CN105720337B - 基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器 - Google Patents

基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器 Download PDF

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Abstract

基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，包含位于中心的两个基片集成波导单元和两端的微带馈电线。基片集成波导单元包括三个部分：顶层金属层，包含介质基板和两排金属通孔的中间层，底层金属地。所述顶层金属层刻蚀互补开口谐振环和折叠带状线结合形成的谐振器结构。本发明利用互补开口谐振环自身特性以及在开口谐振环通带内引入折叠带状线结构的传输零点形成双谐振点谐振器，采用基片集成波导技术，利用两个相同的谐振器单元级联和耦合理论，获得一个中心频点可控且具有良好选择性和较好阻带抑制特性的双带滤波器。

Description

基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器
技术领域
本发明涉及微波毫米波滤波器，具体涉及基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器。
背景技术
随着无线通信系统朝着高集成化、高密度方向的发展，滤波器集成化、小型化面临新的机遇和挑战。由于频谱资源的有限性，单频段通信系统已经不能满足现代无线通信的发展需求，为了提高通信频段的兼容性并且有效利用频谱资源，双带滤波器得到了广泛的关注。采用双带滤波器可以降低系统体积，提高系统可靠性并且能够大大简化系统的设计。
传统的双带滤波器采用两个或多个单频带滤波器以实现双频点，造成了系统的损耗和体积大，无法满足现代无线通信的发展要求。基片集成波导的滤波器既具有传统波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也具有微带的尺寸小、低剖面、易于集成等优点。目前基片集成波导的双带滤波器，通过刻蚀特定结构在谐振器通带内产生传输零点，从而获得双谐振点的谐振器，再通过级联的方式产生耦合形成双带滤波器，滤波器中心频点可控且具有良好的选择性和带外抑制性。
发明内容
本发明的主要目的是采用基片集成波导技术，结合互补开口谐振环和折叠带状线，通过在顶层金属层刻蚀开口谐振环可形成一个单谐振点谐振器，再通过在顶层金属层刻蚀折叠带状线结构可产生一个传输零点。通过控制开口谐振环和折叠带状线结构的尺寸可控制传输零点位于开口谐振环通带内部，进而从原本的单谐振点谐振器获得双谐振点的谐振器。通过级联两个相同的谐振器产生耦合形成双带滤波器，具有中心频点可控且选择性和带外抑制性良好的特点。
本发明通过以下技术方案实现：
基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，包括位于中心的两个基片集成波导单元和两端的微带馈电线。
所述基片集成波导单元由三层结构组成：顶层金属层、中间层、底层金属地。
所述顶层金属层刻蚀两个关于中心位置对称的谐振器结构,四段“几”字形的折叠带状线结构和位于顶层金属层左右两端的微带馈电线；所述微带馈电线与两个基片集成波导单元左右两端相连接；所述谐振器结构包含四个尺寸相同的呈开口矩形的互补开口谐振环四个互补开口谐振环呈上下两排均匀分布，上排的互补开口谐振环开口向上，下排的互补开口谐振环开口向下；所述折叠带状线蚀刻于谐振器结构内,每个谐振器结构包含两段关于中垂线左右对称的折叠带状线，左边的折叠带状线整体呈逆时针旋转90度的“几”字型，与水平方向垂直的上竖边同左上互补开口谐振环的右竖边重合，与水平方向平行的上横边同左上互补开口谐振环的下横边重合，与水平方向垂直的中竖边，分别连接左上互补开口谐振环下横边的左端和左下互补开口谐振环上横边的左端，与水平方向平行的下横边同左下互补开口谐振环的上横边重合，与水平方向垂直的下竖边同左下互补开口谐振环的右竖边重合。
所述中间层包含了介质基板和金属通孔，所述两排金属通孔位于介质基板两侧各一排，用于连接顶层金属层和底层金属地。
所述位于顶层金属层的两个基片集成波导单元的间距L1影响两者耦合系数，所述间距L1为2mm，用于满足设计要求的耦合系数。
所述谐振器结构具有一个由折叠带状线尺寸控制的传输零点和只由开口谐振环尺寸控制的谐振点,具体尺寸如下：每个开口谐振环的长度L2为5mm，缝隙宽度W1为1mm，开口金属宽度W2为1mm，折叠带状线折叠段长度L3为0.3mm，折叠段宽度W5为5mm，线宽W3为1mm，位于水平方向的两个开口谐振环的间隙宽度W4为0.3mm。
