CN106129553B - 一种新型的微带与siw结构相结合的全可调滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的微带与SIW结构相结合的全可调滤波器。本发明利用多层板工艺，下层板中周期性排列的金属柱以及下层板上下面的金属面共同构了个SIW结构谐振腔，通过中心加载金属柱构成“类同轴线”结构，上层介质板的上层面加载微带线，谐振腔中心加载的金属柱通过PIN开关与微带线相连，谐振腔间通过开窗的磁耦合进行耦合，输入输出利用CPW结构的馈线进行馈线。通过改变加载于馈线上的变容二极管的容值来实现外部Q值可调。该发明创新性的结合了微带线和SIW结构，充分结合了微带结构的灵活多变性以及SIW结构的易集成以及高Q值和较高功率容量，实现了频率及带宽全可调。

Description

一种新型的微带与SIW结构相结合的全可调滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，涉及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，具体是一种新型的微带与SIW结构相结合的全可调滤波器。

背景技术

可重构通信系统作为未来通信系统的发展方向，越来越受到关注，作为可重构系统关键器件之一的可调射频滤波器也越来越受到重视。

微带结构应用于可调滤波器已经非常普遍了，且结构多变，其中也不乏性能优良的结构设计，但是基于微带结构的功率容量低逐渐不能够满足当下通信系统的设计指标，基片集成波导(SIW)结构拥有非常多的优点，最显著的优点就是因为在其非常容易集成的条件下其Q值高，功率容量远大于微带结构，但SIW结构类似于传统的腔体滤波器，在可调滤波器设计中，可设计的灵活度远远不如微带结构，如何加载可调谐元件一直是腔体滤波器的难点，基于SIW结构的易集成，考虑将SIW结构与微带线结构相结合，充分结合两者优势，设计了一款带宽及频率全可调的滤波器。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种新型的介质基片集成波导(SIW)结构的中心频率带宽全可调的带通腔体滤波器，首次创新性的将微带线与SIW结构结合在一起。

本发明滤波器主要包括两个同轴线结构的SIW谐振腔，长度不同的微带线，输入输出馈线，用于调谐频率、带宽的PIN开关及用于外部Q值调谐的变容管。

所述的滤波器采用多层板工艺，主要由上下两层介质板构成；所述的下层介质板贯穿有周期性分布的若干第一类金属柱，且下层介质板的上下表面铺有完整的金属面；所述的下层介质板的上下表面金属面，以及周期性分布的第一类金属柱共同构成两个SIW结构谐振腔；

所述的谐振腔中心均加载第二类金属柱，该金属柱贯穿上下层介质板，且与下层介质板的下表面金属面相接，在中间层金属面(即下层介质板的上表面金属面)上于金属柱位置处进行开环隔离；同时以第二类金属柱作为同轴线的内轴，呈周期性分布的若干第一类金属柱作为同轴线的金属外壁；第二类金属柱的半径与第一类金属柱到第二类金属柱距离的比值决定了谐振腔的初始谐振频率；此处的第二类金属柱的上端通过PIN二极管开关选通或关断不同长度的微带线，从而进行频率调谐；其中微带线位于上层介质板上表面。

所述的位于两个谐振腔的上层介质板加载微带线位置及长度需要一一对应(即轴对应)，所述的两个谐振腔上分别加载的馈线位置及长度需要一一对应(即轴对应)；

因为谐振腔腔尺寸的限制，为了进一步扩大调谐范围，使得最低频率尽可能的低，可以将微带线结构设计成U型结构。

所述的两个谐振腔间的耦合方式主要是通过开窗磁耦合，开窗的大小决定了磁耦合的强弱，开窗的大小可通过增减两谐振腔间的第二、三类金属柱来实现；所述的两谐振腔间的第二、三类金属柱呈现成两排设置，且位于同一排上的金属柱为同一类；同时两排金属柱均呈周期性排列且一一对应；所述的第二类金属柱贯穿上下层介质板，与下层介质板的下表面金属面相接，并且在中间层金属面(即下层介质板的上层金属面)进行开环隔离；所述的第三类金属柱贯穿上层介质板，且第三类金属柱与中间层金属面相接；此处的第二、三类金属柱通过PIN二极管开关相连，通过PIN开关的选通关断来进行开窗大小的选择。

