CN105261811B - 基片集成波导结构的双通带差分滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有较高的共模抑制、带间隔离度以及可控中心频率的基片集成波导结构的双通带差分滤波器，其包括介质基板、上表面金属层和下表面金属层，介质基板上有贯穿于介质基板的金属化通孔阵列，金属化通孔阵列、上表面金属层与下表面金属层围成了6个基片集成波导腔体。其中，两个差分通带的中心的频率可以通过调整腔体尺寸参数大小来获得。本发明一方面采用基片集成波导技术，利用基片集成波导高次模式来得到第二差模带通。另一方面，在介质基板的上表面金属的特定位置刻蚀四个扰动槽线。通过调整扰动槽线的位置或尺寸，可以提高共模抑制。

Description

基片集成波导结构的双通带差分滤波器

技术领域

本发明涉及差分滤波器领域，具体而言涉及一种基片集成波导结构的双通带差分滤波器。

背景技术

滤波器是电路系统重要的基本单元电路之一，广泛应用于微波通信、雷达导航、电子对抗、卫星通信、弹道制导、测试仪表等系统中，是微波和毫米波系统中不可缺少的重要器件。它性能的优劣往往直接影响整个通信系统的性能指标。在实际工程应用中,从滤波器技术指标的给定到加工成品所要求的时间将越来越短,快速准确的设计出高性能的微波滤波器将是工程设计和市场竞争的必然趋势，设计性能高、体积小、成本低和缩短滤波器研制周期，是市场竞争的必然要求。

差分带通滤波器具有好的信噪比而得到特别的关注，差模信号选择性滤波和共模响应的抑制是最重要指标。国内外很多学者对此进行了研究，但是他们设计的差分带通滤波器通常使用谐振环，巴伦，平面微带结构、双面平行带状线，π网络180°移相器，和槽线谐振器来实现。

基片集成波导(SIW)是一种新的微带线传输形式，其利用金属过孔在介质基片上实现波导的场传播模式。此类波导的一个重要性质是具有与传统矩形波导相近的传播特性，诸如品质因数高、易于设计等，同时较传统波导更为紧凑，具有体积小、重量轻、容易加工和集成等优点，基于此，如何将基片集成波导技术应用到差分滤波器的设计上是当前本领域中急需解决的难题。

发明内容

本发明目的在于将基片集成波导技术引入差分带通滤波器的设计中，提供一种具有较高共模抑制、带间隔离度和可控中心频率的双通带差分滤波器。

本发明的另一目的在于，提供一种前述双通带差分滤波器的制作方法。

本发明的上述目的通过独立权利要求的技术特征实现，从属权利要求以另选或有利的方式发展独立权利要求的技术特征。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种基片集成波导结构的双通带差分滤波器，包括介质基板以及设置在介质基板表面的上表面金属层和下表面金属层，介质基板具有一水平轴线和垂直轴线，水平轴线与信号的传输方向相同，其中：

所述介质基板、上表面金属层和下表面金属层上形成有多个贯穿的金属化通孔，金属化通孔在上表面金属层和下表面金属层表面组成通孔阵列，所述通孔阵列、上表面金属层与下表面金属层围成基片集成波导的六个腔体，分别为第一腔体、第二腔体、第三腔体、第四腔体、第五腔体及第六腔体，其中：

第一腔体与第二腔体关于水平轴线对称，第五腔体与第六腔体关于水平轴线对称，第三腔体与第四腔体设置在介质基板的中央并关于垂直轴线对称，第一腔体与第二腔体、第五腔体与第六腔体分别分布在第三腔体与第四腔体的两侧；

所述第一腔体、第二腔体、第五腔体及第六腔体均为具有第一面积的四方形腔体结构，第三腔体、第四腔体均为具有第二面积的四方形腔体结构，每个腔体的沿水平轴线方向的侧边具有相同的长度，且前述第一面积为第二面积的两倍；

第一腔体与第二腔体分别与第三腔体相连并在连接部位形成有第一耦合窗口，第五腔体与第六腔体分别与第四腔体相连并在连接部位形成有第二耦合窗口，第三腔体与第四腔体的连接部位形成有第三耦合窗口；

