CN104319435A

CN104319435A - 一种应用于wlan系统的基片集成波导带通滤波器

Info

Publication number: CN104319435A
Application number: CN201410560086.3A
Authority: CN
Inventors: 王世伟; 汪凯; 郭在成; 郑丽昇; 褚庆昕
Original assignee: South China University of Technology SCUT
Current assignee: South China University of Technology SCUT
Priority date: 2014-10-20
Filing date: 2014-10-20
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2034-10-20
Also published as: CN104319435B

Abstract

本发明公开了一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基片、设置在介质基片正面和反面的两层金属贴片以及若干个金属通孔，所述若干个金属通孔依次贯穿介质基片正面的金属贴片、介质基片以及介质基片反面的金属贴片，所述若干个金属通孔将介质基片正面的金属贴片围成上、下两个大小相同的矩形腔体，所述上矩形腔体的中心加载有第一过孔，所述下矩形腔体的中心加载有第二过孔，所述第一过孔和第二过孔依次贯穿介质基片正面的金属贴片、介质基片以及介质基片反面的金属贴片。本发明通过加载过孔来改善滤波器性能，具有结构简单、选择性高的优点，能够满足WLAN系统无线通信的要求。

Description

一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种宽带基片集成波导滤波器，尤其是一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，属于无线通讯领域。

背景技术

随着无线通讯技术，尤其是LTE为代表的4G通信技术的迅猛发展，一方面频谱资源越来越稀缺，另一方面，作为无线通讯领域的重要组成部分，带通滤波器的需求也随着通信技术的发展而日益增加。如图1中所示，WLAN系统作为无线通信的重要组成部分，在现实生活中占有重要地位，所以对带通滤波器而言，设计应用在WLAN频段的带通滤波器具有广泛的实际应用和迫切的实际需求。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技术是近年来提出的一种平面波导技术，通过在上下面为金属层的介质基片里，利用相邻的金属通孔阵列形成电壁，从而构成具有低损耗、低辐射、高Q值、高功率容量、易集成等特性的新型导波结构，其目的是在平面的介质基片上实现传统金属波导的功能。在基于SIW技术的微波无源器件研究中，SIW滤波器一直是其中的热点，多种结构的滤波器已被学者们提出了，包括矩形腔SIW滤波器、宽带滤波器、伪椭圆SIW滤波器、对称半模滤波器(HalfMode Substrate Integrated Waveguide，HMSIW)、圆形SIW滤波器等，这些滤波器具有多通带、宽带、高频率、小型化等诸多优点。

由于基片集成波导(SIW)具有以上所述的诸多优点，因此本专利设计出了两款应用在WLAN系统的SIW带通滤波器，它设计简单、选择性能高、低损耗、易集成，能够很好的满足现代通讯系统的要求。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

1)2005年，洪伟等人在亚洲及太平洋地区微波会议上(APMC)发表了名为“Development of Compact Bandpass Filters with SIW Triangular Cavities”的文章，提出了一种等边三角形、具有带通特性的SIW单元，如图2a所示，并以该单元为基础，扩展成了一个正六边形的SIW腔体带通滤波器，其结构如图2b所示，图2c是它的仿真和测试结果。但此滤波器在通带两侧没有传输零点，选择性不够好。

2)2011年，邹雄等人在海峡两岸技术研讨会(Cross Strait Quad-Regional RadioScience and Wireless Technology Conference)上发表题为“Design of an X-bandSymmetrical Window Bandpass Filter Based on Substrate Integrated Waveguide”文章，提出了一种应用在X波段、采用对称窗结构的SIW带通滤波器，作者建议将带通滤波器转换为等效的传统矩形波导带通滤波器，并提出等效电路模型来简化SIW对称窗的设计步骤。结构如图3a所示，包含五个腔体，仿真和测试结果如图3b所示。其结构非常简单，但不足在于通带外也没有传输零点，选择性不够好。

