CN103427138A - 多层六边形基片集成波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种选择性高且损耗低、体积小的多层六边形基片集成波导滤波器。该滤波器包括依次层叠设置第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层，所述第一介质基板上设置有第一谐振腔和第四谐振腔，所述第二介质基板上设置有第二谐振腔和第三谐振腔，在第二介质基板上设置有“2”字形混合耦合槽，所述“2”字形混合耦合槽位于第二谐振腔与第三谐振腔之间。该滤波器可以增加一个额外传输零点，因此，无需增加过多的滤波器的级数，便可以提高滤波器的带外选择性，且该传输零点位置可以通过调整电耦合和磁耦合系数的大小进行灵活控制，同时，该滤波器的体积小、损耗低，适合在微波毫米波技术领域推广应用。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波技术领域，具体涉及一种多层六边形基片集成波导滤波器。
背景技术
滤波器是微波电路中的基本组成单元，其性能好坏直接影响到整个系统的性能。传统的滤波器一般分为平面微带或带线结构滤波器和金属波导结构滤波器。平面微带/带线结构滤波器虽然易于集成，但占用面积大，损耗大，Q值低。金属波导结构滤波器虽然具有插损小，品质因素高，选择性好等特点，但是体积大、加工调试麻烦，且不利于与有源电路基板集成。
基于基片集成波导技术的滤波器在保留了金属波导结构滤波器Q值高、选择性好的特点的同时，还兼具了平面微带或带线结构滤波器的易于集成、成本低、加工方便等优势，在近几年受到了广泛的关注。传统的基片集成波导滤波器结构的设计基本都基于矩形谐振腔及圆形谐振腔。两者比较而言，矩形谐振腔结构灵活，易于设计，但Q值相对不高，圆形谐振腔Q值高，但在结构设计上却不够灵活。六边形谐振腔兼具了矩形谐振腔的结构灵活和圆形谐振腔Q值高的优点，可以拓展了基片集成波导滤波器设计手段和方法。
另一个方面，现代微波通信的迅速发展对滤波器的体积和选择性提出了更高的要求。传统的交叉耦合基片集成波导滤波器通过在谐振腔之间建立交叉耦合路径，N阶滤波器可以产生N-2个传输零点。但日益匮乏的频谱资源及日益苛刻的系统指标，对滤波器的传输零点及选择性要求更高，单纯依靠交叉耦合技术来设计滤波器显然无法满足需求。同时，系统高集成化的发展趋势，也促使传统的平面结构基片集成波导滤波器向多层、三维结构和高密度集成方向发展。实现滤波器高选择性的常用方法是增加滤波器的级数，从而产生更多的传输零点以增加阻带的陡峭度，提高带外选择性，但该方法会导致滤波器体积增大及设计难度增大，同时损耗也会随之变高，直接影响了系统整体的选择性、噪声系数、增益和灵敏度等指标。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种选择性高且损耗低、体积小的多层六边形基片集成波导滤波器。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：该多层六边形基片集成波导滤波器，包括依次层叠设置第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层，所述第一介质基板上设置有贯穿于第一介质基板的第一金属化通孔阵列，所述第一金属化通孔阵列与第一金属层、第二金属层共同围成第一谐振腔和第四谐振腔，所述第一谐振腔与第四谐振腔通过感性耦合窗相互耦合，所述第二介质基板上设置有贯穿于第二介质基板的第二金属化通孔阵列，所述第二金属化通孔阵列与第二金属层、第三金属层共同围成第二谐振腔和第三谐振腔，第一谐振腔与第二谐振腔通过容性耦合圆孔相互耦合，第三谐振腔与第四谐振腔通过感性耦合槽相互耦合，在第一金属层上设置有共面波导输入端与共面波导输出端，所述共面波导输入端与共面波导输出端分别对称的设置在第一谐振腔的外侧与第四谐振腔的外侧，在第二介质基板上设置有“2”字形混合耦合槽，所述“2”字形混合耦合槽位于第二谐振腔与第三谐振腔之间并且所述第二谐振腔与第三谐振腔通过“2”字形混合耦合槽相互耦合。
进一步的是，所述“2”字形混合耦合槽内埋于第二介质基板中央。