在第一、二、五、六腔体内临近上表面金属层、下表面金属层边缘的位置分别插入有四条馈线，分别为第一馈线、第二馈线、第三馈线及第四馈线。

本发明的另一方面还提出一种上述基片集成波导结构的双通带差分滤波器的制作方法，其实现包括以下步骤：

在一介质基板的两个表面上分别安装上表面金属层和下表面金属层，前述介质基板的水平轴线与信号的传输方向相同；

在介质基板、上表面金属层和下表面金属层上形成多个贯穿的金属化通孔，通过金属化通孔在上表面金属层和下表面金属层表面组成通孔阵列，通过所述通孔阵列、上表面金属层与下表面金属层的围包形成基片集成波导的六个腔体，分别为第一腔体、第二腔体、第三腔体、第四腔体、第五腔体及第六腔体，其中：第一腔体与第二腔体关于水平轴线对称，第五腔体与第六腔体关于水平轴线对称，第三腔体与第四腔体设置在介质基板的中央并关于垂直轴线对称，第一腔体与第二腔体、第五腔体与第六腔体分别分布在第三腔体与第四腔体的两侧；所述第一腔体、第二腔体、第五腔体及第六腔体均为具有第一面积的四方形腔体结构，第三腔体、第四腔体均为具有第二面积的四方形腔体结构，每个腔体的沿水平轴线方向的侧边具有相同的长度，且前述第一面积为第二面积的两倍；且

在第一腔体与第二腔体分别与第三腔体相连的部位形成第一耦合窗口，在第五腔体与第六腔体相连的部位形成第二耦合窗口，在第三腔体与第四腔体相连的部位形成第三耦合窗口；

在第一、二、五、六腔体内临近上表面金属层、下表面金属层边缘的位置分别插入四条馈线：第一馈线、第二馈线、第三馈线及第四馈线。

附图说明

图1为本发明一实施方式的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的结构示意图。

图2为图1实施例的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的侧视图。

图3为根据图1实施方式实现的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的一个带尺寸标示的示例。

图4a-4b为添加扰动槽线后的差模共模响应仿真和测试图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

如图1所示，根据本发明的较优实施例，一种基片集成波导结构的双通带差分滤波器，其包括介质基板6以及设置在介质基板6表面的上表面金属层1和下表面金属层7，介质基板6具有一水平轴线L1和垂直轴线L2，水平轴线L1与信号的传输方向相同。

如图1所示，所述介质基板6、上表面金属层1和下表面金属层7上形成有多个贯穿的金属化通孔2，金属化通孔2在上表面金属层1和下表面金属层7表面组成通孔阵列，所述通孔阵列、上表面金属层1与下表面金属层7围包形成基片集成波导的六个腔体，分别为第一腔体31、第二腔体32、第三腔体33、第四腔体34、第五腔体35及第六腔体36。

本实施例中，优选地，前述每个金属化通孔的直径是0.8mm，两个相邻通孔之间的距离是1.2mm。

作为优选，所述介质基板6采用RO5880型号，介电常数为2.2，厚度为0.508mm。

参考图1所示，第一腔体31与第二腔体32关于水平轴线L1对称，第五腔体35与第六腔体36关于水平轴线L1对称，第三腔体33与第四腔体34设置在介质基板6的中央并关于垂直轴线L2对称，第一腔体31与第二腔体32、第五腔体35与第六腔体36分别分布在第三腔体33与第四腔体34的两侧。

所述第一腔体31、第二腔体32、第五腔体35及第六腔体36均为具有第一面积M1的四方形腔体结构，第三腔体33、第四腔体34均为具有第二面积M2的四方形腔体结构，每个腔体的沿水平轴线方向的侧边具有相同的长度，且前述第一面积M1为第二面积M2的两倍。

第一腔体31与第二腔体32分别与第三腔体33相连并在连接部位形成有第一耦合窗口，第五腔体35与第六腔体36分别与第四腔体34相连并在连接部位形成有第二耦合窗口，第三腔体33与第四腔体34的连接部位形成有第三耦合窗口。优选地，所述第一耦合窗口与第二耦合窗口的长度相等，且大于第三耦合窗口的长度。

在第一、二、五、六腔体内临近上表面金属层1、下表面金属层7边缘的位置分别插入有四条馈线，分别为第一馈线51、第二馈线52、第三馈线53及第四馈线54。

作为优选的实施方式，如图1所示，所述第三腔体33内设置有第一扰动槽线41、第二扰动槽线42，第四腔体34内设置有第三扰动槽线43、第四扰动槽线44，第一扰动槽线41、第二扰动槽线42与第三扰动槽线43、第四扰动槽线44关于垂直轴线L2对称分布，第一扰动槽线41、第二扰动槽线42、第三扰动槽线43、第四扰动槽线44的结构相同。前述扰动槽线可以采用例如但不限于蚀刻的方式来形成。

