CN103956542A - 一种采用u型槽线的宽带基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基板、设置在介质基板正面和反面的两层金属贴片以及上下两排金属通孔，所述两层金属贴片构成基片集成波导的上下壁，所述上下两排金属通孔构成基片集成波导的左右壁，所述介质基板正面的金属贴片上刻蚀有U型槽线，所述刻蚀U型槽线的基片集成波导形成多模谐振器。本发明的宽带基片集成波导滤波器利用刻蚀的U型槽线，使基片集成波导形成多模谐振器，消除了在基片集成波导上面刻蚀周期性EBG结构的复杂性，能够满足小型化宽带通信系统要求，既克服了传统微带宽带滤波器损耗大的缺陷，又解决了利用金属波导造价昂贵的问题，有良好的应用前景。

Description

一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及一种宽带基片集成波导滤波器，尤其是一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，属于无线通讯领域。

背景技术

无线通讯技术在现实社会生活中发挥着越来越重要的作用，作为无线通讯领域的重要组成不跟，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，但是这种滤波器的损耗大，特别在高频的时候会产生很大的能量辐射。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(SubstrateIntegrated Waveguide，简称SIW)的毫米波滤波器受到很高的重视，它可以实现体积小，成本低的高性能带通滤波器。它是一种新型波导，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。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

1)2005年，祝雷等人在IEEE Microwave and Wireless Components Letters上发表题为“Ultra-wideband(UWB)bandpass filters using multiple-mode resonator”的文章中，作者提出了一种采用阶跃阻抗线的多模谐振器，结构如图1a所示，这种结构若干个谐振模式平移到所需要的通带中，实现了一个超宽带滤波器；图1b是它的仿真结果。

2)以多模谐振器技术为基础，为了提高超宽带通带滤波器的带外抑制水平，研究者们提出了进一步改进方案。2009年，Wong Sai Wai等人在IEEE Microwave andWireless Components Letters上发表题为“Quadruple-mode UWB bandpass filter withimproved out-of-band rejection”的文章中，提出了多模谐振器中引入两个短路枝节线，使第四个谐振模式向频率低端移动，与前三个谐振模式一起构成四模式UWB滤波器，并且分别在较低和较高的截止频率处产生一个传输零点，从而在通带之外产生较高的带外抑制，该四模超宽带滤波器结构如图2a所示，其测量和仿真的频率响应结果如图2b所示。

3)上述两种宽带滤波器是在微带线上进行设计的，相对带宽很宽，但是它们有一个共同的缺陷是损耗比较大。2005年，郝张成等人在IEEE Transaction on MicrowaveTheory and Techniques上发表题为“Compact Super-Wide Bandpass Substrate IntegratedWaveguide(SIW)Filters”提出了在基片集成波导上刻蚀出electromagnetic bandgap(EBG)结构，如图3a和图3b所示。仿真结果如图3c所示，相对带宽接近65％，损耗较小，不过这种结构比较复杂，不易于设计和加工。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种具有多模谐振器，且能够满足小型化宽带通信系统要求的采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基板、设置在介质基板正面和反面的两层金属贴片以及上下两排金属通孔，所述两层金属贴片构成基片集成波导的上下壁，所述上下两排金属通孔依次贯穿介质基板正面的金属贴片、介质基板以及介质基板反面的金属贴片，构成基片集成波导的左右壁，其特征在于：所述介质基板正面的金属贴片上刻蚀有U型槽线，所述刻蚀U型槽线的基片集成波导形成多模谐振器。

作为一种优选方案，所述U型槽线有一条，该U型槽线设置在介质基板正面的金属贴片中心处。

作为一种优选方案，所述U型槽线有两条，所述两条U型槽线上下对称构成一个槽线单元，该槽线单元设置在介质基板正面的金属贴片中心处，其中位于上方的U型槽线两边朝下，位于下方的U型槽线两边朝上。

作为一种优选方案，所述槽线单元与上排金属通孔之间还设有第一金属通孔，所述槽线单元与下排金属通孔之间还设有第二金属通孔；所述第一金属通孔与第二金属通孔上下对称，并依次贯穿介质基板正面的金属贴片、介质基板以及介质基板反面的金属贴片。

作为一种优选方案，所述U型槽线有四条，每两条U型槽线上下对称构成一个槽线单元，其中位于上方的U型槽线两边朝下，位于下方的U型槽线两边朝上；所述两个槽线单元分别为第一槽线单元和第二槽线单元，所述第一槽线单元和第二槽线单元左右对称设置在介质基板正面的金属贴片上。

