CN104167578B

CN104167578B - 基片集成波导带通滤波器

Info

Publication number: CN104167578B
Application number: CN201410382335.4A
Authority: CN
Inventors: 夏雷; 胡亮; 唐亦尘; 延波; 徐锐敏
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2014-08-06
Filing date: 2014-08-06
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-08-06
Also published as: CN104167578A

Abstract

本发明公开了一种基片集成波导带通滤波器。其包括从上到下层叠排列的第一金属层、介质层和第二金属层；上述第一金属层包括第一传输线主线、第二传输主线、第一渐变过渡线、第二渐变过渡线和第一金属板，上述第一金属板包括第一条形开孔、第二条形开孔、第三条形开孔、第四条形开孔、第五条形开孔、第一圆形开孔和第二圆形开孔；上述介质层包括介质基板、第一金属化通孔、第二金属化通孔、第一金属化槽、第二金属化槽、第三金属化槽、第四金属化槽和第五金属化槽，上述第二金属层包括虚拟金属板。本发明的有益效果是：减小了辐射造成的插入损耗，避免了加工工艺限制，使得基片集成滤波器能够应用于高频段滤波。

Description

基片集成波导带通滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波无源器件技术领域，尤其涉及一种基片集成波导带通滤波器。

背景技术

目前，常用的允许特定频段的信号通过同时屏蔽其它频段信号的滤波器主要包括：微带线型，波导型和集总电容电感元件型三种。微带线型，波导型和集总元件型的基本构成包括传输线主线，连接在传输线主线的若干个谐振单元和连接谐振单元的耦合单元。当传输线主线上传输的能量通过一个耦合单元耦合到一个谐振单元时，与该谐振单元谐振频率相同的频率在谐振腔内谐振，同时通过下一个耦合单元进入下一个谐振单元，最后依次通过各个谐振单元通过传输主线输出信号，其它频率的信号则全部反射而不会进入谐振单元，所以其它频率的信号不会通过滤波器。通过调整谐振单元的谐振频率、耦合单元的耦合大小，从而得到所需要的能够选择特定频率信号的滤波器。对于微带线型，由于所有单元均位于同一空间层，因此其体积小，但是由于谐振单元的Q值较低，不便于实现较小的插入损耗。对于波导型，由于腔体谐振单元的Q值较高，且结构较微带线简单，所以插入损耗较小。但波导部件体积较微带线大，重量大，会占用较大空间，不便于和其他微带线路集成在一起。对于集总电感电容电路，电容电感元件由于频率较高时分布参数较大，所以不能用于高频率滤波。基片集成波导是近年来提出的可以集成于介质基片中的具有低损耗低辐射等特性的新的导波结构，是一种新的微波传输线形式，其利用金属过孔在介质基片上实现波导的场传播模式。它由金属过孔和介质板上下两层金属构成与金属波导相似的能够传播场的导波结构。它可以很好的实现有源和无源电路的集成，便于与其他电路集成连接。高频应用中，由于波长过小，过于高的容差要求常常使微带线失效。波导就常用于高频情况，但是波导体积大，不易于集成。所以产生了一种新的观点：基片集成波导SIW。SIW是介于微带与介质填充波导之间的一种传输线。SIW兼顾传统波导和微带传输线的优点，可实现高性能微波毫米波平面电路由于其具有和金属波导相似的传播特性，所以其构成的微波部件及其子系统有很高的Q值、高功率容量等优点。与传统金属波导相比，其加工成本十分低廉，重量轻，体积小，非常适合应用于微波毫米波电路当中。基于基片集成波导的滤波器已经广泛被应用于微波系统中，最常见的基片集成波导带通滤波器一般采用E面膜片的形式，E面膜片滤波器具有低插入损耗，成本低廉，易于大批量生产的特点。滤波器是一种对信号有处理作用的器件或电路。随着电子市场的不断发展也越来越被广泛生产和使用。滤波器主要分为有源滤波器和无源滤波器。主要作用是让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的反射。滤波器的功能就是允许某一部分频率的信号顺利的通过，而另外一部分频率的信号则受到较大的抑制，它实质上是一个选频电路。滤波器中，把信号能够通过的频率范围，称为通频带或通带；反之，信号受到很大衰减或完全被抑制的频率范围称为阻带；通带和阻带之间的分界频率称为截止频率；滤波器是由电感器和电容器构成的网路，可使混合的交直流电流分开。最基本的滤波器，是由一个电容器和一个电感器构成，称为L型滤波。所有各型的滤波器，都是集合L型单节滤波器而成。基本单节式滤波器由一个串联臂及一个并联臂所组成，串联臂为电感器，并联臂为电容器。几种低通原型滤波器是现代网络综合法设计滤波器的基础，各种低通、高通、带通、带阻滤波器大都是根据此特性推导出来的。正因如此，才使得滤波器的设计得以简化，精度得以提高。按所处理的信号分为模拟滤波器和数字滤波器两种。按所通过信号的频段分为低通、高通、带通和带阻滤波器四种。低通滤波器：它允许信号中的低频或直流分量通过，抑制高频分量或干扰和噪声；高通滤波器：它允许信号中的高频分量通过，抑制低频或直流分量；带通滤波器：它允许一定频段的信号通过，抑制低于或高于该频段的信号、干扰和噪声；带阻滤波器：它抑制一定频段内的信号，允许该频段以外的信号通过。一个理想的滤波器应该有一个完全平坦的通带，例如在通带内没有增益或者衰减，并且在通带之外所有频率都被完全衰减掉，另外，通带外的转换在极小的频率范围完成。实际上，并不存在理想的带通滤波器。滤波器并不能够将期望频率范围外的所有频率完全衰减掉，尤其是在所要的通带外还有一个被衰减但是没有被隔离的范围。这通常称为滤波器的滚降现象，并且使用每十倍频的衰减幅度dB来表示。通常，滤波器的设计尽量保证滚降范围越窄越好，这样滤波器的性能就与设计更加接近。由于目前加工工艺限制，过小的通孔间距和通孔很难实现，在高频段由于波长较小，特别是波长达到通孔间距级别时，电磁波容易从通孔间辐射出去导致滤波器插入损耗变大，同时高频段的带通滤波器的耦合单元需要很小的通过来实现，加工工艺限制这使得这种优良的滤波器不能运用于较高频段。

