘的槽线正下方的第二金属层上设置第一金属接地片和第二金属接地片，与金属化过孔阵列、金属化盲孔阵列相连，以金属接地片作为参考地面，减小与馈线导带之间的距离。

该介质加载折叠基片集成波导滤波器还包括耦合结构，耦合结构包括交指电耦合结构和感性窗磁耦合结构，根据滤波器设计需要在位置相邻的谐振腔结构间具体采用。

该交指电耦合结构包括两组金属耦合线，每组金属耦合线由多根金属线组成，每根金属线的一端与谐振腔内的第二金属层连接，另一端保持开路，两组金属耦合线中的各金属线交错排列。

该感性窗磁耦合结构通过相应谐振腔间金属化过孔的空缺形成耦合窗口实现。

该第一金属层为一个边缘刻有槽线的金属平面，该第二金属层包括若干金属片，该第三金属层为一个完整的金属平面。

该第一介质层包括第一介质基板和粘合剂，第二介质层包括第二介质基板，第一介质基板和第二介质基板通过粘合剂连接。

该介质块的介电常数和Q值均比所用介质基板高，其上下端面分别与第一金属层下表面和第二金属层上表面直接连接，或通过局部加厚金属层连接。

本发明通过以下方式进行工作：通过将基片集成波导谐振腔的四周向下折叠，并在中间加载髙介电常数的介质块，利用介质块与介质基板介电常数之间的显著差异形成对谐振腔中心处的容性加载，实现谐振腔的小型化；同时由于谐振腔内大部分电磁能分布于高Q值的介质块中，谐振腔的无载Q值也得到提高；此外，介质加载效应还使得谐振腔的第一个高次模与主模谐振频率的比值增大，从而改善滤波器的寄生抑制特性。将与滤波器阶数相同个数的介质加载折叠基片集成波导谐振腔安排设计的耦合拓扑结构排列，在谐振腔之间采用电耦合结构和磁耦合结构分别实现不同符号的内部耦合系数，并在第一谐振腔与最后谐振腔上设置馈线结构，通过调节耦合结构和馈线结构的几何尺寸实现所需的内部耦合系数和外部耦合系数，从而实现高性能小型化的介质加载折叠基片集成波导滤波器。

与现有的技术相比，本发明的优点在于：

1.该介质加载折叠基片集成波导滤波器同时采用高介电常数介质加载和折叠的手段，滤波器尺寸小。

2.该介质加载折叠基片集成波导滤波器的谐振腔模拟金属波导结构，并加载了高Q介质块且不额外引入辐射损耗，具有高Q值的特点，通带内的插入损耗低。

3.该介质加载折叠基片集成波导滤波器利用多层结构可同时实现谐振腔之间的电耦合和磁耦合，可在边带形成传输零点，具有良好的频率选择性。

4.该介质加载折叠基片集成波导滤波器通过对基片集成波导谐振腔加载高介电常数的介质块可使滤波器的寄生响应远离主通带，有效改善了寄生抑制特性。

5.该介质加载折叠基片集成波导滤波器结构简单，易于加工，实现成本低。

附图说明

图1为本发明介质加载折叠基片集成波导滤波器的结构剖视图；

图2为本发明实施例的介质加载折叠基片集成波导滤波器的第一金属层及第一介质层的俯视图；

图3为本发明实施例的介质加载折叠基片集成波导滤波器的第二金属层及第二介质层的俯视图；

图4为本发明实施例的介质加载折叠基片集成波导滤波器的3-4GHz频率范围内的散射参数结果图；

图5为本发明实施例的介质加载折叠基片集成波导滤波器的DC-9GHz频率范围内的散射参数结果图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例为一个四阶准椭圆介质加载折叠基片集成波导带通滤波器，中心频率3.45GHz，等波纹带宽140MHz，带内反射损耗20dB。

如图1所示，整体结构由上至下分别为第一金属层1、第一介质层2、第二金属层3、第二介质层4和第三金属层5层叠组成；第一介质层2由第一介质基板6、粘合剂7上下层叠构成；第二介质层4由第二介质基板8构成；第一介质基板6和第二介质基板8通过粘合剂7连接，整体结构采用多层PCB工艺加工而成。在第一介质层2中嵌入介电常数和Q值均比所用介质基板高的介质柱9，介质柱9的上端面通过局部加厚第一金属层1与其下表面相接，介质柱9的下端面与第二金属层3上表面直接相接；在第一介质层2和第二介质层4四周及中间设有金属化过孔阵列10贯穿整体结构，并连接第一金属层1、第二金属层3和第三金属层5；在第二介质层4中设有金属化盲孔阵列11贯穿第二介质层4，并连接第二金属层3和第三金属层5。

