CN105449322B - 毫米波双通带滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了毫米波双通带滤波器及其设计方法，其中毫米波双通带滤波器包括通过粘合层粘接在一起的第一PCB板和第二PCB板、设置在第一PCB板与第二PCB板上的SIW滤波器及第一PCB板的下表面设置的下边带滤波器；SIW滤波器包括设置在第一PCB板上表面的铜涂层，设置在第二PCB板下表面的铜涂层及位于第一PCB板上表面铜涂层与第二PCB板下表面铜涂层上、且贯穿第一PCB板与第二PCB板的金属过孔和感性窗口；第一PCB板上表面铜涂层上设置有将第一PCB板上表面铜涂层与下边带滤波器导通的盲孔。
Description
技术领域
本发明属于毫米波通信设备、测量仪器等技术领域，具体涉及一种毫米波双通带滤波器及其设计方法。
背景技术
随着通信技术的快速发展和微波低频段的频谱资源枯竭，现代通信向着毫米波频段发展。毫米波频段具有相对带宽、工作波长短、抗干扰能力强、波束窄、方向性好等特点，宽相对带宽意味着可利用带宽大、数据传输率高、信道容量大，而工作波长短和窄波束宽度的特点，在目标追踪及识别的应用中具有高分辨率，其在通信、电子对抗、雷达与跟踪等领域突显出巨大的优势。
现有的毫米波段双频带滤波器主要包括金属波导结构、同轴线结构和带状线结构。传统金属波导结构的Q值高、功率容量大、损耗低等优点，但是其体积大、加工和调试困难、难于与平面集成等缺点；带状线结构的体积小，布局较为灵活，但是其开放式结构在毫米波频段引入辐射损耗很大，不适合于毫米波段应用；同轴线结构的Q值高，功率容量大，但是在毫米波频段，其尺寸太小，现有加工水平不易满足需求，同时其也难以与平面电路集成。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供了一种毫米波双通带滤波器及其设计方法，其具有插入损耗低、频率选择高、信道间隔离大、易与系统集成等优点。
为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：
一方面，提供一种毫米波双通带滤波器，其包括通过粘合层粘接在一起的第一PCB板和第二PCB板、设置在第一PCB板与第二PCB板上的SIW滤波器及第一PCB板的下表面设置的下边带滤波器；SIW滤波器包括设置在第一PCB板上表面的铜涂层，设置在第二PCB板下表面的铜涂层及位于第一PCB板上表面铜涂层与第二PCB板下表面铜涂层上、且贯穿第一PCB板与第二PCB板的金属过孔和感性窗口；第一PCB板上表面铜涂层上设置有将第一PCB板上表面铜涂层与下边带滤波器导通的盲孔。
另一方面，提供一种毫米波双通带滤波器的设计方法，其包括以下步骤：
获取双通带滤波器的中心频率、相对带宽和上通道频率；
根据双通带滤波器的中心频率和相对带宽，由Chebyshev滤波器低通原型计算各个半波长谐振器之间的耦合量：
其中，mi，i+1为第i个半波长谐振器与第i+1个半波长谐振器之间的耦合量，FBW为双通带滤波器的相对带宽，x为1和2，当x为1时，g1i为上通带低通原型参数，当x为2时，g2i为下通带低通原型参数，n为半波长谐振器的个数，1≤i≤n-1；
根据双通带滤波器的上通道频率，获取SIW滤波器的主模截止频率；
计算SIW滤波器的实际宽度：
其中，W为SIW滤波器的等效宽度，Wsiw为SIW滤波器的实际宽度，D为金属过孔的直径，S为相邻金属过孔的中心距，fc为主模截止频率；
采用三维电磁仿真对阻抗变换器的初始长度和初始宽度进行优化，直至双通带滤波器的带内回波达到设定值时，输出阻抗变换器的实际长度和实际宽度；
根据SIW滤波器的等效宽度，计算SIW滤波器的长度：
其中，L为SIW滤波器的长度，εr为相对介电常数，f0为下边带滤波器的中心频率，c0为真空中光速，W为SIW滤波器的等效宽度；
根据下边带滤波器的中心频率，计算下边带滤波器的长度：
其中，lr为下边带滤波器的长度，εr为相对介电常数，c为真空中光速，f0为下边带滤波器的中心频率；
采用三维电磁仿真对计算值SIW滤波器的实际宽度、各个半波长谐振器之间的耦合量、SIW滤波器的长度和下边带滤波器的长度进行优化；
