CN105742765B - 一种中心频率及带宽全可调的hmsiw滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器。本发明利用由双层介质板叠加构成的半模基片集成腔体滤波器,且上层介质板比下层介质面积大，为加载调谐元件提供了物理空间，中心频率以及带宽的调谐通过加载变容管来实现。上层介质板金属层凹陷与下层介质板金属层构成较强电容效应，谐振频率的下降不再仅仅依靠增大谐振腔尺寸，通过外部并联加载的变容管来调谐频率，创新性的实现了SIW结构的频率调谐方式，同时引入HMSIW迎合了现代射频通信系统对于小型化的要求并解决了传统腔体滤波器很难通过外部加载调谐原件来完成可调的问题。

Description

一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器
技术领域
本发明属于电子信息技术领域，具体为一种同时能够实现中心频率以及带宽全可调的射频滤波器.
背景技术
二十一世纪以来无线通信技术飞速发展，使得频谱资源越来越稀缺，为了充分地利用十分有限的频谱资源，无线通信设备中广泛采用了跳频、扩频、频率动态分配等技术，并且出现了支持多种通信制式的可重构通信系统。可调射频滤波器(以下简称为可调滤波器)作为这些技术与系统不可或缺的器件，近年来越来越受到重视。在民用通信中，传统的固定滤波器需要多个不同频段的滤波器相组合才能实现波段可调，但这样不符合小型化、低成本的主流趋势，这促使了可调滤波器的快速发展。在军事雷达和跟踪接收机系统中，电子侦察系统需要收集所有雷达接收到的信息，接收机需要覆盖很宽的频段；在电子战雷达系统中，雷达系统为了不被敌方截获，要求接收机和发射机的中心频率能够在任何时候实现迅速变化，这样可调滤波器的研究就具有十分重要的应用价值和现实意义。
微带结构的可调滤波器设计已经十分普遍了，但是腔体滤波器，其结构类似于一个“密封的金属盒”，很难通过加载可调元件实现可调，这类滤波器的调谐一般通过物理结构上的调谐螺丝来完成，曾有公司为移动通信基站开发过使用步进电机控制调谐螺丝实现可调腔体滤波器，但最终由于可重构通信系统对调谐速度的要求放弃推广了(使用步进电机在物理结构上改变调谐螺丝位置需要大量时间，而电调的调谐元件所需的调谐时间通常在ns级)。
目前无论是实现中心频率可调带宽可预置，带宽可重构中心频率固定，乃至双通带频率独立可调的射频滤波器都已经比较成熟了，但是目前能同时实现中心频率和带宽全可调的研究成果相对还是比较少，中心频率和带宽全可调滤波器能够实现对各种制式的通信业务的“量身定制”，是可调滤波器的终极设计目标。在频谱日益拥挤的当今,很多实际应用中对带宽有一定的要求,带宽未经控制的调谐滤波器很难进入使用.研究性能优良的频率和带宽全可调滤波器具有迫切需求。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑的半模介质基片集成波导(HMSIW)结构的中心频率带宽全可调的带通腔体滤波器。半模基片集成波导拥有和基片集成波导相似的性能,却只有其尺寸的一半,符合现代无线通信系统对于小型化的要求。
本发明滤波器主要包括两个由上层金属层下陷形成的谐振腔，输入输出馈线，以及用于调谐频率、带宽、外部Q值的变容管；
所述的滤波器主要由两层介质板构成，且上层介质板比下层介质板面积大，在长宽上都向外延伸，延伸部分用于加载输入输出馈线以及调谐元件；所述的上层介质板上表面以及下层介质板下表面铺设金属层；所述的上层介质板金属层的两处向下凹陷，形成两个谐振腔；所述的上层介质板下表面和下层介质板上表面设有周期性分布、一一对应的金属柱；所述凹陷的上层介质板金属面与下层介质板金属面，以及周期性分布的金属柱共同构成了“凹形”HMSIW滤波器。
所述的滤波器可以采用双层PCB板叠加，或采用LTCC工艺(即低温共烧陶瓷工艺)；其中若采用双层PCB板，则需要利用捆绑铜导线对上下对接的金属柱进行短接。
