CN105655673B - 一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

该发明公开了一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，属于微波毫米波领域。滤波器包括介质基板、设于基板正面的金属贴片、以及覆盖基板背面的接地板，基板上加载有介质柱，且介质柱之间刻蚀有阶梯阻抗槽线。本发明采用半模基片集成波导技术设计滤波器，相对于传统矩形波导和传输线结构的滤波器，其具有损耗低、品质因数高和易于集成等优点。而半模基片集成波导与传统的基片集成波导相比，在保持了基片集成波导传输特性的同时，尺寸减小了一半，结构更为紧凑，集成度更高。

Description

一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器
技术领域
本发明属于微波毫米波领域，具体涉及一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器。
背景技术
滤波器是现代无线通信系统中用来分离和组合各种不同频率信号的重要元件。随着人们对有限频谱资源需求的不断增长，特别是未来智能化无线通信频段的不断细分和增加，现代通信系统对滤波器的性能和结构正提出更高的要求。传统的滤波器设计方法在满足现代无线通信系统对滤波器低插入损耗、高选择性、宽阻带、小型化、易于集成等方面的要求则显不足。为了兼顾对滤波器高性能和小型化等多方面的需求，人们将基片集成波导和半模基片集成波导、折叠基片集成波导、消逝模基片集成波导等改进结构应用到滤波器的设计中，主要通过基片中波导结构的变化实现小型化，并提高其阻带性能。但这些方式实现的滤波器在兼顾元件的良好特性和紧凑型等方面有明显限制。
另一方面，基于介质谐振器的微波电路电磁性能良好，具有体积小、插损低和结构灵活等优点，已被广泛地应用于微波电路和天线的设计中。但目前的介质谐振器电路大多依托于金属腔体，难以与平面电路实现一体化集成。因此，研发一种能将介质谐振器与微波平面集成电路的优势结合起来的实现方案有重要应用价值。上海交通大学有研究人员在2009年提出了一种介质加载基片集成波导结构，并以此实现了一款带通滤波器。该滤波器具有结构紧凑、插损小、寄生通带距离主通带较远等特性。但这款带通滤波器采用的是在基片集成波导方腔的中心加载介质柱来实现，这就导致元件整体尺寸偏大。
发明内容
本发明的主要目的是采用在半模基片集成波导中加载介质柱的方法，实现一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，该滤波器可被用于高数据率通信系统射频前端。
本发明通过以下技术方案实现：一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，包括介质基板、设于基板正面的金属贴片、以及覆盖基板背面的接地板，其特征在于：所述金属贴片包括矩形金属贴片、通过阻抗渐变微带线与矩形金属贴片连接的位于两端的输入输出微带馈线。
所述矩形金属贴片通过一排金属化通孔与接地板连接，金属化通孔、接地板以及金属贴片一起构成了半模基片集成波导。
所述介质基板设有n+1个圆柱形通孔，其中n大于或等于1，通孔内填充有介质柱，介质柱的上下底面分别贴合矩形金属贴片及接地板。
所述矩形金属贴片上分布有n个阻抗槽线，阻抗槽线位于相邻两介质柱之间，其距离金属化通孔较远的一端与矩形金属贴片的长边重合。
所述阻抗渐变微带线为直角梯形金属贴片，其高阻抗端与矩形金属贴片相连，低阻抗端与微带馈线相连。
所述阻抗槽线为两段或两段以上阻抗不同的槽线构成的阶梯形槽线。
所述介质柱为高性能陶瓷材料。
本发明中每个加载介质柱的半模基片集成波导单元都被视为一个谐振单元。通过改变介质柱的尺寸，确定介质加载半模基片集成波导单元的谐振频率；精确设计半模基片集成波导的宽度(即金属化通孔的中心到矩形金属贴片较远长边的距离)，确定半模基片集成波导的主模截止频率，并且该主模截止频率远远高于介质加载半模基片集成波导单元的谐振频率，对缩小滤波器的尺寸非常有利。各谐振单元之间互相有耦合作用，最终实现带通滤波器的传输特性。
所述介质加载半模基片集成波导带通滤波器的关键技术难点之一在于解决加载介质柱的半模基片集成波导单元之间的耦合问题，确定影响滤波器传输特性的关键结构参数。在加载介质柱的半模基片集成波导单元之间刻蚀阶梯阻抗槽线，有效地减弱了相邻谐振单元之间的耦合，使整个滤波器结构更加紧凑，并且对由半模基片集成波导的主模所引起的高次谐波也有很大的抑制作用，极大地拓展滤波器的阻带范围。
本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：
1、采用半模基片集成波导技术设计滤波器，相对于传统矩形波导和传输线结构的滤波器，其具有损耗低、品质因数高和易于集成等优点。而半模基片集成波导与传统的基片集成波导相比，在保持了基片集成波导传输特性的同时，尺寸减小了一半，结构更为紧凑，集成度更高。
2、采用介质加载半模基片集成波导，使得滤波器尺寸小，结构紧凑，设计简单，成本低，可以适用于多种通信系统。
3、该滤波器不但具有插入损耗低、选择性好等特点，而且其寄生响应距离主通带远，因此同时具有谐波抑制特性好的优点。