所述四个扰动槽线(41、42、43、44)的长度相等，第一扰动槽线41与第四扰动槽线44关于垂直轴线L2对称，第二扰动槽线42与第三扰动槽线43关于垂直轴线L2对称，四个扰动槽线(41、42、43、44)均关于水平轴线L1对称，且相互平行。

在另选的实施例中，所述第三腔体33、第四腔体34内设置的扰动圆槽(41、42、43、44)替换为四个相同的扰动圆槽。

本实施例中，前述提出的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的实现方法，其制作过程包括以下步骤：

在一介质基板6的两个表面上分别安装上表面金属层1和下表面金属层7，前述介质基板6的水平轴线L1与信号的传输方向相同；

在介质基板6、上表面金属层1和下表面金属层7上形成多个贯穿的金属化通孔2，通过金属化通孔2在上表面金属层1和下表面金属层7表面组成通孔阵列，通过所述通孔阵列、上表面金属层1与下表面金属层7的围包形成基片集成波导的六个腔体，分别为第一腔体31、第二腔体32、第三腔体33、第四腔体34、第五腔体35及第六腔体36，其中：第一腔体31与第二腔体32关于水平轴线L1对称，第五腔体35与第六腔体36关于水平轴线L1对称，第三腔体33与第四腔体34设置在介质基板6的中央并关于垂直轴线L2对称，第一腔体31与第二腔体32、第五腔体35与第六腔体36分别分布在第三腔体33与第四腔体34的两侧；所述第一腔体31、第二腔体32、第五腔体35及第六腔体36均为具有第一面积M1的四方形腔体结构，第三腔体33、第四腔体34均为具有第二面积M2的四方形腔体结构，每个腔体的沿水平轴线方向的侧边具有相同的长度，且前述第一面积M1为第二面积M2的两倍；且

在第一腔体31与第二腔体32分别与第三腔体33相连的部位形成第一耦合窗口，在第五腔体35与第六腔体36相连的部位形成第二耦合窗口，在第三腔体33与第四腔体34相连的部位形成第三耦合窗口；

在第一、二、五、六腔体内临近上表面金属层1、下表面金属层7边缘的位置分别插入四条馈线：第一馈线51、第二馈线52、第三馈线53及第四馈线54。

在优选的实施方式中，前述实现方法还包括以下步骤：

在所述第三腔体33内设置第一扰动槽线41、第二扰动槽线42，在所述第四腔体34内设置第三扰动槽线43、第四扰动槽线44，其中：第一扰动槽线41、第二扰动槽线42与第三扰动槽线43、第四扰动槽线44被设置成关于垂直轴线L2对称分布，且第一扰动槽线41、第二扰动槽线42、第三扰动槽线43、第四扰动槽线44的结构相同。

本实施例中，优选地采用刻蚀方式来形成前述扰动槽线。

更优选地，在设置所述四个扰动槽线(41、42、43、44)时，按照下述方式操作：

将第一扰动槽线41与第四扰动槽线44设置关于垂直轴线L2对称，将第二扰动槽线42与第三扰动槽线43设置关于垂直轴线L2对称，将四个扰动槽线(41、42、43、44)均设置成关于水平轴线L1对称，且相互平行。

更优选地，前述实现方法还包括以下步骤：

调节所述四个扰动槽线41、42、43、44的长度和/或与腔体边缘的距离，从而提高共模抑制水平。

如图3所示为根据图1实施方式实现的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的一个带尺寸标示的示例，其中：六个腔体宽度均为W，第三腔体33和第四腔体34长度为第一腔体31、第二腔体32、第五腔体35及第六腔体36长度L的两倍。第一腔体31、第二腔体32与第三腔体33相连的耦合窗口宽度为F1，由于对称，第五腔体35、第六腔体36与第四腔体34相连的耦合窗口宽度也为F1。第三腔体33与第四腔体34间耦合窗口宽度为F2。馈线宽度均为K1，第一馈线51、第二馈线52、第三馈线53及第四馈线54分别插入第一腔体31、第二腔体32、第五腔体35及第六腔体36，且相对位置相同，距中心线位置的距离为D1，距外侧金属化通孔2的距离为D2。第一馈线51与第二馈线52插入深度为S1，宽度为K2，第三馈线53与第四馈线54插入深度为S2，宽度为S3。