进一步地，所述的滤波器若采用双层PCB板叠加工艺，上层PCB板金属面凹陷部分可通过挖槽形式实现；所述的上层PCB板下表面挖槽四周设有第一部分凹陷金属层，该第一部分凹陷金属层与上层PCB板下表面间加载有沿挖槽四周周期性分布的金属柱，用以防止电磁能量外泄，保持了整个结构的完整性；所述的下层PCB板上表面挖槽对应处设有与挖槽大小相同的第二部分凹陷金属层；当上下两PCB板叠加时，第一部分凹陷金属层和第二部分凹陷金属层组合形成凹陷部分金属层；
所述的凹陷部分金属层与下层介质板金属层构成较强的电容效应，通过在凹陷金属层与下层介质板金属层间垂直加载变容二极管，用以实现中心频率可调。
所述的滤波器存在两个谐振腔，两个谐振腔间的耦合包括磁耦合和电耦合。磁耦合通过开窗即增减两谐振腔间的金属柱来实现，是固定的。电耦合由加载在两谐振腔凹陷部分金属层间的变容二极管来实现，通过改变二极管容值调节两个谐振腔间的耦合系数。
所述的输入与输出馈线加载在上层板比下层板延伸的部分，并通过变容二极管与凹陷金属层相连。由该变容二极管构成的可调变压器结构，完成对外部Q值的控制。
所述的滤波器结构紧凑，为可调腔体滤波器的小型化提供了新思路，调谐范围大，且制作工艺要求低。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明谐振腔等效电路图；
图3为该可调滤波器在各频点带宽调谐的S参数仿真图；
其中1为金属柱，2为挖槽，3-1为第一部分凹陷金属层，3-2为第二部分凹陷金属层，4为输入馈线，5为上层PCB板金属层，6为输出馈线，7为下层PCB板金属层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本实施例采用的HMSIW结构由于电磁传播特性与SIW结构近似，以下的相关计算均基于完整的SIW结构。
如图1、图2，该发明可调腔体滤波器由两层PCB板叠加而成，两层PCB板有上下两排周期性排列一一对应的金属柱1，并且利用捆绑铜导线一一短接构成了谐振腔外壁(由于两层PCB间铺铜造成上下两层板间有空隙，上下两排金属柱开路)。上层板比下层板面积大，在长宽上都向外延伸，这样设计为加载调谐元件提供了物理空间。上层板的上表面以及下层板的下表面都是金属层，上下两层PCB板金属柱1、上层PCB板金属层5、下层PCB板金属层7共同构成了两个半模基片集成谐振腔。谐振腔的上层金属层的中心部分两处向下凹陷，凹陷通过在上层PCB板挖槽即2实现，上层PCB板下表面挖槽2四周设有第一部分凹陷金属层3-1，该第一部分凹陷金属层3-1与上层PCB板下表面间加载有沿挖槽四周周期性分布的金属柱，用以防止电磁能量外泄，保持了整个结构的完整性；下层PCB板上表面挖槽对应处设有与挖槽大小相同的第二部分凹陷金属层3-2；当上下两PCB板叠加时，第一部分凹陷金属层3-1和第二部分凹陷金属层3-2组合形成凹陷部分金属层；输入馈线4与输出馈线6通过变容管与凹陷金属层相连，两个谐振腔之间的耦合由开窗即增减两腔间周期性排列的金属柱以及加载于两个谐振腔的凹陷金属层间的变容二极管共同构成。在凹陷金属层与下层PCB的下层金属层7间加载有变容二极管，用于调谐谐振频率。
根据图2，同时利用集总参数谐振器谐振频率f0的计算公式(1)，通过谐振腔的等效电容C0、等效电感L就能得到谐振器的谐振频率。：
其中CV1为加载于凹陷金属层与下层金属层7间的变容二极管电容；
根据图2所示的滤波器的中心频率可调通过控制CV1来实现，上式中的C0是凹陷金属层与下层金属层7构成的电容效应，可近似由平行电容板得到：
a是下陷正方形金属层的边长，h1是凹陷金属层与下层金属层7之间的距离，即下层PCB板的高度，ε0是真空中的介电系数，εr介质板的介电常数，κ为静电力常量。
等效电感L的近似表达式如下：
