CN104767023B - 一种可变通带数的基片集成波导电调谐振单元 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波电路技术，特别涉及一种通带数目可变的基片集成波导SIW电调谐振单元。该电调谐振单元包括:输入端50Ω特性阻抗的微带线经过一段阻抗渐变线，转至共面波导和基片集成波导SIW本体。SIW本体沿共面波导的中心导带方向呈轴对称，其单侧形状为十字架形，使得整个SIW本体形成6个矩形凸出部，在矩形凸出部内侧边均加工一排非金属化圆形通孔，使得非金属化通孔与共面波导的中心导带和SIW本体的外围金属化通孔将SIW本体划分为八个矩形腔体，按大小分为两个大腔体，两个中等腔体和四个小腔体。并且在大腔体的印制板上沿电磁波传播方向开两条槽线。本发明结构简单，谐振通带数目可自由切换。

Description

一种可变通带数的基片集成波导电调谐振单元

技术领域

本发明专利涉及微波电路技术，特别是通带数目可变的基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide,SIW)电调谐振单元。

技术背景

随着电子通信技术的发展，高集成度和多通带器件在实际工程中扮演了越来越重要的角色，多通带和通带可调的器件是元器件研究的一个重要方向。SIW滤波器具有选频特性好、插损小、工作频率高、易于集成、成本低等优点，是近年来研究的重点和热点，国内外已经对此做了大量理论研究并进行了工程应用。单个SIW谐振腔可以构成一个谐振单元，能谐振在预定的工作频率，但工作带宽和带外抑制不足。实用的SIW滤波器一般由多个谐振单元通过级联耦合的方式实现，可以得到较宽的工作频带和较大的带外抑制。从某种意义上说，研究新型的SIW谐振单元是设计SIW滤波器的基础和重难点。

在相关的文献报道中，为了得到单通带和多通带效应，科研工作者提出了多种结构形式的SIW谐振器。基于宽边耦合的互补开环谐振器(complementary split-ringresonator，CSRR)加载法，参考文献Liwen Huang,Ian D.Robertson,Weiwei Wu,NaichangYuan,“Substrate integrated waveguide filters with broadside-coupledcomplementary split ring resonators,”IET Microw.Antennas Propag.,vol.7,no.10,pp.795–801,Jul.2013；另一篇文献也采用CSRR加载法，通过在印制板上刻蚀不同形状和大小的图案而产生不同的谐振频率，形成多通带效应，参考文献Y.Dong,C.-T.M.Wu,T.Itoh,“Miniaturised multi-band substrate integrated waveguide filters usingcomplementary split-ring resonators,”IET Microw.Antennas Propag.,vol.6,no.6,pp.611–620,Apr.2012；在SIW的侧壁加入一个谐振腔，利用一腔多模原理，实现多通带特性，参考文献Xiao-Ping Chen,Ke Wu,and Zhao-Long Li,“Dual-band and triple-bandsubstrate integrated waveguide filters with chebyshev and quasi-ellipticresponses,”IEEE Trans.Microw.Theory Tech.,vol.55,no.12,Dec.2007。

但对于一个确定的谐振器，只能实现单个或多个谐振频率，两种情况不能相互切换。在目前报道的文献中，尚未看到谐振通带数目可自由切换的电调谐振器。

发明内容

针对上述存在问题或不足，本发明提出了一种可变通带数的基片集成波导电调谐振单元，包括:输入端50Ω特性阻抗的微带线经过一段阻抗渐变线，转至共面波导和基片集成波导SIW本体，其特征在于：

基片集成波导本体沿共面波导的中心导带方向呈轴对称，其单侧形状为十字架形，使得整个SIW本体形成6个矩形凸出部，在6个矩形凸出部内侧无通孔的边均加工一排非金属化圆形通孔，共计六排，使得六排非金属化圆形通孔与共面波导的中心导带和基片集成波导本体的外围金属化通孔将基片集成波导本体划分为八个矩形腔体，按大小分为两个大腔体，两个中等腔体和四个小腔体。

基片集成波导本体的单侧结构为：一个中等腔体居中，两个小腔体置于前后方向，一个大腔体置于中等腔体的侧面方向；并且在大腔体的印制板上沿电磁波传播方向开两条槽线；l为大腔体沿电磁波传播方向的长度与中等腔体沿电磁波传播方向的长度相同，l₁为外侧槽线的长度，l₂为内侧槽线的长度，l₃为小腔体沿电磁波传播方向的长度，w₁为外侧槽线到大腔体的平行外边沿距离，w₂为内侧槽线到大腔体的平行外边沿距离，w₃为大腔体另一边的长度，w₄为小腔体另一边的长度，w₅为中等腔体另一边的长度，w_c为外侧和内侧槽线的宽度，λ_g为电磁波在基片集成波导中的导波波长。

