CN103682534A - 一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器 - Google Patents

Abstract

一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，在介质基片的两侧各打一排金属化通孔，电磁波被限制在介质基片的上下两个金属面和两排金属化通孔之间的区域传播，形成了介质波导传输线；在形成的介质波导传输线上沿垂直于水平中心线打两对左右对称的金属化通孔，将介质波导传输线分割成三个部分，这三个部分则为介质波导谐振腔，而这两对左右对称的金属化通孔构成磁耦合结构；在输入输出微带线到上述的介质波导传输线的上层金属面加载双L型过渡结构完成微带线到介质波导的过渡，同时与上述双L型过渡结构相邻的介质波导谐振腔下层金属面加载缺陷地结构。本发明达到低插损，高带外抑制优点，可用于射频前端、镜像抑制、杂散抑制等领域。

Description

一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器

技术领域

本发明涉及一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，属于微波工程领域，是一种微波无源器件。

背景技术

集成介质波导滤波器是一种较为新颖的微带平面滤波器，它利用微带线打金属化通孔构成平面波导结构，通过波导谐振腔间电磁耦合或者波导本身的高通特性来实现滤波器的实现。它继承了波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了微带的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点。

缺陷接地结构是通过在微波电路的接地金属平面上人为地蚀刻出周期性或非周期性的小孔来改变接地电流的分布，从而改变传输线的频率特性，使得某些频率的电磁波无法在其中传输，在频谱上形成带隙。该结构由于设计方便，常常用于滤波器的设计中。

目前，针对缺陷地结构加载的集成介质波导滤波器的文献与专利主要是利用集成介质波导本身的高通特点，在一段集成介质波导传输线金属地上加载缺陷地结构（图1）。该滤波器基板正面的两排金属化通孔之间（11）代表了普通的集成介质波导传输线，该传输线的横截面积决定了高通的截止频率，滤波器基板背面（虚线部分）（12A）（12B）为一种缺陷地结构，该结构采用的是电容加载型的慢波形式，其本身产生谐振并与主传输线的耦合产生陷波点，完成带阻抑制，从而达到了带通滤波器的设计。由于缺陷地结构本身在特定频点范围处具有带阻特性，通过设计可将其带阻频段设置到高频部分，故组成了一种低通滤波器加高通滤波器，整体组合为带通滤波器的形式。这种滤波器设计方便易行，在实际操作中，只需根据低端所需抑制频率来推算出集成介质波导的尺寸，再根据高端所需抑制频率来推算出缺陷地结构的谐振频段，就可实现功能。但此种滤波器的带外抑制度则不高，其低端抑制主要靠集成介质波导的模式传播特性来保证，而根据理论计算其主模模式抑制度只由介质的介电常数有关，所以在选定基材后，其低端抑制度便以确定，只能通过调节集成介质波导的横截面选择不同的截止频率，而抑制度则不能通过设计控制；其高端抑制主要靠缺陷地结构来保证，通过缺陷地结构的谐振性形成阻带，而其抑制度只由加载的缺陷地结构的有载Q值决定，一旦所需阻带的带宽确定，则抑制度也就确定，这样使得高端抑制也变得不可调节。

为了弥补上面所述滤波器的带外抑制的不足，就产生了基于电磁耦合的集成介质波导滤波器，请参考张玉林、洪伟等，“一种新型基片集成波导腔体滤波器的设计与实现”，微波学报，第21卷增刊，2005年4月，138-141页（图2）。该滤波器将左边波导谐振腔（21A）和右边波导谐振腔（21B）通过电磁耦合（22）组合起来，输入输出用微带到介质集成波导的抽头过渡（23A）（23B）来实现，附图2为此种滤波器的基本形式，左边波导谐振腔（21A）和右边波导谐振腔（21B），其体积大小决定了滤波器的中心频率；两个介质波导谐振腔间的磁耦合孔形式（22），孔间距决定了耦合能力的大小，决定了滤波器的整个带宽；输入输出的抽头过渡形式（23A）（23B），决定了滤波器带内平坦度和驻波。该滤波器（图2）比较上面的缺陷地结构加载集成介质波导传输线结构的滤波器（图1），带外抑制更佳且可通过设计调节。但该结构滤波器的缺点是高端带外抑制还不是很高，尤其在收发抑制、镜像抑制滤波器的应用中，对于高端的抑制受到波导高次模影响达不到设计要求，使得集成介质波导滤波器的使用受限。

