CN103094646B - 基片集成波导加载介质谐振器滤波器 - Google Patents

基片集成波导加载介质谐振器滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基片集成波导加载介质谐振器滤波器，包括输入激励机构、输出耦合机构、介质谐振器以及基片集成波导，其中，所述输入激励机构和输出耦合机构分别由外部伸入到基片集成波导中，所述介质谐振器内嵌于基片集成波导的中心处。本发明将圆环形介质谐振器嵌入到圆形基片集成波导的中心通孔中，信号从输入激励机构进入，经过输入激励机构的共面波导、两条弧形槽线以及第一弯折槽线的激励结构，使基片集成波导和介质谐振器产生频率相近的三个模式，然后由输出耦合机构的共面波导、两条弧形槽线以及第二弯折槽线耦合到输出端口，从而实现三模带通滤波器，具有低插入损耗、易与其他平面电路结合的平面结构以及小型化的特点。

Description

基片集成波导加载介质谐振器滤波器
技术领域
本发明涉及微波基片集成波导和介质谐振器滤波器技术领域，具体是一种基片集成波导加载介质谐振器滤波器。
背景技术
随着无线系统的广泛应用，频谱资源的合理分配和有效利用发挥着重要的作用。带通滤波器作为频率分离的重要器件，其高性能、小型化一直是研究人员关注的热点。
为了实现较低的插入损耗，需要利用具有较高的Q值的谐振腔。金属波导谐振腔Q值高，但是体积较大；微带谐振器由于其开放结构，辐射损耗较大；带状线Q值也较高，但是增加了加工难度；而介质谐振器具有较高的介电常数，极低的损耗，较高的温度稳定性，是实现高性能滤波器的极好选择。随着陶瓷材料技术的进步，具有较低的温度系数的介质谐振器可以实现，并伴随着卫星通信技术的进步，介质谐振器滤波器引起更大的热情和关注。
多模技术是实现介质谐振器滤波器的小型化的一种重要手段。多模技术，即利用谐振腔内相同的或者邻近的多个谐振模式来实现滤波器。与传统的单模滤波器相比，大大减小了滤波器的体积。林为干在《微波网络》(《微波网络》，作者林为干，国防工业出版社，1978年出版)中提出了一腔多模滤波器的原理和实现方法，探讨了可用谐振模式的数量，模式之间的耦合以及输入输出结构的设计。Lin-Sheng Wu在2009提出了一种在SIW腔中加载介质块的滤波器(L.S.Wu，L.Zhou，W.Y.Yin，″Bandpass Filter UsingIntegrated Waveguide Cavity Loaded With Dielectric Rod″，IEEE Microwave And WirelessComponents Letters，VOL.19，NO.8，Augst2009)，该滤波器在矩形SIW腔中心处嵌入高介电常数的棒状介质块，实现了小型化，低插损和较好的寄生抑制。
上述滤波器仍然存在插入损耗高、与其他平面电路结合困难等问题。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提供了一种低插入损耗、平面型、小型化的基片集成波导加载介质谐振器滤波器，本发明将上、下、内表面涂覆金属的三模圆环介质谐振器嵌入基片集成波导中，采用微带线-共面波导-槽线的输入激励和输出耦合机构，具有低插入损耗、易与其他平面电路结合的平面结构以及小型化的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基片集成波导加载介质谐振器滤波器，包括输入激励机构、输出耦合机构、介质谐振器以及基片集成波导，其中，所述输入激励机构和输出耦合机构分别由外部伸入到基片集成波导中，所述介质谐振器内嵌于基片集成波导的中心处。
