CN106450611B - 基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器 - Google Patents

基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，包括上层介质基片和下层介质基片，上层介质基片设置三个上金属层，下层介质基片设置三个下金属层，上、下层介质基片之间设置中间金属层；所述上层介质基片设置有两排金属化通孔，下层介质基片相应的位置设置两排金属化通孔；所述上金属层均为等腰直角三角形；两个差分馈电微带线设置于上层介质基片，且与中间的上金属层斜边相接；两个差分馈电微带线设置于下层介质基片，且与中间的下金属层斜边相接；所述中间金属层设置两个矩形的孔隙，以及两个扇形的孔隙。本发明具有很好的频率选择性和优异的差模带外抑制性能，同时大大缩减了体积，兼具低损耗、高功率容量的特点。

Description

基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器
技术领域
本发明涉及微波技术领域，特别是一种基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器。
背景技术
自从基片集成波导的概念提出以来，就受到了国内外学者的广泛关注。基片集成波导由上下金属面、金属间的介质板以及两侧连接金属板的金属化过孔组成，这种平面结构，可以通过PCB工艺来实现。与具有类似工艺的微带结构相比，基片集成波导继承了传统介质填充矩形波导的大部分优点，如插入损耗低、辐射小等，同时还兼备了微带结构的很多优点，如剖面低、易于加工、易于集成等。基片集成波导的这些优点使其被应用到很多微波器件的设计中。
国内外现有的平衡带通滤波器多基于微带线结构设计，存在损耗高、功率容量小的问题；基于基片集成波导技术的平衡带通滤波器设计的研究很少，往往只关注共模信号的抑制，差模频率选择性能考虑较少，带外抑制性能不理想，且采用完整腔体组合的方式实现，体积较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够实现差模高带外抑制、高共模抑制、低损耗、小型化的基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，包括上层介质基片和下层介质基片，所述上层介质基片的上表面设置第一～三上金属层，下层介质基片的下表面设置第一～三下金属层，上、下层介质基片之间设置中间金属层；所述上层介质基片设置有第一、二排金属化通孔，下层介质基片相应的位置设置第三、四排金属化通孔；
所述第一～三上金属层均为等腰直角三角形，第一上金属层、第三上金属层的斜边与第二上金属层的直角边相邻；第一～三下金属层的尺寸及布局与第一～三上金属层相同；第一～二差分馈电微带线设置于上层介质基片，且与第二上金属层的斜边相接；第三～四差分馈电微带线设置于下层介质基片，且与第二下金属层的斜边相接；所述中间金属层设置两个矩形的第一～二孔隙，以及两个扇形的第三～四孔隙。
进一步地，所述第一、二差分馈电微带线为一对差分馈电微带线，且关于第二上金属层底边的垂直平分线左右对称分布，第一、二差分馈电微带线呈L型，其中一端与第二上金属层的斜边垂直相接、另一端分别延伸至上层介质基片的两条侧边的边缘；
所述第三～四差分馈电微带线为另一对差分馈电微带线，且关于第二下金属层底边的垂直平分线左右对称分布，第三～四差分馈电微带线为直线型，其中一端与第二下金属层的斜边垂直相接、另一端分别延伸至下层介质基片的边缘；
所述第一、二差分馈电微带线至第二上金属层底边垂直平分线的距离，与第三～四差分馈电微带线至第二下金属层底边垂直平分线的距离相等。
进一步地，所述第一上金属层、上层介质基片、中间金属层和第一排金属化通孔构成八分之一模基片集成波导腔体，记为右上腔体；第三上金属层、上层介质基片、中间金属层和第二排金属化通孔构成八分之一模基片集成波导腔体，记为左上腔体；第一下金属层、下层介质基片、中间金属层和第三排金属化通孔构成八分之一模基片集成波导腔体，记为右下腔体；第三下金属层、下层介质基片、中间金属层和第四排金属化通孔构成八分之一模基片集成波导腔体，记为左下腔体；在第一、二差分馈电微带线的输入为差模时，第二上金属层、介上层介质基片以及中间金属层构成的部分等效为两个背靠背的八分之一基片集成波导腔体，记为中上腔体；第二下金属层、下层介质基片以及中间金属层构成的部分等效为两个背靠背的八分之一基片集成波导腔体，记为中下腔体。