当所有的计算值的频率响应等于设定值时，输出优化后的各个半波长谐振器之间的耦合量、SIW滤波器的实际宽度、SIW滤波器的长度和下边带滤波器的长度。
本发明的有益效果为：本方案采用SIW滤波器作为基本谐振单元，其封闭结构有效减少了辐射损耗，避免了微带、共面波导等开放结构在毫米波频段辐射损耗过大的问题；将下边带滤波器嵌入SIW滤波器中间，在实现双通道频率响应的同时，并未增加额外的电路面积，有利于双通带滤波器的小型化设计。
由于SIW滤波器可以等效为一种平面化介质波导，其兼有微带线和金属波导的优点，在保持波导结构的同时保持了平面结构，其易于与其它平面电路集成；双通带滤波器的两个通道之间的隔离频带位于SIW滤波器的截止频率以下，具有较高的抑制度；同时，该双通带滤波器采用标准PCB加工工艺进行加工，加工简单，由于采用了微带-SIW阻抗变换器设计，该双通带滤波器非常易于应用于实际平面电路的集成。
附图说明
图1毫米波双通带滤波器的立体图。
图2为下边带滤波器的示意图。
图3为第二PCB板的俯视图。
图4为毫米波双通带滤波器的频率响应(S21参数)图。
图5为毫米波双通带滤波器的频率响应(S11参数)图。
其中，1、第二PCB板；2、粘合层；3、第一PCB板；4、输入馈线；5、阻抗变换器；6、中间涂层；7、金属过孔；8、感性窗口；9、盲孔；10、输出馈线；11、SICL馈线；12、半波长谐振器。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
如图1所示，该毫米波双通带滤波器包括通过粘合层2粘接在一起的第一PCB板3和第二PCB板1、设置在第一PCB板3与第二PCB板1上的SIW滤波器及第一PCB板3的下表面设置的下边带滤波器。
其中，第一PCB板3采用Taconic TLY-5，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为0.254mm；第二PCB板1也采用Taconic TLY-5，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为0.254mm，其上表面金属全部去除，下表面金属全部保留形成参考地平面；粘和层采用Taconic TPG-30，其介电常数为3.0，损耗角正切为0.0038，厚度为0.12mm。
参考图1和图3，SIW滤波器包括设置在第一PCB板3上表面的铜涂层，设置在第二PCB板1下表面的铜涂层及位于第一PCB板3上表面铜涂层与第二PCB板1下表面铜涂层上、且贯穿第一PCB板3与第二PCB板1的金属过孔7和感性窗口8；此处表达的是感性窗口8也是位于第一PCB板3上表面铜涂层与第二PCB板1下表面铜涂层上、且贯穿第一PCB板3与第二PCB板1的通孔。
如图1所示，第一PCB板3上表面铜涂层上设置有将第一PCB板3上表面铜涂层与下边带滤波器导通的盲孔9。设计时，优选两排金属过孔7呈周期性排布，且每排金属过孔7的孔距远小于双通带滤波器的波长。
第一PCB板3和第二PCB板1上铜镀层及两排贯穿第一PCB板3和第二PCB板1、且呈周期性排布的金属过孔7构成波导的四个金属壁，实现电磁波在四个金属壁内部的传输，由于每排金属过孔7的孔距远小于双通带滤波器的波长，缝隙泄漏能量很小，可以等效为内部填充介质的金属波导，其无载Q值较高，损耗较小，有利于减少双通带滤波器的带外干扰和提高双通带滤波器的接收灵敏度。
为保持第一PCB板3和第二PCB板1上所有镀有铜涂层表面的光洁度，以及增强导体(铜涂层)的导电性能，所有铜涂层表面均进行了镀金处理，其镀金厚度为1um。
在本发明的一个实施例中，第一PCB板3上表面的铜涂层包括输入馈线4、输出馈线10，两个分别与输入馈线4和输出馈线10连接的阻抗变换器5和位于两个阻抗变换器5之间的中间涂层6；位于第一PCB板3上的金属过孔7、感性窗口8和盲孔9设置于中间涂层6所在段。
如图1所示，本方案的阻抗变换器5的外形优选设置呈梯形；这样设置的主要目的是方便测量S参数和实现阻抗变换。输入馈线4和输出馈线10均采用50欧姆微带馈线，优选50欧姆微带馈线的宽度为0.77mm。