作为一种优选方案，所述第一槽线单元与上排金属通孔之间还设有第一金属通孔，所述第一槽线单元与下排金属通孔之间还设有第二金属通孔；所述第二槽线单元与上排金属通孔之间还设有第三金属通孔，所述第二槽线单元与下排金属通孔之间还设有第四金属通孔；所述第一金属通孔与第二金属通孔上下对称，所述第三金属通孔与第四金属通孔上下对称，所述第一金属通孔与第三金属通孔左右对称，所述第二金属通孔与第四金属通孔左右对称，所述第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔和第四金属通孔依次贯穿介质基板正面的金属贴片、介质基板以及介质基板反面的金属贴片。

作为一种优选方案，所述上排金属通孔设置在靠近两层金属贴片的上边缘处，所述下排金属通孔设置在靠近两层金属贴片的下边缘处。

作为一种优选方案，所述介质基板正面的金属贴片左右两端分别设有输出端口和输入端口。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的宽带基片集成波导滤波器利用刻蚀的U型槽线，使基片集成波导形成多模谐振器，消除了在基片集成波导上面刻蚀周期性EBG结构的复杂性，可以广泛应用于宽带通信系统。

2、本发明的宽带基片集成波导滤波器的体积比起传统介质集成波导体积有很大的优势，比如在同等5阶的滤波器的比较，本发明的电路体积小了2.5倍。

3、本发明的宽带基片集成波导滤波器具有体积小、制作简单的优点，能够满足小型化宽带通信系统要求，既克服了传统微带宽带滤波器损耗大的缺陷，又解决了利用金属波导造价昂贵的问题，有良好的应用前景。

附图说明

图1a为第一种现有技术的结构示意图。

图1b为第一种现有技术的仿真结果图。

图2a为第二种现有技术的结构示意图。

图2b为第二种现有技术的测量和仿真的频率响应结果图。

图3a为第三种现有技术的正面结构示意图。

图3b为第三种现有技术的反面结构示意图。

图3c为第三种现有技术的仿真结果图。

图4为本发明实施例1宽带基片集成波导滤波器的正面结构示意图。

图5为本发明实施例1宽带基片集成波导滤波器的模式分布图。

图6为本发明实施例1宽带基片集成波导滤波器在强耦合和弱耦合情况下的仿真结果图。

图7为本发明实施例2宽带基片集成波导滤波器的正面结构示意图。

图8为本发明实施例2宽带基片集成波导滤波器的模式分布图。

图9为本发明实施例2宽带基片集成波导滤波器在强耦合和弱耦合情况下的仿真结果图。

图10为本发明实施例3宽带基片集成波导滤波器的正面结构示意图。

图11为本发明实施例3宽带基片集成波导滤波器的仿真结果图。

图12为本发明实施例4宽带基片集成波导滤波器的正面结构示意图。

图13为本发明实施例4宽带基片集成波导滤波器的模式分布图。

图14为本发明实施例4宽带基片集成波导滤波器在强耦合和弱耦合情况下的仿真结果图。

图15为本发明实施例4宽带基片集成波导滤波器的仿真与测量结果曲线图。

图16为本发明实施例4宽带基片集成波导滤波器的群延时曲线图。

其中，1-介质基板，2-正面的金属贴片，3-上排金属通孔，4-下排金属通孔，5-输出端口，6-输入端口，7-U型槽线，8-第一金属通孔，9-第二金属通孔，10-第一槽线单元，11-第二槽线单元，12-第三金属通孔，13-第四金属通孔。

具体实施方式

实施例1：

如图4所示，本实施例的宽带基片集成波导滤波器包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基板1、设置在介质基板1正面和反面的两层金属贴片(正面的金属贴片标示2，反面的金属贴片图中未示，实施例2～4相同)以及上下两排金属通孔，所述两层金属贴片构成基片集成波导的上下壁；所述上下两排金属通孔依次贯穿介质基板1正面的金属贴片2、介质基板1以及介质基板1反面的金属贴片，两排金属通孔相当于电壁，构成基片集成波导的左右壁，其中所述上排金属通孔3设置在靠近两层金属贴片2的上边缘处，所述下排金属通孔4设置在靠近两层金属贴片2的下边缘处；所述介质基板1正面的金属贴片2左右两端分别设有输出端口5和输入端口6，中心处刻蚀有一条U型槽线7，刻蚀该U型槽线7的基片集成波导(SIW波导)形成多模谐振器，图中a是用来确定SIW波导的截止频率，h是用来确定零点的位置，分别如下式(1)和(2)所示：