进一步地，所述中间金属层设置两个矩形的第一～二孔隙，以及两个扇形的第三～四孔隙，其中第三、四孔隙为45度的扇形，且第三、四孔隙的圆心分别位于第二上金属层的两个锐角处；所述第一孔隙用来提供右上腔体和右下腔体之间的耦合，第二孔隙用来提供左上腔体和左下腔体之间的耦合，第三、四孔隙用来提供中上腔体和中下腔体之间的耦合；所述中上腔体与左上腔体之间的耦合通过第二上金属层与第三上金属层之间的缝隙实现，中上腔体与右上腔体之间的耦合通过第二上金属层与第一上金属层之间的缝隙实现，中下腔体与左下腔体之间的耦合通过第二下金属层与第三下金属层之间的缝隙实现，中下腔体与右下腔体之间的耦合通过第二下金属层与第一下金属层之间的缝隙实现。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)得益于该设计中所采用的结构，在通带两侧分别产生一个带外零点，频率选择性能优异；(2)采用八分之一腔体结构，有效的缩小了体积，有利于滤波器的小型化；(3)得益于该设计中所采用的结构，一对差分馈电微带线输入为差模信号时，腔体能很好的传递信号；而当输入为共模时，场几乎没有传递，起到了共模抑制的作用；(4)得益于该设计中所采用的结构，形成了四阶椭圆平衡带通滤波器具有低损耗、高功率容量、高集成度的特点，十分适合用于高集成度、低损耗的的通信前端。
附图说明
图1是本发明平衡带通滤波器的立体结构示意图。
图2是本发明平衡带通滤波器的顶部结构示意图。
图3是本发明实施例1的频率响应仿真和测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
结合图1，本发明基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，包括上层介质基片1和下层介质基片2，所述上层介质基片1的上表面设置第一～三上金属层4、6、8，下层介质基片2的下表面设置第一～三下金属层5、7、9，上、下层介质基片1、2之间设置中间金属层3；所述上层介质基片1设置有第一、二排金属化通孔10、19，下层介质基片2相应的位置设置第三、四排金属化通孔20、21；
所述第一～三上金属层4、6、8均为等腰直角三角形，第一上金属层4、第三上金属层8的斜边与第二上金属层6的直角边相邻；第一～三下金属层5、7、9的尺寸及布局与第一～三上金属层4、6、8相同；第一～二差分馈电微带线11、12设置于上层介质基片1，且与第二上金属层6的斜边相接；第三～四差分馈电微带线13、14设置于下层介质基片2，且与第二下金属层7的斜边相接；所述中间金属层3设置两个矩形的第一～二孔隙15、16，以及两个扇形的第三～四孔隙17、18。
进一步地，所述第一、二差分馈电微带线11、12为一对差分馈电微带线，且关于第二上金属层6底边的垂直平分线左右对称分布，第一、二差分馈电微带线11、12呈L型，其中一端与第二上金属层6的斜边垂直相接、另一端分别延伸至上层介质基片1的两条侧边的边缘；
所述第三～四差分馈电微带线13、14为另一对差分馈电微带线，且关于第二下金属层7底边的垂直平分线左右对称分布，第三～四差分馈电微带线13、14为直线型，其中一端与第二下金属层7的斜边垂直相接、另一端分别延伸至下层介质基片2的边缘；
所述第一、二差分馈电微带线11、12至第二上金属层6底边垂直平分线的距离，与第三～四差分馈电微带线13、14至第二下金属层7底边垂直平分线的距离相等。
进一步地，所述第一上金属层4、上层介质基片1、中间金属层3和第一排金属化通孔10构成八分之一模基片集成波导腔体，记为右上腔体；第三上金属层8、上层介质基片1、中间金属层3和第二排金属化通孔19构成八分之一模基片集成波导腔体，记为左上腔体；第一下金属层5、下层介质基片2、中间金属层3和第三排金属化通孔20构成八分之一模基片集成波导腔体，记为右下腔体；第三下金属层9、下层介质基片2、中间金属层3和第四排金属化通孔21构成八分之一模基片集成波导腔体，记为左下腔体；在第一、二差分馈电微带线11、12的输入为差模时，第二上金属层6、介上层介质基片1以及中间金属层3构成的部分等效为两个背靠背的八分之一基片集成波导腔体，记为中上腔体；第二下金属层7、下层介质基片2以及中间金属层3构成的部分等效为两个背靠背的八分之一基片集成波导腔体，记为中下腔体。