如图2所示，下边带滤波器包括两段SICL馈线11和设置在两段SICL馈线11之间的至少一个半波长谐振器12；利用半波长谐振器12的终端耦合使得双通带滤波器在特定频率上形成带通响应。设计时，优选设置有三个半波长谐振器12；优选两段SICL馈线11和所有的半波长谐振器12位于同一条直线上。
下面以本方案的双通滤波器选取两个通带的中心频率分别为33.2GHz、38.2GHz，3-dB带宽分别为1GHz(3％)、1.5GHz(4％)为例进行试验，并将实验结果与仿真实验进行对比分析：
双通滤波器的散射参数的仿真与测试如图4和图5所示，本方案双通滤波器的测试结果与仿真测试结果保持一致，其中，上下边带的回波损耗分别大于10dB、12dB，插入损耗分别为4.8dB、2.4dB，另外，信道隔离度大于35dB。
至此，已完成对毫米波双通滤波器的具体阐述，下面接着对毫米波双通滤波器的设计方法进行详细说明：
该毫米波双通滤波器的设计方法包括以下步骤：
获取双通带滤波器的中心频率、相对带宽和上通道频率；双通带滤波器的中心频率一般选取33GHz或38GHz，相对带宽一般选取3％或3.7％。
根据双通带滤波器的中心频率和相对带宽，由Chebyshev滤波器低通原型计算各个半波长谐振器12之间的耦合量：
其中，mi，i+1为第i个半波长谐振器12与第i+1个半波长谐振器12之间的耦合量，FBW为双通带滤波器的相对带宽，x为1和2，当x为1时，g1i为上通带低通原型参数，当x为2时，g2i为下通带低通原型参数，n为半波长谐振器12的个数，1≤i≤n-1；
根据双通带滤波器的上通道频率，获取SIW滤波器的主模截止频率，并计算SIW滤波器的实际宽度：
其中，W为SIW滤波器的等效宽度，Wsiw为SIW滤波器的实际宽度，D为金属过孔7的直径，S为相邻金属过孔7的中心距，fc为主模截止频率；SIW滤波器的实际宽度对应的主模截止频率fc应该小于下边带滤波器通带内最低频率33GHz，即fc<33GHz。
采用三维电磁仿真对阻抗变换器5的初始长度和初始宽度进行优化，直至双通带滤波器的带内回波达到设定值(此处的设定值为20dB)时，输出阻抗变换器5的实际长度和实际宽度；其中，阻抗变换器5的初始长度为四分之一波长，初始宽度为输入馈线4的宽度。
根据SIW滤波器的等效宽度，计算SIW滤波器的长度：
其中，L为SIW滤波器的长度，εr为相对介电常数，f0为下边带滤波器的中心频率，c0为真空中光速，W为SIW滤波器的等效宽度；
根据下边带滤波器的中心频率，计算下边带滤波器的长度：
其中，lr为下边带滤波器的长度，εr为相对介电常数，c为真空中光速，f0为下边带滤波器的中心频率；
采用三维电磁仿真对计算值SIW滤波器的实际宽度、各个半波长谐振器12之间的耦合量、SIW滤波器的长度和下边带滤波器的长度进行优化；
当所有的计算值的频率响应等于设定值(此处的设定值为20dB)时，输出优化后的各个半波长谐振器12之间的耦合量、SIW滤波器的实际宽度、SIW滤波器的长度和下边带滤波器的长度。
本方案，优选下边带滤波器含有三个半波长谐振器12；设计时，优选当半波长谐振器12个数为3时，上通带低通原型参数低通原型参数g10＝g14＝1,g11＝g13＝1.0316,g12＝1.1474，下通带低通原型参数g20＝1,g21＝1.1088,g22＝1.3062,g23＝1.7704g24＝0.8181,g25＝1.3554。
综上所述，该毫米波双通带滤波器解决了在毫米波频段辐射损耗过大、难以与其他平面有源电路集成、需要额外并列的谐振单元导致电路面积增大的问题。
Claims (9)
1.毫米波双通带滤波器，其特征在于，包括通过粘合层粘接在一起的第一PCB板和第二PCB板、设置在第一PCB板与第二PCB板上的SIW滤波器及所述第一PCB板的下表面设置的下边带滤波器；所述SIW滤波器包括设置在第一PCB板上表面的铜涂层，设置在第二PCB板下表面的铜涂层及位于第一PCB板上表面铜涂层与第二PCB板下表面铜涂层上、且贯穿第一PCB板与第二PCB板的金属过孔和感性窗口；所述第一PCB板上表面铜涂层上设置有将第一PCB板上表面铜涂层与所述下边带滤波器导通的盲孔；所述下边带滤波器包括两段SICL馈线和设置在两段SICL馈线之间的至少一个半波长谐振器。