所述基片集成波导包括：圆形介质基板以及设置在介质基板中心处且与介质谐振器在中心轴向上具有相同的尺寸的中心通孔，所述介质谐振器嵌入所述中心通孔中；所述介质基板上下面表涂覆铜层，所述介质基板的边缘处沿圆周方向等间距排列一圈金属化通孔，所述介质基板的边缘处沿径向设有凹槽，所述凹槽为两个，所述输入激励机构和输出耦合机构分别通过所述凹槽伸入基片集成波导中。
所述两个凹槽的轴线延伸线之间的夹角为90度。
所述相邻金属化通孔之间的间距大于等于金属化通孔的直径。
所述介质谐振器为圆环形，所述介质谐振器的上表面、下表面以及内环表面均涂覆金属层，所述基片集成波导包括圆形介质基板以及设置在介质基板中心处的中心通孔，所述介质谐振器嵌入所述中心通孔中，所述介质谐振器的上下表面与介质基板的上下表面处于同一水平面，所述介质谐振器与介质基板的接缝处涂覆导电材料层。
所述输入激励机构包括：输入微带线，所述基片集成波导包括圆形介质基板，所述介质基板的边缘处沿径向设有凹槽，所述输入微带线由所述凹槽伸入基片集成波导中，并与凹槽的槽壁形成共面波导；所述共面波导延伸至介质谐振器附近，并在共面波导的端部分开，形成两条沿介质谐振器外圆周方向延伸的弧形槽线，其中一条弧形槽线末端弯折，形成第一弯折槽线；
所述输出耦合机构包括：输出微带线，所述基片集成波导包括圆形介质基板，所述介质基板的边缘处沿径向设有凹槽，所述输出微带线由所述凹槽伸入基片集成波导中，并与凹槽的槽壁形成共面波导；所述共面波导延伸至介质谐振器附近，并在共面波导的端部分开，形成两条沿介质谐振器外圆周方向延伸的弧形槽线，其中靠近第一弯折槽线的弧形槽线末端弯折，形成第二弯折槽线。
所述输入微带线和输出微带线电阻为50欧姆。
所述基片集成波导加载介质谐振器滤波器还包括板材介质，所述板材介质设置在基片集成波导的外部。
本发明将圆环形介质谐振器嵌入到圆形基片集成波导的中心通孔中，信号从输入激励机构进入，经过输入激励机构的共面波导、两条弧形槽线以及第一弯折槽线的激励结构，使基片集成波导和介质谐振器产生频率相近的三个模式，然后由输出耦合机构的共面波导、两条弧形槽线以及第二弯折槽线耦合到输出端口，从而实现三模带通滤波器。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
1、平面型结构：将圆环介质谐振器嵌入基片集成波导中，输入激励与输出耦合机构均采用平面电路，实现了介质谐振器滤波器的平面结构，易与其他平面型电路集成；
2、结构紧凑、小型化：采用了三模的介质谐振器，比传统的单模结构体积和面积上都有了较大的缩减；
3、较低的插入损耗：采用了介质谐振器，比一般的基片集成波导Q值高。
4、具有较大的功率容量。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图；
图2为本发明输入激励机构和输出耦合机构的结构示意图；
图3为基片集成波导结构示意图；
图4为本发明频率响应曲线；
图中：1为输入微带线，2为输出微带线，3为输入激励机构的共面波导，4为输出耦合机构的共面波导，5为输入激励机构的第一弧形槽线，6为输出耦合机构的第一弧形槽线，7为输入激励机构的第二弧形槽线，8为输出耦合机构的第二弧形槽线，9为第一弯折槽线，10为第二弯折槽线，11为金属化通孔，12为铜层，13为导电材料层，14为中心通孔，15为介质谐振器，16为介质基板，17为板材介质。
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。
如图1所示，本实施例提供了一种基片集成波导加载介质谐振器滤波器，包括输入激励机构、输出耦合机构、介质谐振器15以及基片集成波导，其中，所述输入激励机构和输出耦合机构分别由外部伸入到基片集成波导中，所述介质谐振器15内嵌于基片集成波导的中心处。
进一步地，本实施例还包括板材介质17，所述板材介质17设置在基片集成波导的外部。
