CN107546451A - 基于正六边形半模基片集成波导及csr结构的电调谐滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波毫米波技术领域，涉及基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，该滤波器结合正六边形半模基片集成波导的基础上并增加互补方形螺旋谐振环(CSR)，在基片集成波导中降低谐振频率不易实现，采用互补螺旋谐振环，可使得谐振频率急剧减小，从而使得外部半模基片集成波导的尺寸大大减小；而在外加偏置电压的作用下，通过变容二极管作为调谐元件，使得滤波器的中心频率和带宽连续可调谐；正六边形谐振腔结构有比矩形谐振腔具有更高的无载品质因数，因此用六边形结构比用矩形结构制作的滤波器具有更小的插入损耗，本发明可以改进互补螺旋谐振环的大小来控制不同的频段的连续可调，具有广泛的应用市场。
Description
技术领域
本发明属于微波毫米波技术领域，涉及基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，特别适宜于无线通信系统。
背景技术
近年来，在长期演进(LTE)载波聚合(CA)和往后的技术中，通过一根天线支持多频带同时工作的需求，给滤波器和双工器带来了许多附加的挑战，隔离损耗和线性度可能是最难实现的。可重构无线电是值得研究和采纳的另一条途径。随着无线电频谱变得越来越拥挤，智能认知天线正在不断吸引人们的注意力。问题是移动电话制造商不喜欢通过增加新型号的手机来增加带宽需求，这种方法性价比不高。使用即将推出的载波聚合和多入多出(MIMO)设计可以用来满足临时的LTE-A和最终的5G需求。在这些新的系统中迫切需要体积更小，成本更低的滤波器。可调谐滤波器也许能够减轻工程师面临的这些设计问题，因为它能很好的装配进体积小，功耗低的手机中。
电调谐滤波器的实现方式主要是调谐半导体二极管，如变容二极管，PIN二极管等，这些调谐元件调谐成本低，调谐速度快，易于集成，而且它们的调谐电压也相对较低，但由于调谐元件的引入，使得这类调谐滤波器相对于普通的滤波器，它们的损耗要大得多，为了改善可重构滤波器的损耗特性，引入基片集成波导技术，它的Q值高，重量轻，损耗小，功率容量大，成本低，易于与其它平面电路集成。而半模基片集成波导具有和矩形基片波导相同的特性，但其横向尺寸减少一半，具有小型化的作用。正六边形谐振腔结构相比于矩形和圆形谐振腔，它近似于圆形谐振腔的谐振特性，比矩形谐振腔具有更高的无载品质因数，因此用六边形结构比用矩形结构制作的滤波器具有更小的插入损耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，该滤波器具有体积小，插入损耗低，带外抑制高，加载直流馈电方便、中心频率连续可调、调谐速度快、调谐方便等优点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器(1)，由从下往上依次层叠的下层金属地(32)、中间介质层(2)及上层金属图形层(31)构成；其特征在于，
所述上层金属图形层包括正六边形半模基片集成波导覆铜层及直流偏置电路，其中，所述正六边形半模基片集成波导覆铜层通过其边缘设置的一排贯穿中间介质层的金属化通孔(4)、与下层金属地共同构成正六边形半模基片集成波导，正六边形半模基片集成波导覆铜层左右两边通过L型共面波导输入端(81、82)分别与输入微带线连接，所述半模基片集成波导覆铜层(31)上还左右对称开设有两个互补方形螺旋谐振环(CSR)(61、62)；
所述直流偏置电路包括第一金属焊盘(71)，第六金属焊盘(76)，接地金属片(9)，隔直电容(10)，接地电容(13)，直流电源(15)、以及依次连接的第五金属焊盘(75)、限流电阻(14)、第四金属焊盘(74)、扼流电感(12)、第二金属焊盘(72)、变容二极管(11)及第三金属焊盘(73)，所述隔直电容(10)跨接于第一金属焊盘(71)与第二金属焊盘(72)之间，所述接地电容(13)跨接于第四金属焊盘(74)与第六金属焊盘(76)之间，所述直流电源(15)跨接于第五金属焊盘(75)与接地金属片(9)之间，所述第三金属焊盘(73)连接接地金属片(9)；变容二极管(11)的阳极接于第三金属焊盘(73)上；
所述第六金属焊盘(76)通过导线与两个互补方形螺旋谐振环(61、62)连接。
进一步的，所述互补方形螺旋谐振环(61、62)是在正六边形半模基片集成波导覆铜层上刻蚀图案所构成的，其位置位于正六边形半模基片集成波导敷铜层两侧，其图案是由两个宽度和间距相等的方形环并在下边中心位置开口处将内环与外环连接。
进一步的，所述接地金属片(9)通过金属化通孔(4)与下层金属地连接。
