CN105070993B - 基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器 - Google Patents

基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，它包括上、中、下三个堆叠的介质集成波导谐振器。上、下介质集成波导谐振器结构相同、反向放置，两者关于滤波器的中心对称，并通过中介质集成波导谐振器互相耦合能量。本发明相对于微带线等具有更高的Q值和更高的功率承载能力，具有较小的通带插入损耗，较大的回波损耗，陡峭的边缘选择特性和较大的通带间隔离度，实现了小型化的优化目的，且加工测试方便、结构简单、成本低。

Description

基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器
技术领域
本发明涉及双频带通滤波器，特别是涉及基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器。
背景技术
滤波器是现代通信系统中不可或缺的重要组成部分之一，其性能好坏对通信系统的通信质量起到了决定性的影响。随着通信技术的发展，能有效提高通信质量和通信效率的多标准、多频率通信手段也受到了越来越多的关注。多标准并存的移动通信格局要求通信设备能同时支持两个甚至更多的通信制式同时工作。因此，能够支持双频通信的双频带通滤波器在近年来受到了很多研究学者的重视。采用传统方法设计的双频带通滤波器具有体积大、插损大、Q值低、通带之间隔离度差、选择性能差、功率容量低等缺点，难以较好地满足现代通信对设备和器件的严格要求。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种Q值高、通带插入损耗小、尺寸小的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，包括上、中、下三个堆叠的介质集成波导谐振器；上、下介质集成波导谐振器结构相同，两者反向放置，关于滤波器的中心对称，并通过中介质集成波导谐振器互相耦合能量；上、下介质集成波导谐振器均包括介质基板和设于介质基板上下表面的金属层与金属接地层，金属层包括位于中间的金属贴片，金属贴片的一边通过介质集成波导与微带线的转换结构连接微带线，介质基板中贯穿设有一圈连接金属贴片与金属接地层的金属化过孔，金属贴片、金属化过孔和金属接地层共同围成介质集成波导谐振腔，金属接地层上设有耦合缝隙；中介质集成波导谐振器包括中介质基板和设于中介质基板上下表面的第一中金属层与第二中金属层，中介质基板中贯穿设有一圈中金属化过孔，第一中金属层、中金属化过孔和第二中金属层共同围成中介质集成波导谐振腔，第一中金属层上设有第一中耦合缝隙，第二中金属层上设有第二中耦合缝隙，且第一中耦合缝隙与第二中耦合缝隙关于滤波器的中心对称；上介质集成波导谐振器中的耦合缝隙与中介质集成波导谐振器中的第一中耦合缝隙位置正对，中介质集成波导谐振器中的第二中耦合缝隙与下介质集成波导谐振器中的耦合缝隙位置正对。
进一步，所述介质集成波导与微带线的转换结构为微带线导带与金属贴片之间的缝隙。
进一步，所述微带线导带与金属贴片之间缝隙的宽度ws为0.2mm，缝隙的长度ls为4.9mm。
进一步，所述金属贴片的形状为矩形。
进一步，所述耦合缝隙、第一中耦合缝隙和第二中耦合缝隙的形状均为矩形。
进一步，所述耦合缝隙、第一中耦合缝隙和第二中耦合缝隙的宽度wc均为0.5mm，长度lc均为2.8mm。
进一步，所述介质基板和中介质基板的相对介电常数均为2.2，厚度均为0.254mm，正切损耗角均为0.0009。
进一步，所述微带线的线宽w0为0.75mm，金属化过孔和中金属化过孔的直径R均为0.6mm，间距d均为1mm，介质集成波导谐振腔和中介质集成波导谐振腔的长度l均为20mm，宽度w均为15mm。
有益效果：本发明具有以下的有益效果：
1、本发明采用介质集成波导腔体结构，相对于微带线等具有更高的Q值和更高的功率承载能力；
2、本发明具有较小的通带插入损耗，较大的回波损耗，陡峭的边缘选择特性和较大的通带间隔离度；
3、本发明结构简单，仅需要三个介质集成波导谐振器；
4、本发明采用介质集成波导堆叠的设计方案，实现了小型化的优化目的，优化后的滤波器尺寸减小了70％；
5、本发明相对于高温共烧陶瓷等多层技术，加工和测试简便，成本低。
附图说明
图1为本发明的滤波器的立体图；
图2为本发明的滤波器的侧剖图；
图3为本发明的上介质集成波导谐振器的俯视图；
图4为本发明的上介质集成波导谐振器的仰视图；
图5为本发明的中介质集成波导谐振器的俯视图；
图6为本发明的中介质集成波导谐振器的仰视图；
图7为本发明的滤波器在9.35GHz频率处的场分布；
图8为本发明的滤波器在11.5GHz频率处的场分布；
图9为本发明的滤波器在13.5GHz频率处的场分布；
图10为本发明的滤波器的频率比(f101/f102)随介质集成波导谐振腔尺寸的变化曲线；
图11为本发明的滤波器的相对带宽随耦合缝隙宽度的变化曲线；
图12为本发明的滤波器的频率响应曲线。