CN105762448A - 一种可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，包括基片集成波导谐振腔。基片集成波导谐振腔包括介质基片、设置在介质基片正面和反面的两层金属层，以及沿介质基片边缘设置的贯穿两层金属层的外围金属化通孔；基片集成波导两端设有输入端口和输出端口，外围金属化通孔围成的区域内设有多组内部金属化通孔，内部金属化通孔包括共线的两列内部金属化通孔，共线的两列内部金属化通孔之间形成感性窗，上金属层上开设有位于感性窗上方的非谐振节点结构。本发明可通过调整非谐振节点结构的尺寸来控制电耦合强度，通过调整感性窗的宽度来控制磁耦合强度，从而控制传输零点位于上阻带还是下阻带。

Description

一种可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及基片集成波导滤波器，特别是涉及一种可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器。

背景技术

基片集成波导是近年来出现在微波毫米波领域内的一种能够集成于介质基片中的新型导波结构，用它构成的滤波器具有插入损耗小、辐射低、功率容量高等优点。

现有技术中提出了能够产生混合电磁耦合的基片集成波导滤波器，但是其无法实现电磁耦合的可控，也即无法通过控制电耦合和磁耦合的强弱来控制传输零点位于上阻带或者下阻带，设计灵活性较差。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种能够实现电磁耦合可控的基片集成波导滤波器。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，包括基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔包括介质基片、设置在介质基片正面的上金属层、设置在介质基片反面的下金属层，以及沿介质基片边缘设置的贯穿两层金属层的外围金属化通孔，基片集成波导谐振腔两端设有输入端口和输出端口，所述外围金属化通孔围成的区域内设有多组内部金属化通孔，内部金属化通孔包括共线的两列内部金属化通孔，共线的两列内部金属化通孔之间形成感性窗，上金属层上开设有位于感性窗上方的非谐振节点结构，非谐振节点结构包括三条平行的槽线。

进一步，所述三条槽线的形状、尺寸均相同，且相邻两条槽线之间的距离也相同。

进一步，所述非谐振节点结构与感性窗个数相同，且非谐振节点结构位于感性窗的正上方。

进一步，所述介质基片为长方体，外围金属化通孔关于介质基片中心对称。

进一步，所述外围金属化通孔包括沿介质基片长边设置的第一行外围金属化通孔和第二行外围金属化通孔，以及沿介质基片宽边设置的第一列外围金属化通孔和第二列外围金属化通孔，所述共线的两列内部金属化通孔分别垂直于第一行外围金属化通孔和第二行外围金属化通孔，且所述滤波器中心对称。

进一步，所有外围金属化通孔的形状、尺寸均相同，相邻两个外围金属化通孔之间的距离也相同。

进一步，所述每组内部金属化通孔中，所有内部金属化通孔的形状、尺寸均相同，相邻两个内部金属化通孔之间的距离也相同。

进一步，所述输入端口和输出端口均采用微带线到共面波导的过渡结构。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

(1)本发明在感性窗上方引入非谐振节点结构，可通过调整非谐振节点结构的尺寸来控制电耦合的强度，通过调整感性窗的宽度来控制磁耦合的强度，从而通过控制电耦合占优还是磁耦合占优来控制传输零点位于上阻带还是下阻带；

(2)本发明设有多组内部金属化通孔、多个感性窗和多个非谐振节点结构，从而构成N阶滤波器，能够实现N-1个可控的传输零点，N≥1，便于实现较好的带内和带外滤波特性；

(3)本发明具有设计灵活、结构简单、适用频率范围宽、易于平面集成和成本低等优点。

附图说明

图1为本发明的第一种具体实施方式和第二种具体实施方式的侧视图；

图2为本发明的第一种具体实施方式的俯视图；

图3为本发明的第一种具体实施方式的等效电路图；

图4为本发明的实施例1、实施例2和实施例3的S21仿真结果图；

图5为本发明的实施例4、实施例5和实施例6的S21仿真结果图；

图6为本发明的第二种具体实施方式的俯视图；

图7为本发明的实施例7的S11和S21的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。

第一种具体实施方式：

本具体实施方式的滤波器结构的侧视图如图1所示，包括基片集成波导谐振腔，基片集成波导谐振腔包括介质基片2、设置在介质基片2正面的上金属层1、设置在介质基片2反面的下金属层3，以及沿介质基片2边缘设置的贯穿两层金属层的外围金属化通孔41，如图2所示。介质基片2为长方体，外围金属化通孔41包括沿介质基片2长边设置的第一行外围金属化通孔和第二行外围金属化通孔，以及沿介质基片2短边设置的第一列外围金属化通孔和第二列外围金属化通孔。外围金属化通孔41围成的区域内部设有一组内部金属化通孔42，该组内部金属化通孔42包括共线的第一列内部金属化通孔和第二列内部金属化通孔，第一列内部金属化通孔自第一行外围金属化通孔的中间部位向介质基片2的中轴线方向延伸，第二列内部金属化通孔自第二行外围金属化通孔的中间部位向介质基片2的中轴线方向延伸，且第一列内部金属化通孔与第二列内部金属化通孔之间形成一个感性窗口。上金属层1上还开设有一个非谐振节点结构7，非谐振节点结构7位于上金属层1的正中间、感性窗口的正上方，非谐振节点结构7包括三条平行的槽线71，三条槽线71的形状、尺寸均相同，且相邻两条槽线71之间的距离也相同。此外，基片集成波导谐振腔的两端还设有输入端口5和输出端口6，输入端口5和输出端口6采用尺寸相同的微带线到共面波导的过渡结构，如图2所示。整个滤波器中心对称。

