CN103259068B - 一种基片集成波导毫米波带通滤波器及其改进方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基片集成波导毫米波带通滤波器及其改进方法，所述滤波器包括三个谐振器和四条缝隙，所述三个谐振器通过四条缝隙构成EBG结构的三阶谐振器，所述缝隙为用于实现各谐振器间电场耦合的槽线，所述方法通过提取外部品质因数Q值和耦合系数K值，与理论Q值和K值相比较，从而改变滤波器的整体尺寸。本发明的毫米波带通滤波器采用了基片集成波导结构，三个谐振器之间采用槽线实现电场耦合，可以通过槽线的高度和宽度来调节耦合强度，很容易形成一个通带，具有体积小、制作简单、性能好的优点，能够很好的满足现代通讯系统的要求。

Description

一种基片集成波导毫米波带通滤波器及其改进方法

技术领域

本发明涉及一种毫米波带通滤波器及其改进方法，尤其是一种基片集成波导毫米波带通滤波器及其改进方法，属于无线通讯领域。

背景技术

随着毫米波技术在无线通讯系统和雷达系统中应用的不断增多，对毫米波带通滤波器的需求也日益增加。较早的微带带通滤波器由于在平面制图和制板上的方便而被广泛应用，但是这种滤波器的技术指标较差，随着通讯技术的不断发展，对滤波器的要求也越来越高。采用金属波导的毫米波滤波器虽然能够达到较好的技术指标，但是造价昂贵，不能被广泛地应用；具有EBG(Electromagnetic Band-Gap)结构的毫米波滤波器，能够很好的满足现在的技术指标要求，但是这种滤波器体积较大。

最近，采用基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，简称SIW）的毫米波滤波器受到很高的重视，它可以实现高性能且具有体积小的滤波器。它是一种新型波导，它具有传统的金属波导品质因数高、易于设计的特点，同时也具有体积小、造价低、易加工等传统波导所没有的特点，它的这些优点，使得这种结构的滤波器被广泛应用于无线通讯系统。但是，目前的SIW结构通常采用过孔实现磁场耦合，过孔耦合在频率很高的时候，由于波长很短，过孔的半径相对于波长来说已经很大了，所以就很难通过过孔耦合来实现通带。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

2009年，陈飞等人载“真空电子技术”上发表题为“一种新型基片集成波导带通滤波器的设计与实现”的文章中，作者采用了微带-SIW混合结构，如图1所示，形成一个带通滤波器，性能好，体积小。

2011年，Qiao-Li Zhang等人在IEEE MICROWAVE AND WIRELESS LETTERS上发表题为“Compact Substrate Integrated Waveguide(SIW)Bandpass Filter With Complementary Split-Ring Resonators(CSRRs)”的文章中，采用了基片集成波导和互补开口环谐振器相结合的结构，如图2所示，这种结构的滤波器具有较高的外部品质因数Q值，体积小，而且没有寄生通带。

但是，上述两种现有技术的滤波器，难以取得合适的尺寸参数，所以带内特性较差，而且回波损耗较大，不能满足人们的需求。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种结构简单，可以调节耦合强度的基片集成波导毫米波带通滤波器。

本发明的另一目的在于提供一种上述基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，使滤波器具有良好的带内特性。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基片集成波导毫米波带通滤波器，其特征在于：包括三个谐振器和四条缝隙，所述三个谐振器通过四条缝隙构成EBG结构的三阶谐振器，所述缝隙为用于实现各谐振器间电场耦合的槽线。

作为一种优选方案，所述三个谐振器由左至右分别为第一谐振器、第二谐振器和第三谐振器，所述四条缝隙由左至右分别为第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙和第四缝隙，所述第一缝隙位于第一谐振器左侧，所述第二缝隙位于第一谐振器与第二谐振器之间，所述第三缝隙位于第二谐振器与第三谐振器之间，所述第四缝隙位于第三谐振器的右侧。

作为一种优选方案，所述第一缝隙、第二缝隙、第三缝隙和第四缝隙的形状为矩形。

本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于包括以下步骤：

1）对所述滤波器左或右其中一端的结构进行仿真，即该结构包括第一谐振器和第一缝隙，或包括第三谐振器和第四缝隙，根据第一缝隙或第四缝隙的两个变量缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁，提取外部品质因数Q值；

2）根据步骤1）提取的Q值，与理论Q值相比较，得到与理论Q值相符合的缝隙宽度W₁参数和缝隙长度H₁参数；

3）对所述滤波器的左边或右边结构进行仿真，即该结构包括第一谐振器、第二谐振器和第二缝隙，或包括第二谐振器、第三谐振器和第三缝隙，根据第二缝隙或第三缝隙的两个变量缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂，提取耦合系数K值；