所述的输入与输出馈线以coplanar waveguide(CPW共面波导结构)加载于中间层金属面，其中进入谐振腔腔体的馈线与用于阻抗匹配的输入输出端口处50欧姆馈线宽度不同，这里采用了渐变线结构用来连接进入腔体的馈线和50欧姆馈线；进入谐振腔腔体的馈线末端(即靠近谐振腔中心加载的第二类金属柱一端)加载第四类金属柱，所述的第四类金属柱贯穿下层介质板；第四类金属柱与作为谐振腔中心加载的第二类金属柱毗邻，第四类金属柱与第二类金属柱以磁耦合方式进行能量耦合，且两者间的间隙大小决定了能量耦合的大小；为了实现外部耦合可调，进入谐振腔腔体的CPW馈线开槽隔离，用于加载变容二极管，改变该变容二极管的容值用于进行外部Q值的可调。

本发明的有益效果是：该结构将传统的微带结构与SIW结构相结合，综合了两者的优点，微带线结构的灵活多变与SIW结构的高Q值，较高功率容量。创新的利用不同电长度的微带线进行频率调谐，且微带线的形状可以采用U型以及直线型，在合理利用谐振腔面积的情况下，拓宽频率调谐范围。

附图说明

图1(a)为本发明的结构侧视图，图1(b)为本发明的结构顶视图；

图2为本发明的谐振腔等效示意图；

其中1-1为第一类金属柱，1-2为第二类金属柱，1-3为第三类金属柱，1-4为第四类金属柱，2为开环隔离，3-1、3-2、3-3为不同长度的微带线，4为PIN二极管开关，5为中间层金属面，6为下层金属面，7-1为50欧姆馈线，7-2为渐变线，7-3为进入腔体的CPW馈线，7-4为CPW结构的沟，8为变容二极管，9为下层PCB板，10为上层PCB板。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1，该发明可调腔体滤波器由下层PCB板9、上层PCB板10叠加而成，下层PCB板贯穿有周期性排列的第一类金属柱1-1，下层PCB板的上下表面铺有整块的金属面(即中间层金属面5、下层金属面6)，金属面5、6以及第一类金属柱1-1共同构成了两个SIW结构谐振腔。谐振腔中心加载贯通上下层PCB板9、10的第二类金属柱1-2，同时中间层金属面5在中心加载第二类金属柱1-2处进行开环隔离2，该金属柱的加载使得整个谐振腔等效为一个类“同轴线”结构。上层介质板10的上表面加载了不同电长度的微带线3-1、3-2、3-3，谐振腔中心加载第二类金属柱1-2通过PIN二极管开关4与微带线3-1、3-2、3-3相连，通过PIN开关4的开断对不同电长度的微带线进行选通关断，从而进行频率调谐。这里由于谐振腔的面积限制，微带线的长度不能无限扩大，然后利用微带结构的灵活性，可以设计U型或其他结构的微带线来扩展微带线的长度。该频率调谐的相关等效原理图如图2所示。该谐振腔可等效为类微带线的SIR结构，其中的Z1为SIW结构的类同轴线的特征阻抗，Z2为微带线的特征阻抗，微带线的电长度影响频率偏移，同时Z1与Z2的比值可以控制主通带与寄生通带的位置，本发明同时利用了寄生通带来拓展频率调谐范围。

如图1所示，该发明由两个谐振腔构成，两个谐振腔间通过开窗及次耦合进行耦合，开窗的大小由增减金属柱进行控制。谐振腔间加载两一一对应的两纵排设置的第二类金属柱1-2、第三类金属柱1-3。一排第二类金属柱1-2贯穿两层介质板，且在中间层金属面5进行开环隔离2，一排第三类金属柱1-3只贯穿上层介质板，且第三类金属柱1-3与中间层金属面5相连，两排金属柱通过PIN二极管开关4相连，开关选通，电流在下层金属面6经此处的第二类金属柱1-2通过开关及第三类金属柱1-3流到中间层金属面5，通过一次选通第二类金属柱1-2来控制开窗的大小从而来进行带宽调谐。

