CN107946706B - 基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器及其设计方法 - Google Patents

基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器及其设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器及其设计方法，滤波器包括两条分别位于信号输入端和信号输出端的耦合缝隙，一个基于阶跃阻抗谐振器的三阶低通滤波器，一个基于四分之一波长阶跃阻抗谐振器的二阶带通滤波器，一段内嵌的开路短截线，三个空气填充的相连圆形腔体，若干个沿着圆形腔体边缘分布的金属化过孔，三层介质基板，一层共用金属地和一层底面金属盖板。低通滤波器可以通过调节高低阻抗的长度，实现与带通滤波器互补的频率响应特性，从而实现超宽阻带的微波带通滤波器，再与基于基片集成波导圆形腔体的带有低频截止特性的毫米波带通滤波器进行组合，进而实现超高通频带比的双频带通滤波器。

Description

基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器及其设计方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，更具体地，涉及一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器及其设计方法。
背景技术
随着无线通信系统中对数据传输速率要求的不断增长，工作在微波频段的MIMO和载波聚合等技术应运而生。然而，不断膨胀的巨大信息量以及拥挤的微波频段，不可避免地把下一代无线通信频段推向频谱资源充足的毫米波频段，这意味着同时覆盖微波和毫米波频段的双频组件将是下一代无线通信系统中的重要组成部分。以2.4GHz和30GHz为例，其频率比高达12.5，对于现有的双频结构是一个严峻的挑战。
带通滤波器是一种允许特定频段的波通过，同时屏蔽其他频段的滤波器，可以大大提高接收端的信噪比和频率选择性，是无线通信系统中的一个重要组成部分。所以，在上述系统中，一个同时工作在微波和毫米波频段的双频带通滤波器将会是一个重要组件。
目前，双频滤波器的实现方法主要有两大类：多模谐振器和采用两组独立谐振器。多模谐振器可以通过在不同的基本谐振器上加载短截线得到，包括：开环谐振器、环形谐振器、阶跃阻抗谐振器和贴片结构等。但各通带的性能参数往往不能独立控制。而采用两组结构相似的谐振器可以独立控制各通带的性能参数，但其频率比有限，一般不超过4，远达不到上述系统的要求。
另外，前面提到的结构均采用微带线结构实现，其性能在毫米波频段将急剧恶化，而传统的金属波导由于体积庞大，不适合小型化、高集成的平面电路系统。基片集成波导(SIW)技术的提出解决了上述问题，该结构具有体积小、损耗低和高功率容量的特点，被广泛用于微波和毫米波电路的研究。然而，基于SIW的双频滤波器也存在频率比有限的问题，不能满足下一代系统的要求。
发明内容
本发明提供一种具有低插损、电路尺寸小，结构简单的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器。
本发明的又一目的在于提供一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器的设计方法。
为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：
一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，包括从上至下依次排布微带结构，第一介质基板，共用金属地层，中心挖空的介质基板，金属平面，第二介质基板；其中，微带结构上设置有基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带微波带通滤波器，共用金属地上设置有两条用于整合微波和毫米波滤波器的圆弧形缝隙，中心挖空的介质基板(上设置有基于空气填充基片集成波导圆形腔体的毫米波带通滤波器；所述基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带微波带通滤波器由混合阶跃阻抗单元、第一金属化过孔和加载的开路短截线组成；所述基于空气填充基片集成波导圆形腔体的毫米波带通滤波器由三个空气填