发明内容

本发明技术解决问题：克服上述两种滤波器的缺点，提供一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，达到低插损，高带外抑制的优点，可用于射频前端、镜像抑制、杂散抑制等领域。

本发明技术解决方案：一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：在介质基片的两侧各打一排金属化通孔（1），电磁波被限制在介质基片的上下两个金属面和两排金属化通孔之间的区域传播，形成了介质波导传输线；在形成的介质波导传输线上沿垂直于水平中心线打两对左右对称的金属化通孔（2），将介质波导传输线分割成三个部分，这三个部分则为介质波导谐振腔（3），而这两对左右对称的金属化通孔（2）构成磁耦合结构；在输入输出微带线（6）到上述的介质波导传输线的上层金属面加载双L型过渡结构（4）完成微带线到介质波导的过渡，同时与上述双L型过渡结构（4）相邻的介质波导谐振腔（3）下层金属面加载缺陷地结构（5）。

所述滤波器的两侧各打的一排金属化通孔（1）的孔直径小于五分之一波导波长，每个孔之间的间隔要小于两倍的孔直径长度。

所述介质波导谐振腔（3）采用的磁耦合形式，通过两对左右对称的金属化通孔（2）的位置和数量来调节其性能，即通过改变左右对称的金属化通孔（2）的上下位置或改变左右对称的金属化通孔（2）的数量。

所述双L型过渡结构（4）为在介质基片的上层面刻蚀出L型金属空缺，且L型金属空缺的长度即L型水平和垂直刻蚀出的条带长度之和为四分之一波导波长。

所述缺陷地结构（5）为在介质基片的下金属面上刻蚀出一个图案，该图案包括介质基片的下金属面的外围地（34）、左右对称的传输过渡结构（31A、31B）、上下对称的高阻枝节（33A、33B）、并联形式低阻枝节（32A、32B）；在左右对称的传输过渡结构（31A、31B）上沿该缺陷地的垂直中心线（41）处上下垂直伸出两支对称高阻枝节（33A、33B），上下对称的高阻枝节（33A、33B）的末端水平伸出两支并联形式低阻枝节（32A、32B），整个缺陷地结构（5）沿结构的水平条带中心线（42）呈上下对称的结构，整个缺陷地结构（5）镶嵌在介质基片的下金属面上即该缺陷地结构（5）的外围地（34）上。

所述并联形式低阻枝节（32A）的右半边长度（43）加高阻枝节（33A）的长度（44）之和为所需谐振频率的四分之一波长，并联形式低阻枝节（32A）的左半边长度（45）加高阻枝节（33A）的长度（44）之和同样为所需谐振频率的四分之一波长，且上述两个长度之和可以不一致，此结构具有多个四分之一波长谐振点的宽带效应，同时和高低阻抗（32）（33）相互作用能够有效增大谐振带宽，且该单元谐振点在设计时方便可调。

所述的并联形式低阻枝节（32A、32B）和介质基片的下金属面即外围金属地（34）之间形成电容慢波效应，调节外围地（34）和并联形式低阻枝节（32A、32B）之间的距离来缩小并联形式低阻枝节（32A、32B）的长度和宽带。

本发明的优越性在于：

（1）本发明的缺陷地加载磁耦合介质波导滤波器将缺陷地和磁耦合介质波导滤波器结合起来，通过改变缺陷地结构中高阻和低阻条带的长度，可将其谐振频率调节到需要产生抑制的频点处，加载在磁耦合的介质波导滤波器上就产生了对应其谐振频率的阻带效应。普通磁耦合介质波导滤波器的高端抑制由于波导高次模式的影响会恶化，而若将加载的缺陷地结构的谐振频率调谐到磁耦合介质波导滤波器的阻带高端，则该滤波器的高端抑制度由缺陷地结构的带来的阻带和磁耦合介质波导滤波器的高端抑制共同叠加而成，故对比普通缺陷地结构加载介质波导传输线构成的滤波器（图1）和普通谐振腔电磁耦合介质波导滤波器（图2），其具有同节数同体积的介质波导滤波器中较好的带外抑制度，扩大了其应用领域。

（2）本发明提出新颖的缺陷地结构，具有多四分之一谐振波长即多点谐振和高低阻抗拓展带宽的效果，同时上下沿结构的水平条带中心线（42）对称，以提高谐振能力，设计时方便优化调节，改善了缺陷地结构的阻带抑制。

