CN106025464B - 一种基片集成波导式腔体滤波器 - Google Patents

一种基片集成波导式腔体滤波器 Download PDF

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Abstract

一种基片集成波导式腔体滤波器，属于微波通信器件技术领域。包括输入馈电线、输出馈电线和多个基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔的个数为m×n×p，其中，m、n、p分别为三维坐标系中x方向、y方向、z方向上的基片集成波导谐振腔的个数；所述输入馈电线、输出馈电线与基片集成波导谐振腔之间采用共面波导和金属柱的方式进行耦合，相邻的基片集成波导谐振腔之间通过金属柱的方式、或者通过开窗的方式进行耦合，叠层的基片集成波导谐振腔之间通过开窗的方式进行耦合。本发明提供的基片集成波导式腔体滤波器有利于实现滤波器的小型化以及与有源电路的集成，同时还具有一体化制作、可靠性高等优点。

Description

一种基片集成波导式腔体滤波器
技术领域
本发明属于微波通信器件技术领域，具体涉及一种基片集成波导式腔体滤波器。
背景技术
滤波器在通信、雷达、信号处理等系统电路中具有广泛用途，常见的滤波器种类有腔体滤波器、LC滤波器、平面结构滤波器、微机械结构滤波器、晶体滤波器、体声表面波滤波器。其中，腔体滤波器相对于其它形式的滤波器，在插入损耗、Q值和功率容量方面有很大的优势。
目前，常见的腔体滤波器主要是基于传统波导(如矩形波导)制作的，这种传统波导型滤波器具有Q值高、功率大、损耗低等优点；但是由于波导尺寸由所传播的电磁波波长决定，导致滤波器的体积较大，且不易与有源电路连接。因此，如何保持传统波导腔体滤波器原有优点的同时减小其体积并实现与有源电路的连接，成为腔体滤波器发展所面临的一大技术难题。
发明内容
本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种新的基片集成波导式腔体滤波器，克服了传统矩形波导式滤波器不易与有源电路集成以及体积过大的缺陷。本发明提供的基片集成波导式腔体滤波器有利于实现滤波器的小型化以及与有源电路的集成，同时还具有一体化制作、可靠性高等优点。
本发明的技术方案如下：
一种基片集成波导式腔体滤波器，包括输入馈电线、输出馈电线和多个基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔的个数为m×n×p，其中，m、n、p分别为三维坐标系中x方向、y方向、z方向上的基片集成波导谐振腔的个数；所述输入馈电线、输出馈电线与基片集成波导谐振腔之间采用共面波导和金属柱的方式进行耦合，相邻的基片集成波导谐振腔之间通过金属柱的方式、或者通过开窗的方式进行耦合，叠层的基片集成波导谐振腔之间通过开窗的方式进行耦合。
进一步地，所述每个基片集成波导谐振腔中心设置k个谐振柱，所述k个谐振柱包括位于腔体中心的、上表面与基片集成波导谐振腔上表面齐平的一个中心谐振柱，以及围绕中心谐振柱的、下表面与基片集成波导谐振腔下表面齐平的(k-1)个谐振柱，这k个谐振柱等效于等效电路中的电容，可有效减小谐振的频率，进而减小谐振体积。
进一步地，所述输入馈电线、输出馈电线为微带线或带状线等。
进一步地，所述基片集成波导谐振腔体的长度、宽度、高度，基片集成波导谐振腔金属柱的直径、间距以及耦合结构的尺寸等，可根据滤波器的工作频率和其它各项参数指标确定。
本发明所述基片集成波导式腔体滤波器的工作原理如下：
将滤波器的微波输入输出端分别连接到微波电路中，由于基片集成波导矩形谐振腔是基于短路二分之一波长传输线谐振器原理的，因此可等效于串联RLC谐振电路，从而具有滤波的功能。当在基片集成波导矩形谐振腔中加入金属谐振柱后，等效于在谐振电路中引入电容，即相当于传统矩形波导电容加载腔体滤波器，根据电容加载传输线缩短理论，可在谐振频率不变的情况下进一步减小腔体滤波器的尺寸。
本发明的有益效果为：
1、本发明提供的基片集成波导式腔体滤波器Q值高，与传统矩形波导式腔体滤波器相比，体积大大减小，同时可通过微带线与有源电路连接，有利于实现腔体滤波器的小型化以及与其他微波有源电路的集成。