充的圆形腔体和沿挖空边缘分布的第二金属化过孔组成；所述混合阶跃阻抗单元包括一个三阶低通滤波器单元和一个二阶带通滤波器单元，两者以级联方式组合；所述第一金属化过孔位于带通滤波器两个谐振单元的高阻抗末端，上端连接微带结构，下端连接共用金属地层；所述开路短截线加载于带通滤波器的内部，与高阻抗线相连；所述三阶低通滤波器单元由两段等长等宽的低阻抗线和一段不等长的高阻抗线连接而成，所述二阶带通滤波器单元由两个完全对称的四分之一波长阶跃阻抗谐振器通过高阻抗线的末端连接而成；该双频带通滤波器还包括有两条微带端口线，以及两条内部微带线，一条用于连接低通滤波器单元和带通滤波器单元，一条用于连接带通滤波器单元和输出端口线；所述三个空气填充的圆形腔体由三个半径相同的圆形腔体部分交叉衔接组成，所述第二金属化过孔沿挖空部分边缘均匀分布，上端连接共用金属地层，下端连接金属平面层。
进一步地，所述的两条圆弧形缝隙位于空气填充的圆形腔体内部，且靠近挖空边缘部分。
进一步地，所述微带结构(101)采用微带工艺固定在第一介质基板(102)上，所述共用金属地层(103)采用微带工艺固定在中心挖空的介质基板(104)上，第一介质基板(102)和中心挖空的介质基板(104)厚度为0.508mm。
优选地，所述第一介质基板(102)和中心挖空的介质基板((104)由Rogers RT/Duroid 5880的介质材料构成。
优选地，所述第一介质基板(102)和中心挖空的介质基板(104)的介质材料的介电常数是2.2。
优选地，所述金属平面(105)采用微带工艺固定在第二介质基板(106)上，第二介质基板(106)厚度为0.5mm，由介电常数为4.4的FR-4介质材料构成。
一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：
S1：根据所需的阻带抑制范围，选取合适的高低阻抗比和长度比；
S2：根据要求的中心频率和介质基板的相对介电常数，计算出四分之一波长阶跃阻抗谐振器的高低阻抗线长度的初始值；
S3：根据以上带通滤波器的频率响应，设计与其具有互补频率响应特性的三阶低通滤波器，两者级联并于带通滤波器内部加载一段四分之一波长开路短截线以更好地抑制由第一个高次谐波退化形成的毛刺，从而实现超宽阻带微波带通滤波器；
S4：计算圆形腔体的初始半径值；然后通过共用金属地上的两条圆弧形缝隙实现信号分离和信号组合，从而实现具有大频率比的双频带通滤波器，并通过微调部分参数，从而得到最优的阻抗匹配。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：
(1)本发明首次提出了一种基于微带和基片集成波导的具有大频率比的双频带通滤波器，其频率比高达12.57，实现了对现有双频组件有限频率比的突破，非常适用于多标准的下一代无线通信系统；
(2)本发明的特点还包括：a、两个频段由两个子部件实现，中心频率和带宽均可独立控制；b、通过调节四分之一波长阶跃阻抗谐振器的尺寸，可以改变微波的工作频率；c、通过调节圆形腔体的半径，可以改变毫米波的工作频率；d、通带插损低，电路尺寸小，易于集成；e、电路结构简单，成本低。
附图说明
图1为本发明实施例侧面结构示意图；
图2为本发明实施例整体结构俯视图；
图3为本发明实施例阶跃阻抗不同长度比与频率响应的仿真关系图；
图4为本发明实施例微波带通滤波器部分仿真和测量的频率响应结果对比图；
图5为本发明实施例毫米波带通滤波器部分仿真的频率响应和电场分布图；
图6为本发明实施例的仿真和测量的频率响应结果对比图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-2所示，一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，包括从上至下依次排布微带结构101，第一介质基板102，共用金属地层103，中心挖空的介质基板104，金属平面105，第二介质基板106；其中，微带结构上101设置有基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带微波带通滤波器200，共用金属地上103设置有两条用于整合微波和毫米波滤波器的圆弧形缝隙，中心挖空的介质基板104上设置有基于空气填充基片集成波导圆形腔体的毫米波带通滤波器300；所述基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