（3）本发明缺陷地结构上下两端左右突出的低阻条带（32A、32B）和外围金属地（34）之间形成电容慢波效应，可以有效压缩低阻条带的长度，使得结构更加紧凑。

附图说明

图1为现有普通缺陷地结构加载集成介质波导传输线滤波器示意图；

图2为现有普通谐振腔电磁耦合介质波导滤波器示意图；

图3为本发明所涉及的加载缺陷地结构的磁耦合介质波导滤波器正面示意图；

图4为本发明所涉及的加载缺陷地结构的磁耦合介质波导滤波器底面示意图；

图5为本发明的陷地结构结构示意图；

图6为本发明的陷地结构尺寸示意图；

图7为本发明所涉及的加载缺陷地结构的磁耦合介质波导滤波器频谱特性。

具体实施方式

如图3、4所示，本发明提出的一种加载缺陷地结构的磁耦合介质波导滤波器是在介质基片的两侧各打一排金属化通孔1，金属化通孔1的直径小于五分之一波导波长，孔之间的间隔要小于两倍的孔直径长度，电磁波被限制在基片的上下两个金属面和两列金属通孔之问的区域传播，形成了介质波导传输线。在形成的介质波导传输线上沿垂直于水平中心线打两对左右对称的金属化通孔2，将介质波导传输线分割成三个部分，这三个部分则为介质波导谐振腔3，而这两对左右对称的金属化通孔2构成磁耦合结构。这里通过两对金属化通孔2的位置和数量来调节其磁耦合度，当需要宽带对应较大耦合度时，对应的金属化通孔的间距要变大，金属化通孔的数量要变少。介质波导谐振腔3的体积则解决了滤波器的中心频率，其体积越大则中心频率越低。在输入输出微带线6到上述的介质波导传输线的上层金属面加载双L型过渡结构4完成微带线到介质波导的过渡。双L型过渡结构4为在上层金属面刻蚀出的L型金属空缺，且L型过渡长度即L型水平和垂直刻蚀出的条带长度之和约为四分之一波导波长，具体长度值需要根据输入输出端口的有载3dBQ值来确定。与上述过渡结构相邻的介质波导谐振腔3下层金属面则加载缺陷地结构5，构成了加载缺陷地结构的介质波导滤波器。其中两缺陷地结构5依次平行对称排列，排列时整体沿滤波器中心轴线。

本发明提出的一种缺陷地结构，采用多四分之一谐振波长即多点谐振和高低阻抗结合的形式拓展阻带带宽，利用低阻线和下金属面即外围地产生慢波谐振形式减小相应体积。本发明提出的一种缺陷地结构图5，其特征是在于该图案包括介质基片的下金属面的外围地34、左右对称的传输过渡结构31A、31B、上下对称的高阻枝节33A、33B、并联形式低阻枝节32A、32B；在左右对称的传输过渡结构31A、31B上沿该缺陷地的垂直中心线41处上下垂直伸出两支对称高阻枝节33A、33B，上下对称的高阻枝节33A、33B的末端水平伸出两支并联形式低阻枝节32A、32B，整个缺陷地结构5沿结构的水平条带中心线42呈上下对称的结构，整个缺陷地结构5镶嵌在介质基片的下金属面上即该缺陷地结构5的外围地34上。并联形式低阻枝节32A的右半边长度43加高阻枝节33A的长度44之和为所需谐振频率的四分之一波长，并联形式低阻枝节32A的左半边长度45加高阻枝节33A的长度44之和同样为所需谐振频率的四分之一波长，且上述两个长度之和可以不一致，此结构具有多个四分之一波长谐振点的宽带效应，同时和高低阻抗32A、32B、33A、33B相互作用能够有效增大谐振带宽，且该单元谐振点在设计时方便可调。一般高低阻抗需要满足高阻为低阻的二倍关系。同时所述的并联形式低阻枝节32A、32B和介质基片的下金属面即外围金属地34之间形成电容慢波效应，调节外围地34和并联形式低阻枝节32A、32B之间的距离来缩小并联形式低阻枝节32A、32B的长度和宽带。当低阻条带32A、32B和金属外围地34距离越近，其带来的电容加载效应越明显，则低阻条带的对应长度尺寸就越小，使得电路结构更加紧凑。