图3是本具体实施方式的等效电路图，本具体实施方式中由外围金属化通孔41和内部金属化通孔42围成了两个谐振器，也即构成了一个二阶的滤波器。每个谐振器都由串联的电感L和电容C组成，两个谐振器之间具有耦合电感Lm和耦合电容Cm，以分别产生磁耦合和电耦合。

滤波器的谐振频率f₀由式(1)得到：

$f_0=\frac{c_0}{2\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r}}\sqrt{\frac{1}{{L_{eff}}^2}+\frac{1}{{W_{eff}}^2}}---\left(1\right)$

式(1)中，c₀和ε_r分别表示自由空间中的光速和介质基片的介电常数，L_eff和W_eff分别为谐振器的等效长度和等效宽度，分别如式(2)和式(3)所示；

$L_{eff}=L-\frac{{D_v}^2}{0.95P}---\left(2\right)$

$W_{eff}=W-\frac{{D_v}^2}{0.95P}---\left(3\right)$

式(2)、式(3)中，L为图2中的L_x，W为图2中的Ly1或者Ly2，D_v为外围金属化通孔和内部金属化通孔的直径，P为相邻两个金属化通孔之间的距离。

等效电路的耦合系数k可以通过式(4)来计算：

$k=\frac{M_C-E_C}{1-M_C{E}_C}---\left(4\right)$

式(4)中，M_C,E_C分别为磁耦合系数和电耦合系数，如式(5)所示；

$M_C=\frac{L_m}{L},E_C=\frac{C}{C_m}---\left(5\right)$

式(5)中，L_m,C_m分别代表等效电路中的耦合电感和耦合电容。

由式(4)、式(5)可以看出，总的耦合系数由M_C,E_C共同确定，同时其大小可以通过调节L_m,C_m进行控制。

对于此二阶滤波器，混合电磁耦合产生的传输零点位置f_m与中心频率f₀之间存在着一定关系，即：

$\frac{f_0}{f_m}=\sqrt{\frac{M_c}{E_c}}---\left(6\right)$

由公式(6)可知，混合电磁耦合产生的传输零点，相对于通带而言，磁耦合占优时传输零点位于下阻带，电耦合占优时传输零点位于上阻带。因此，可以通过调节M_C,E_C的大小，也即通过调节非谐振节点结构的尺寸Lgx和S，以及感性窗口的尺寸Lx2，来控制传输零点位于下阻带或者上阻带。

下面介绍本具体实施方式的六个实施例：

实施例1：

图2中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝2.8mm，Lx2＝7.5mm，Lx3＝2.8mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.4mm，S＝0.8mm，Lgy＝18mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝18.25mm，Ly2＝18.25mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例2：

图2中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝2.8mm，Lx2＝7.5mm，Lx3＝2.8mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.43mm，S＝0.86mm，Lgy＝18mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝18.25mm，Ly2＝18.25mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例3：

图2中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝2.8mm，Lx2＝7.5mm，Lx3＝2.8mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.45mm，S＝0.9mm，Lgy＝18mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝18.25mm，Ly2＝18.25mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例4：

图2中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝2.8mm，Lx2＝10.4mm，Lx3＝2.8mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.25mm，S＝0.5mm，Lgy＝23mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝18.25mm，Ly2＝18.25mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例5：

图2中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝2.8mm，Lx2＝10.2mm，Lx3＝2.8mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.25mm，S＝0.5mm，Lgy＝23mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝18.25mm，Ly2＝18.25mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例6：

图2中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝2.8mm，Lx2＝10mm，Lx3＝2.8mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.25mm，S＝0.5mm，Lgy＝23mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝18.25mm，Ly2＝18.25mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例1、实施例2和实施例3的S21仿真结果如图4所示，这三种实施例中均是电耦合占优，传输零点均位于上阻带。

