CN105390779A

CN105390779A - 一种siw叠层滤波器

Info

Publication number: CN105390779A
Application number: CN201510868955.3A
Authority: CN
Inventors: 汪晓光; 李丽华; 张宇希; 邓龙江; 陈虹宇; 董师伶
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-12-02
Filing date: 2015-12-02
Publication date: 2016-03-09
Anticipated expiration: 2035-12-02
Also published as: CN105390779B

Abstract

一种SIW叠层滤波器，属于微波无源器件领域。包括输入端、SIW本体和输出端，所述SIW本体为多个SIW谐振腔叠层，输入端、输出端与靠近谐振腔的金属层中心开设圆形电耦合孔，所述多个SIW谐振腔在相邻介质层间的金属层开设矩形磁耦合孔，以实现相邻谐振腔之间的电磁场耦合；其特征在于，所述输入端和输出端的圆形电耦合孔中设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合；所述介质圆柱的底面的中心在滤波器的中垂面上。本发明通过在背景技术SIW叠层结构腔体滤波器的圆形电耦合孔内设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合，在不影响插入损耗的前提下，实现了更好的匹配，使回波损耗下降了2.8dB，提升了滤波器的性能。

Description

一种SIW叠层滤波器

技术领域

本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种SIW叠层滤波器。

背景技术

滤波器作为现代微波通信系统、雷达系统以及电子对抗等系统中的重要无源器件，在整个系统中占据着相当重要的地位。随着无线电通信技术的发展，无线电频谱变得越来越拥挤，在信号的传输过程中，常常会伴随着不需要或者在所需频段附近的高能信号，滤波器在信道选择、滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用以及高性能的振荡、放大、倍频和混频电路中，都发挥着不可替代的作用。根据使用上形式的不同，滤波器可分为集中LC滤波器、介质滤波器、腔体滤波器、晶体滤波器、声表面滤波器以及微带电路滤波器。

基片集成波导(substrateintegratedwaveguide:SIW)是上世纪90年代提出的一种新型波导结构，其基本结构为在低损耗介质基板上下两面覆以金属层，基板两侧加以金属化通孔。SIW具有矩形波导和微带线的优点，即具有低损耗、高Q值、高功率容量、小型化和易于集成等优点，同时能通过现有的PCB或LTCC工艺来制作。因此，在微波、毫米波通信器件和系统的开发研究领域受到了越来越多的关注。

SIW叠层滤波器具有成本低、小型化、高品质因数、高功率以及易集成的优点，已广泛应用于雷达、电子对抗和通讯等系统中。由于基于SIW的谐振腔的厚度远远小于其长度和宽度，因此SIW谐振腔腔体耦合主要是通过腔体地面金属板的开孔和侧壁金属化通孔开窗以及通孔形成探针等结构来实现。申请号为201510264490.0的发明专利“一种SIW叠层结构腔体滤波器及其设计方法”公开了一种SIW腔体滤波器，包括输入端、SIW本体和输出端，SIW本体是用腔体叠层的方式将介质层重叠，相邻介质层层间均有一层将其隔开的金属片，SIW本体中的每一层介质层均为SIW谐振腔；金属片的中心开设有圆形电耦合孔或在介质层两铜通孔边即纵向边中间与SIW铜通孔相切处开设矩形磁耦合孔，所述矩形磁耦合孔对角线交点在腔体纵向中垂线上，上述耦合孔实现相邻谐振腔之间的电磁场耦合。然而，孔耦合有时不能实现良好的匹配，且由于加工技术精度的限制，加工得到符合要求的通孔的技术难度较大。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种SIW叠层滤波器。本发明SIW叠层滤波器在背景技术SIW叠层结构腔体滤波器的圆形电耦合孔内设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合，在不影响插入损耗的前提下，实现了更好的匹配，使回波损耗下降了2.8dB，提升了滤波器的性能。

本发明的技术方案如下：

一种SIW叠层滤波器，包括输入端、SIW本体和输出端，所述SIW本体为多个SIW谐振腔叠层得到，所述输入端、输出端与靠近谐振腔的金属层中心开设圆形电耦合孔，所述圆形电耦合孔的中心在滤波器的中垂面上；所述多个SIW谐振腔在相邻介质层间的金属层开设矩形磁耦合孔，以实现相邻谐振腔之间的电磁场耦合，所述矩形磁耦合孔边缘与金属通孔相切，所述矩形磁耦合孔对角线的交点在腔体纵向中垂面上，所述第k个谐振腔与第(k-1)个谐振腔的矩形磁耦合孔位于横向边的不同侧；其特征在于，所述输入端和输出端的圆形电耦合孔中设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合；所述介质圆柱的底面的中心在滤波器的中垂面上。