参考图1如图3所示，为了提高差模抑制水平，在介质基板6的上表面金属的特定位置刻蚀了四个扰动槽线。通过调整扰动槽线的位置或尺寸，可以提高共模抑制。四个扰动槽线宽度均为w1，长度为l1mm。第一扰动槽线41与第四扰动槽线44关于垂直轴线对称，距金属化通孔2宽度为x1，第二扰动槽线42与第三扰动槽线43关于垂直轴对称，距中心轴线金属化通孔2宽度x2。

本示例中，为实现基于基片集成波导结构，具有较高共模抑制、带间隔离度和可控中心频率的共模抑制增强型双通带差分滤波器，参数设置选为：W＝16mm；L＝15mm；K1＝1.56mm；K2＝3.2mm；K3＝4.5mm；D1＝6mm；D2＝6.55mm；D3＝4.5mm；D4＝5.3mm；F1＝5.3mm；F2＝4.7mm；S1＝4.7mm；S2＝0.45mm；S3＝3.7mm。

为了提高共模抑制水平，如图3结合图1所示，在第三腔体33与第四腔体34的金属平面顶端刻蚀了四个扰动槽线，滤波器结构的其他尺寸没有变化。如图3所示，试验的滤波器参数设置为X1＝0.75mm，X2＝2.95mm，l1＝6.4mm，w1＝0.9mm。

如图4a-4b所示的添加扰动槽线后的差模共模响应仿真和测试结果示例，其中4a是差模响应仿真测试的结果，4b是共模响应仿真测试结果。对于差模，第一差模通带的中心频率是9.23GHz，-3dB带宽为260MHz。测量所得的插入损耗是2.9dB。第二差模通带的中心频率为14.05GHz，-3dB带宽为780MHz。测量所得最小插入损耗为2.7dB。所设计的滤波器有较高共模抑制、带间隔离度和通带选择性。对于共模信号，在0到15.20GHz间，平均差模衰减优于20dB。测量的共模抑制在第一差模通带高于48dB，在第二差模通带高于40dB。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (8)

1.一种基片集成波导结构的双通带差分滤波器，其特征在于，包括介质基板（6）以及设置在介质基板（6）表面的上表面金属层（1）和下表面金属层（7），介质基板（6）具有一水平轴线（L1）和垂直轴线（L2），水平轴线（L1）与信号的传输方向相同，其中：

所述介质基板（6）、上表面金属层（1）和下表面金属层（7）上形成有多个贯穿的金属化通孔（2），金属化通孔（2）在上表面金属层（1）和下表面金属层（7）表面形成通孔阵列，所述通孔阵列、上表面金属层（1）与下表面金属层（7）围包形成基片集成波导的六个腔体，分别为第一腔体（31）、第二腔体（32）、第三腔体（33）、第四腔体（34）、第五腔体（35）及第六腔体（36），其中：

第一腔体（31）与第二腔体（32）关于水平轴线（L1）对称，第五腔体（35）与第六腔体（36）关于水平轴线（L1）对称，第三腔体（33）与第四腔体（34）设置在介质基板（6）的中央并关于垂直轴线（L2）对称，第一腔体（31）与第二腔体（32）分布在第三腔体（33）与第四腔体（34）的的一侧，第五腔体（35）与第六腔体（36）分布在第三腔体（33）与第四腔体（34）的另一侧；

所述第一腔体（31）、第二腔体（32）、第五腔体（35）及第六腔体（36）均为具有第一面积（M1）的四方形腔体结构，第三腔体（33）、第四腔体（34）均为具有第二面积（M2）的四方形腔体结构，每个腔体的沿水平轴线方向的侧边具有相同的长度，且前述第一面积（M1）为第二面积（M2）的两倍；

所述第三腔体（33）内设置有第一扰动槽线（41）、第二扰动槽线（42），第四腔体（34）内设置有第三扰动槽线（43）、第四扰动槽线（44），第一扰动槽线（41）、第二扰动槽线（42）与第三扰动槽线（43）、第四扰动槽线（44）关于垂直轴线（L2）对称分布，第一扰动槽线（41）、第二扰动槽线（42）、第三扰动槽线（43）、第四扰动槽线（44）的结构相同；

所述四个扰动槽线（41、42、43、44）的长度相等，第一扰动槽线（41）与第四扰动槽线（44）关于垂直轴线（L2）对称，第二扰动槽线（42）与第三扰动槽线（43）关于垂直轴线（L2）对称，四个扰动槽线（41、42、43、44）均关于水平轴线（L1）对称，且相互平行；