4）根据步骤3）提取的K值，与理论K值相比较，得到与理论K值相符合的缝隙宽度W₂参数和缝隙长度H₂参数；

5）根据步骤2）得到的缝隙宽度W₁参数和缝隙长度H₁参数，以及步骤4）得到的缝隙宽度W₂参数和缝隙长度H₂参数，从而改变滤波器的整体尺寸。

作为一种优选方案，步骤2）所述仿真结构的Q值提取公式如下：

其中，f₀为第一谐振器或第三谐振器的中心频率，^Δf_±90°为第一谐振器或第三谐振器正方向90°的频率f_+90°与负方向90°的频率f_-90°之间的频率差，f₀、f_+90°和f_-90°的值由缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁测量得到。

作为一种优选方案，所述缝隙宽度W₁设置的大小为40、60和80μm，缝隙长度H₁设置的范围为340～460μm。

作为一种优选方案，步骤2）所述理论Q值采用了切比雪夫原型滤波器，相对带宽FBW=0.1，阶数N=3，根据计算得到理论Q值，其中g₀和g₁为切比雪夫原型滤波器的元件值。

作为一种优选方案，步骤4）所述仿真结构的K值提取公式如下：

$K=\frac{1}{2}(\frac{f_{02}}{f_{01}}+\frac{f_{01}}{f_{02}})\sqrt{{\left(\frac{{f_2}^2-{f_1}^2}{{f_2}^2+{f_1}^2}\right)}^2-{\left(\frac{f_{02}^2-f_{01}^2}{f_{02}^2+f_{01}^2}\right)}^2}$

其中，f₁和f₂分别为第一谐振器和第二谐振器，或第二谐振器和第三谐振器的谐振模式频率点，f₀₁和f₀₂分别为第一谐振器和第二谐振器，或第二谐振器和第三谐振器的固有频率，f₀₁和f₀₂的值由缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂测量得到。

作为一种优选方案，所述缝隙宽度W₂设置的范围为100～220μm，缝隙长度H₂设置的大小为400、420和440um。

作为一种优选方案，步骤4）所述理论K值采用了切比雪夫原型滤波器，相对带宽FBW=0.1，阶数N=3，纹波系数=0.5dB，根据计算出理论K值，其中g₀和g₁为切比雪夫原型滤波器的元件值。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明设计了一个具有三阶谐振器的毫米波带通滤波器，其采用了基片集成波导结构（SIW），使得滤波器小型化，可以通过提取外部品质因数Q值和耦合系数K值，与理论Q值和K值相比较，并不断地改进，从而实现良好的带内特性，具有体积小、制作简单、性能好的优点，能够很好的满足现代通讯系统的要求。

2、本发明的基片集成波导（SIW）毫米波滤波器的三个谐振器之间采用槽线实现电场耦合，可以通过槽线的高度和宽度来调节耦合强度，很容易形成一个通带。

3、本发明的基片集成波导（SIW）毫米波滤波器克服了传统的微带毫米波滤波器的技术指标差的缺点，解决了金属波导造价昂贵的问题，同时具有高性能、易加工、设计简单等诸多优点，能够应用于很多通讯系统。

附图说明

图1为第一种现有技术的结构示意图。

图2为第二种现有技术的结构示意图。

图3为本发明基片集成波导毫米波带通滤波器的结构图。

图4a为传统基片集成波导毫米波带通滤波器磁场耦合的形式图。

图4b为本发明基片集成波导毫米波带通滤波器电场耦合的形式图。

图5为本发明基片集成波导毫米波带通滤波器提取Q值的仿真结构图。

图6为H₁-W₁-Q的关系曲线图。

图7为本发明基片集成波导毫米波带通滤波器提取K值的仿真结构图。

图8为图7仿真得到的左边谐振器示意图。

图9为图7仿真得到的右边谐振器示意图。

图10为W₂-H₂-K的关系曲线图。

图11为调完尺寸参数后的基片集成波导毫米波带通滤波器S参数仿真结果图。

具体实施方式

实施例1：

如图3所示，本实施例的基片集成波导（SIW）毫米波带通滤波器包括第一谐振器1、第二谐振器2和第三谐振器3、第一缝隙4、第二缝隙5、第三缝隙6和第四缝隙7，所述第一缝隙4位于第一谐振器1左侧，所述第二缝隙5位于第一谐振器1与第二谐振器2之间，所述第三缝隙6位于第二谐振器2与第三谐振器3之间，所述第四缝隙7位于第三谐振器3的右侧，构成EBG（Electromagnetic Band Gap，即电磁场带隙）结构的三阶谐振器，所述第一缝隙4、第二缝隙5、第三缝隙6和第四缝隙7为矩形槽线。