进一步地，所述介质圆柱的高小于圆形电耦合孔的深度。

进一步地，所述介质圆柱的底面圆的半径小于圆形电耦合孔的半径。

进一步地，所述谐振腔的个数为3～10。

进一步地，所述输入端和输出端为SIW传输线，输入端、输出端与谐振腔腔体之间的耦合通过圆形电耦合孔和介质圆柱实现。

上述SIW叠层滤波器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：选择介质基板材料，并由所需指标和微波技术理论计算SIW谐振腔的个数，确定各谐振腔的谐振频率以及相邻谐振腔之间的耦合系数；

步骤2：利用SIW和矩形波导的等效公式确定SIW谐振腔的金属通孔间距、金属通孔直径和两排通孔间距；构建SIW谐振腔，微调金属通孔间距得到确定的谐振频率；

步骤3：利用SIW和矩形波导的等效公式确定输入端和输出端传输线的金属通孔间距、金属通孔直径和两排通孔间距；

步骤4：构建相邻谐振腔之间，以及输入端、输出端和谐振腔之间的耦合结构，确定矩形通孔的尺寸以及圆孔半径R；

步骤5：建立滤波器模型，调节各个腔体的谐振频率和耦合强度；

步骤6：在输入端和输出端的圆形电耦合孔中加入介质圆柱，所述介质圆柱底面半径为r，调节介质柱的相对介电常数，优化滤波器的性能。

本发明的有益效果为：本发明通过在背景技术SIW叠层结构腔体滤波器的圆形电耦合孔内设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合，在不影响插入损耗的前提下，实现了更好的匹配，使回波损耗下降了2.8dB，提升了滤波器的性能。

附图说明

图1为现有的SIW叠层滤波器的整体模型透视图，SIW结构透明；

图2为本发明SIW叠层滤波器的输入端俯视图；

图3为现有的SIW叠层滤波器的S₁₁参数仿真结果；

图4为本发明SIW叠层滤波器的S₁₁参数仿真结果；

图5为现有的SIW叠层滤波器的S₁₂参数仿真结果；

图6为本发明SIW叠层滤波器的S₁₂参数仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

一种SIW叠层滤波器，包括输入端、SIW本体和输出端，所述SIW本体为n(n＝3～10)个SIW谐振腔叠层得到，所述输入端靠近谐振腔的金属层中心开设圆形电耦合孔，输出端靠近谐振腔的金属层中心开设圆形电耦合孔，所述圆形电耦合孔的中心在滤波器的中垂面上；所述n个SIW谐振腔在相邻介质层间的金属层开设矩形磁耦合孔，以实现相邻谐振腔之间的电磁场耦合，所述矩形磁耦合孔边缘与金属通孔相切，所述矩形磁耦合孔对角线的交点在腔体纵向中垂面上，所述第k个谐振腔与第(k-1)个谐振腔的矩形磁耦合孔位于横向边的不同侧,k＝2,…,n；其特征在于，所述输入端和输出端的圆形电耦合孔中均设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合；所述介质圆柱的底面的中心在滤波器的中垂面上，介质圆柱为直圆柱。

实施例

一种SIW叠层滤波器的设计方法，包括以下步骤：

步骤1、选取Rogers_3003低损耗介质基板，其相对介电常数为3，损耗角正切为0.0013，基板厚度为0.5mm，金属覆铜层厚度为0.1mm，SIW金属化通孔覆铜；

步骤2、根据通频带9.6GHz～10.3GHz、回波损耗RL<20dB的要求，利用仿真软件coupfil确定滤波器参数和结构：为了得到较好的带外抑制，设计五阶腔体滤波器，每个谐振腔的谐振频率为9.98GHz，耦合系数K₁₂＝K₄₅＝0.059，K₂₃＝K₃₄＝0.044，有载品质因数Q_L＝14.21，其中，K₁₂表示第一个谐振腔和第二个谐振腔之间的耦合系数；

步骤3、用SIW和矩形波导的等效公式，在满足低电磁辐射的条件下，确定SIW的金属通孔间距P和金属通孔直径D，计算SIW谐振腔的两排通孔间距W；具体地，在HFSS中构建SIW谐振腔模型，得到P＝1.4mm，D＝0.8mm，W＝12.6mm；