如图3所示，所述基片集成波导包括：圆形介质基板16以及设置在介质基板16中心处且与介质谐振器15在中心轴向上具有相同的尺寸的中心通孔14，所述介质谐振器15嵌入所述中心通孔14中；所述介质基板16上下面表涂覆铜层12，所述介质基板16的边缘处沿圆周方向等间距排列一圈金属化通孔11，所述介质基板16的边缘处沿径向设有凹槽，所述凹槽为两个，所述输入激励机构和输出耦合机构分别通过所述凹槽伸入基片集成波导中。
进一步地，所述两个凹槽的轴线延伸线之间的夹角为90度。
进一步地，所述相邻金属化通孔11之间的间距小于等于两倍的金属化通孔11孔径。
进一步地，所述介质谐振器15为圆环形，所述介质谐振器15的上表面、下表面以及内环表面均涂覆金属层，所述基片集成波导包括圆形介质基板16以及设置在介质基板16中心处的中心通孔14，所述介质谐振器15嵌入所述中心通孔14中，所述介质谐振器15的上下表面与介质基板16的上下表面处于同一水平面，所述介质谐振器15与介质基板16的接缝处涂覆导电材料层13。
如图2所示，所述输入激励机构包括：输入微带线1，所述基片集成波导包括圆形介质基板16，所述介质基板16的边缘处沿径向设有凹槽，所述输入微带线1由所述凹槽伸入基片集成波导中，并与凹槽的槽壁形成输入激励机构的共面波导3；所述输入激励机构的共面波导3延伸至介质谐振器15附近，并在输入激励机构的共面波导3的端部分开，形成两条沿介质谐振器15外圆周方向延伸的输入激励机构的第一弧形槽线5和输入激励机构的第二弧形槽线7，其中输入激励机构的第二弧形槽线7末端弯折，形成第一弯折槽线9；
所述输出耦合机构包括：输出微带线2，所述基片集成波导包括圆形介质基板16，所述介质基板16的边缘处沿径向设有凹槽，所述输出微带线2由所述凹槽伸入基片集成波导中，并与凹槽的槽壁形成输出耦合机构的共面波导4；所述输出耦合机构的共面波导4延伸至介质谐振器15附近，并在输出耦合机构的共面波导4的端部分开，形成两条沿介质谐振器15外圆周方向延伸的输出耦合机构的第一弧形槽线6和输出耦合机构的第二弧形槽线8，其中靠近第一弯折槽线9的输出耦合机构的第二弧形槽线8末端弯折，形成第二弯折槽线10。
本实施例中，输入激励机构和输出耦合机构分别由一段50欧姆的微带线构成，用于滤波器与其他电路的连接，微带线的一端伸入到基片集成波导中，与基片集成波导形成共面波导，共面波导末端分开形成的弧形槽线。基片集成波导的介质基板圆周处设有一圈金属化通孔，但是形成共面波导处的介质基板凹槽槽壁不涂覆金属；在中心处开一和圆环介质谐振器外径等大小的中心通孔，圆环形介质谐振器的上、下、内表面涂敷金属，内嵌于基片集成波导的中心通孔处。
整个输入激励和输出耦合机构均为平面型，具有较高的设计自由度，加工方便。
通过基片集成波导的圆形介质基板双面涂覆铜层，并在介质基板上制作一定间隔的圆形排列金属化通孔，以实现金属波导中的电壁。两孔间距Pvia不大于两倍的金属通孔孔径，即Dvia：Pvia≤2Dvia。为了同时制作输入激励机构和输出耦合机构，在输入、输出位置制作金属化通孔，并将上表面铜层沿着金属通孔外侧一定距离以外的部分剥掉，留出输入和输出的微带线。为了嵌入三模圆环介质谐振器，在圆形基片集成波导的中心处，制作与介质谐振器等大小的中心通孔。介质谐振器和基片集成波导的中心通孔在中心轴向上具有相同的尺寸。
介质谐振器是上表面、下表面、内环表面涂覆金属，以减小辐射损耗。介质谐振器嵌入基片集成波导结构中的中心通孔中。嵌入的介质谐振器要与基板相平。在上下表面的接缝处需要涂覆导电材料实现基片集成波导的铜层和介质谐振器的金属层实的电气和物理连接。