所述的滤波器采用CPW结构进行馈线设计。7-1为50欧姆馈线，7-2为渐变线，7-3为进入谐振腔部分的馈线，7-4为CPW的沟，7-1、7-2、7-3、7-4共同构成了CPW结构馈线。该馈线末端加载第四类金属柱1-4，该金属柱1-4与谐振腔中心加载第二类金属柱1-2毗邻，电流通过馈线经由第四类金属柱1-4流到地(下层金属面6)，同时将能量以磁耦合方式耦合到第二类金属柱1-2，同时通过变容二极管8与馈线相连，通过改变变容二极管的容值来进行外部Q值的调谐。

本发明充分结合了微带线和SIW结构的优势，不但解决了SIW结构难加载调谐元件来完成频率及带宽全可调的难点，同时利用了微带线结构的灵活多变以及SIW的高Q值，较高功率容量，创新地提出了通过切换不同电长度微带线来完成频率，同时通过切换不同位置的金属柱从而来控制窗口大小的方式进行带宽调谐。

Claims (3)

1.一种微带与SIW结构相结合的全可调滤波器，其特征在于包括两个类同轴线结构的SIW谐振腔，多个不同长度的微带线，输入输出馈线，用于调谐频率、带宽的PIN开关及用于外部Q值调谐的变容二极管；

所述的滤波器由上下两层介质板构成；下层介质板贯穿有周期性分布的第一类金属柱，且下层介质板的上下表面设有金属面；所述的下层介质板的上下表面金属面，以及第一类金属柱共同构成两个SIW结构谐振腔；上层介质板上表面加载多个不同长度的微带线；

所述的谐振腔中心均加载贯穿上下层介质板的第二类金属柱，且该贯穿上下层介质板的第二金属柱与下层介质板的下表面金属面相接，在下层介质板的上表面金属面上于第二类金属柱位置处进行开环隔离，使得谐振腔能够等效为类同轴线结构；同时以贯穿上下层介质板的第二类金属柱作为同轴线的内轴，以贯穿下层介质板的第一类金属柱作为同轴线的金属外壁；贯穿上下层介质板的第二类金属柱的半径与贯穿下层介质板的第一类金属柱到贯穿上下层介质板的第二类金属柱距离的比值决定谐振腔的初始谐振频率；此处的贯穿上下层介质板的第二类金属柱的上端通过PIN二极管开关选通或关断不同长度的微带线，从而进行频率调谐；

上层介质板加载的多个不同长度的微带线沿两个谐振腔的相交线轴对称；两个谐振腔上分别加载的馈线沿两个谐振腔的相交线轴对称；

两个谐振腔间通过开窗形成磁耦合，谐振腔间设有周期性纵向排列的第二类金属柱、第三类金属柱，一排第二类金属柱贯穿两层介质层同时在下层介质板的上表面金属面上进行开环隔离，另一排第三类金属柱贯穿上层介质板同时与下层介质板的上表面金属面相连，第二类金属柱、第三类金属柱通过PIN二极管进行选通关断，从而控制耦合窗口大小，从而完成带宽可调；

所述的输入输出馈线以CPW共面波导结构加载于下层介质板的上表面金属面进行馈电，同时在输入输出馈线上加载变容二极管，通过改变变容二极管容值来改变外部Q值。

2.如权利权利要求1所述的一种微带与SIW结构相结合的全可调滤波器，其特征在于所述的输入输出馈线包括进入谐振腔腔体的馈线与用于阻抗匹配的输入输出端口处的馈线，且进入谐振腔腔体的馈线与用于阻抗匹配的输入输出端口处的馈线采用渐变线结构连接；进入谐振腔腔体的馈线末端加载有贯穿下层介质板的第四类金属柱，上述第四类金属柱与作为谐振腔中心加载的贯穿两层介质层第二类金属柱毗邻，上述第四类金属柱与第二类金属柱以磁耦合方式进行能量耦合，且第四类金属柱与第二类金属柱间的间隙大小决定能量耦合的大小。

3.如权利权利要求1所述的一种微带与SIW结构相结合的全可调滤波器，其特征在于所述的微带线的形状采用U型或直线型，在合理利用谐振腔面积的情况下，拓宽频率调谐范围。

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