3)2009年，沈凯等人在ELECTRONICS LETTERS上发表题为“Highly selectivebandpass filter based on substrate integrated waveguide”文章，提出一种具有准椭圆滤波器效应的SIW带通滤波器，该设计采用级联小模块的方法，来减少椭圆和准椭圆滤波器在制作上的误差。其结构和仿真结果分别如图4a和图4b所示；从图4a可以看出，该滤波器在通带两旁增加了一对传输零点，改善了滤波器的选择性。但该滤波器在结构上稍显复杂，尺寸较大，不是很紧凑。

3)2005年，郝张成等人在IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques上发表题为“Compact Super-Wide Bandpass Substrate Integrated Waveguide(SIW)Filters”提出了在基片集成波导上刻蚀出electromagnetic bandgap(EBG)结构，如图5a和图5b所示。仿真结果如图5c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，提供了一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，该滤波器通过加载过孔来改变传输模式，从而改善滤波器性能，具有结构简单、选择性高的优点，能够满足WLAN系统无线通信的要求。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基片、设置在介质基片正面和反面的两层金属贴片以及若干个金属通孔，所述若干个金属通孔依次贯穿介质基片正面的金属贴片、介质基片以及介质基片反面的金属贴片，其特征在于：所述若干个金属通孔将介质基片正面的金属贴片围成上、下两个大小相同的矩形腔体，所述上矩形腔体的中心加载有第一过孔，所述下矩形腔体的中心加载有第二过孔，所述第一过孔和第二过孔依次贯穿介质基片正面的金属贴片、介质基片以及介质基片反面的金属贴片。

作为一种优选方案，所述上矩形腔体的一侧设有第一馈线，所述下矩形腔体的一侧设有第二馈线。

作为一种优选方案，所述上矩形腔体的第一馈线和下矩形腔体的第二馈线位于相反一侧。

作为一种优选方案，所述上矩形腔体的第一馈线和下矩形腔体的第二馈线位于相同一侧。

作为一种优选方案，所述第一馈线加载有第一枝节，所述第二馈线加载有第二枝节。

作为一种优选方案，所述第一枝节向下延伸，所述第二枝节向上延伸，且第一枝节与第二枝节相互之间不重叠。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的基片集成波导带通滤波器，利用金属通孔将介质基片正面的金属贴片围成两个矩形腔体，在两个矩形腔体的中心各加载一个过孔来改变传输模式，从而改善滤波器性能，具有结构简单、选择性高的优点，能够满足WLAN系统无线通信的要求。

2、本发明的基片集成波导带通滤波器既可将两个矩形腔体的馈线设置在相反一侧，也可将两个矩形腔体的馈线设置在相同一侧，其中当两个矩形腔体的馈线设置在相同一侧时，还可使两条馈线分别加载枝节，从而改善了滤波器矩形度，使得通带具有高选择性。