b是谐振腔的长度，u0为真空中磁导率，u1为谐振腔介质的相对磁导率，h为谐振腔的高度。
所述的滤波器的带宽可调是通过控制CV2来实现的，其中CV2为加载在两谐振腔凹陷部分金属层间的变容二极管的电容。凹陷部分通过上层周期性分布的金属柱来防止能量泄露，如图1所示。通过减少一部分金属柱使得电流通过变容二极管，从而控制CV2来调节带宽。由于变容管的Q值相对较低，故开窗得到的磁耦合Km为主要耦合方式，由加载变容管得到的电耦合Ke为次要耦合方式，两腔间的耦合为k＝Km-Ke，增加CV2，即增大电耦合强度Ke来削弱两个谐振腔之间的耦合，从而完成对带宽的可调。
所述的滤波器在输入输出馈线4、6与谐振腔之间加入串联的变容二极管，通过改变该变容二极管电容CV3来完成对外部Q值的可调。
附图3可以看出，本发明较好地实现了带宽以及中心频率可调，具有较宽的中心频率与带宽调谐范围。
本发明创新性的利用HMSIW结构解决了腔体滤波器较难通过加载可调元件实现频率及带宽可调的问题；提出了一种新的HMSIW频率调谐方式；同时加载的调谐元件较少，为实际调试工作减轻了工作量；上层中心部分金属层下陷与下层PCB金属层都成的电容效应为缩小结构尺寸带来了优势。

Claims (5)

1.一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器，其特征在于包括两个由上层金属面下陷形成的谐振腔，输入输出馈线，以及用于调谐频率、带宽、外部Q值的变容二极管；
所述的滤波器主要由两层介质板构成，且上层介质板比下层介质板面积大，延伸部分用于加载输入输出馈线以及调谐元件；所述的上层介质板上表面以及下层介质板下表面铺设金属层；所述的上层介质板金属层的两处向下凹陷，形成两个谐振腔；所述的上层介质板下表面和下层介质板上表面设有周期性分布、一一对应的金属柱；
所述的上层介质板金属层凹陷部分通过挖槽形式实现，上层介质板下表面挖槽四周设有第一部分凹陷金属层；该第一部分凹陷金属层与上层介质板下表面间设有沿挖槽四周周期性分布的金属柱，且这些金属柱贯穿设置在上层介质板，用以防止电磁能量外泄；所述的下层介质板上表面挖槽对应处设有与挖槽大小相同的第二部分凹陷金属层；当上下两介质板叠加时，第一部分凹陷金属层和第二部分凹陷金属层组合形成整个凹陷部分金属层；
所述的变容二极管CV1垂直加载在凹陷部分金属层与下层介质板金属层间，用以实现中心频率可调；
所述的变容二极管CV2加载在两谐振腔凹陷金属层间，用以实现带宽可调；
所述的变容二极管CV3加载在输入输出馈线与谐振腔间，用以实现外部Q值可调。
2.如权利要求1所述的一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器，其特征在于所述的滤波器采用双层PCB板叠加工艺，或采用LTCC工艺。
3.如权利要求2所述的一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器，其特征在于所述的滤波器采用双层PCB板，则需要利用捆绑铜导线对金属柱进行一一短接。
4.如权利要求2所述的一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器，其特征在于所述的滤波器采用双层PCB板叠加工艺，上层PCB板金属层凹陷部分通过挖槽形式实现。
5.如权利要求1所述的一种中心频率及带宽全可调的HMSIW滤波器，其特征在于所述的两个谐振腔间存在两种耦合方式，一种是通过开窗形成的磁耦合，一种是通过加载变容管形成的电耦合；
磁耦合通过开窗即增减两谐振腔间的金属柱来实现；
电耦合由加载在两个谐振腔的凹陷金属层间的变容二极管来实现，通过改变该二极管容值调节两个谐振腔间的耦合系数。
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