第一金属层1、第二金属层3、第三金属层5均由铜构成，厚度17.5μm。

第一金属层1是一个边缘刻有槽线的矩形金属平面，外轮廓长20mm，宽18mm。

第二金属层3由多片分离的金属片组成。

第三金属层5是一个完整的矩形金属平面，外轮廓长20mm，宽18mm。

第一介质基板6和第二介质基板8由Taconic RF-35A2基板构成，厚度40mil，相对介电常数3.5，损耗角正切0.0015。

粘合剂7由Taconic TPN-35半固化片构成，厚度4.5mil，相对介电常数3.5，损耗角正切0.005。

介质柱9由一种高性能陶瓷材料烧结而成，其相对介电常数39，损耗角正切8.85×10^-5。

金属化过孔阵列10和金属化盲孔阵列11中每个金属化孔均由镀铜层构成，直径0.5mm，铜壁厚度25μm。

该介质加载折叠基片集成波导滤波器实施例整体外轮廓长20mm，宽18mm；其包含四个谐振腔：第一谐振腔12、第二谐振腔13、第三谐振腔14与第四谐振腔15。用于与标准SMA接头连接的50Ω加载地共面波导形式的第一馈线结构16、第二馈线结构17，以及各谐振腔间用于实现电耦合的交指电耦合结构18和用于实现磁耦合的第一感性窗磁耦合结构19、第二感性窗磁耦合结构20、第三感性窗磁耦合结构21。

如图2和图3所示，四个谐振腔包括第一谐振腔12、第二谐振腔13、第三谐振腔14和第四谐振腔15。与之相应地，第一介质层2包括四个介质柱，分别为：第一介质柱22、第二介质柱23、第三介质柱24和第四介质柱25（参见图2）；第二金属层3包括四块矩形金属板，分别为：第一矩形金属板26、第二矩形金属板27、第三矩形金属板28和第四矩形金属板29（参见图3）；金属化过孔盲孔阵列11划分为四组，分别为：第一金属化盲孔组30、第二金属化盲孔组31、第三金属化盲孔组32和第四金属化盲孔组33（参见图3）；金属化过孔阵列10划分为四组，分别为：第一金属化过孔组34、第二金属化过孔组35、第三金属化过孔组36和第四金属化过孔组37（参见图2、图3）。

第一谐振腔12由第一介质柱22、第一矩形金属板26、与第一矩形金属板26相连的第一金属化盲孔组30、周围的第一金属化过孔组34以及相应的第一金属层1和第三金属层5所包围的第一介质层2和第二介质层4的部分组成。

同理，第二谐振腔13由第二介质柱23、第二矩形金属板27、第二金属化盲孔组31、第二金属化过孔组35及相应的第一金属层1和第三金属层5所包围的第一介质层2和第二介质层4的部分组成。第三谐振腔14由第三介质柱24、第三矩形金属板28、第三金属化盲孔组32、第三金属化过孔组36及相应的第一金属层1和第三金属层5所包围的第一介质层2和第二介质层4的部分组成。第四谐振腔15由第四介质柱25、第四矩形金属板29、第四金属化盲孔组33、第四金属化过孔组37及相应的第一金属层1和第三金属层5所包围的第一介质层2和第二介质层4的部分组成。

第一介质柱22、第二介质柱23、第三介质柱24、第四介质柱25直径3.04mm，高度1.0mm；其下端面分别与第一矩形金属板26、第二矩形金属板27、第三矩形金属板28、第四矩形金属板29上表面直接相接，其上端面分别通过第一金属扁圆片38、第二金属扁圆片39、第三金属扁圆片40、第四金属扁圆片41与第一金属层1下表面相接。

第一金属扁圆片38、第二金属扁圆片39、第三金属扁圆片40、第四金属扁圆片41直径3.04mm，厚度0.13mm。

第一矩形金属板26、第二矩形金属板27长5.65mm，宽5.3mm；第三矩形金属板28、第四矩形金属板29长3.83mm，宽5.3mm。

第一金属化盲孔组30、第二金属化盲孔组31、第三金属化盲孔组32、第四金属化盲孔组33分别由4个中心相距1mm并呈菱形排列的盲孔构成。

第一金属化过孔组34、第二金属化过孔组35、第三金属化过孔组36、第四金属化过孔组37中过孔中心分别距离第一矩形金属板26、第二矩形金属板27、第三矩形金属板28、第四矩形金属板29各边1.45mm。

