CN106785268A - 中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器。本发明利用由双层介质板叠加构成的1/4模基片集成腔体滤波器,中间层金属面通过金属柱B与QMSIW结构构成同轴谐振腔结构；中间层金属面通过金属柱C使调谐元件加载在上介质板顶层，为加载调谐元件提供物理空间；中心频率以及带宽的调谐通过加载变容管来实现。上层金属面与中间层金属面构成较强电容效应，通过外部并联加载的变容管来调谐频率，实现SIW结构的频率调谐；两谐振腔间通过加载变容管来调谐耦合强度,实现SIW结构带宽调谐；同时引入QMSIW迎合现代射频通信系统对于小型化的要求，并解决传统腔体滤波器很难通过外部加载调谐原件来完成可调的问题。

Description

中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体为一种中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导(QMSIW)滤波器，是一种同时能够实现中心频率以及带宽全可调并且结构紧凑的射频滤波器。

背景技术

随着现代无线通信技术的快速发展，无线通信系统对无线通信设备提出了更高的要求，高性能、高可靠性、小型化、低成本已成为新型无线通信电子设备的基本要求。作为微波器件中的关键器件之一的滤波器，通常位于发射机天线前一级，作用是滤除发射链路中的杂散信号，或者位于接受机的混频器和天线之间，作为选频滤波器，抑制无关的电磁干扰；其工作性能的好坏直接影响着整个无线通信系统的质量，其尺寸的大小也直接影响着无线通信系统的大小及可携带性，所以滤波器的设计与研究对于通信系统来说十分重要。

随着无线通信技术飞速发展，频谱资源越来越稀缺，为了充分地利用十分有限的频谱资源，无线通信设备中广泛采用了跳频、扩频、频率动态分配等技术，并且出现了支持多种通信制式的可重构通信系统。可重构射频滤波器作为这些技术与系统不可或缺的器件，近年来越来越受到重视。目前无论是实现中心频率可调带宽可预置，带宽可重构中心频率固定，乃至双通带频率独立可调的射频滤波器都已经比较成熟了，但是目前能同时实现中心频率和带宽全可调的研究成果相对还是比较少，中心频率和带宽全可调滤波器能够实现对各种制式的通信业务的“量身定制”，是可调滤波器的终极设计目标。在频谱日益拥挤的当今,很多实际应用中对带宽有一定的要求,带宽未经控制的调谐滤波器很难进入使用。研究性能优良的频率和带宽全可调滤波器具有迫切需求。

为了适应市场的发展和需要,例如移动通信、卫星通信的迅速发展和通讯设备的进一步向便捷化、多功能化、全数字化和高集成化及低成本方向发展,极大地推动了电子元器件的片式化、小型化和低成本及器件组合化、功能集成化的发展进程,滤波器的小型化是实现整机微型化的重要因素，因此也得到了很大的重视。追求滤波器小型化的一种有效途径是使用体积更小的谐振器。常见的同轴谐振器、腔体谐振器由于体积庞大，已经越来越不适应如今滤波器小型化的需求，只是在一些高功率的场合无法替代。LC谐振器虽然结构简单体积小巧，寄生参数和寄生耦合严重，由于开放的结构甚至磁性材料的使用使得Q值往往不高。为了寻找合适的谐振器，新材料和新方法不断涌现。例如介质谐振器、晶体谐振器、微机电(MEMS)谐振器、声表面波(SAW)谐振器、体声波谐振器(FBAR)、平面集成波导(SIW)谐振器等等。新方法的出现又带来新的热点，对更适合材料的寻找和对结构的改进从未停止过。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑的四分之一模基片集成波导(QMSIW)结构的中心频率带宽全可调的带通滤波器。

本发明根据基片集成波导(SIW)腔体的磁对称性，沿SIW腔体的两个磁壁将SIW腔切开，取其中的四分之一，由两个四分之一SIW腔体形成耦合设计滤波器。QMSIW拥有和SIW相似的性能,却只有其尺寸的四分之一,符合现代无线通信系统对于小型化的要求。本滤波器主要包括两个1/4模SIW谐振腔，输入输出馈线，耦合窗口，以及用于调谐频率、带宽、外部Q值的变容管。

所述的滤波器主要由上下叠加的两层介质板构成。所述的上介质板的上表面部分铺设上层金属面，剩余部分为加载中心频率和带宽的调谐元件提供物理空间；所述的下介质板的下表面全铺下层金属面，并加载两个共面波导(CPW)结构的输入输出馈线；所述的上下介质板间设有中间金属层，该中间金属层由两个相同的四分之一圆与长方形金属条构成，其中四分之一圆的一边与上层金属面边沿位置相同，另一边与长方形金属条的一边接壤；

长方形金属条与上层介质板间贯穿有金属柱C，该长方形金属条用于加载中心频率和带宽的调谐元件；

上下介质板间贯穿周期性分布的金属柱A；金属柱A和上下层金属面构成QMSIW结构，上层金属面只在QMSIW结构处敷铜，形成磁壁；同时中间金属层与下层介质板间贯穿有周期性分布的金属柱B；三层金属层与金属柱A、B，构成同轴QMSIW谐振腔结构；