2、本发明提供的基片集成波导式腔体滤波器是一体化制作的，可靠性大大提高。
附图说明
图1为实施例的基片集成波导式腔体滤波器的整体结构图；其中，1为输入微带线，2为第一谐振腔，3为第二谐振腔，4为第三谐振腔，5为第四谐振腔，6为输出微带线；
图2为实施例的基片集成波导式腔体滤波器第一谐振腔、第三谐振腔的示意图；其中，7为输入微带线与第一谐振腔之间的耦合金属柱，8为上下层叠的两个谐振腔之间的耦合窗口，9为第二谐振腔和第三谐振腔体之间的耦合金属柱；
图3为实施例的基片集成波导式腔体滤波器中顶层金属、底层金属、层叠谐振腔之间的金属、输入微带线和输出微带线的金属图案的结构示意图；
图4为实施例的基片集成波导式腔体滤波器插入损耗和回波损耗HFSS仿真图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
一种基片集成波导式腔体滤波器，包括输入馈电线、输出馈电线和多个尺寸相同的基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔的个数为m×n×p，其中，m为三维坐标系中x方向上的基片集成波导谐振腔的个数，n为三维坐标系中y方向上的基片集成波导谐振腔的个数，p为三维坐标系中z方向上的基片集成波导谐振腔的个数，m、n、p均为大于或等于1的正整数；所述输入馈电线与基片集成波导谐振腔之间采用共面波导和金属柱的方式进行耦合，输出馈电线与基片集成波导谐振腔之间采用共面波导和金属柱的方式进行耦合，相邻的基片集成波导谐振腔之间通过金属柱的方式、或者通过开窗的方式进行耦合，上下叠层的基片集成波导谐振腔之间通过开窗的方式进行耦合。
进一步地，所述每个基片集成波导谐振腔中心设置k个谐振柱，所述k个谐振柱包括1个位于腔体中心的中心谐振柱，以及(k-1)个围绕中心谐振柱的周围谐振柱，所述中心谐振柱的上表面与基片集成波导谐振腔的上表面齐平、下表面与基片集成波导谐振腔的下表面有一定距离，所述周围谐振柱的下表面与基片集成波导谐振腔的下表面齐平、上表面与基片集成波导谐振腔的上表面有一定的距离。所述每个基片集成波导谐振腔中心设置的k个谐振柱等效于等效电路中的电容，可有效减小谐振的效率，进而减小谐振体积。
进一步地，所述输入馈电线、输出馈电线为微带线或带状线等传输结构。
进一步地，所述输入馈电线、输出馈电线可位于同一平面，也可位于不同的平面，根据具体的应用需求进行设计。
实施例
如图1和图2所示，为本发明提供的一种基片集成波导式腔体滤波器，包括输入微带线1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5、输出微带线6；所述第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5为尺寸相同的基片集成波导矩形谐振腔；所述输入微带线连接第一谐振腔(也可称作输入谐振腔)，输出微带线连接第四谐振腔(也可称作输出谐振腔)；所述第一谐振腔与第四谐振腔相邻，第二谐振腔与第三谐振腔相邻，第一谐振腔与第二谐振腔为上下层叠关系，第三谐振腔与第四谐振腔为上下层叠关系；所述输入微带线与输出微带线位于同一直线上；所述输入微带线与第一谐振腔之间通过共面波导和金属柱的方式进行耦合，输出微带线与第四谐振腔之间通过共面波导和金属柱的方式进行耦合，所述第一谐振腔和第二谐振腔通过开窗的方式进行耦合，第三谐振腔和第四谐振腔通过开窗的方式进行耦合，第二谐振腔和第三谐振腔通过金属柱的方式进行耦合。
进一步地，所述输入微带线和输出微带线的特性阻抗为50欧姆，长度可根据需求调节。