传统的基片集成波导（SIW）毫米波带通滤波器，采用过孔实现磁场耦合，由于过孔耦合在频率很高的时候，由于波长很短，过孔的半径相对于波长来说已经很大了， 所以就很难通过过孔耦合来实现通带，如图4a所示，其中V为过孔；而本实施例的基片集成波导（SIW）毫米波带通滤波器，所述各谐振器之间采用槽线实现电场耦合，可以通过槽线的高度和宽度来调节耦合强度，很容易形成一个通带，如图4b所示，其中S为缝隙。

本实施例的基片集成波导毫米波带通滤波器的改进过程如下：

1）如图5所示，对所述滤波器左端的结构进行仿真，即该结构包括第一谐振器1和第一缝隙4，根据第一缝隙4的两个变量缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁，提取外部品质因数Q值：

其中，f₀为第一谐振器1的中心频率，Δf_±90o为第一谐振器1正方向90°的频率f_+90°与负方向90°的频率f_-90°之间的频率差，f₀、f_+90°和f_-90°的值由缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁测量得到，设置缝隙宽度W₁大小为40、60和80μm，设置缝隙长度H₁的范围为340～460μm，通过f₀、f_+90°和f_-90°提取的Q值如图6所示，包括两个变量缝隙长度H₁和缝隙宽度W₁。

2）采用切比雪夫原型滤波器，相对带宽FBW=0.1，阶数N=3，根据下式计算理论Q值： $Q=\frac{g_0{g}_1}{\mathrm{FBW}}$

其中，g₀和g₁为切比雪夫原型滤波器的元件值（可通过查表获取参数，g₀=1g₁=0.6291），得到的理论Q值为15.96，根据步骤1）提取的Q值，与理论Q值相比较，得到与理论Q值相符合的缝隙宽度W₁参数为60μm，缝隙长度H₁参数为420μm；

3）如图7所示，对所述滤波器的左边结构进行仿真，即该结构包括第一谐振器1、第二谐振器2和第二缝隙5，第一谐振器1位于该结构左边，第二谐振器2位于该结构右边，根据第二缝隙5的两个变量缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂，提取耦合系数K值：

$K=\frac{1}{2}(\frac{f_{02}}{f_{01}}+\frac{f_{01}}{f_{02}})\sqrt{{\left(\frac{{f_2}^2-{f_1}^2}{{f_2}^2+{f_1}^2}\right)}^2-{\left(\frac{f_{02}^2-f_{01}^2}{f_{02}^2+f_{01}^2}\right)}^2}$

其中，f₁和f₂分别为第一谐振器1和第二谐振器2的谐振模式频率点，f₀₁和f₀₂分别为第一谐振器1和第二谐振器2的固有频率，f₀₁和f₀₂的值由缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂测量得到，如图8和图9所示，分别读取f₀₁和f₀₂的值，设置缝隙宽度W₂的范围为100～220μm，缝隙长度H₂为400、420和440um，通过f₁、f₂、f₀₁和f₀₂提取的K值如图10所示，包括两个变量缝隙长度H₂和缝隙宽度W₂。

4）采用切比雪夫原型滤波器，相对带宽FBW=0.1，阶数N=3，纹波系数=0.5dB，根据下式计算理论K值：

$K=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_0{g}_1}}$

其中，g₀和g₁为切比雪夫原型滤波器的元件值，得到的理论K值为0.071，根据步骤3）提取的K值，与理论K值相比较，得到与理论K值相符合的缝隙宽度W₂参数为160μm，H₂为420um。

5）根据步骤2）得到的缝隙宽度W₁参数和缝隙长度H₁参数，以及步骤4）得到的缝隙宽度W₂参数和缝隙长度H₂参数，从而改变滤波器的整体尺寸。

经过上述过程，得到了本实施例滤波器的最佳尺寸参数，该滤波器的S参数仿真结果如图11所示，可以看出带内特性很好，回波损耗均在-20dB以下，并且在带内有三个陷波。

实施例2：

本实施例的基片集成波导毫米波带通滤波器，其改进过程的主要特点是：在步骤1）中对所述滤波器右端的结构进行仿真，即该结构包括第三谐振器1和第四缝隙7，根据第四缝隙7的缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁，提取外部品质因数Q值；在步骤4）中对所述滤波器的右边结构进行仿真，即该结构包括第二谐振器2、第三谐振器3和第三缝隙6，根据第三缝隙6缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂，提取耦合系数K值。其余同实施例1。