上下介质板间贯穿有金属柱D，且输入与输出馈线加载在下层金属面，通过金属柱D与同轴谐振腔形成较强的容性外部耦合，通过改变加载在CPW传输线中的变容二极管Cv3的容值来控制外部Q值。

所述的中间金属层与上金属层构成较强的电容效应，通过在中间同轴金属与上金属层间加载变容二极管Cv1，用以调谐同轴谐振腔的谐振频率。

本发明滤波器存在两个谐振腔，两个谐振腔间的耦合包括磁耦合和电耦合。磁耦合通过开窗，即增减两谐振腔间的金属柱来实现，是固定的。电耦合由加载在两谐振腔中间金属层间的变容二极管Cv2来实现，通过改变二极管Cv2容值调节两个谐振腔间的耦合系数。

进一步地，滤波器采用双层PCB板叠加工艺，或采用LTCC工艺。

本发明创新性的利用QMSIW结构解决了腔体滤波器较难通过加载可调元件实现频率及带宽可调的问题；提出了一种新的QMSIW频率调谐方式；同时加载的调谐元件较少，为实际调试工作减轻了工作量；同时创新性的使用四分之一模基片波导结构，使滤波器尺寸大大降低。

上层金属面与中间层金属面构成较强电容效应，通过外部并联加载的变容管来调谐频率，创新性的实现了SIW结构的频率调谐方式；两个谐振腔之间通过加载变容管来调谐耦合强度,创新性的实现了SIW结构的带宽调谐方式；同时引入QMSIW迎合了现代射频通信系统对于小型化的要求并解决了传统腔体滤波器很难通过外部加载调谐原件来完成可调的问题。

本发明滤波器结构紧凑，为可调腔体滤波器的小型化提供了新思路，带宽调谐方式新颖，调谐范围大，制作工艺要求较低。

附图说明

图1为本发明的结构总体示意图；

图2分别是本发明的三层金属层的结构图，其中图(a)是顶层(上介质板的上层)，图(b)是中间层(上介质板与下介质板的中间层)，图(c)是底层(下介质板的下层)；

图3为本发明两个谐振腔耦合的等效结构图；

图4是该可重构滤波器在各频点的频率调谐和某频点的带宽调谐的S参数仿真图。

图5是该可重构滤波器在各频点的频率调谐和某频点的带宽调谐的S参数测试图。

图中标记：1、6、7、8为金属柱，2、3为输入输出馈线，4、5是中间层敷铜，9是顶层敷铜，10是底层敷铜，Cv1、Cv2、Cv3是变容二极管,V1是变容二极管Cv1的直流偏压，V2是变容二极管Cv2的直流偏压。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本实施例采用的QMSIW结构由于电磁传播特性与SIW结构近似，以下的相关计算均基于完整的SIW结构。

如图1、图2、图3所示，该发明可调腔体滤波器由两层PCB板叠加而成，两层PCB板通过粘结片连接，两层PCB板上周期性排列的金属柱A1构成了谐振腔外壁。图2(a)是滤波器的顶层(上PCB板的上层)，只在9处所示的区域敷铜，这样设计为加载调谐元件提供了物理空间。图2(c)是滤波器的底层(下PCB板的下层)，全部敷铜(10处所示区域敷铜)，上PCB板的上层金属面9和下PCB板的下层金属面10以及贯穿上下两层PCB板的金属柱1共同构成了四分之一模基片集成波导(QMSIW)。

如图2(b)所示，中间层(上下两PCB板之间)只在4、5处敷铜，通过周期性分布金属柱B6和下PCB板的下层金属面10相连，形成较强的电感效应；中间金属层4,5与上PCB板的上层金属面9形成较强的电容效应，其中金属柱B6作用是防止电磁能量外泄，保持了整个结构的完整性。此结构再加上外面的QMSIW结构总体构成了同轴QMSIW谐振腔。在中间金属层4,5与上PCB板的上层金属之间加载变容二极管Cv1来调谐谐振频率。

两个谐振腔之间的耦合由开窗即增减两腔间周期性排列的金属柱以及加载于两个谐振腔的变容二极管共同构成，在中间金属层4和5之间加载变容二极管Cv2来调谐带宽。如图1、图2(a)、(b)所示，为了方便加载调谐元件，在上层PCB板中添加金属柱C7，使调谐元件可以加载在PCB的顶层。

根据图3，同时利用集总参数谐振器谐振频率的计算公式(1)，通过谐振腔的等效电容、等效电感L就能得到谐振器的谐振频率：

其中C_V1为加载于中间金属层4，5与上层金属面9之间的变容二极管电容；根据图3所示的滤波器的中心频率可调通过控制Cv1来实现，上式中的是C_v0为中间金属层4，5与上层金属面9之间形成的较强电容效应，可近似由平行电容板得到：

其中s是中间金属层4或者5的面积，h1是中间金属层4，5与上层金属面9之间的距离，即上层PCB板的高度，ε₀是真空中的介电系数，ε_r是介质板的介电常数，κ为静电力常量。