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明公开了基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，如图1所示，包括上、中、下三个堆叠的介质集成波导谐振器；上介质集成波导谐振器1和下介质集成波导谐振器2的结构相同，两者反向放置，关于滤波器的中心对称，并通过中介质集成波导谐振器3互相耦合能量；上介质集成波导谐振器1和下介质集成波导谐振器2结构相同，这里以上介质集成波导谐振器1为例作介绍，如图2所示，上介质集成波导谐振器1包括介质基板12和设于介质基板12上下表面的金属层11与金属接地层13，如图3所示，金属层11包括位于中间的金属贴片111，金属贴片111的一边通过介质集成波导与微带线113的转换结构连接微带线113，介质基板12中贯穿设有一圈连接金属贴片111与金属接地层13的金属化过孔121，金属贴片111、金属化过孔121和金属接地层13共同围成介质集成波导谐振腔，如图4所示，金属接地层13上设有耦合缝隙131；如图5、图6所示，中介质集成波导谐振器3包括中介质基板32和设于中介质基板32上下表面的第一中金属层31与第二中金属层33，中介质基板32中贯穿设有一圈中金属化过孔321，第一中金属层31、中金属化过孔321和第二中金属层33共同围成中介质集成波导谐振腔，第一中金属层31上设有第一中耦合缝隙311，第二中金属层33上设有第二中耦合缝隙331，且第一中耦合缝隙311与第二中耦合缝隙331关于滤波器的中心对称；上介质集成波导谐振器1中的金属化过孔121、中介质集成波导谐振器3中的中金属化过孔321和下介质集成波导谐振器2中的金属化过孔位置正对，共同组成连通的金属化过孔1231，如图2所示；上介质集成波导谐振器1中的耦合缝隙131与中介质集成波导谐振器3中的第一中耦合缝隙311位置正对，共同组成第一完整耦合缝隙1311，中介质集成波导谐振器3中的第二中耦合缝隙331与下介质集成波导谐振器2中的耦合缝隙位置正对，共同组成第二完整耦合缝隙1331，如图2所示。可见，本发明的滤波器由三层结构堆叠而成，各层之间通过背部的耦合缝隙131、第一中耦合缝隙311和第二中耦合缝隙331进行能量的耦合交互，并由此产生谐振的频率选择响应。
本实施例中，介质集成波导与微带线113的转换结构为微带线导带与金属贴片111之间的缝隙112。金属贴片111的形状为矩形。耦合缝隙131、第一中耦合缝隙311和第二中耦合缝隙331的形状均为矩形。
在上述结构中，微带线导带与金属贴片111之间的缝隙112的长度和宽度、介质集成波导谐振腔的大小、中介质集成波导谐振腔的大小，以及耦合缝隙131、第一中耦合缝隙311和第二中耦合缝隙331的尺寸均可以调节，其调节值是根据不同频率比、不同响应带宽、不同介质基板等具体参数确定的。
图7、图8和图9展示了本发明的滤波器在不同频率下的电场分布图。从图7中可以看出，当频率为9.35GHz时，信号在介质集成波导谐振腔中产生谐振，因此可以由输入端口(图1中的端口1)传输至输出端口(图1中的端口2)。从图8中可以看出，当频率为11.5GHz时，信号在介质集成波导谐振腔中无法谐振，因此信号也就无法通过各层结构并传输至输出端口。同样地，在图9中，当频率为13.5GHz时，信号将以与9.35GHz不同的谐振模式在介质集成波导谐振腔中谐振，并由输入端口传输至输出端口并输出。
并且，谐振器的谐振频率可以由下式计算得到：
其中μ为真空中的磁常数，ε为真空中的电常数，m和n均为正整数，w为介质集成波导谐振腔的宽度，l为介质集成波导谐振腔的长度。
对于一定尺寸的介质集成波导谐振腔，仅对特定频率出现谐振现象，发生谐振的频率称为谐振频率，对应的波长称为谐振波长。但是，介质集成波导谐振腔的长度为半波长的整数倍时，均可以发生谐振，也就是说，介质集成波导谐振腔的谐振频率具有多值性。图10描绘了本发明的滤波器的两个谐振模式下的谐振频率f101与f102的比值随谐振器尺寸的变化曲线。其中，“空心圆-实线”表示当l＝20mm不变时，双频滤波器的频率比随w的增大而逐渐减小的情况；而“实心方块-虚线”则表示当w＝15mm不变时，双频滤波器的频率比随l的增大而逐渐增大的情况。值得注意的是，可以看到，两条曲线在w＝15mm且l＝20mm时互相吻合，频率比皆为0.693。
图11描绘了本发明的滤波器的频率响应带宽随耦合缝隙wc的变化曲线。可以看到，随着wc的增大，滤波器的带宽逐渐减小。同时，可以从图中看出，由于本发明采用的堆叠式介质集成波导谐振器具有非常高的Q值，根据公式(2)可以很容易地设计出带宽非常窄的窄带滤波器。
其中g0和g1为滤波器原型的元器件值，f0和BW则分别是滤波器频率响应通带的中心频率和带宽。
同时，由于本发明采用的新型堆叠式结构，使得滤波器各谐振腔之间的耦合不再是平面化的耦合方式，而是通过上、下两个谐振腔之间的耦合缝隙实现的，很大程度上减小了滤波器的尺寸，实现了小型化的设计目标。本实施例的滤波器尺寸与传统结构的滤波器相比，减小了约70％。
本实施例中滤波器的具体参数如下：
选用的介质基板12为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm，正切损耗角大小为0.0009。微带线113的线宽w0为0.75mm，金属化过孔121和中金属化过孔321的直径R均为0.6mm，间距d均为1mm，介质集成波导谐振腔和中介质集成波导谐振腔的长度l均为20mm，宽度w均为15mm，微带线导带与金属贴片111之间缝隙112的宽度ws为0.2mm，缝隙112的长度ls为4.9mm，耦合缝隙131、第一中耦合缝隙311和第二中耦合缝隙331的宽度wc均为0.5mm，长度lc均为2.8mm。
本发明的滤波器的频率响应如图12所示，从图中可以看出，滤波器的频率响应十分优异，滤波器的中心频率分别位于9.35GHz和13.5GHz处，二者的频率比为0.693。通带内的匹配度非常好，回波损耗均大于15dB，且最小插入损耗仅为0.5dB，表现出非常优秀的带内特性。该滤波器的两个频率通带间隔离度也非常好，大于50dB，通带外的抑制较强，低阻带及高阻带的抑制均大于55dB。本实例整体尺寸十分小巧紧凑，约为15×20mm2(0.55λ0 2，λ0对应9.35GHz处的波长)，与未采用本发明中提出的堆叠式耦合谐振方法的基于介质集成波导的模型相比，整体尺寸减小了约70％。
综上所述，本发明的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器具有高Q值、高功率容量、损耗小、匹配优、双频性能好、尺寸小和成本低等优点，对于各频段雷达、通信设备等无线通信系统均具有广阔的应用前景，特别是对重量、性能、尺寸等有苛刻要求的双频通信系统而言，是优化通信质量的首选无源射频器件之一。