实施例4、实施例5和实施例6的S21仿真结果如图5所示，这三种实施例中均是磁耦合占优，传输零点均位于下阻带。

第二种具体实施方式：

本具体实施方式的滤波器结构的侧视图如图1所示，包括基片集成波导谐振腔，基片集成波导谐振腔包括介质基片2、设置在介质基片2正面的上金属层1、设置在介质基片2反面的下金属层3，以及沿介质基片2边缘设置的贯穿两层金属层的外围金属化通孔41，如图6所示。介质基片2为长方体，外围金属化通孔41包括沿介质基片2长边设置的第一行外围金属化通孔和第二行外围金属化通孔，以及沿介质基片2短边设置的第一列外围金属化通孔和第二列外围金属化通孔。外围金属化通孔41围成的区域内部设有两组内部金属化通孔42，第一组内部金属化通孔包括共线的第一组第一列内部金属化通孔和第一组第二列内部金属化通孔，第一组第一列内部金属化通孔垂直于第一行外围金属化通孔，第一组第二列内部金属化通孔垂直于第二行外围金属化通孔，且第一组第一列内部金属化通孔和第一组第二列内部金属化通孔之间形成第一感性窗；第二组内部金属化通孔包括共线的第二组第一列内部金属化通孔和第二组第二列内部金属化通孔，第二组第一列内部金属化通孔垂直于第一行外围金属化通孔，第二组第二列内部金属化通孔垂直于第二行外围金属化通孔，且第二组第一列内部金属化通孔和第二组第二列内部金属化通孔之间形成第二感性窗。上金属层1上还开设有两个非谐振节点结构，分别是位于第一感性窗正上方的第一非谐振节点结构8和位于第二感性窗正上方的第二非谐振节点结构9。第一非谐振节点结构8包括三条平行均匀的第一槽线81，三条第一槽线81的形状、尺寸均相同，相邻两条第一槽线81之间的距离也相同。第二非谐振节点结构9包括三条平行均匀的第二槽线91，三条第二槽线91的形状、尺寸均相同，相邻两条第二槽线91之间的距离也相同。并且，第一槽线81和第二槽线91的形状、尺寸均相同。此外，基片集成波导谐振腔的两端还设有输入端口5和输出端口6，输入端口5和输出端口6采用尺寸相同的微带线到共面波导的过渡结构，如图6所示。整个滤波器中心对称。

本具体实施方式中由外围金属化通孔41和内部金属化通孔42围成了三个谐振器，也即构成了一个三阶滤波器。

下面介绍本具体实施方式的一个实施例。

实施例7：

图6中各参数的尺寸为：Wm＝1.534mm，Lm＝15mm，Lx1＝Lx4＝2.8mm，Lx2＝Lx3＝7.5mm，Lcx＝0.51mm，Lcy＝8.1mm，Lgx＝0.45mm，S＝0.9mm，Lgy＝19.4mm，Lx＝16.34mm，Ly1＝Ly3＝18.24mm，Ly2＝19.24mm，D_v＝0.6mm，P＝1mm，介质基片为Rogers5880，其介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。

实施例7的S11和S21仿真结果如图7所示，可见，本实施例中相邻两个谐振器之间均是电耦合占优，因此两个传输零点均位于上阻带。滤波器的中心频率为7.01GHz,带宽为400MHz，通带内插入损耗0.77dB，波损耗优于25dB，上阻带7.89GHz、9.1GHz处产生了2个传输零点。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，包括基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔包括介质基片(2)、设置在介质基片(2)正面的上金属层(1)、设置在介质基片(2)反面的下金属层(3)，以及沿介质基片(2)边缘设置的贯穿两层金属层的外围金属化通孔(41)，基片集成波导谐振腔两端设有输入端口(5)和输出端口(6)，其特征在于：所述外围金属化通孔(41)围成的区域内设有多组内部金属化通孔(42)，内部金属化通孔(42)包括共线的两列内部金属化通孔，共线的两列内部金属化通孔之间形成感性窗，上金属层(1)上开设有位于感性窗上方的非谐振节点结构，非谐振节点结构包括三条平行的槽线。

2.根据权利要求1所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述三条槽线的形状、尺寸均相同，且相邻两条槽线之间的距离也相同。

3.根据权利要求2所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述非谐振节点结构与感性窗个数相同，且非谐振节点结构位于感性窗的正上方。

4.根据权利要求1所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述介质基片(2)为长方体，外围金属化通孔(41)关于介质基片(2)中心对称。

5.根据权利要求4所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述外围金属化通孔(41)包括沿介质基片(2)长边设置的第一行外围金属化通孔和第二行外围金属化通孔，以及沿介质基片(2)宽边设置的第一列外围金属化通孔和第二列外围金属化通孔，所述共线的两列内部金属化通孔分别垂直于第一行外围金属化通孔和第二行外围金属化通孔，且所述滤波器中心对称。

6.根据权利要求1所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所有外围金属化通孔(41)的形状、尺寸均相同，相邻两个外围金属化通孔(41)之间的距离也相同。

7.根据权利要求1所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述每组内部金属化通孔中，所有内部金属化通孔(42)的形状、尺寸均相同，相邻两个内部金属化通孔(42)之间的距离也相同。

8.根据权利要求1所述的可控混合电磁耦合基片集成波导滤波器，其特征在于：所述输入端口(5)和输出端口(6)均采用微带线到共面波导的过渡结构。