本发明实施例所述基片集成波导式腔体滤波器的输入微带线1、第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5、输出微带线6均在一个矩形介质基板上制作，该矩形介质基板为由底层到顶层的20层介质浆料通过LTCC工艺叠加而成，每层浆料的厚度为0.1mm。所述输入微带线1和输出微带线6包括位于顶层(即矩形介质基板的第一层)的宽度为0.58mm、长度为3mm的微带线导体和位于第五层的宽度为3.8mm、长度为3mm的微带线的地。所述第一谐振腔2、第二谐振腔3、第三谐振腔4、第四谐振腔5均由长度为3.8mm、宽度为3.8mm和高度为1mm的基片集成波导矩形腔构成，所述基片集成波导矩形腔一条边上的金属柱由8个直径为0.3mm、间距为0.5mm、高度为1mm的金属柱构成。所述第一谐振腔2(即输入谐振腔)和第四谐振腔5(即输出谐振腔)中设置7个谐振柱，这7个谐振柱包括位于腔体中心的底面半径为0.15mm、高为0.44mm的中心谐振柱，以及均匀围绕中心谐振柱的6个底面半径为0.15mm、高为0.8mm的谐振柱，中心谐振柱的上表面与腔体的上表面齐平，围绕中心谐振柱的周围谐振柱的下表面均与腔体的下表面齐平，中心谐振柱与围绕中心谐振柱的谐振柱之间的间距为0.1mm。所述第二谐振腔3、第三谐振腔4中设置7个谐振柱，这7个谐振柱包括位于腔体中心的底面半径为0.15mm、高为0.58mm的中心谐振柱，以及均匀围绕中心谐振柱的6个底面半径为0.15mm、高为0.8mm的谐振柱，中心谐振柱的上表面与腔体的上表面齐平，围绕中心谐振柱的周围谐振柱的下表面均与腔体的下表面齐平，中心谐振柱与围绕中心谐振柱的谐振柱之间的间距为0.1mm。
进一步地，所述输入微带线1与第一谐振腔2之间的耦合结构7，以及输出微带线6与第四谐振腔5之间的耦合结构均为一段长度为1mm、宽度为0.58mm、间隙为0.261mm的共面波导和连接共面波导末端的底面半径为0.3mm、高度为0.8mm，且上表面与谐振腔上表面齐平的金属柱构成。
进一步地，所述第一谐振腔2和第二谐振腔3通过在两腔体之间的金属层开两个相互对称的、长度为1.17mm、宽度为0.5mm的矩形窗口8的方式进行耦合，第三谐振腔4和第四谐振腔5通过在两腔体之间的金属层开两个相互对称的、长度为1.17mm、宽度为0.5mm的矩形窗口的方式进行耦合。
进一步地，所述第二谐振腔3和第三谐振腔4通过金属柱的方式耦合，第二谐振腔和第三谐振腔相邻的边上有5个金属柱，其中包括一个位于相邻边中点的，底面半径为0.35mm、高为0.89mm，上表面与腔体上表面齐平的耦合金属柱9，以及四个底面直径为0.3mm、间距为0.5mm、高度为1mm的基片集成波导谐振腔的金属柱，所述耦合金属柱与相邻的基片集成波导谐振腔的金属柱之间的间距为1.5mm。
进一步地，所述输入微带线1和输出微带线6为50欧姆微带线；所述介质基板采用介电常数为7.8、损耗正切角为0.002的介质浆料，经流延、打孔、叠片、通孔注银、等静压、烧结等LTCC工艺制得。
进一步地，所述所有金属导体图案由LTCC工艺的丝网印刷方法得到。
进一步地，实施例所述基片集成波导式腔体滤波器的尺寸为长*宽*高＝3.8mm*13.3mm*2mm。
图4为实施例基片集成波导式腔体滤波器插入损耗和回波损耗的仿真结果图。由图4可知，实施例所述基片集成波导式腔体滤波器，其中心频率为10GHz，在10GHz处插入损耗为0.79dB，回波损耗为-27dB，3dB带宽为660MHz，在9.8GHz-10.2GHz里回波损耗小于-26dB，插入损耗大于-0.95dB，在偏离正负中心频率780MHz的带外抑制小于-30dB。

Claims (2)

1.一种基片集成波导式腔体滤波器，包括输入馈电线、输出馈电线和多个基片集成波导谐振腔，所述基片集成波导谐振腔的个数为m×n×p，其中，m、n、p分别为三维坐标系中x方向、y方向、z方向上的基片集成波导谐振腔的个数；所述输入馈电线、输出馈电线与基片集成波导谐振腔之间采用共面波导和金属柱的方式进行耦合，相邻的基片集成波导谐振腔之间通过金属柱的方式、或者通过开窗的方式进行耦合，叠层的基片集成波导谐振腔之间通过开窗的方式进行耦合；每个基片集成波导谐振腔中心设置k个谐振柱，所述k个谐振柱包括位于腔体中心的、上表面与基片集成波导谐振腔上表面齐平的一个中心谐振柱，以及围绕中心谐振柱的、下表面与基片集成波导谐振腔下表面齐平的(k-1)个谐振柱。
2.根据权利要求1所述的基片集成波导式腔体滤波器，其特征在于，所述输入馈电线、输出馈电线为微带线或带状线。
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