发明内容

为了解决以上问题，本发明提出了一种基片集成波导带通滤波器。

本发明的技术方案是：一种基片集成波导带通滤波器，包括从上到下层叠排列的第一金属层、介质层和第二金属层；上述第一金属层包括第一传输线主线、第二传输主线、第一渐变过渡线、第二渐变过渡线和第一金属板，上述第一金属板包括第一条形开孔、第二条形开孔、第三条形开孔、第四条形开孔、第五条形开孔、第一圆形开孔和第二圆形开孔；上述第一渐变过渡线一端连接第一传输线主线，另一端连接第一金属板的一端；上述第二渐变过渡线一端连接第二传输主线，另一端连接第一金属板的另一端；上述第一圆形开孔、第三条形开孔、第四条形开孔、第五条形开孔和第二圆形开孔依次排列于第一金属板中心同一水平线上；上述第一条形开孔和第二条形开孔分别位于第一金属板两侧；上述介质层包括介质基板、第一金属化通孔、第二金属化通孔、第一金属化槽、第二金属化槽、第三金属化槽、第四金属化槽和第五金属化槽，上述第一金属化通孔、第一金属化槽、第二金属化槽、第三金属化槽、第二金属化通孔位于介质基板上分别与第一圆形开孔、第三条形开孔、第四条形开孔、第五条形开孔和第二圆形开孔相对应位置，上述第四金属化槽、第五金属化槽位于第二金属化槽上分别与第二条形开孔和第一条形开孔相对应位置；上述第二金属层包括虚拟金属板。

进一步地，上述介质基板、第一金属化通孔、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第一耦合单元；上述介质基板、第一金属化槽、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第二耦合单元；上述介质基板、第二金属化槽、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第三耦合单元；上述介质基板、第三金属化槽、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第四耦合单元；上述介质基板、第二金属化通孔、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第五耦合单元。

进一步地，上述介质基板、第一金属化通孔、第一金属化槽、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第一谐振腔；上述介质基板、第一金属化槽、第二金属化槽、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第二谐振腔；上述介质基板、第二金属化槽、第三金属化槽、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第三谐振腔；上述介质基板、第三金属化槽、第二金属化通孔、第四金属化槽、第五金属化槽、第一金属板和虚拟金属板构成第四谐振腔。

本发明的有益效果是：本发明的基片集成波导带通滤波器采用金属化槽的形式代替传统的金属化通孔阵列来实现基片集成波导，在较高频率时避免了电磁波从通孔间距间的辐射泄漏，同时使用金属化槽代替金属化通孔阵列，使得金属化长度连续可变，避免了通孔间距加工工艺的限制。采用低损耗介质材料陶瓷板来实现整个滤波器，金属槽代替金属通孔实现基片集成波导和耦合单元，使用具有高Q值的SIW谐振腔级联实现带通滤波器，使得滤波器具有传统基片集成波导带通滤波器的所有优良特点。同时由于有更好隔离效果的金属化槽的使用，从而减小了辐射造成的插入损耗，避免了加工工艺限制，使得基片集成滤波器能够应用于高频段滤波。