本发明是在结合正六边形半模基片集成波导的基础上并增加互补方形螺旋谐振环，在外加偏置电压的作用下，通过变容二极管作为调谐元件，使得滤波器的中心频率和带宽连续可调谐；其中，正六边形半模基片集成波导为正六边形并沿着对称中心横向切一半从而获得正六边形半模基片集成波导。左右对称的互补方形螺旋谐振环，并且内环与外环相接，两个谐振环的宽度和间距相等，众所周知，使用基片集成波导技术，通过谐振频率公式可得，其谐振频率越小，其矩形波导的等效长度、宽度越大，所以低频段采用基片集成波导技术的尺寸相对较大，而降低其尺寸比较困难，通过仿真我们发现互补开口谐振环的开口位置对中心频率有着巨大的影响，当开口相对时，随着两开口相互靠拢时，谐振频率逐渐增大，而当两开口在同一侧时，谐振频率最大，而当将两开口连接起来，其谐振频率急剧减小，所以这里我们采用互补开口谐振环并加以改进，将内环与外环连接起来，形成互补螺旋谐振环，而两对称互补螺旋谐振环随着之间的距离增大，其通带选择性越好，其距离在加工精度允许的条件
下选择。
本发明的有益效果在于：
1.本发明采用基片集成波导技术，相比于微带线，它Q值高，重量轻，损耗小，功率容量大，成本低，易于与其它平面电路集成。半模基片集成波导具有和矩形基片波导相同的特性，但其横向尺寸减少一半，具有小型化的作用。正六边形谐振腔结构相比于矩形和圆形谐振腔，它近似于圆形谐振腔的谐振特性，比矩形谐振腔具有更高的无载品质因数，因此用六边形结构比用矩形结构制作的滤波器具有更小的插入损耗。
2.由于采用基片集成波导技术，由基片集成波导的等效尺寸与谐振频率的关系可知，谐振频率越小，尺寸越大，所以采用基片集成波导技术的低频滤波器极不容易实现，本发明一个优点是采用互补开口谐振环，并将开口由相对改为并排，并把开口的内环和外环连接起来，得到互补螺旋谐振环，使得谐振频率急剧减小，从而使得外部半模基片集成波导的尺寸大大减小。
3.本发明由正六边形半模基片集成波导及CSR结构产生通带，并有一个传输零点，带外抑制高，在外加偏置电压的作用下，通过变容二极管，使得中心频率和带宽连续可调。
4.焊盘之间焊接有隔直电容，扼流电感，其作用是当施加直流偏置电压时，隔直电容可以防止电压通过基片集成波导进入矢量网络分析仪而造成损害，扼流电感是为了隔交流通直流。
5.本发明使用变容二极管，调谐速度快。
6.本发明在50欧姆微带线后采用L型共面波导过渡的形式过渡到谐振腔，可以极大的减少反射。
7.本发明可以通过要求而改进互补螺旋谐振环的大小来控制不同的频段的连续可调，具有广泛的应用市场。
附图说明
图1为本发明提供的基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器的俯视图。
图2为图1侧面示意图。
图3为图1的底部结构示意图。
图4为图1中变容二极管在外加偏置电压时的回波损耗S11曲线。
图5为图1中变容二极管在外加偏置电压时的插入损耗S21曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
本实施例提供一种基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，其结构如图1、图2、图3所示；本实施例中，变容二极管则是选用skyworks公司的SMV1405系列的变容二极管并使用SC-79封装，此封装的变容二极管总长度约为1.5mm到1.7mm，宽度约为0.7mm到0.9mm，而管脚的长度约为0.15mm，电感电容和电阻采用0603封装，即电感电容和电阻与金属焊盘预留的长度和宽度为1.6mm和0.8mm，这里为了方便焊接将方形焊盘设2mm，因此在正六边形半模基片集成波导上的金属焊盘的基本位置及尺寸可以确定，最后施加不同偏置电压即可。
本实施例中，介质基板采用Rogers 5880，其介电常数为2.2，损耗因子0.0009，厚度为0.508mm，变容二极管二极管采用的是skyworks公司的SMV1405系列变容二极管，采用SC-79封装，此封装的变容二极管的总长度约为1.5mm到1.7mm，而管脚的长度约为0.15mm，扼流电感为1000nH，隔直电容为150pF，限流电阻为150欧姆，接地电容为100pF，扼流电感、隔直电容、限流电阻、接地电容均采用0603封装，即电感和电容与金属焊盘预留的长度和宽度为1.6mm和0.8mm，这里为了方便焊接将方形焊盘设2mm，将隔直电容焊接在焊盘(71)和(72)之间，将变容二极管焊接在焊盘(72)和(73)之间，将扼流电感焊接在焊盘(72)和(74)之间，将限流电阻焊接在焊盘(74)和(75)之间，将接地电容焊接在焊盘(74)和(76)之间，将焊盘(76)通过导线与方形打孔接地金属片(9)连接，使其接地，将焊盘(75)外接直流电源DC(15)，并将电源通过导线连接方形打孔接地金属片使其接地。