$f_{\mathrm{cutoff}}=\frac{c}{2a\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}}---\left(1\right)$

$f_{\mathrm{zero}}=\frac{c}{4h\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}}---\left(2\right)$

然后分析本实施例的滤波器的谐振模式分布图，如图5所示，其中f₁～f₅分别为第一～第五个谐振模式的频率，f_z为零点频率。由图5可以看出，第一～第三个谐振模式靠的比较近，这可以形成一个通带，但随着h的增大，零点平移到低于第三个谐振模式的频率，导致带宽变窄；而图6是h=4.5mm时，滤波器分别在强、弱耦合的情况下的仿真结果(|S₁₁|是输入端口的回波损耗，|S₂₁|是输入端口到输出端口的正向传输系数)，其中实线是强耦合的仿真结果，虚线是弱耦合的仿真结果，仿真第一～第三个谐振模式形成通带，第四、第五个谐振模式是寄生模式，导致带外变差，需要抑制掉。

实施例2：

如图7所示，本实施例的宽带基片集成波导滤波器主要特点是：在实施例1的滤波器结构基础上进行改进，增加一条U型槽线，即所述介质基板1正面的金属贴片2上刻蚀有两条U型槽线7，所述两条U型槽线7上下对称构成一个槽线单元，该槽线单元设置在介质基板1正面的金属贴片2中心处，其中位于上方的U型槽线7两边朝下(即为倒U型)，位于下方的U型槽线7两边朝上，刻蚀该槽线单元的基片集成波导同样形成多模谐振器，它的截止频率通过公式(1)求得，而传输零点则通过下式(3)求得：

$f_{\mathrm{zero}}=\frac{c}{2(2h+g)\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_{\mathrm{re}}}}---\left(3\right)$

本实施例的滤波器的谐振模式分布图，如图8所示，其中f₁～f₄分别为第一～第四个谐振模式的频率，f_z为零点频率。从图8中可以看出，第一～第三个谐振模式可以形成一个通带，在靠近通带只有一个寄生模式，能更容易找到方法去改善带外抑制特性；而图9是h=2.75mm时，滤波器分别在强、弱耦合的情况下的仿真结果，实线是强耦合的仿真结果，虚线是弱耦合的仿真结果，依然能形成一个通带，带外有一个传输零点，靠近通带只有一个寄生模式。

实施例3：

如图10所示，本实施例的主要特点是：在实施例2的滤波器结构基础上进行改进，增加两个金属通孔，即所述槽线单元与上排金属通孔3之间还设有第一金属通孔8，所述槽线单元与下排金属通孔4之间还设有第二金属通孔9，所述第一金属通孔8与第二金属通孔9上下对称，并依次贯穿介质基板1正面的金属贴片2、介质基板1以及介质基板1反面的金属贴片。如图11所示的仿真结果，带内回波损耗和带外抑制都得到了一定的改善。

实施例4：

如图12所示，本实施例的主要特点是：由于上述实施例1～3的滤波器的|S21|参数都不是很好(从各个仿真曲线的纵坐标可以看出)，因此在实施例3的滤波器结构基础上进行改进，增加两条U型槽线和两个金属通孔，即所述U型槽线7有四条，每两条U型槽线7上下对称构成一个槽线单元，其中位于上方的U型槽线7两边朝下，位于下方的U型槽线7两边朝上；所述两个槽线单元分别为第一槽线单元10和第二槽线单元11，所述第一槽线单元10和第二槽线单元11左右对称设置在金属贴片2上；所述第一槽线单元10与上排金属通孔3之间还设有第一金属通孔8，所述第一槽线单元10与下排金属通孔4之间还设有第二金属通孔9；所述第二槽线单元11与上排金属通孔3之间还设有第三金属通孔12，所述第二槽线单元11与下排金属通孔4之间还设有第四金属通孔13；所述第一金属通孔8与第二金属通孔9上下对称，第三金属通孔12与第四金属通孔13上下对称，所述第一金属通孔8与第三金属通孔12左右对称，所述第二金属通孔9与第四金属通孔13左右对称；所述第一金属通孔8、第二金属通孔9、第三金属通孔12和第四金属通孔13依次贯穿介质基板1正面的金属贴片2、介质基板1以及介质基板1反面的金属贴片；刻蚀第一槽线单元10和第二槽线单元11的基片集成波导同样形成多模谐振器。

