CN105789786A - 基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器 - Google Patents

基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，包含两个特征阻抗为50Ω的内窥微带线与四个加载互补开口谐振环的基片集成波导单元。基片集成波导单元包含三层结构：顶层金属层，中间层包含了介质基板和金属通孔，底层金属底。所述顶层金属层中心分别刻蚀了一个开口谐振环，且在第二个波导单元与第三个波导单元之间刻蚀一个侧放的几字形缝隙。同样在底层金属第二个波导单元与第三个波导单元之间刻蚀一个与顶层方向相反的几字形缝隙。本发明采用基片集成波导技术，在波导中引入互补开口谐振环以实现滤波器的小型化，在顶层和底层引入的几字形缝隙和在中间层的三个金属通孔可以实现第二个波导单元与第三个波导单元的电耦合。再利用传统滤波器的耦合理论，获得低差损宽带具有双传输零点的高选择性小型化滤波器。

Description

基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器
技术领域
本发明属于微波毫米波滤波器领域，具体涉及基片集成波导带通滤波器。
背景技术
近年来，随着无线通讯技术的飞速发展，系统功能多元化和用户终端小型化已成为必然趋势，滤波器作为无线通信系统中至关重要的组成部分。因此，无线通讯系统对滤波器的性能指标也提出了越来越高的要求。这意味着滤波器除了要有小尺寸、高选择性、低的插入损耗外，还要满足通带外足够大的衰减。而这些都可以通过一些特定的交叉耦合，以产生传输零点，满足滤波器的要求。
另一方面基于基片集成波导（SIW）结构的滤波器继承了波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了微带的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点。同时，传统基片集成波导滤波器通过独立谐振腔交叉耦合的方法来产生传输零点提高滤波器选择性。
发明内容
本发明的目的是采用基于基片集成波导技术，引入互补开口谐振环以减小滤波器尺寸，在顶层和底层分别引入的几字形凹槽和在中间层的三个金属通孔以实现特定的交叉耦合，利用其产生的传输零点，提出一种低差损宽带具有双传输零点的高选择性小型化滤波器。
本发明的技术方案如下：
一种基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，包含两个特征阻抗为50Ω的内窥微带线与四个加载互补开口谐振环的基片集成波导单元。四个基片集成波导单元成田字形排布，从左下角顺时针依次为第一、第二、第三和第四基片集成波导单元。
每个基片集成波导单元包含三层结构：顶层金属，中间层和底层金属底。其中间层包含介质基板和金属通孔。
本发明的关键技术在于：在每个基片集成波导单元的顶层金属层中心都刻蚀了一个开口谐振环，以降低谐振单元的谐振频率，从而减小滤波器的尺寸。同时确定所引入的互补开口谐振环的大小，确保其能够在降低谐振频率的同时，插入损耗不至于大幅降低。本发明确定互补开口谐振环的缝隙宽度E-2为0.4mm，长度E-1为3.4mm，金属宽度E-3为0.26mm。
本发明的另一关键技术在于：在第二波导单元与第三波导单元之间刻蚀一个侧放的几字形缝隙，同样在底层金属第二波导单元与第三波导单元之间刻蚀一个与顶层方向相反的几字形缝隙，两个缝隙的凹陷部分反向重合，并在中间层对应两个几字形缝隙之间的位置设有三个金属通孔，通过金属使顶层金属和底层金属底导通，实现第二波导单元与第三波导单元的电耦合，满足特定的交叉耦合，从而为整个滤波器提供两个带外传输零点以达到优异的带外抑制效果。
本发明的有益效果：
1、采用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，易于集成等优点。
2、采用交叉耦合的方式，产生带外传输零点，以改善滤波器的选择性，获得优异的带外抑制效果。
3、引入互补开口谐振环，降低滤波器的谐振频率，从而减小滤波器尺寸，实现滤波器的小型化。
4、遵循传统的耦合理论设计滤波器可以满足不同的滤波器带宽、选择性等的设计要求。
附图说明
图1是本发明提出的带通滤波器的结构图。
图2(a)是本发明提出的带通滤波器的顶层结构图。
图2(b)是本发明提出的带通滤波器的底层结构图。
图3(a)是基片集成波导单元的顶层结构图。
图3(b)是基片集成波导单元的底层结构图。
图4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的说明：
如图1所示，基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，包含左右各一个特征阻抗为50Ω的内窥微带线D与四个加载互补开口谐振环的基片集成波导单元。四个基片集成波导单元成田字形排布，从左下角顺时针依次为第一、第二、第三和第四基片集成波导单元1、2、3、4。
参见图3（a）和图3（b），每个基片集成波导单元都包含三层结构：顶层金属层a，包含了介质基板和金属通孔的中间层，底层金属底b。
参见图2（a），在四个波导单元的顶层金属层a中心分别刻蚀一个开口谐振环E，互补开口谐振环的缝隙宽度E-2为0.4mm，长度E-1为3.4mm，金属宽度E-3为0.26mm，从而降低谐振频率，从而减小滤波器尺寸。
在第二个波导单元2与第三个波导单元3之间刻蚀一个侧放的几字形缝隙A1。参见图2（b）,同样在底层金属第二个波导单元2与第三个波导单元3之间刻蚀一个与顶层方向相反的几字形缝隙A2，两个缝隙的凹陷部分反向重合，缝隙宽度A1-1为0.1mm，两边平直部分的缝隙长度A1-3为4mm，中间凹陷部分的缝隙深度A1-2为1mm，缝隙宽度A1-4为1.2mm。并且在中间层对应两个几字形凹槽之间的位置设置有三个金属通孔B，一个金属通孔对应两个缝隙的凹陷部分，另两个金属通孔分别在两个缝隙的凹陷部分的左侧和右侧，金属通孔半径均为0.3mm，通过几字形缝隙和金属通孔共同实现了第二个波导单元2与第三个波导单元3之间的电耦合，从而为整个滤波器提供两个传输零点，获得优异的带外抑制效果。
本发明在第一和第四波导单元1、4的两端分别加入一段内窥的50Ω的微带线D，并调节两侧与波导单元隔离距离D-2为3.5mm和窥入深度D-3为1.5mm来提取满足设计要求的外部品质因素，50Ω微带线的宽度D-1为1.35mm。
另外，在第一和第二波导单元1和2之间以及第三和第四波导单元3和4之间，从单元的两端各引入一组各3个金属通孔，两组金属通孔在中间位置的间距C-1为6.5mm；在第一和第四波导单元1和4之间，从单元的两端各引入一组各3个金属通孔，两组金属通孔在中间位置的间距C-2为2.5mm。
在本实施例中，介质基片采用Rogers4003，介电常数为3.55，厚度为0.508mm。
如图4所示，为本实施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，该滤波器具有优异的带外抑制效果，在7GHz有一个传输零点衰减达到了80dB，在11GHz有一个传输零点衰减达到了40dB可以有效提高带外抑制特性，且该滤波器具有带通响应，通带的中心频率是9GHz，通带内最小插损0.81dB,回波损耗大于18dB。
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 (5)