如图2所示，第一馈线结构16通过在第一金属层1靠近第三谐振腔14处刻制第一槽线42、第二槽线43实现；第二馈线结构17通过在第一金属层1靠近第四谐振腔15处刻制第三槽线44、第四槽线45实现。第一槽线42、第二槽线43之间的金属是第一馈线导带46，第三槽线44、第四槽线45之间的金属是第二馈线导带47。

第一槽线42、第二槽线43、第三槽线44、第四槽线45分别由第一矩形槽48、第二矩形槽49、第三矩形槽50、第四矩形槽51与第一圆弧槽52、第二圆弧槽53、第三圆弧槽54、第四圆弧槽55连接组成，槽宽均为0.4mm。

第一矩形槽48、第二矩形槽49、第三矩形槽50、第四矩形槽51各长3.91mm，其中伸入第三谐振腔14、第四谐振腔15内部长1.99mm。

第一圆弧槽52、第二圆弧槽53位于第三谐振腔14内部，第三圆弧槽54、第四圆弧槽55位于第四谐振腔15内部；第一圆弧槽52、第二圆弧槽53、第三圆弧槽54、第四圆弧槽55内侧半径2.2mm，第一圆弧槽52、第三圆弧槽54弧长0.71mm，第二圆弧槽53、第四圆弧槽55弧长4.48mm。

第一馈线导带46、第二馈线导带47宽度1.86mm，用于与标准SMA接头内导体相连；SMA接头的外导体与第一金属层1于第一槽线42、第二槽线43、第三槽线44、第四槽线45外侧的部分以及第三金属层5相连。

如图3所示，第一矩形槽48、第二矩形槽49正下方的第二金属层3上设置第一金属接地片56，与金属化过孔阵列10、金属化盲孔阵列11相连；第三矩形槽50、第四矩形槽51正下方的第二金属层3上设置第二金属接地片57，与金属化过孔阵列10、金属化盲孔阵列11相连。

第一金属接地片56、第二金属接地片57分别由长9.5mm、宽2.3mm的第一大矩形接地片58、第二大矩形接地片59和长1.72mm、宽1.3mm的第一小矩形接地片60、第二小矩形接地片61组成。

如图3所示，交指电耦合结构18位于第二金属层3上，由4根相互交错的第一金属线62、第二金属线63、第三金属线64、第四金属线65和6个位于金属线中间用于隔离的第一金属化过孔66、第二金属化过孔67、第三金属化过孔68、第四金属化过孔69、第五金属化过孔70、第六金属化过孔71构成；金属线两两交错重叠区域长度1.1mm。

第一金属线62、第二金属线63、第三金属线64、第四金属线65长2.0mm，宽0.3mm。其中，第一金属线62、第三金属线64一端与第三矩形金属板28的窄边相接，另一端开路；第二金属线63、第四金属线65一端与第四矩形金属板29的窄边相接，另一端开路。第一金属线62、第二金属线63间隔0.3mm，第二金属线63、第三金属线64间隔1.1mm，第三金属线64、第四金属线65间隔0.3mm。

第一金属化过孔66、第二金属化过孔67相距1.0mm，位于第一金属线62外侧，与之间隔0.3mm；第三金属化过孔68、第四金属化过孔69相距1.0mm，位于第二金属线63、第三金属线64之间，与之间隔0.3mm；第五金属化过孔70、第六金属化过孔71相距1.0mm，位于第四金属线65外侧，与之间隔0.3mm。

第一感性窗磁耦合结构19、第三感性窗磁耦合结构21分别位于第一谐振腔12与第三谐振腔14、第二谐振腔13与第四谐振腔15之间，空缺窗口宽度以两侧金属化过孔的圆心距离计5.73mm，其中一侧的金属化过孔位于滤波器的正中。

第二感性窗磁耦合结构20位于第一谐振腔12与第二谐振腔13之间，空缺窗口被第七金属化过孔72分割为两部分。其中，靠近滤波器中心的部分宽2.65mm，远离滤波器中心的部分宽5.9mm。