Claims (7)

1.基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：包括上、中、下三个堆叠的介质集成波导谐振器；上、下介质集成波导谐振器结构相同，两者反向放置，关于滤波器的中心对称，并通过中介质集成波导谐振器互相耦合能量；上、下介质集成波导谐振器均包括介质基板和设于介质基板上下表面的金属层与金属接地层，金属层包括位于中间的金属贴片，金属贴片的一边通过介质集成波导与微带线的转换结构连接微带线，介质基板中贯穿设有一圈连接金属贴片与金属接地层的金属化过孔，金属贴片、金属化过孔和金属接地层共同围成介质集成波导谐振腔，金属接地层上设有耦合缝隙；中介质集成波导谐振器包括中介质基板和设于中介质基板上下表面的第一中金属层与第二中金属层，中介质基板中贯穿设有一圈中金属化过孔，第一中金属层、中金属化过孔和第二中金属层共同围成中介质集成波导谐振腔，第一中金属层上设有第一中耦合缝隙，第二中金属层上设有第二中耦合缝隙，且第一中耦合缝隙与第二中耦合缝隙关于滤波器的中心对称；上介质集成波导谐振器中的耦合缝隙与中介质集成波导谐振器中的第一中耦合缝隙位置正对，中介质集成波导谐振器中的第二中耦合缝隙与下介质集成波导谐振器中的耦合缝隙位置正对；所述耦合缝隙、第一中耦合缝隙和第二中耦合缝隙的宽度wc均为0.5mm，长度lc均为2.8mm。
2.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：所述介质集成波导与微带线的转换结构为微带线导带与金属贴片之间的缝隙。
3.根据权利要求2所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：所述微带线导带与金属贴片之间缝隙的宽度ws为0.2mm，缝隙的长度ls为4.9mm。
4.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：所述金属贴片的形状为矩形。
5.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：所述耦合缝隙、第一中耦合缝隙和第二中耦合缝隙的形状均为矩形。
6.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：所述介质基板和中介质基板的相对介电常数均为2.2，厚度均为0.254mm，正切损耗角均为0.0009。
7.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化双频带通滤波器，其特征在于：所述微带线的线宽w0为0.75mm，金属化过孔和中金属化过孔的直径R均为0.6mm，间距d均为1mm，介质集成波导谐振腔和中介质集成波导谐振腔的长度l均为20mm，宽度w均为15mm。
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