等效电感L的近似表达式如下：

a是中间金属层4或者5的半径，b是谐振腔的半径，μ₀为真空中磁导率，μ_r为谐振腔介质的相对磁导率，h为谐振腔的高度。

所述的滤波器的带宽可调是通过控制来实现的，其中为加载在两谐振腔中间金属层间的变容二极管的电容，中间金属层通过下层板周期性分布的金属柱B来防止能量泄露，构成同轴谐振腔结构。通过减少一部分金属柱使得电流通过变容二极管，从而控制来调节带宽。由于变容管的Q值相对较低，故开窗得到的磁耦合K_m为主要耦合方式，由加载变容管得到的电耦合K_e为次要耦合方式，两腔间的耦合为k＝K_m-K_e，增加，即增大电耦合强度K_e来削弱两个谐振腔之间的耦合，从而完成对带宽的可调。

所述的滤波器在输入输出馈线2、3与谐振腔之间加入串联的变容二极管Cv3，通过改变该变容二极管的容值来完成对外部Q值的可调。

从附图4的仿真结果可以看出，本发明较好地实现了带宽以及中心频率可调。附图5可以看出，制板之后的测试结果与仿真结果基本一致，图5(a)(b)可以看出本发明具有较宽的频率调谐范围，图5(c)(d)可以看出本发明的具有较宽的带宽调谐范围。但是因为多层板的工艺，会因两层PCB板中间的空隙而产生的容性影响，导致测试结果与仿真结果之间有不可避免的频偏。

本发明创新性的利用QMSIW结构解决了腔体滤波器较难通过加载可调元件实现频率及带宽可调的问题；提出了一种新的QMSIW带宽调谐方式；同时加载的调谐元件较少，为实际调试工作减轻了工作量；同时创新性的使用四分之一模基片波导结构，使滤波器尺寸大大降低。

Claims (8)

1.中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征主要包括两个1/4模SIW谐振腔，输入输出馈线，耦合窗口，以及用于调谐频率、带宽、外部Q值的变容管；

所述的两个1/4模SIW谐振腔是根据SIW腔体的磁对称性，沿SIW腔体的两个磁壁将SIW腔切开，取其四分之一，由两个四分之一SIW腔体形成耦合而成。

2.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于该滤波器具体包括上下叠加的两层介质板；上介质板的上表面部分铺设上层金属面，剩余部分为加载中心频率和带宽的调谐元件提供物理空间；下介质板的下表面全铺下层金属面，并加载两个共面波导(CPW)结构的输入输出馈线；上下介质板间贯穿周期性分布的金属柱A与上下层金属面构成QMSIW结构；

中间层金属面通过贯穿中间层金属面与下层介质板的周期性分布金属柱B，与QMSIW结构构成两个同轴QMSIW谐振腔结构,且两QMSIW谐振腔进行耦合。

3.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于所述的滤波器采用双层PCB板叠加工艺，或采用LTCC工艺。

4.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于中间层金属面通过贯穿中间层金属面与上层介质板的金属柱C，使调谐元件加载在介质板的顶层，为加载调谐元件提供了物理空间。

5.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于中间层金属面与上层金属面构成较强的电容效应，通过在中间层金属面与上层金属面之间加载变容二极管，来调谐同轴谐振腔的谐振频率。

6.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于两SIW谐振腔谐振腔间存在两种耦合方式，一种是通过开窗形成的磁耦合，一种是通过加载变容管形成的电耦合；

磁耦合通过开窗，即增减两谐振腔间的金属柱来实现；

电耦合由加载在两个谐振腔的中间层金属面间的变容二极管来实现，通过改变该二极管容值调节两个谐振腔间的耦合系数。

7.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于所述的输入与输出馈线加载在下介质板的下表面，并通过贯穿上下介质板的金属柱D与同轴谐振腔形成较强的容性外部耦合，通过改变加载在CPW传输线中的变容二极管的容值来控制外部Q值。

8.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的四分之一模基片集成波导滤波器，其特征在于滤波器的谐振频率f₀根据以下公式获得：

$f_0=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{(C_{v0}+C_{V1})L}}---\left(1\right)$

其中Cv1为加载于中间层金属面与上层金属面之间的变容二极管电容；

中间层金属面与上层金属面间形成的较强电容效应：

$C_{V0}=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}s}{4{\mathrm{\πkh}}_1}---\left(2\right)$

其中s是中间层金属面的面积，h1是中间层金属面与上层金属面间的距离，ε₀是真空中的介电系数，ε_r是介质板的介电常数，κ为静电力常量；

$L=\frac{u_0{u}_{r}h}{2\mathrm{\π}}\ln \frac{b}{a}---\left(3\right)$

L为电感，μ₀为真空中磁导率，μ_r为谐振腔介质的相对磁导率，h为

谐振腔的高度，a为同轴QMSIW谐振腔结构中圆心O与金属柱B的距

离,b为同轴QMSIW谐振腔结构中圆心O与金属柱A的距离。