进一步地，所述中间金属层3设置两个矩形的第一～二孔隙15、16，以及两个扇形的第三～四孔隙17、18，其中第三、四孔隙17、18为45度的扇形，且第三、四孔隙17、18的圆心分别位于第二上金属层6的两个锐角处；所述第一孔隙15用来提供右上腔体和右下腔体之间的耦合，第二孔隙16用来提供左上腔体和左下腔体之间的耦合，第三、四孔隙17、18用来提供中上腔体和中下腔体之间的耦合；所述中上腔体与左上腔体之间的耦合通过第二上金属层6与第三上金属层8之间的缝隙实现，中上腔体与右上腔体之间的耦合通过第二上金属层6与第一上金属层4之间的缝隙实现，中下腔体与左下腔体之间的耦合通过第二下金属层7与第三下金属层9之间的缝隙实现，中下腔体与右下腔体之间的耦合通过第二下金属层7与第一下金属层5之间的缝隙实现。
进一步地，位于中间金属层3的四个孔隙以及位于上层介质基片1和下层介质基片2的四条缝隙用来耦合相邻腔体，以实现四阶椭圆滤波响应的内部耦合。
实施例1
结合图1和图2，本发明基于八分之一模基片集成波导高频率选择性平衡带通滤波器，包括上下层叠的上层介质基片1和下层介质基片2，采用Rogers RO3010介质板设计，每层介质厚度为25mil，相对介电常数为10.2。上层介质基片1的第一、三上金属层4、8，以及下层介质基片2的第一、三下金属层5、9为小等腰直角三角形，其直角长为11.31mm；上层介质基片1的第二上金属层6，以及下层介质基片2的第二下金属层7为大等腰直角三角形，其斜边长为22mm。4排通孔即第一、二排金属化通孔10、19和第三、四排金属化通孔20、21的长度均为9mm，图2中，第一排金属化通孔10圆心所在直线到第一上金属层4上直角边的距离为1mm，第二排金属化通孔19的圆心所在直线到第三上金属层8下直角边的距离为1mm，第三排金属化通孔20圆心所在直线到等腰直角三角形5上直角边的距离为1mm，通孔21圆心所在直线到第三下金属层9下直角边的距离为1mm。中间金属层3上的矩形第一～二孔隙15、16，长为3.15mm，宽为1mm，根据图2，矩形第一孔隙15上面一条长边到通孔10圆心所在的直线距离为1mm，左侧的短边到上金属层4的左边直角边距离为0.61mm，矩形第二孔隙16下面一条长边到第二排金属化通孔19圆心所在的直线距离为1mm，左侧的短边到第三上金属层8的左边直角边距离为0.61mm。扇形第三～四孔隙17、18的半径为2.21mm，扇形圆心与图2中第二上金属层6的两个锐角重合。第二上金属层6与第一、三上金属层4、8之间的缝隙宽度为0.42mm，第二下金属层7与第一、三下金属层5、9之间的缝隙宽度为0.42mm。第一、二差分馈电微带线11、12的中心到对称中心虚线的距离为4.402mm，第三、四差分馈电微带线13、14的中心到对称中心虚线的距离为4.402mm。
在介质基片上设置的4排圆形金属化通孔即第一、二排金属化通孔10、19和第三、四排金属化通孔20、21的孔直径为0.6mm，孔间距为1mm。两对差分馈电微带线的宽度均为0.584mm。
图3为该滤波器频率响应曲线的仿真和测试结果。在图中可看出，Sdd11、Sdd21为输入为差模信号时的频率响应；Scc21为输入为共模信号时的频率响应。差模激励下通带的中心频率为3.09GHz，-3dB带宽为470MHz，两个传输零点分别位于2.44GHz和3.68GHz处，最小插损为1.34dB，回波损耗优于20dB，差模通带内的共模抑制大于48dB，1到5GHz频率范围内的共模抑制大于25dB。
本发明提出的高频率选择性平衡带通滤波器采用的独特结构，在通带两侧分别产生一个带外零点，凸显了很好的频率选择性和优异的差模带外抑制性能，此外本发明提出的结构还实现了高共模抑制特性，同时因为采用了八分之一基片集成波导腔体结构，大大缩减了体积，并且兼具低损耗、高功率容量的特点。