本发明提出的一种加载缺陷地结构的介质波导滤波器，其自身就为磁耦合结构的介质波导滤波器，故带外的抑制已经达到一定的程度，但由于介质波导结构的高次模式影响，高端抑制度会恶化。而加载上述缺陷地结构，缺陷地结构5通过改变高阻和低阻条带的长度，可将其谐振频率调节到需要产生高端抑制的频点处，这样加载在磁耦合的介质波导滤波器上就产生了对应其谐振频率的阻带效应。此种滤波器成功结合了普通缺陷地结构加载集成介质波导传输线滤波器和普通谐振腔磁耦合介质波导滤波器的特点，在保证输入输出抽头有载Q值要求的情况下，提高了滤波器带外抑制度。由于其是在谐振腔磁耦合介质波导滤波器的抑制度基础上又加上了缺陷地结构带来的抑制度，尤其是高端抑制度，所以其解决了普通介质波导滤波器普遍的高端带外抑制由于波导高次模式影响而不足的问题。将缺陷地结构的谐振陷波点设置为滤波器阻带的高端，则会使抑制度得到优化，从而克服了原有滤波器高端带外抑制不高的缺点。本发明提出的一种加载缺陷地结构的介质波导滤波器的频谱特性如图7所示，71为滤波器频率响应S11曲线，72为滤波器频率响应S21曲线，其在高端的带外抑制度可以达到大于80dBc，满足了应用的要求。

Claims (7)

1.一种缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：在介质基片的两侧各打一排金属化通孔（1），电磁波被限制在介质基片的上下两个金属面和两排金属化通孔之间的区域传播，形成了介质波导传输线；在形成的介质波导传输线上沿垂直于水平中心线打两对左右对称的金属化通孔（2），将介质波导传输线分割成三个部分，这三个部分则为介质波导谐振腔（3），而这两对左右对称的金属化通孔（2）构成磁耦合结构；在输入输出微带线（6）到上述的介质波导传输线的上层金属面加载双L型过渡结构（4）完成微带线到介质波导的过渡，同时与上述双L型过渡结构（4）相邻的介质波导谐振腔（3）下层金属面加载缺陷地结构（5）。

2.根据权利要求1所述的缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：所述两侧各打的一排金属化通孔（1）的孔直径小于五分之一波导波长，每个孔之间的间隔要小于两倍的孔直径长度。

3.根据权利要求1所述缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：所述介质波导谐振腔（3）采用的磁耦合形式，通过两对左右对称的金属化通孔（2）的位置和数量来调节其性能，即通过改变左右对称的金属化通孔（2）的上下位置或改变左右对称的金属化通孔（2）的数量。

4.根据权利要求1所述的缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：所述双L型过渡结构（4）为在介质基片的上层面刻蚀出L型金属空缺，且L型金属空缺的长度即L型水平和垂直刻蚀出的条带长度之和为四分之一波导波长。

5.根据权利要求1所述的缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：所述缺陷地结构（5）在介质基片的下金属面上刻蚀出一个图案，该图案包括介质基片的下金属面的外围地（34）、左右对称的传输过渡结构（31A、31B）、上下对称的高阻枝节（33A、33B）、并联形式低阻枝节（32A、32B）；在左右对称的传输过渡结构（31A、31B）上沿该缺陷地的垂直中心线（41）处上下垂直伸出两支对称高阻枝节（33A、33B），上下对称的高阻枝节（33A、33B）的末端水平伸出两支并联形式低阻枝节（32A、32B），整个缺陷地结构（5）沿结构的水平条带中心线（42）呈上下对称的结构，整个缺陷地结构（5）镶嵌在介质基片的下金属面上即该缺陷地结构（5）的外围地（34）上。

6.根据权利要求5所述的缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：所述并联形式低阻枝节（32A）的右半边长度（43）加高阻枝节（33A）的长度（44）之和为所需谐振频率的四分之一波长，并联形式低阻枝节（32A）的左半边长度（45）加高阻枝节（33A）的长度（44）之和同样为所需谐振频率的四分之一波长，且上述两个长度之和可以不一致，此结构具有多个四分之一波长谐振点的宽带效应，同时和高低阻抗（32）（33）相互作用能够有效增大谐振带宽，且该单元谐振点在设计时方便可调。

7.根据权利要求5所述的缺陷地加载磁耦合结构的介质波导滤波器，其特征在于：所述的并联形式低阻枝节（32A、32B）和介质基片的下金属面即外围金属地（34）之间形成电容慢波效应，调节外围地（34）和并联形式低阻枝节（32A、32B）之间的距离来缩小并联形式低阻枝节（32A、32B）的长度和宽带。

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