进一步的是，所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔均为六边形谐振腔。
进一步的是，所述第一介质基板、第二介质基板为Ferro-A6M陶瓷基片。
本发明的有益效果：该多层六边形基片集成波导滤波器的信号传输过程如下：首先，信号从输入端输入，然后分成两路，一路通过第一谐振腔、第四谐振腔后从输出端输出；另一路信号则依次通过第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔后，从输出端输出，这两路输出信号在谐振频率低端与谐振频率高端均呈现180°相位差，从而在通带两端各形成一个传输零点，通过在第二谐振腔与第三谐振腔之间设置“2”字形混合耦合槽，从而可以增加一个额外传输零点，因此，无需增加过多的滤波器的级数，便可以提高滤波器的带外选择性，且该传输零点位置可以通过调整电耦合和磁耦合系数的大小进行灵活控制，满足不同的使用需求，同时，该“2”字形混合耦合槽位于介质层中央，向空中辐射的电磁能量较少，可最大程度降低来自外界的干扰，实用性更强，此外，由于减少了滤波器的级数，所以多层六边形基片集成波导滤波器的体积小、损耗低，相比于传统的多层六边形基片集成波导滤波器更具优势，而且本发明加工简单，全部利用成熟的多层低温共烧陶瓷工艺，精度高、性能稳定，易于批量生产。
附图说明
图1是本发明多层六边形基片集成波导滤波器的结构示意图；
图2是本发明多层六边形基片集成波导滤波器的第一金属层的结构尺寸图；
图3是本发明多层六边形基片集成波导滤波器的第二金属层的结构尺寸图；
图4是本发明多层六边形基片集成波导滤波器实施例的传输特性图；
图中标记说明：第一金属层1、第一介质基板2、第二金属层3、第二介质基板4、第三金属层5、第一金属化通孔阵列6、第一谐振腔7、第四谐振腔8、感性耦合窗9、第二金属化通孔阵列10、第二谐振腔11、第三谐振腔12、“2”字形混合耦合槽13、容性耦合圆孔14、感性耦合槽15、共面波导输入端16、共面波导输出端17。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
如图1所示，该多层六边形基片集成波导滤波器，包括依次层叠设置第一金属层1、第一介质基板2、第二金属层3、第二介质基板4、第三金属层5，所述第一介质基板2上设置有贯穿于第一介质基板2的第一金属化通孔阵列6，所述第一金属化通孔阵列6与第一金属层1、第二金属层3共同围成第一谐振腔7和第四谐振腔8，所述第一谐振腔7与第四谐振腔8通过感性耦合窗9相互耦合，所述第二介质基板4上设置有贯穿于第二介质基板4的第二金属化通孔阵列10，所述第二金属化通孔阵列10与第二金属层3、第三金属层5共同围成第二谐振腔11和第三谐振腔12，第一谐振腔7与第二谐振腔11通过容性耦合圆孔14相互耦合，第三谐振腔12与第四谐振腔8通过感性耦合槽15相互耦合，在第一金属层1上设置有共面波导输入端16与共面波导输出端17，所述共面波导输入端16与共面波导输出端17分别对称的设置在第一谐振腔7的外侧与第四谐振腔8的外侧，在第二介质基板4上设置有“2”字形混合耦合槽13，所述“2”字形混合耦合槽13位于第二谐振腔11与第三谐振腔12之间并且所述第二谐振腔11与第三谐振腔12通过“2”字形混合耦合槽13相互耦合。该多层六边形基片集成波导滤波器的信号传输过程如下：首先，信号从输入端输入，然后分成两路，一路通过第一谐振腔7、第四谐振腔8后从输出端输出；另一路信号则依次通过第一谐振腔7、第二谐振腔11、第三谐振腔12和第四谐振腔8后，从输出端输出，这两路输出信号在谐振频率低端与谐振频率高端均呈现180°相位差，从而在通带两端各形成一个传输零点，通过在第二谐振腔11与第三谐振腔12之间设置“2”字形混合耦合槽13，从而可以增加一个额外传输零点，因此，无需增加过多的滤波器的级数，便可以提高滤波器的带外选择性，且该传输零点位置可以通过调整电耦合和磁耦合系数的大小进行灵活控制，满足不同的使用需求，同时，由于减少了滤波器的级数，所以多层六边形基片集成波导滤波器的体积小、损耗低，相比于传统的多层六边形基片集成波导滤波器更具优势，而且本发明加工简单，全部利用成熟的多层低温共烧陶瓷工艺，精度高、性能稳定，易于批量生产。