所述第一腔体（31）与第二腔体（32）分别与第三腔体（33）相连并在连接部位形成有第一耦合窗口，第五腔体（35）与第六腔体（36）分别与第四腔体（34）相连并在连接部位形成有第二耦合窗口，第三腔体（33）与第四腔体（34）的连接部位形成有第三耦合窗口；

在第一、二、五、六腔体内临近上表面金属层（1）、下表面金属层（7）边缘的位置分别插入一条馈线，形成第一馈线（51）、第二馈线（52）、第三馈线（53）及第四馈线（54）。

2.如权利要求1所述的基片集成波导结构的双通带差分滤波器，其特征在于，所述第一耦合窗口与第二耦合窗口的长度相等，且大于第三耦合窗口的长度。

3.如权利要求1所述的基片集成波导结构的双通带差分滤波器，其特征在于，所述扰动槽线替换为扰动圆槽。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的基片集成波导结构的双通带差分滤波器，其特征在于，所述每个金属化通孔（2）的直径为0.8 mm，两个相邻通孔之间的距离为1.2 mm。

5.一种如前述权利要求1所述基片集成波导结构的双通带差分滤波器的实现方法，其特征在于，包括以下步骤：

在一介质基板（6）的两个表面上分别安装上表面金属层（1）和下表面金属层（7），前述介质基板（6）的水平轴线（L1）与信号的传输方向相同；

在介质基板（6）、上表面金属层（1）和下表面金属层（7）上形成多个贯穿的金属化通孔（2），通过金属化通孔（2）在上表面金属层（1）和下表面金属层（7）表面组成通孔阵列，通过所述通孔阵列、上表面金属层（1）与下表面金属层（7）的围包形成基片集成波导的六个腔体，分别为第一腔体（31）、第二腔体（32）、第三腔体（33）、第四腔体（34）、第五腔体（35）及第六腔体（36），其中：第一腔体（31）与第二腔体（32）关于水平轴线（L1）对称，第五腔体（35）与第六腔体（36）关于水平轴线（L1）对称，第三腔体（33）与第四腔体（34）设置在介质基板（6）的中央并关于垂直轴线（L2）对称，第一腔体（31）与第二腔体（32）、第五腔体（35）与第六腔体（36）分别分布在第三腔体（33）与第四腔体（34）的两侧；所述第一腔体（31）、第二腔体（32）、第五腔体（35）及第六腔体（36）均为具有第一面积（M1）的四方形腔体结构，第三腔体（33）、第四腔体（34）均为具有第二面积（M2）的四方形腔体结构，每个腔体的沿水平轴线方向的侧边具有相同的长度，且前述第一面积（M1）为第二面积（M2）的两倍；且

在第一腔体（31）与第二腔体（32）分别与第三腔体（33）相连的部位形成第一耦合窗口，在第五腔体（35）与第六腔体（36）相连的部位形成第二耦合窗口，在第三腔体（33）与第四腔体（34）相连的部位形成第三耦合窗口；

在第一、二、五、六腔体内临近上表面金属层（1）、下表面金属层（7）边缘的位置分别插入一条馈线，形成第一馈线（51）、第二馈线（52）、第三馈线（53）及第四馈线（54）。

6.根据权利要求5所述的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的实现方法，其特征在于，还包括以下步骤：

在所述第三腔体（33）内设置第一扰动槽线（41）、第二扰动槽线（42），在所述第四腔体（34）内设置第三扰动槽线（43）、第四扰动槽线（44），其中：第一扰动槽线（41）、第二扰动槽线（42）与第三扰动槽线（43）、第四扰动槽线（44）被设置成关于垂直轴线（L2）对称分布，且第一扰动槽线（41）、第二扰动槽线（42）、第三扰动槽线（43）、第四扰动槽线（44）的结构相同。

7.根据权利要求6所述的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的实现方法，其特征在于，在设置所述四个扰动槽线（41、42、43、44）时，按照下述方式操作：

将第一扰动槽线（41）与第四扰动槽线（44）设置成关于垂直轴线（L2）对称，将第二扰动槽线（42）与第三扰动槽线（43）设置成关于垂直轴线（L2）对称，将四个扰动槽线（41、42、43、44）均设置成关于水平轴线（L1）对称，且相互平行。

8.根据权利要求6、7中的任意一项所述的基片集成波导结构的双通带差分滤波器的实现方法，其特征在于，还包括以下步骤：

调节所述四个扰动槽线（41、42、43、44）的长度和/或与腔体边缘的距离。