两50欧姆微带线外接SMA接头并连接到矢量网络分析仪上测量，当外置电路加上不同的偏压时，电压为3V到30V，滤波器的中心频率从1.324GHz到1.538GHz连续可调，调谐范围为214MHz，回波损耗S11为11.799dB到17.369dB，插入损耗为2.134dB到0.84dB，整个电路尺寸为长为20.6mm宽为21mm。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，用于帮助技术人员理解本发明的原理，本发明的保护范围不局限在这样的特殊实例，本领域的技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明的其它各种变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (3)
1.基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，由从下往上依次层叠的下层金属地(32)、中间介质层(2)及上层金属图形层(31)构成；其特征在于，
所述上层金属图形层包括正六边形半模基片集成波导覆铜层及直流偏置电路，其中，所述正六边形半模基片集成波导覆铜层通过其边缘设置的一排贯穿中间介质层的金属化通孔(4)、与下层金属地共同构成正六边形半模基片集成波导，正六边形半模基片集成波导覆铜层左右两边通过L型共面波导输入端(81、82)分别与输入微带线连接，所述半模基片集成波导覆铜层(31)上还左右对称开设有两个互补方形螺旋谐振环(CSR)(61、62)；
所述直流偏置电路包括第一金属焊盘(71)，第六金属焊盘(76)，接地金属片(9)，隔直电容(10)，接地电容(13)，直流电源(15)、以及依次连接的第五金属焊盘(75)、限流电阻(14)、第四金属焊盘(74)、扼流电感(12)、第二金属焊盘(72)、变容二极管(11)及第三金属焊盘(73)，所述隔直电容(10)跨接于第一金属焊盘(71)与第二金属焊盘(72)之间，所述接地电容(13)跨接于第四金属焊盘(74)与第六金属焊盘(76)之间，所述直流电源(15)跨接于第五金属焊盘(75)与接地金属片(9)之间，所述第三金属焊盘(73)连接接地金属片(9)；变容二极管(11)的阳极接于第三金属焊盘(73)上；
所述第六金属焊盘(76)通过导线与两个互补方形螺旋谐振环(61、62)连接。
2.按权利要求1所述基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，其特征在于，所述互补方形螺旋谐振环(61、62)是在正六边形半模基片集成波导覆铜层上刻蚀图案所构成的，其位置位于正六边形半模基片集成波导敷铜层两侧，其图案是由两个宽度和间距相等的方形环并在下边中心位置开口处将内环与外环连接。
3.按权利要求1所述基于正六边形半模基片集成波导及CSR结构的电调谐滤波器，其特征在于，所述接地金属片(9)通过金属化通孔(4)与下层金属地连接。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230323 Address after: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee after: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. Address before: 611731, No. 2006, West Avenue, Chengdu hi tech Zone (West District, Sichuan) Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230626 Address after: 341000 Industrial Park, Ganzhou economic and Technological Development Zone, Jiangxi Province Patentee after: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee before: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right |
Denomination of invention: Electrically Tuned Filter Based on Hexagonal Half Mode Substrate Integrated Waveguide and CSR Structure Granted publication date: 20200327 Pledgee: Ganzhou rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980002104 |