所述微带馈电线包含一段50Ω馈电线和一段锥形渐变微带线，锥形渐变微带线一端与顶层金属层的基片集成波导单元相连接，另一端与输入、输出的50Ω馈电线相连接，用于实现阻抗匹配。
所述微带馈电线的50Ω馈电线宽度为1.09mm，锥形渐变微带线与顶层金属层基片波导集成单元相连接边缘宽度为6mm，用于满足设计要求的外部品质因数。
所述金属通孔的直径d为0.7mm，相邻两个金属通孔的圆心距s为0.9mm。
所述介质基板为Rogers4003，厚度为0.508mm。
本发明的有益效果：
1.本发明采用基片集成波导刻蚀开口谐振环和折叠带状线结构，利用了开口谐振环独立的谐振点和折叠带状线可产生位于开口谐振环通带内部的传输零点的特性形成双频点谐振器，再通过两个相同结构的谐振器级联产生耦合形成双带滤波器。
2.谐振点是通过互补开口谐振环自身尺寸决定，传输零点的位置是由折叠带状线结构自身尺寸决定，实现了谐振点、传输零点位置的精确控制。
3.采用基片集成波导技术设计滤波器，具有损耗低、品质因数高、易于集成等优点。精确设计了微带馈电线中锥形渐变微带线以及50Ω馈电线的长度和宽度，可满足所需外部品质因数的匹配。
4.本发明设计的滤波器遵循传统耦合理论，可以满足不同滤波器设计的选择性和带宽等要求。
附图说明
图1是本发明提出的双带滤波器的结构图；
图2是本发明提出的双带滤波器的顶层结构图；
图3是所述基片集成波导单元的顶层结构图；
图4是所述构成谐振器的开口谐振器；
图5是折叠带状线的结构图；
图6是本发明提出的双带滤波器的频率响应曲线图。
具体实施方式：
下面结合实例及附图对本发明做进一步说明：
需要理解的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“中心”等指示的方位和位置关系都是基于附图所示的方位和位置关系，仅是为了便于本发明的简化描述，而不是指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1，图2，图3,图4和图5所示，基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，包括位于中心的两个基片集成波导单元3和两端的微带馈电线5。
基片集成波导单元3由三层结构组成：顶层金属层1、中间层7、底层金属地2。
顶层金属层1刻蚀两个关于中心位置对称的谐振器结构6,四段“几”字形的折叠带状线结构6和位于顶层金属层1左右两端的微带馈电线5；所述微带馈电线5与两个基片集成波导单元3左右两端相连接；所述谐振器结构6包含四个尺寸相同的呈开口矩形的互补开口谐振环6a，四个互补开口谐振环6a呈上下两排均匀分布，上排的互补开口谐振环6a开口向上，下排的互补开口谐振环6a开口向下；所述折叠带状线6b蚀刻于谐振器结构6内,每个谐振器结构6包含两段关于中垂线左右对称的折叠带状线6b，左边的折叠带状线6b整体呈逆时针旋转90度的“几”字型，与水平方向垂直的上竖边同左上互补开口谐振环6a的右竖边重合，与水平方向平行的上横边同左上互补开口谐振环6a的下横边重合，与水平方向垂直的中竖边，分别连接左上互补开口谐振环6a下横边的左端和左下互补开口谐振环6a的左端，与水平方向平行的下横边同左下互补开口谐振环6a的上横边重合，与水平方向垂直的下竖边同左下互补开口谐振环6a的右竖边重合。
中间层包含了介质基板和金属通孔4，所述两排金属通孔4位于介质基板两侧各一排，用于连接顶层金属层1和底层金属地2；
微带馈电线5包含一段50Ω馈电线5a和一段锥形渐变微带线5b，锥形渐变微带线5b一端与顶层金属层1的基片集成波导单元3相连接，另一端与输入、输出的50Ω馈电线5a相连接，用于实现阻抗匹配。
位于顶层金属层1的两个基片集成波导单元3的间距L1影响两者耦合系数，所述间距L1为2mm，用于满足设计要求的耦合系数。
谐振器结构6具有一个传输零点和只由开口谐振环自身尺寸控制的谐振点。通过在顶层金属层1蚀刻折叠带状线6b结构，可产生一个由折叠带状线6b结构自身尺寸控制的传输零点，传输零点位置设定在开口谐振环通带内部，可将原本仅由开口谐振环结构构成的单谐振点的谐振器转变成一个双谐振点的谐振器。根据精确设计两个相同谐振器结构级联的距离L1来确定耦合系数。再结合传统耦合理论，最终实现一个具有良好选择性和带外抑制特性的双带滤波器，且中心频点可控。谐振器结构6尺寸如下：每个开口谐振环的长度L2为5mm，缝隙宽度W1为1mm，开口金属宽度W2为1mm，折叠带状线折叠段长度L3为0.3mm，折叠段宽度W5为5mm，线宽W3为1mm，位于水平方向的两个开口谐振环的间隙宽度W4为0.3mm。