1.基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，其特征在：所述滤波器包含两端的内窥微带线和中间的四个成田字形排布的基片集成波导单元，从左下角顺时针依次为第一、第二、第三和第四基片集成波导单元；
所述基片集成波导有顶层金属、中间层和底层金属底三层结构，其中中间层包含介质基板和连接顶层金属和底层金属的金属通孔，所述顶层金属的中心位置刻蚀一个开口谐振环；
在顶层金属第二基片集成波导单元与第三基片集成波导单元的之间刻蚀一个侧放的几字形缝隙，在底层金属第二波导单元与第三波导单元之间刻蚀一个与顶层方向相反的几字形缝隙，两个缝隙的凹陷部分反向重合，并在中间层上对应两个几字形缝隙之间的位置设有三个金属通孔，使顶层金属和底层金属底导通，实现第二波导单元与第三波导单元的电耦合。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，其特征在于：所述两端的内窥微带线为特征阻抗为50Ω的内窥微带线，分别加入在第一和第四波导单元的外端，内窥微带线的宽度D-1为1.35mm，与波导单元的隔离距离D-2为3.5mm，窥入深度D-3为1.5mm。
3.根据权利要求1和2所述的基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，其特征在于：所述基片集成波导单元的互补开口谐振环的缝隙宽度E-2为0.4mm，长度E-1为3.4mm，金属宽度E-3为0.26mm。
4.根据权利要求1和2所述的基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，其特征在于：分别在第一和第二波导单元之间，第三和第四波导单元之间，第一和第四波导单元之间设置中间层金属通孔，连接顶层和底层金属底，并控制两组金属通孔在中间位置的间距以控制各单元之间的耦合系数。
5.根据权利要求1或2所述基于基片集成波导互补开口谐振环的低插损宽带滤波器，其特征在于：所述介质基板为Rogers4003。
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