其中，λ_g/2≤l≤2λ_g，l/2≤l₁≤4l/5，l/2≤l₂≤4l/5，l/5≤l₃≤l/2，w₃/4≤w₁≤w₂≤w₃/2，l≤w₃≤2l，w₃/3≤w₄≤w₅≤w₃。

上述非金属化圆形通孔均内埋PIN(positive intrinsic negative)二极管，其负极就近接地(Ground,GND)，正极与一个固定容值无极性电容C1连接，电容C1的另一端就近接地；PIN二极管的正极用导线接出后，分别与扼流电感L1、限流电阻R1串联，然后接控制电压Vcc，L1和R1的公共端并联滤波电容C2接地。

对于PIN二极管来说，其正向导通电阻极小，电压反偏时阻抗极大。

本发明的工作原理是：利用外部控制电压改变PIN二极管阵列的工作状态(正向导通或者反向截止)，不同的工作状态将电磁场约束在不同大小的物理尺寸腔体中，改变腔体的大小和位置，就能使基片集成波导谐振在预定的频率。腔体尺寸最大时，由于一腔多模原理，会出现两个谐振频率；腔体尺寸最小时，会出现一个较高的谐振频率；腔体尺寸横向扩大一定范围时，会出现一个较低的谐振频率。槽线的作用是抑制高次模式，减小谐振单元面积。

本发明的有益结果是：结构简单，方便实现在基片集成波导结构中，谐振频率的数量可变且能自由切换谐振峰。

附图说明

图1是本发明实施例的基片集成波导电调谐振单元的部分俯视图；

图2是本发明实施例中谐振单元局部俯视图；

图3是本发明实施例的单个PIN二极管安装侧面示意图；

图4是本发明实施例的PIN二极管不同状态传输参数；

图5是本发明实施例的PIN二极管不同状态反射系数；

附图标记：金属化过孔-1、大腔体部分-2、横向非金属化过孔阵列-3、纵向非金属化过孔阵列-4、外侧槽线-5、内侧槽线-6、小腔体部分-7、中等腔体部分-8、共面波导部分-9、微带线-10、阻抗渐变线-11。

具体实施方式

一种基于PIN二极管内埋的可变通带数基片集成波导电调谐振单元实现在RT/Duroid 4350的介质基片，该基片相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.004，厚度为0.76mm。整个谐振单元外围是金属化通孔，内部加工了六排非金属化通孔，这六排非金属化通孔和共面波导的中心导带将内部结构大致分为了八个部分，在物理结构上呈对称分布。非金属化通孔内埋圆柱形PIN二极管(为保证性能和方便安装，圆形通孔直径比变容二极管直径大0.15mm±0.025mm)，当控制电压处于高电位时，PIN二极管导通；当控制电压处于负电压时，PIN二极管截止。

本发明中的电调谐振单元在专业的电磁场仿真软件中实现，采用Ansoft公司的高频结构仿真软件(High Frequency Structure Simulator,HFSS)进行建模仿真，参数定义如下：w₁为外侧槽线到外边沿距离，w₂为内侧槽线到外边沿距离，w₃为大腔体部分的宽度，w₄为小腔体部分的宽度，w₅为中等腔体部分的宽度，w_c为槽线宽度，l为大腔体部分的长度，l₁为外侧槽线的长度，l₂为内侧槽线的长度，l₃为小腔体部分的长度，s_vp为金属化通孔的孔间距，d_vp为金属化通孔的直径，w_c1为共面波导中心导带的宽度，w_c2为共面波导的开槽宽度，w_ms为微带线的宽度，l_c1为共面波导中心导带在SIW内部的长度，l_c2为共面波导中心导带在SIW外部的长度，l_t为阻抗渐变线的长度。经过仿真软件的扫参和优化后，获得的最佳参数尺寸如下：w₁＝15.9mm，w₂＝45.9mm，w₃＝52.5mm，w₄＝29.1mm，w₅＝35.8mm，w_c＝0.2mm，l＝41.6mm，l₁＝27mm，l₂＝28mm，l₃＝15mm，s_vp＝1.6mm，d_vp＝0.8mm，w_c1＝2.8mm，w_c2＝1.1mm，w_ms＝1.68mm，l_c1＝15mm，l_c2＝3mm，l_t＝5mm。图3给出了PIN二极管的安装方法，将PIN二极管的负极用焊锡与地平面相接，正极用一个固定容值电容(C1)端头相连(C1取100pF)，C1的另一焊端接地。C1的作用是提供二极管的加电途径和一条接地的信号通路。PIN二极管的正端用细导线引出后，分别与扼流电感L1和电阻R1串联(扼流电感抑制高频，电阻用来限流)，与滤波电容C2并联到地(滤除电源杂波)。