微带馈电线5的50Ω馈电线5a宽度为1.09mm，锥形渐变微带线5b与顶层金属层1基片波导集成单元3相连接边缘宽度为6mm，用于满足设计要求的外部品质因数。
金属通孔4的直径d为0.7mm，相邻两个金属通孔的圆心距s为0.9mm。
介质基板为Rogers4003，厚度为0.508mm。
如图6所示，为该本实例的频率响应曲线图。图中包括两大曲线︱S21︱、︱S11︱，曲线︱S21︱是信号的传输特性曲线，曲线︱S11︱是端口的反射特性曲线。由图可知，该滤波器具有较为陡峭的截至频率，带外抑制达到了50dB，具有非常好的带外抑制特性，且该滤波器具有双带通带响应，其中一个通带的中心频率是4.36GHz，通带内最小插损0.97dB，回波损耗大于17dB，其通带3dB小数带宽为9.63％；第二通带的中心频率为6.07GHz，通带内最小插入损耗为1.41dB，通带内回波损耗大于12.7dB，其通带3dB小数带宽为6.75％，两个通带之间从4.88GHz到5.44GHz传输特性衰减也达到了20dB。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：包括位于中间的两个基片集成波导单元（3）和位于两端的微带馈电线（5）；所述微带馈电线（5）与两个基片集成波导单元（3）左右两端相连接；
所述基片集成波导单元（3）由三层结构组成：顶层金属层（1）、中间层（7）、底层金属地（2）；
所述顶层金属层（1）刻蚀两个关于中心位置对称的谐振器结构（6）；所述每个谐振器结构（6）包含四个尺寸相同的呈开口矩形的互补开口谐振环（6a），四个互补开口谐振环（6a）呈上下两排均匀分布，上排的互补开口谐振环（6a）开口向上，下排的互补开口谐振环（6a）开口向下；每个谐振器结构（6）还包含两段关于中垂线左右对称的折叠带状线（6b），左边的折叠带状线（6b）整体呈逆时针旋转90度的“几”字型，其与水平方向垂直的上竖边同左上互补开口谐振环（6a）的右竖边重合，与水平方向平行的上横边同左上互补开口谐振环（6a）的下横边重合，与水平方向垂直的中竖边，分别连接左上互补开口谐振环（6a）下横边的左端和左下互补开口谐振环（6a）上横边的左端，与水平方向平行的下横边同左下互补开口谐振环（6a）的上横边重合，与水平方向垂直的下竖边同左下互补开口谐振环（6a）的右竖边重合；
所述中间层包含介质基板和金属通孔（4），所述两排金属通孔（4）位于介质基板两侧各一排，用于连接顶层金属层（1）和底层金属地（2）；
所述两个基片集成波导单元（3）和两端的微带馈电线（5）的中心线在一条直线上，整个滤波器结构是一个轴对称结构。
2.根据权利要求1所述基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：所述两个基片集成波导单元（3）的间距为L1，影响两者耦合系数，L1为2mm，用于满足设计要求的耦合系数。
3.根据权利要求1所述基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：所述谐振器结构（6）具有一个由折叠带状线尺寸控制的传输零点和只由开口谐振环尺寸控制的谐振点，具体尺寸如下：每个开口谐振环（6a）的长度L2为5mm，缝隙宽度W1为1mm，开口谐振环的开口宽度W2为1mm，折叠带状线（6b）的折叠段长度L3为0.3mm，折叠段宽度W5为5mm，线宽W3为1mm，位于水平方向的两个开口谐振环的间隙宽度W4为0.3mm。
4.根据权利要求1所述基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：所述微带馈电线（5）包含一段50Ω馈电线（5a）和一段锥形渐变微带线（5b），锥形渐变微带线（5b）一端与基片集成波导单元（3）相连接，另一端与输入、输出的50Ω馈电线（5a）相连接，用于实现阻抗匹配。
5.根据权利要求4所述基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：所述微带馈电线（5）的50Ω馈电线（5a）宽度为1.09mm，锥形渐变微带线（5b）与基片波导集成单元（3）相连接边缘宽度为6mm，用于满足设计要求的外部品质因数。
6.根据权利要求1所述基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：所述金属通孔（4）的直径d为0.7mm，相邻两个金属通孔的圆心距s为0.9mm。
7.根据权利要求1所述基片集成波导互补开口谐振环和带状线结构的双带滤波器，其特征在于：所述介质基板为Rogers4003，厚度为0.508mm。
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