附图说明

图1是本发明的基片集成波导带通滤波器的立体结构爆破示意图。

图2是本发明的基片集成波导带通滤波器的立体结构俯视图。

图3是本发明的基片集成波导带通滤波器在A-A方向的截面剖视图。

图4是本发明的基片集成波导带通滤波器在B-B方向的截面剖视图。

其中，1、第一金属层；10、第一传输主线；11、第一渐变过渡线；12、第一金属板；13、第二渐变过渡线；14、第二传输主线；15、第一条形开孔；16、第二条形开孔；17、第三条形开孔；18、第四条形开孔；19、第五条形开孔；110、第一圆形开孔；111、第二圆形开孔；2、介质层；20、介质基板；21、第一金属化通孔；22、第一金属化槽；23、第二金属化槽；24、第三金属化槽；25、第二金属化通孔；26、第四金属化槽；27、第五金属化槽；3、第二金属层；30、虚拟金属板。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明。

如图1所示，为本发明的基片集成波导带通滤波器的立体结构爆破示意图。其包括从上到下层叠排列的第一金属层1、介质层2和第二金属层3；第一金属层1具体包括第一传输线主线10、第二传输主线14、第一渐变过渡线11、第二渐变过渡线13和第一金属板12，第一金属板具体12包括第一条形开孔15、第二条形开孔16、第三条形开孔17、第四条形开孔18、第五条形开孔19、第一圆形开孔110和第二圆形开孔111；第一渐变过渡线11一端连接第一传输线主线10，另一端连接第一金属板12的一端；第二渐变过渡线13一端连接第二传输主线14，另一端连接第一金属板12的另一端；第一圆形开孔110、第三条形开孔17、第四条形开孔18、第五条形开孔19和第二圆形开孔111依次排列于第一金属板12中心同一水平线上；第一条形开孔15和第二条形开孔16分别位于第一金属板12两侧；介质层2具体包括介质基板20、第一金属化通孔21、第二金属化通孔25、第一金属化槽22、第二金属化槽23、第三金属化槽24、第四金属化槽26和第五金属化槽27，这里的介质层2可以采用低损耗的陶瓷板材料，并且采用金属化槽的结构可以在较高频率时避免电磁波从通孔间距间的辐射泄漏，同时使得金属化长度连续可变，避免通孔间距加工工艺的限制；第一金属化通孔21、第一金属化槽22、第二金属化槽23、第三金属化槽24、第二金属化通孔25位于介质基板20上分别与第一圆形开孔110、第三条形开孔17、第四条形开孔18、第五条形开孔19和第二圆形开孔111相对应位置，第四金属化槽26、第五金属化槽27位于介质基板20上分别与第二条形开孔16和第一条形开孔15相对应位置；第二金属层3包括虚拟金属板30。

如图2所示，为本发明的基片集成波导带通滤波器的立体结构俯视图。如图3所示，为本发明的基片集成波导带通滤波器在A-A方向的截面剖视图。如图4所示，为本发明的基片集成波导带通滤波器在B-B方向的截面剖视图。可以看出，本发明的第一金属层1、介质层2和第二金属层3可以扣合为一个整体。其中，介质基板20、第一金属化通孔21、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第一耦合单元；介质基板20、第一金属化槽22、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第二耦合单元；介质基板20、第二金属化槽23、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第三耦合单元；介质基板20、第三金属化槽24、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第四耦合单元；介质基板20、第二金属化通孔25、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第五耦合单元。介质基板20、第一金属化通孔21、第一金属化槽22、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第一谐振腔；介质基板20、第一金属化槽22、第二金属化槽23、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第二谐振腔；介质基板20、第二金属化槽23、第三金属化槽24、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第三谐振腔；介质基板20、第三金属化槽24、第二金属化通孔25、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30可以扣合为一个整体，构成第四谐振腔。

下面将结合本发明的结构和具体实施例对本发明的工作原理和过程进行说明。

能量由本发明的基片集成波导带通滤波器的一端流入，沿第一传输主线10流动，经过第一渐变过渡线11到达由介质基板20、第一金属化通孔21、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第一耦合单元，通过第一耦合单元后进入由介质基板20、第一金属化通孔21、第一金属化槽22、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第一谐振腔。与第一谐振腔谐振频率相同及其附近的一部分能量在第一谐振腔内发生电磁振荡，除此之外的其他频率的能量不会发生振荡将不能通过，全部原路反射。进入第一谐振腔的能量发生振荡后继续向前传输。