Claims (4)

1.一种基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，其特征在于，该滤波器基于八分之一模基片集成波导，包括上层介质基片(1)和下层介质基片(2)，所述上层介质基片(1)的上表面设置第一～三上金属层(4、6、8)，下层介质基片(2)的下表面设置第一～三下金属层(5、7、9)，上、下层介质基片(1、2)之间设置中间金属层(3)；所述上层介质基片(1)设置有第一、二排金属化通孔(10、19)，下层介质基片(2)相应的位置设置第三、四排金属化通孔(20、21)；
所述第一～三上金属层(4、6、8)均为等腰直角三角形，第一上金属层(4)、第三上金属层(8)的斜边与第二上金属层(6)的直角边相邻；第一～三下金属层(5、7、9)的尺寸及布局与第一～三上金属层(4、6、8)相同；第一～二差分馈电微带线(11、12)设置于上层介质基片(1)，且与第二上金属层(6)的斜边相接；第三～四差分馈电微带线(13、14)设置于下层介质基片(2)，且与第二下金属层(7)的斜边相接；所述中间金属层(3)设置两个矩形的第一～二孔隙(15、16)，以及两个扇形的第三～四孔隙(17、18)。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，其特征在于，所述第一、二差分馈电微带线(11、12)为一对差分馈电微带线，且关于第二上金属层(6)斜边的垂直平分线左右对称分布，第一、二差分馈电微带线(11、12)呈L型，其中一端与第二上金属层(6)的斜边垂直相接、另一端分别延伸至上层介质基片(1)的两条侧边的边缘；
所述第三～四差分馈电微带线(13、14)为另一对差分馈电微带线，且关于第二下金属层(7)斜边的垂直平分线左右对称分布，第三～四差分馈电微带线(13、14)为直线型，其中一端与第二下金属层(7)的斜边垂直相接、另一端分别延伸至下层介质基片(2)的边缘；
所述第一、二差分馈电微带线(11、12)至第二上金属层(6)斜边垂直平分线的距离，与第三～四差分馈电微带线(13、14)至第二下金属层(7)斜边垂直平分线的距离相等。
3.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，其特征在于，所述第一上金属层(4)、上层介质基片(1)、中间金属层(3)和第一排金属化通孔(10)构成八分之一模基片集成波导腔体，记为右上腔体；第三上金属层(8)、上层介质基片(1)、中间金属层(3)和第二排金属化通孔(19)构成八分之一模基片集成波导腔体，记为左上腔体；第一下金属层(5)、下层介质基片(2)、中间金属层(3)和第三排金属化通孔(20)构成八分之一模基片集成波导腔体，记为右下腔体；第三下金属层(9)、下层介质基片(2)、中间金属层(3)和第四排金属化通孔(21)构成八分之一模基片集成波导腔体，记为左下腔体；在第一、二差分馈电微带线(11、12)的输入为差模时，第二上金属层(6)、上层介质基片(1)以及中间金属层(3)构成的部分等效为两个背靠背的八分之一基片集成波导腔体，记为中上腔体；第二下金属层(7)、下层介质基片(2)以及中间金属层(3)构成的部分等效为两个背靠背的八分之一基片集成波导腔体，记为中下腔体。
4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导的高频率选择性平衡带通滤波器，其特征在于，所述中间金属层(3)设置两个矩形的第一～二孔隙(15、16)，以及两个扇形的第三～四孔隙(17、18)，其中第三、四孔隙(17、18)为45度的扇形，且第三、四孔隙(17、18)的圆心分别位于第二上金属层(6)的两个锐角处；所述第一孔隙(15)用来提供右上腔体和右下腔体之间的耦合，第二孔隙(16)用来提供左上腔体和左下腔体之间的耦合，第三、四孔隙(17、18)用来提供中上腔体和中下腔体之间的耦合；所述中上腔体与左上腔体之间的耦合通过第二上金属层(6)与第三上金属层(8)之间的缝隙实现，中上腔体与右上腔体之间的耦合通过第二上金属层(6)与第一上金属层(4)之间的缝隙实现，中下腔体与左下腔体之间的耦合通过第二下金属层(7)与第三下金属层(9)之间的缝隙实现，中下腔体与右下腔体之间的耦合通过第二下金属层(7)与第一下金属层(5)之间的缝隙实现。
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Date Code Title Description
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Application publication date: 20170222

Assignee: NANJING PAIYISHENG ELECTRONIC TECHNOLOGY Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2022980002317

Denomination of invention: High frequency selective balanced bandpass filter based on substrate integrated waveguide

Granted publication date: 20190222

License type: Common License

Record date: 20220309

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
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Application publication date: 20170222

Assignee: Shanghai Sogo Communication Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANJING University OF SCIENCE AND TECHNOLOGY

Contract record no.: X2023980034787

Denomination of invention: High frequency selective balanced bandpass filter based on substrate integrated waveguide

Granted publication date: 20190222

License type: Common License

Record date: 20230417