3、本发明的基片集成波导带通滤波器既克服了传统微带宽带滤波器损耗大的缺点，又解决了传统金属波导造价昂贵的问题。

4、本发明的基片集成波导带通滤波器消除了在基片集成波导上面刻蚀EBG结构的复杂性，同时具有椭圆滤波器高选择性的特性。

附图说明

图1为现有的频谱资源分布图。

图2a为第一种现有技术的结构示意图。

图2b为第一种现有技术的扩展结构示意图。

图2c为图2b结构的仿真结果图。

图3a为第二种现有技术的结构示意图。

图3b为第二种现有技术的仿真和测试结果图。

图4a为第三种现有技术的结构示意图。

图4b为第三种现有技术的仿真结果图。

图5a为第四种现有技术的正面结构示意图。

图5b为第四种现有技术的反面结构示意图。

图5c为第四种现有技术的仿真结果图。

图6为本发明实施例1的基本基片集成波导带通滤波器结构示意图。

图7为图6结构的仿真结果图。

图8为本发明实施例1加载过孔后的基片集成波导带通滤波器结构示意图。

图9为图8结构的仿真结果图。

图10为图8结构的实物测量结果与仿真结果对比图。

图11为本发明实施例2的基本基片集成波导带通滤波器结构示意图。

图12为图11结构的仿真结果图。

图13为本发明实施例2加载过孔后的基片集成波导带通滤波器结构示意图。

图14为图13结构的仿真结果图。

图15为本发明实施例3加载枝节后的基片集成波导带通滤波器结构示意图。

图16为本发明实施例3加载枝节前后的仿真结果对比图。

图17为图15结构的实物测量结果与仿真结果对比图。

其中，1-介质基片，2-正面的金属贴片，3-金属通孔，4-上矩形腔体，5-下矩形腔体，6-第一馈线，7-第二馈线，8-第一过孔，9-第二过孔，10-第一枝节，11-第二枝节。

具体实施方式

实施例1：

本实施例设计一个基本的基片集成波导带通滤波器，如图6所示，该滤波器包括基片集成波导(SIW)，所述基片集成波导包括介质基片1、设置在介质基片1正面和反面的两层金属贴片(正面的金属贴片标示数字2，反面的金属贴片图中未示出，实施例2和3相同)以及若干个金属通孔3，所述若干个金属通孔3依次贯穿介质基片1正面的金属贴片2、介质基片1以及介质基片1反面的金属贴片，所述若干个金属通孔3将介质基片1正面的金属贴片2围成上、下两个大小相同的矩形腔体(上矩形腔体标示数字4，下矩形腔体标示数字5)，所述上矩形腔体4的右侧设有第一馈线6，下矩形腔体5的左侧设有第二馈线7，也就是说第一馈线6和第二馈线7位于相反一侧，第一馈线6和第二馈线7既可作为输入端口馈线，又可作为输出端口馈线。

如图7所示，上述结构的S参数响应中，可以看出该滤波器的通带中心频率在4.3GHz，其通带的形成都是利用了基片集成波导的TE₁₀₁模；通带的中心频率可以通过改变滤波器每个矩形腔体的长和宽(也就是改变介质基片正面的金属贴片2整体的长和宽)来实现，为了实现WLAN系统中心频率为5.8GHz的要求，首先改变了滤波器每个矩形腔体的长和宽，将中心频率移至5.8GHz。

将中心频率移至5.8GHz之后，如图8所示，在上矩形腔体4的中心加载第一过孔8，在下矩形腔体5的中心加载第二过孔9，所述第一过孔8和第二过孔9依次贯穿介质基片1正面的金属贴片2、介质基片1以及介质基片1反面的金属贴片，加载的过孔改变了波导的传输模式，由TE₁₀₁模变为TE₁₀₂模，这是由于加载的两个过孔处于矩形腔体的中心，破坏了TE₁₀₁模的的传输条件，但对TE₁₀₂模的传输没有影响，所以，加载过孔后，TE₁₀₂模变成了传输的主模，仿真结果如图9所示，图中显示了参数S₁对通带的影响，可以看出，通过调节参数S₁的大小(22.7mm、22.1mm、21.5mm、20.9mm和20.3mm)，可以调节通带位置，最终使通带处于理想的频段。

为了验证上述图8滤波器结构的正确性和实际效果，设计出这个滤波器的实物，它的测量结果和仿真结果如图10所示，其中虚线表示仿真结果，实线表示测量结果，可以看到，带内最大插入损耗为2.16dB，3dB宽为1％，3.0～5.6GHz的带外衰减大于18dB，5.86～7GHz的带外衰减大于20dB，仿真结果和测量结果具有很好的吻合性。

实施例2：

本实施例同样设计一个基本的基片集成波导带通滤波器，如图11所示，该滤波器与实施例1的结构不同之处在于：所述上矩形腔体4的左侧设有第一馈线6，下矩形腔体5的左侧设有第二馈线7，也就是说第一馈线6和第二馈线7位于相同一侧。

如图12所示，上述结构的S参数(S₁₁参数是指输入端口的回波损耗，S₂₁参数是指输入端口到输出端口的正向传输系数)响应中，同样可以看出该滤波器的通带中心频率在4.3GHz，其通带的形成都是利用了基片集成波导的TE₁₀₁模，但是相比实施例1的结构的仿真曲线少了一对传输零点；通带的中心频率同样可以通过改变滤波器每个矩形腔体的长和宽来实现，为了实现WLAN系统中心频率为5.8GHz的要求，首先改变了滤波器每个矩形腔体的长和宽，将中心频率移至5.8GHz。