当横向和纵向非金属化过孔阵列中的二极管均处于导通状态，此时仅出现一个频率较高的谐振频率f_H(状态一)；当横向非金属化过孔阵列中的二极管处于截止状态，纵向非金属化过孔阵列中的二极管处于导通状态，此时将出现两个频率的谐振峰，且此两个谐振频率为f_L和f_H(状态二)；当横向非金属化过孔阵列中的二极管处于导通状态，纵向非金属化过孔阵列中的二极管处于截止状态，此时仅出现一个频率较低的谐振频率f_L(状态三)。这就实现了基于PIN二极管的自由可变通带数基片集成波导电调谐振单元。图4示出了PIN二极管阵列处于三种工作状态时的传输参数。图5示出了PIN二极管阵列处于三种工作状态时的反射系数。从仿真结果可以看出，单峰谐振时的谐振峰(对应状态一和状态三)与双峰谐振时的谐振频率(对应状态二)能够重合，f_L为1.975GHz，f_H为2.2GHz，谐振频点的插损优于-1.65dB，回波损耗优于-16.8dB。

Claims (2)

1.一种可变通带数基片集成波导电调谐振单元，包括输入端50Ω特性阻抗的微带线经过一段阻抗渐变线，转至共面波导和基片集成波导SIW本体，其特征在于：

基片集成波导本体沿共面波导的中心导带方向呈轴对称，其单侧形状为十字架形，使得整个SIW本体形成6个矩形凸出部，在6个矩形凸出部内侧无通孔的边均加工一排非金属化圆形通孔，共计六排，使得六排非金属化圆形通孔与共面波导的中心导带和基片集成波导本体的外围金属化通孔将基片集成波导本体划分为八个矩形腔体，按大小分为两个大腔体，两个中等腔体和四个小腔体；

基片集成波导本体的单侧结构为：一个中等腔体居中，两个小腔体置于前后方向，一个大腔体置于中等腔体的侧面方向；并且在大腔体的印制板上沿电磁波传播方向开两条槽线；l为大腔体沿电磁波传播方向的长度与中等腔体沿电磁波传播方向的长度相同，l₁为外侧槽线的长度，l₂为内侧槽线的长度，l₃为小腔体沿电磁波传播方向的长度，w₁为外侧槽线到大腔体的平行外边沿距离，w₂为内侧槽线到大腔体的平行外边沿距离，w₃为大腔体另一边的长度，w₄为小腔体另一边的长度，w₅为中等腔体另一边的长度，w_c为外侧和内侧槽线的宽度，λ_g为电磁波在基片集成波导中的导波波长；

其中，λ_g/2≤l≤2λ_g，l/2≤l₁≤4l/5，l/2≤l₂≤4l/5，l/5≤l₃≤l/2，w₃/4≤w₁≤w₂≤w₃/2，l≤w₃≤2l，w₃/3≤w₄≤w₅≤w₃；

非金属化圆形通孔均内埋PIN二极管，其负极就近接地Ground，正极与一个固定容值无极性电容C1连接，电容C1的另一端就近接地；PIN二极管的正极用导线接出后，分别与扼流电感L1、限流电阻R1串联，然后接控制电压Vcc，L1和R1的公共端并联滤波电容C2接地。

2.如权利要求1所述可变通带数基片集成波导电调谐振单元，其特征在于：选用RT/Duroid 4350的介质基片，其相对介电常数为3.48，损耗角正切为0.004，厚度为0.76mm，选用非金属化圆形通孔和圆柱型变容二极管，C1取100pF；

w₁＝15.9mm，w₂＝45.9mm，w₃＝52.5mm，w₄＝29.1mm，w₅＝35.8mm，w_c＝0.2mm，l＝41.6mm，l₁＝27mm，l₂＝28mm，l₃＝15mm，s_vp＝1.6mm，d_vp＝0.8mm，w_c1＝2.8mm，w_c2＝1.1mm，w_ms＝1.68mm，l_c1＝15mm，l_c2＝3mm，l_t＝5mm；

其中：s_vp为金属化通孔的孔间距，d_vp为金属化通孔的直径，w_c1为共面波导中心导带的宽度，w_c2为共面波导的开槽宽度，w_ms为微带线的宽度，l_c1为共面波导中心导带在SIW内部的长度，l_c2为共面波导中心导带在SIW外部的长度，l_t为阻抗渐变线的长度。