本实施例整体尺寸为20×18×2.17mm³。本实施例的散射参数结果如图4和图5所示，图4是频率范围为3–4GHz的曲线，图5是频率范围为DC–9GHz的曲线。可见，本实施例满足滤波器性能指标要求，中心频率3.45GHz处插入损耗优于1dB，等波纹的140MHz带宽内反射优于20dB；通带两侧的3.29和3.56GHz处各有1个传输零点，频率选择性好；20dB上阻带可达8.15GHz，第一个寄生响应出现在8.55GHz，即主通带中心频率的2.48倍，均优于传统基片集成波导滤波器。

本实施例通过以下方式进行工作：通过将基片集成波导谐振腔的四周向下折叠，并在中间加载髙介电常数的介质柱，利用介质柱与所用介质基板介电常数之间的显著差异形成对谐振腔中心处的容性加载，实现谐振腔的小型化；同时由于谐振腔内大部分电磁储能分布于高Q值的介质块中，谐振腔的无载Q值也得到提高；此外，介质加载效应还使得谐振腔的第一个高次模与主模谐振频率的比值增大，从而改善滤波器的寄生抑制特性。将4个介质加载折叠基片集成波导谐振腔按照盒型耦合拓扑结构排列，在第一谐振腔和第二谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔之间采用感性窗磁耦合结构，在第一谐振腔和第四谐振腔之间采用交指电耦合结构，分别实现不同符号的内部耦合系数，利用交叉耦合在通带左右各产生一个传输零点，并在第一谐振腔与第四谐振腔上设置馈线结构，通过调节耦合结构和馈线结构的几何尺寸实现所需的内部耦合系数和外部耦合系数，从而实现高性能小型化的介质加载折叠基片集成波导滤波器。

以上所述，仅是本发明的一则实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，任何未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施实例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，包括：由上至下层叠的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层以及第三金属层，所述第一介质层中嵌入介质块，所述介质块上下端面分别与第一金属层下表面和第二金属层上表面连接；所述第一介质层和第二介质层四周及中间设有金属化过孔阵列贯穿整体结构并连接第一金属层、第二金属层和第三金属层，构成介质加载折叠基片集成波导滤波器的侧壁并将滤波器划分为若干谐振腔；所述第二介质层中设有金属化盲孔阵列贯穿第二介质层并连接第二金属层和第三金属层，构成介质加载折叠基片集成波导折叠端的侧壁：所述谐振腔的个数与所述滤波器的阶数相同，每个谐振腔结构均由第二金属层、与第二金属层相连的位于第二介质层中的金属化盲孔阵列、嵌入第一介质层的介质块、周围的金属化过孔阵列以及上下覆盖的第一金属层和第三金属层部分组成，所述介质块相对介电常数为39，损耗角正切为8.85×10^-5。

2.如权利要求1所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，还包括用于与标准的SMA接头连接成为输入端和输出端的馈线结构，所述馈线结构由四组开设在所述第一金属层边缘的槽线组成，包括：第一槽线、第二槽线、第三槽线和第四槽线，所述第一槽线和第二槽线对应设置，二者之间的金属结构形成第一馈线导带；所述第三槽线和第四槽线对应设置，二者之间的金属结构形成第二馈线导带。

3.如权利要求2所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一馈线导带和第二馈线导带以第三金属层作为参考地面；或，通过在所述第一金属层边缘的槽线正下方的第二金属层上设置第一金属接地片和第二金属接地片，与金属化过孔阵列、金属化盲孔阵列相连，以金属接地片作为参考地面，减小与馈线导带之间的距离。

4.如权利要求1所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，还包括耦合结构，所述耦合结构包括交指电耦合结构和感性窗磁耦合结构，根据滤波器设计需要在位置相邻的谐振腔结构间具体采用。

5.如权利要求4所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述交指电耦合结构包括两组金属耦合线，所述每组金属耦合线由多根金属线组成，每根金属线的一端与谐振腔内的第二金属层连接，另一端保持开路，两组金属耦合线中的各金属线交错排列。

6.如权利要求4所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述感性窗磁耦合结构通过相应谐振腔间金属化过孔的空缺形成耦合窗口实现。

7.如权利要求1所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一金属层为一个边缘刻有槽线的金属平面，所述第二金属层包括若干金属片，所述第三金属层为一个完整的金属平面。

8.如权利要求1所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一介质层包括第一介质基板和粘合剂，所述第二介质层包括第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板通过粘合剂连接。

9.如权利要求1所述的介质加载折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述介质块的介电常数和Q值均比所用介质基板高，其上下端面分别与第一金属层下表面和第二金属层上表面直接连接，或通过局部加厚金属层连接。