步骤4、在HFSS中构建腔体滤波器，包括五层SIW谐振腔以及位于五层谐振腔上下的输入端和输出端；横向方向上介质层宽度为a，第一个通孔中心和最后一个通孔中心间距为W，通孔间距为p_w，纵向方向上介质层长度为b，第一个通孔中心和最后一个通孔中心间距为L，通孔间距为p_L，在为了满足谐振频率9.98GHz的条件下，调节谐振腔的长度，微调金属通孔的间距，得到a＝15mm，b＝15.49mm，W＝12.6mm，L＝13.09mm，p_w＝1.4mm，p_L＝1.309mm；输入端、输出端SIW传输线的结构参数为：传输线两排通孔间距W＝14mm，金属通孔直径D＝0.8mm，金属通孔孔间距P＝1.4mm；

步骤5、调节相邻谐振腔之间，以及输入端、输出端和谐振腔之间的耦合结构的尺寸，以得到一定强度的耦合；相邻谐振腔之间矩形耦合孔的尺寸：a₁₂＝a₄₅＝2.5mm，b₁₂＝b₄₅＝3.91mm，a₂₃＝a₃₄＝2.5mm，b₂₃＝b₃₄＝3.27mm，其中，a₁₂表示第一SIW谐振腔和第二SIW谐振腔之间的耦合孔的宽度，b₁₂表示第一SIW谐振腔和第二SIW谐振腔之间的耦合孔的长度，其它以此类推；输入端、输出端和谐振腔之间的耦合采用电耦合的方式，根据有载品质因数可确定圆形电耦合孔的半径R＝3.61mm；

步骤6、耦合结构与谐振腔之间会有相互影响，因此需反复调试参数，以优化滤波器的性能；最终，确定的五个谐振腔的参数为：a₁＝a₂＝a₃＝a₄＝a₅＝15mm，W₁＝W₂＝W₃＝W₄＝W₅＝12.6mm，p_w1＝p_w2＝p_w3＝p_w4＝p_w5＝1.4mm，b₁＝b_s＝18.24mm，L₁＝L_s＝16.04mm，P_L1＝P_Ls＝1.33mm，b₂＝b₄＝14.03mm，L₂＝L₄＝11.63mm，P_L2＝P_L4＝1.29mm，b₃＝14.33mm，L₃＝11.93mm，P_L3＝1.325mm，其中，a₁表示第一层介质层横向宽度，W₁表示第一层介质横向上第一个通孔中心和最后一个通孔中心间距，p_w1表示第一层介质横向上相邻通孔间距，b₁表示第一层介质层纵向长度，L₁表示第一层介质纵向上第一个通孔中心和最后一个通孔中心间距，P_L1表示第一层介质纵向上相邻通孔间距；耦合孔的参数为：a₁₂＝a₄₅＝2.51mm，b₁₂＝b₄₅＝4.44mm，a₂₃＝a₃₄＝2.63mm，b₂₃＝b₃₄＝3.45mm，R＝3.5mm；

步骤7、在输入端、输出端与谐振腔之间的两个耦合圆孔中均加入介质圆柱，所述介质圆柱底面半径r为1mm，介质圆柱与圆形电耦合孔等高，调节介质圆柱的相对介电常数，优化滤波器的性能；确定介质圆柱的相对介电常数为1.26。

由图4和图6可知，实施例得到的SIW叠层滤波器的中心频率为10GHz，通频带为9.65GHZ～10.33GHZ，通带内回波损耗大于22.8dB，插入损耗小于1.8dB，矩形系数K_40dB＝2.27。由图3到图6可知，本发明SIW叠层滤波器与现有结构相比，在不影响插入损耗的前提下，回波损耗降低了2.8dB。

Claims

1.一种SIW叠层滤波器，包括输入端、SIW本体和输出端，所述SIW本体为多个SIW谐振腔叠层得到，所述输入端、输出端与靠近谐振腔的金属层中心开设圆形电耦合孔，所述圆形电耦合孔的中心在滤波器的中垂面上；所述多个SIW谐振腔在相邻介质层间的金属层开设矩形磁耦合孔，以实现相邻谐振腔之间的电磁场耦合，所述矩形磁耦合孔边缘与金属通孔相切，所述矩形磁耦合孔对角线的交点在腔体纵向中垂面上，所述第k个谐振腔与第(k-1)个谐振腔的矩形磁耦合孔位于横向边的不同侧；其特征在于，所述输入端和输出端的圆形电耦合孔中设置介质圆柱，以调节输入端和输出端的耦合；所述介质圆柱的底面的中心在滤波器的中垂面上。

2.根据权利要求1所述的SIW叠层滤波器，其特征在于，所述介质圆柱的高小于圆形电耦合孔的深度。

3.根据权利要求1所述的SIW叠层滤波器，其特征在于，所述介质圆柱的底面圆的半径小于圆形电耦合孔的半径。

4.根据权利要求1所述的SIW叠层滤波器，其特征在于，所述谐振腔的个数为3～10。