附图说明
图1为一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器结构主视图；
图2为一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器结构后视图；
图3为一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器的结构尺寸图；
图4为一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器宽带范围传输特性曲线；
图5为一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器窄带范围传输特性曲线。
附图标号说明：1.接地板，2.介质基板，3.矩形金属贴片，4.阻抗渐变微带线，5.介质柱，6.金属化通孔，7.槽线，8.输入输出微带馈线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案：
如图1和图2所示，一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，包括矩形介质基板2(介质基板2为长*宽*厚＝32mm*14mm*0.787mm的Rogers duroid 5880基板，其相对介电常数εr＝2.2，损耗角正切tanδ＝0.0009。)、设于基板正面的金属贴片、以及覆盖基板背面的接地板1。
金属贴片包括矩形金属贴片3、通过梯形阻抗渐变微带线4与矩形金属贴片3连接的位于两端的50Ω输入输出微带馈线8，金属贴片下端与基板长边的距离为5.6mm。
矩形金属贴片3通过一排圆形金属化通孔6与接地板1连接，通孔直径为0.8mm，通孔间隙为0.75mm。
本实施例为三阶带通滤波器，因此介质基板设有3个填充有介质柱5的圆柱形通孔，介质柱的上下底面分别贴合矩形金属贴片3及接地板1。介质柱5的材料为介电常数大于介质基板的高性能陶瓷材料，其尺寸由滤波器的工作频率确定，本实施例中介质柱的相对介电常数为εrd＝39，且中间介质柱的半径大于两侧介质柱的半径。
矩形金属贴片3上分布有2个由两段宽度不同的槽线组成的阶梯形阻抗槽线，用于减弱加载介质柱的半模基片集成波导单元之间的耦合强度。
该实施例尺寸标记如图3所示，具体对应参数如下表所示：
符号 值(mm) 符号 值(mm) 符号 值(mm) 符号 值(mm)
W<sub>1</sub> 4 L<sub>1</sub> 20 W<sub>in1</sub> 2.3 W<sub>in2</sub> 0.5
W<sub>s1</sub> 0.3 W<sub>s2</sub> 0.8 L<sub>s1</sub> 2 L<sub>s2</sub> 1.9
L<sub>d</sub> 6.4 L<sub>in</sub> 4 D<sub>1</sub> 3.16 D<sub>2</sub> 2.98
仿真结果如图4和图5所示，其中图4为宽带范围的传输特性，图5为窄带范围的传输特性。从仿真结果可以看出，本实施例的中心频率为5GHz，相对带宽7.5％，通带内插入损耗绝对值低于0.95dB，回波损耗绝对值大于18dB，-20dB阻带抑制从5.35GHz开始，最高到16.69GHz，相当于中心频率的3.34倍。整个滤波器的尺寸为20.0×4×0.787mm3，远小于传统的平面半模基片集成波导滤波器。
因此，本发明所述的一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，无论从通带性能、阻带带宽以及体积等方面都有出色的表现。

Claims (4)

1.一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，包括介质基板、设于基板正面的金属贴片、以及覆盖基板背面的接地板，其特征在于：所述金属贴片包括矩形金属贴片、通过阻抗渐变微带线与矩形金属贴片连接的位于两端的输入输出微带馈线；
所述矩形金属贴片通过一排金属化通孔与接地板连接；
所述介质基板设有n+1个圆柱形通孔，其中n大于或等于1，圆柱形通孔内填充有介质柱，介质柱的上下底面分别贴合矩形金属贴片及接地板；
所述矩形金属贴片上分布有n个阻抗槽线，阻抗槽线位于相邻两介质柱之间，其距离金属化通孔较远的一端与矩形金属贴片的长边重合。
2.如权利要求1所述的一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述阻抗渐变微带线为直角梯形金属贴片，其高阻抗端与矩形金属贴片相连，低阻抗端与微带馈线相连。
3.如权利要求1所述的一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述阻抗槽线为两段或两段以上阻抗不同的槽线构成的阶梯形槽线。
4.如权利要求1所述的一种介质加载半模基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述介质柱为陶瓷材料。
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