继续用谐振模式分布图来进行分析，如图13所示，其中f₁～f₆分别为第一～第六个谐振模式的频率，f_z为零点频率。从图13中可以看出第一～第五个模式可以形成一个通带，带外有一个传输零点，而靠近通带的寄生模式被传输零点抑制掉，大大地改善带外特性，同时整个滤波器的|S21|参数也变好了；而仿真结果如图14所示，实线是强耦合的仿真结果，虚线是弱耦合的仿真结果，第一～第五个模式形成一个通带，第一个寄生模式被抑制到-30dB以下。

为了验证实施例4的滤波器结构的正确性，按下表1的尺寸设计出这个滤波器，它的仿真和测量结果曲线如图15所示，虚线是仿真结果，实线是测量结果，可以看到带内回波损耗的测量结果比仿真结果略微差一些，但都在11dB以下，测量结果与仿真结果具有很好的吻合性；如图16所示，是该滤波器的群延时(指信号波形包络的时延，反映的是一个器件对带内每个频点信号相位的影响)，在通带范围内(也就是6.75GHz至10.35GHz)的群延时具有很好的平坦性，它的相对带宽有42％(中心频率8.5GHz)。

表1滤波器尺寸

综上所述，本发明的滤波器利用刻蚀的U型槽线，使基片集成波导形成多模谐振器，消除了在基片集成波导上面刻蚀周期性EBG结构的复杂性，同时具有体积小、制作简单的优点，能够满足小型化宽带通信系统要求，既克服了传统微带宽带滤波器损耗大的缺陷，又解决了利用金属波导造价昂贵的问题，有良好的应用前景。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (8)

1.一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基板、设置在介质基板正面和反面的两层金属贴片以及上下两排金属通孔，所述两层金属贴片构成基片集成波导的上下壁，所述上下两排金属通孔依次贯穿介质基板正面的金属贴片、介质基板以及介质基板反面的金属贴片，构成基片集成波导的左右壁，其特征在于：所述介质基板正面的金属贴片上刻蚀有U型槽线，所述刻蚀U型槽线的基片集成波导形成多模谐振器。

2.根据权利要求1所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述U型槽线有一条，该U型槽线设置在介质基板正面的金属贴片中心处。

3.根据权利要求1所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述U型槽线有两条，所述两条U型槽线上下对称构成一个槽线单元，该槽线单元设置在介质基板正面的金属贴片中心处，其中位于上方的U型槽线两边朝下，位于下方的U型槽线两边朝上。

4.根据权利要求3所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述槽线单元与上排金属通孔之间还设有第一金属通孔，所述槽线单元与下排金属通孔之间还设有第二金属通孔；所述第一金属通孔与第二金属通孔上下对称，并依次贯穿介质基板正面的金属贴片、介质基板以及介质基板反面的金属贴片。

5.根据权利要求1所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述U型槽线有四条，每两条U型槽线上下对称构成一个槽线单元，其中位于上方的U型槽线两边朝下，位于下方的U型槽线两边朝上；所述两个槽线单元分别为第一槽线单元和第二槽线单元，所述第一槽线单元和第二槽线单元左右对称设置在介质基板正面的金属贴片上。

6.根据权利要求5所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述第一槽线单元与上排金属通孔之间还设有第一金属通孔，所述第一槽线单元与下排金属通孔之间还设有第二金属通孔；所述第二槽线单元与上排金属通孔之间还设有第三金属通孔，所述第二槽线单元与下排金属通孔之间还设有第四金属通孔；所述第一金属通孔与第二金属通孔上下对称，所述第三金属通孔与第四金属通孔上下对称，所述第一金属通孔与第三金属通孔左右对称，所述第二金属通孔与第四金属通孔左右对称，所述第一金属通孔、第二金属通孔、第三金属通孔和第四金属通孔依次贯穿介质基板正面的金属贴片、介质基板以及介质基板反面的金属贴片。

7.根据权利要求2-6任一项所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述上排金属通孔设置在靠近两层金属贴片的上边缘处，所述下排金属通孔设置在靠近两层金属贴片的下边缘处。

8.根据权利要求2-6任一项所述的一种采用U型槽线的宽带基片集成波导滤波器，其特征在于：所述介质基板正面的金属贴片左右两端分别设有输出端口和输入端口。