为了减少“2”字形混合耦合槽13向空中辐射的电磁能量，降低受外界影响的程度，使其具有更强的实用性，所述“2”字形混合耦合槽13内埋于第二介质基板4中央。
进一步的是，所述第一谐振腔7、第二谐振腔11、第三谐振腔12、第四谐振腔8均为六边形谐振腔。六边形谐振腔近似圆形腔的谐振特性，比矩形腔具有更高的无载品质因数，因此该滤波器与传统的矩形腔基片集成波导滤波器相比，具有更小的插损，同时兼具矩形腔设计灵活的优点。
实施例
该实施例中多层六边形基片集成波导滤波器的第一介质基板2、第二介质基板4的材料为Ferro-A6M陶瓷基片，相对介电常数εr=5.9，损耗角正切0.0015，烧结后单层厚度为0.096mm。每层介质基板均由四层陶瓷基片构成，第一金属层1、第二金属层3、第三金属层5的材料为金或银，厚度8～12um，通孔填充材料为金或银，通孔直径0.17～0.22mm，孔间距0.45～0.65mm。该多层六边形基片集成波导滤波器的具体结构尺寸标记如图2、图3所示，具体对应参数如下表所示：
| 参数 | W1 | W2 | W3 | W4 | Wi | W14 | W23 |
| 尺寸(mm) | 5.25 | 5.15 | 5.1 | 5.05 | 0.6 | 2.45 | 3.05 |
| 参数 | Wu | Lu | R1 | Wmc | Lmc | W34 | L34 |
| 尺寸(mm) | 1.1 | 3.2 | 1.05 | 1.2 | 1.9 | 0.5 | 1.35 |
多层六边形基片集成波导滤波器的传输特性如图4所示，其中虚线为仿真结果，实线为测试结果。可以看到，本发明所述的多层六边形基片集成波导滤波器的中心频率为10.05GHz，相对带宽6%，最小通带插损为1.98dB，回波损耗大于12.8dB，三个零点位置分别为9.52GHz、10.46GHz、11.45GHz。测试结果表明，该多层六边形基片集成波导滤波器具有优良性能，同时其尺寸仅为21×11×0.8mm3，远小于传统的平面基片集成波导滤波器。
Claims (4)
1.多层六边形基片集成波导滤波器，包括依次层叠设置第一金属层(1)、第一介质基板(2)、第二金属层(3)、第二介质基板(4)、第三金属层(5)，所述第一介质基板(2)上设置有贯穿于第一介质基板(2)的第一金属化通孔阵列(6)，所述第一金属化通孔阵列(6)与第一金属层(1)、第二金属层(3)共同围成第一谐振腔(7)和第四谐振腔(8)，所述第一谐振腔(7)与第四谐振腔(8)通过感性耦合窗(9)相互耦合，所述第二介质基板(4)上设置有贯穿于第二介质基板(4)的第二金属化通孔阵列(10)，所述第二金属化通孔阵列(10)与第二金属层(3)、第三金属层(5)共同围成第二谐振腔(11)和第三谐振腔(12)，第一谐振腔(7)与第二谐振腔(11)通过容性耦合圆孔(14)相互耦合，第三谐振腔(12)与第四谐振腔(8)通过感性耦合槽(15)相互耦合，在第一金属层(1)上设置有共面波导输入端(16)与共面波导输出端(17)，所述共面波导输入端(16)与共面波导输出端(17)分别对称的设置在第一谐振腔(7)的外侧与第四谐振腔(8)的外侧，其特征在于：在第二介质基板(4)上设置有“2”字形混合耦合槽(13)，所述“2”字形混合耦合槽(13)位于第二谐振腔(11)与第三谐振腔(12)之间并且所述第二谐振腔(11)与第三谐振腔(12)通过“2”字形混合耦合槽(13)相互耦合。
2.如权利要求1所述的多层六边形基片集成波导滤波器，其特征在于：所述“2”字形混合耦合槽(13)内埋于第二介质基板(4)中央。
3.如权利要求1或2所述的多层六边形基片集成波导滤波器，其特征在于：所述第一谐振腔(7)、第二谐振腔(11)、第三谐振腔(12)、第四谐振腔(8)均为六边形谐振腔。
4.如权利要求3所述的多层六边形基片集成波导滤波器，其特征在于：所述第一介质基板(2)、第二介质基板(4)为Ferro-A6M陶瓷基片。
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