2.根据权利要求1所述的毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述第一PCB板上表面的铜涂层包括输入馈线、输出馈线、两个分别与所述输入馈线和输出馈线连接的阻抗变换器及位于两个阻抗变换器之间的中间涂层；位于第一PCB板上的金属过孔、感性窗口和盲孔设置于中间涂层所在段。
3.根据权利要求2所述的毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述阻抗变换器外形呈梯形。
4.根据权利要求2所述的毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述输入馈线和输出馈线均采用50欧姆微带馈线。
5.根据权利要求1-4任一所述的毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述第一PCB板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为0.254mm。
6.根据权利要求1-4任一所述的毫米波双通带滤波器，其特征在于，所述第二PCB板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.001，厚度为0.254mm。
7.一种权利要求1-6任一所述的毫米波双通带滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取双通带滤波器的中心频率、相对带宽和上通道频率；
根据所述双通带滤波器的中心频率和相对带宽，由Chebyshev滤波器低通原型计算各个半波长谐振器之间的耦合量：
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其中，mi，i+1为第i个半波长谐振器与第i+1个半波长谐振器之间的耦合量，FBW为双通带滤波器的相对带宽，x为1和2，当x为1时，g1i为上通带低通原型参数，当x为2时，g2i为下通带低通原型参数，n为半波长谐振器的个数，1≤i≤n-1；
根据双通带滤波器的上通道频率，获取SIW滤波器的主模截止频率；
计算SIW滤波器的实际宽度：
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其中，W为SIW滤波器的等效宽度，Wsiw为SIW滤波器的实际宽度，D为金属过孔的直径，S为相邻金属过孔的中心距，fc为主模截止频率；
采用三维电磁仿真对阻抗变换器的初始长度和初始宽度进行优化，直至双通带滤波器的带内回波达到设定值时，输出阻抗变换器的实际长度和实际宽度；
根据SIW滤波器的等效宽度，计算SIW滤波器的长度：
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其中，L为SIW滤波器的长度，εr为相对介电常数，f0为下边带滤波器的中心频率，c0为真空中光速，W为SIW滤波器的等效宽度；
根据下边带滤波器的中心频率，计算下边带滤波器的长度：
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其中，lr为下边带滤波器的长度，εr为相对介电常数，c为真空中光速，f0为下边带滤波器的中心频率；
采用三维电磁仿真对计算值SIW滤波器的实际宽度、各个半波长谐振器之间的耦合量、SIW滤波器的长度和下边带滤波器的长度进行优化；
当所有的计算值的频率响应等于设定值时，输出优化后的各个半波长谐振器之间的耦合量、SIW滤波器的实际宽度、SIW滤波器的长度和下边带滤波器的长度。
8.根据权利要求7所述的毫米波双通带滤波器的设计方法，其特征在于，所述阻抗变换器的初始长度为四分之一波长，初始宽度为输入馈线的宽度。
9.根据权利要求7所述的毫米波双通带滤波器的设计方法，其特征在于，当半波长谐振器个数为3时，上通带低通原型参数低通原型参数g10＝g14＝1,g11＝g13＝1.0316,g12＝1.1474，下通带低通原型参数g20＝1,g21＝1.1088,g22＝1.3062,g23＝1.7704g24＝0.8181,g25＝1.3554。
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