从第一谐振腔流入的能量通过由介质基板20、第一金属化槽22、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第二耦合单元，通过第二耦合单元后进入由介质基板20、第一金属化槽22、第二金属化槽23、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第二谐振腔。与第二谐振腔频率相同的能量及其附近的一小部分能量在第二谐振腔中发生振荡，除此之外的其他频率的能量不会发生振荡将不能通过，全部反射掉。进入第二谐振腔的能量发生振荡后继续向前传输。

从第二谐振腔流入的能量通过由介质基板20、第二金属化槽23、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第三耦合单元，通过第三耦合单元后进入由介质基板20、第二金属化槽23、第三金属化槽24、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第三谐振腔。与第三谐振腔频率相同的能量及其附近的一小部分能量在第三谐振腔中发生振荡，除此之外的其他频率的能量不会发生振荡将不能通过，全部反射掉。进入第三谐振腔的能量发生振荡后继续向前传输。

从第三谐振腔流入的能量通过由介质基板20、第三金属化槽24、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第四耦合单元，通过第四耦合单元后进入由介质基板20、第三金属化槽24、第二金属化通孔25、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第四谐振腔。与第四谐振腔频率相同的能量及其附近的一小部分能量在第四谐振腔中发生振荡，除此之外的其他频率的能量不会发生振荡将不能通过，全部反射掉。进入第四谐振腔的能量发生振荡后继续向前传输。

从第四谐振腔流入的能量通过由介质基板20、第二金属化通孔25、第四金属化槽26、第五金属化槽27、第一金属板12和虚拟金属板30构成的第五耦合单元，最后沿第二传输主线14将能量传出。第二传输主线14传输出来的能量可以实现选择特定频率能量，反射掉其它频率能量的滤波效果，从而实现高频段的滤波功能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种基片集成波导带通滤波器，其特征在于：包括从上到下层叠排列的第一金属层(1)、介质层(2)和第二金属层(3)；所述第一金属层(1)包括第一传输线主线(10)、第二传输主线(14)、第一渐变过渡线(11)、第二渐变过渡线(13)和第一金属板(12)，所述第一金属板(12)包括第一条形开孔(15)、第二条形开孔(16)、第三条形开孔(17)、第四条形开孔(18)、第五条形开孔(19)、第一圆形开孔(110)和第二圆形开孔(111)；所述第一渐变过渡线(11)一端连接第一传输线主线(10)，另一端连接第一金属板(12)的一端；所述第二渐变过渡线(13)一端连接第二传输主线(14)，另一端连接第一金属板(12)的另一端；所述第一圆形开孔(110)、第三条形开孔(17)、第四条形开孔(18)、第五条形开孔(19)和第二圆形开孔(111)依次排列于第一金属板(12)中心同一水平线上；所述第一条形开孔(15)和第二条形开孔(16)分别位于第一金属板(12)两侧；所述介质层(2)包括介质基板(20)、第一金属化通孔(21)、第二金属化通孔(25)、第一金属化槽(22)、第二金属化槽(23)、第三金属化槽(24)、第四金属化槽(26)和第五金属化槽(27)，所述第一金属化通孔(21)、第一金属化槽(22)、第二金属化槽(23)、第三金属化槽(24)、第二金属化通孔(25)位于介质基板(20)上分别与第一圆形开孔(110)、第三条形开孔(17)、第四条形开孔(18)、第五条形开孔(19)和第二圆形开孔(111)相对应位置，所述第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)位于介质基板(20)上分别与第二条形开孔(16)和第一条形开孔(15)相对应位置；所述第二金属层(3)包括虚拟金属板(30)。

2.如权利要求1所述的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述介质基板(20)、第一金属化通孔(21)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第一耦合单元；所述介质基板(20)、第一金属化槽(22)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第二耦合单元；所述介质基板(20)、第二金属化槽(23)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第三耦合单元；所述介质基板(20)、第三金属化槽(24)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第四耦合单元；所述介质基板(20)、第二金属化通孔(25)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第五耦合单元。

3.如权利要求1所述的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述介质基板(20)、第一金属化通孔(21)、第一金属化槽(22)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第一谐振腔；所述介质基板(20)、第一金属化槽(22)、第二金属化槽(23)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第二谐振腔；所述介质基板(20)、第二金属化槽(23)、第三金属化槽(24)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第三谐振腔；所述介质基板(20)、第三金属化槽(24)、第二金属化通孔(25)、第四金属化槽(26)、第五金属化槽(27)、第一金属板(12)和虚拟金属板(30)构成第四谐振腔。