将中心频率移至5.8GHz之后，如图13所示，同样在上矩形腔体4的中心加载第一过孔8，在下矩形腔体5的中心加载第二过孔9，所述第一过孔8和第二过孔9依次贯穿介质基片1正面的金属贴片2、介质基片1以及介质基片1反面的金属贴片，加载的过孔改变了波导的传输模式，由TE₁₀₁模变为TE₁₀₂模，同样由于加载的两个过孔处于矩形腔体的中心，破坏了TE₁₀₁模的的传输条件，但对TE₁₀₂模的传输没有影响，所以，加载过孔后，TE₁₀₂模变成了传输的主模，仿真结果如图14所示，图中显示了参数S₂对通带的影响，可以看出，通过调节参数S₂的大小(22.5mm、21.9mm、21.3mm、20.7mm和20.1mm)，可以调节通带位置，最终使通带处于理想的频段。

实施例3：

在实施例2的图13结构基础上，对馈线部分做出改进，如图15所示，在第一馈线6加载第一枝节10，在第二馈线7加载第二枝节11，所述第一枝节10向下延伸，所述第二枝节11向上延伸，且第一枝节10与第二枝节11相互之间不重叠，利用源负载耦合来增加传输零点，改善滤波器的选择性，这从图16(虚线表示未加载枝节的仿真结果，实线表示加载枝节的仿真结果)中可以看出，加载枝节之后，S₂₁参数在5.3GHz附近增加了一对传输零点，使该处的带外衰减从20dB左右降到了35dB以下，改善了滤波器矩形度，也即提高了滤波器的选择性。

为了验证上述图15滤波器结构的正确性和实际效果，通过加工设计出这个滤波器的实物，它的测量结果和仿真结果如图17所示，其中虚线表示仿真结果，实线表示测量结果，可以看到，带内最大插入损耗为2.32dB，3dB相对带宽为1.5％，通带的上边带和下边带各有三个传输零点，使得通带具有高选择性，4.68～7.4GHz范围内，通带外的最大衰减为14dB，仿真结果和测量结果具有很好的吻合性。

综上所述，本发明的基片集成波导带通滤波器利用金属通孔将介质基片正面的金属贴片围成两个矩形腔体，在两个矩形腔体的中心各加载一个过孔来改变传输模式，从而改善滤波器性能，具有结构简单、选择性高的优点，能够满足WLAN系统无线通信的要求。

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

1.一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，包括基片集成波导，所述基片集成波导包括介质基片、设置在介质基片正面和反面的两层金属贴片以及若干个金属通孔，所述若干个金属通孔依次贯穿介质基片正面的金属贴片、介质基片以及介质基片反面的金属贴片，其特征在于：所述若干个金属通孔将介质基片正面的金属贴片围成上、下两个大小相同的矩形腔体，所述上矩形腔体的中心加载有第一过孔，所述下矩形腔体的中心加载有第二过孔，所述第一过孔和第二过孔依次贯穿介质基片正面的金属贴片、介质基片以及介质基片反面的金属贴片。

2.根据权利要求1所述的一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述上矩形腔体的一侧设有第一馈线，所述下矩形腔体的一侧设有第二馈线。

3.根据权利要求2所述的一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述上矩形腔体的第一馈线和下矩形腔体的第二馈线位于相反一侧。

4.根据权利要求2所述的一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述上矩形腔体的第一馈线和下矩形腔体的第二馈线位于相同一侧。

5.根据权利要求4所述的一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述第一馈线加载有第一枝节，所述第二馈线加载有第二枝节。

6.根据权利要求5所述的一种应用于WLAN系统的基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述第一枝节向下延伸，所述第二枝节向上延伸，且第一枝节与第二枝节相互之间不重叠。