本实施例提供的基片集成波导加载介质谐振器滤波器，其中心频率选择在2.06GHz，介质基板的介电常数为3.48，损耗角正切是0.0018，厚度为1.5mm；介质谐振器的材料介电常数为20.5，内径R3为11.65mm，外径R2为19.95mm，厚度为1.5mm；输入微带线宽度W2为3.41mm，长度为10.7mm；共面波导槽长L2为16.927mm，中心导带宽度W2为2.2mm，槽宽S1为0.3mm；末端延伸输入激励机构的第一弧形槽线、输出耦合机构的第一弧形槽线、输入激励机构的第二弧形槽线、输出耦合机构的第二弧形槽线的总度数J1为80.5°，其中输入激励机构的第一弧形槽线、输出耦合机构的第一弧形槽线度数为47.2°，输入激励机构的第二弧形槽线、输出耦合机构的第二弧形槽线度数为33.3°；第一弯折槽线、第二弯折槽线的长L3、宽W3分别为3mm、1mm；介质基板半径R1为38.8mm，S3为2mm，金属化通孔的直径Dv为1mm，每两个金属通孔的间隔为2.95°中心通孔半径R2为19.95mm；整个基片集成波导加载介质谐振器滤波器尺寸L为100mm。
图4为本实施例的频率响应曲线。图中显示该滤波器的中心频率f0为2.06GHz，相对带宽约为9.6％。通带最小插入损耗为0.29dB，回波损耗为-25dB以下。图中同时给出了滤波器的实测响应曲线，中心频率为2.01GHz，通带内最小插损为0.66dB，通带内回波损耗在-10dB以下。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (5)

1.一种基片集成波导加载介质谐振器滤波器，其特征在于，包括输入激励机构、输出耦合机构、介质谐振器以及基片集成波导，其中，所述输入激励机构和输出耦合机构分别由外部伸入到基片集成波导中，所述介质谐振器内嵌于基片集成波导的中心处；
所述基片集成波导包括：圆形介质基板以及设置在介质基板中心处且与介质谐振器在中心轴向上具有相同的尺寸的中心通孔，所述介质谐振器嵌入所述中心通孔中；所述介质基板上下面表涂覆铜层，所述介质基板的边缘处沿圆周方向等间距排列一圈金属化通孔，所述介质基板的边缘处沿径向设有凹槽，所述凹槽为两个，所述输入激励机构和输出耦合机构分别通过所述凹槽伸入基片集成波导中；
所述介质谐振器为圆环形，所述介质谐振器的上表面、下表面以及内环表面均涂覆金属层，所述基片集成波导包括圆形介质基板以及设置在介质基板中心处的中心通孔，所述介质谐振器嵌入所述中心通孔中，所述介质谐振器的上下表面与介质基板的上下表面处于同一水平面，所述介质谐振器与介质基板的接缝处涂覆导电材料层；
所述输入激励机构包括：输入微带线，所述基片集成波导包括圆形介质基板，所述介质基板的边缘处沿径向设有凹槽，所述输入微带线由所述凹槽伸入基片集成波导中，并与凹槽的槽壁形成共面波导；所述共面波导延伸至介质谐振器附近，并在共面波导的端部分开，形成两条沿介质谐振器外圆周方向延伸的弧形槽线，其中一条弧形槽线末端弯折，形成第一弯折槽线；
所述输出耦合机构包括：输出微带线，所述基片集成波导包括圆形介质基板，所述介质基板的边缘处沿径向设有凹槽，所述输出微带线由所述凹槽伸入基片集成波导中，并与凹槽的槽壁形成共面波导；所述共面波导延伸至介质谐振器附近，并在共面波导的端部分开，形成两条沿介质谐振器外圆周方向延伸的弧形槽线，其中靠近第一弯折槽线的弧形槽线末端弯折，形成第二弯折槽线。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导加载介质谐振器滤波器，其特征在于，所述两个凹槽的轴线延伸线之间的夹角为90度。
3.根据权利要求1所述的基片集成波导加载介质谐振器滤波器，其特征在于，相邻所述金属化通孔之间的间距大于等于金属化通孔的直径。
4.根据权利要求1所述的基片集成波导加载介质谐振器滤波器，其特征在于，所述输入微带线和输出微带线电阻为50欧姆。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的基片集成波导加载介质谐振器滤波器，其特征在于，还包括板材介质，所述板材介质设置在基片集成波导的外部。
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