以上所述，仅为本发明优选的实施例，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所公开的范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，所述滤波器包括三个谐振器和四条缝隙，所述三个谐振器通过四条缝隙构成EBG结构的三阶谐振器，所述缝隙为用于实现各谐振器间电场耦合的槽线，所述三个谐振器由左至右分别为第一谐振器(1)、第二谐振器(2)和第三谐振器(3)，所述四条缝隙由左至右分别为第一缝隙(4)、第二缝隙(5)、第三缝隙(6)和第四缝隙(7)，所述第一缝隙(4)位于第一谐振器(1)左侧，所述第二缝隙(5)位于第一谐振器(1)与第二谐振器(2)之间，所述第三缝隙(6)位于第二谐振器(2)与第三谐振器(3)之间，所述第四缝隙(7)位于第三谐振器(3)的右侧，所述第一缝隙(4)、第二缝隙(5)、第三缝隙(6)和第四缝隙(7)的形状为矩形，其特征在于所述方法包括以下步骤：

1)对所述滤波器左或右其中一端的结构进行仿真，即该结构包括第一谐振器(1)和第一缝隙(4)，或包括第三谐振器(3)和第四缝隙(7)，根据第一缝隙(4)或第四缝隙(7)的两个变量缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁，提取外部品质因数Q值；

2)根据步骤1)提取的Q值，与理论Q值相比较，得到与理论Q值相符合的缝隙宽度W₁参数和缝隙长度H₁参数；

3)对所述滤波器的左边或右边结构进行仿真，即该结构包括第一谐振器(1)、第二谐振器(2)和第二缝隙(5)，或包括第二谐振器(2)、第三谐振器(3)和第三缝隙(6)，根据第二缝隙(5)或第三缝隙(6)的两个变量缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂，提取耦合系数K值；

4)根据步骤3)提取的K值，与理论K值相比较，得到与理论K值相符合的缝隙宽度W₂参数和缝隙长度H₂参数；

5)根据步骤2)得到的缝隙宽度W₁参数和缝隙长度H₁参数，以及步骤4)得到的缝隙宽度W₂参数和缝隙长度H₂参数，从而改变滤波器的整体尺寸。

2.根据权利要求1所述的一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于：步骤2)所述仿真结构的Q值提取公式如下：

其中，f₀为第一谐振器(1)或第三谐振器(3)的中心频率，Δf_±90°为第一谐振器(1)或第三谐振器(3)正方向90°的频率f_+90°与负方向90°的频率f-_90°之间的频率差，f₀、f_+90°和f_-90°的值由缝隙宽度W₁和缝隙长度H₁测量得到。

3.根据权利要求2所述的一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于：所述缝隙宽度W₁设置的大小为40、60和80μm，缝隙长度H₁设置的范围为340～460μm。

4.根据权利要求2或3所述的一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于：步骤2)所述理论Q值采用了切比雪夫原型滤波器，相对带宽FBW＝0.1，阶数N＝3，根据计算得到理论Q值，其中g₀和g₁为切比雪夫原型滤波器的元件值。

5.根据权利要求1所述的一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于：步骤4)所述仿真结构的K值提取公式如下：

$K=\frac{1}{2}(\frac{f_{02}}{f_{01}}+\frac{f_{01}}{f_{02}})\sqrt{{\left(\frac{f_2^2-{f_1}^2}{f_2^2+{f_1}^2}\right)}^2-{\left(\frac{f_{02}^2-f_{01}^2}{f_{02}^2+f_{01}^2}\right)}^2}$

其中，f₁和f₂分别为第一谐振器(1)和第二谐振器(2)，或第二谐振器(2)和第三谐振器(3)的谐振模式频率点，f₀₁和f₀₂分别为第一谐振器(1)和第二谐振器(2)，或第二谐振器(2)和第三谐振器(3)的固有频率，f₀₁和f₀₂的值由缝隙宽度W₂和缝隙长度H₂测量得到。

6.根据权利要求5所述的一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于：所述缝隙宽度W₂设置的范围为100～220μm，缝隙长度H₂设置的大小为400、420和440um。

7.根据权利要求5或6所述的一种基片集成波导毫米波带通滤波器的改进方法，其特征在于：步骤4)所述理论K值采用了切比雪夫原型滤波器，相对带宽FBW＝0.1，阶数N＝3，纹波系数＝0.5dB，根据计算出理论K值，其中g₀和g₁为切比雪夫原型滤波器的元件值。