带微波带通滤波器200由混合阶跃阻抗单元、第一金属化过孔和加载的开路短截线组成；所述基于空气填充基片集成波导圆形腔体的毫米波带通滤波器300由三个空气填充的圆形腔体和沿挖空边缘分布的第二金属化过孔组成；所述混合阶跃阻抗单元包括一个三阶低通滤波器单元和一个二阶带通滤波器单元，两者以级联方式组合；所述第一金属化过孔位于带通滤波器两个谐振单元的高阻抗末端，上端连接微带结构101，下端连接共用金属地层103；所述开路短截线加载于带通滤波器的内部，与高阻抗线相连；所述三阶低通滤波器单元由两段等长等宽的低阻抗线和一段不等长的高阻抗线连接而成，所述二阶带通滤波器单元由两个完全对称的四分之一波长阶跃阻抗谐振器通过高阻抗线的末端连接而成；该双频带通滤波器还包括有两条微带端口线，以及两条内部微带线，一条用于连接低通滤波器单元和带通滤波器单元，一条用于连接带通滤波器单元和输出端口线；所述三个空气填充的圆形腔体由三个半径相同的圆形腔体部分交叉衔接组成，所述第二金属化过孔沿挖空部分边缘均匀分布，上端连接共用金属地层103，下端连接金属平面层105。
两条圆弧形缝隙位于空气填充的圆形腔体内部，且靠近挖空边缘部分；微带结构101采用微带工艺固定在第一介质基板102上，所述共用金属地层103采用微带工艺固定在中心挖空的介质基板104上，第一介质基板102和中心挖空的介质基板104厚度为0.508mm；第一介质基板102和中心挖空的介质基板104由Rogers RT/Duroid 5880的介质材料构成；第一介质基板102和中心挖空的介质基板104的介质材料的介电常数是2.2；金属平面105采用微带工艺固定在第二介质基板106上，第二介质基板106厚度为0.5mm，由介电常数为4.4的FR-4介质材料构成。
其中，所述混合阶跃阻抗单元包括一个三阶低通滤波器单元和一个二阶带通滤波器单元，两者以级联方式组合；所述金属化过孔(直径为d1)位于带通滤波器两个谐振单元的高阻抗末端，上端连接微带结构101，下端连接共用金属地层103；所述开路短截线(长为Lstub)加载于带通滤波器的内部，与高阻抗线相连。
所述三阶低通滤波器单元由两段等长等宽的低阻抗线(长为L1，宽为W1)和一段不等长的高阻抗线(长为L2，宽为W2)连接而成；所述二阶带通滤波器单元由两个完全对称的四分之一波长阶跃阻抗谐振器通过混合电磁耦合连接而成，其中，低阻抗线长为L4，宽为W4，高阻抗线长为L3+W4，宽为W3，电耦合缝隙为S1。
还包括有两条微带端口线(宽为W0)，以及两条内部微带线，一条用于连接低通滤波器单元和带通滤波器单元，一条用于连接带通滤波器单元和输出端口线。
所述三个空气填充的圆形腔体由三个半径相同的圆形腔体(半径为Rsiw)部分交叉衔接组成，交叉部分角度为θ2，所述金属化过孔(直径d0)沿挖空部分边缘均匀分布，上端连接共用金属地层，下端连接金属平面层。
所述两条圆弧形缝隙(圆弧角度为θ1，宽度为Ws)位于空气填充的圆形腔体内部，且靠近挖空边缘部分。
上述各电路参数为：W0＝1.57mm，W1＝5.2mm，W2＝0.4mm，W3＝0.48mm，
W4＝3.32mm，Ws＝0.4mm，，L1＝1.1mm，L2＝3mm，L3＝6.63mm，L4＝5mm，
Lstub＝3.95mm，S1＝0.1mm,Rsiw＝3.75mm，d0＝0.3mm，d1＝0.8mm，θ1＝50°，θ2＝47°。
一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器的设计方法，包括以下步骤：
S1：根据所需的阻带抑制范围，选取合适的高低阻抗比和长度比；
S2：根据要求的中心频率和介质基板的相对介电常数，计算出四分之一波长阶跃阻抗谐振器的高低阻抗线长度的初始值；
S3：根据以上带通滤波器的频率响应，设计与其具有互补频率响应特性的三阶低通滤波器，两者级联并于带通滤波器内部加载一段四分之一波长开路短截线以更好地抑制由第一个高次谐波退化形成的毛刺，从而实现超宽阻带微波带通滤波器；
S4：计算圆形腔体的初始半径值；然后通过共用金属地上的两条圆弧形缝隙实现信号分离和信号组合，从而实现具有大频率比的双频带通滤波器，并通过微调部分参数，从而得到最优的阻抗匹配。
参照图3(本发明实施例阶跃阻抗不同长度比与频率响应的仿真关系图)可以看出，通过选择合适的长度比，可以得到较宽的阻带范围。
参照图4(本发明实施例微波带通滤波器部分仿真和测量的频率响应结果对比图)和图5(本发明实施例毫米波带通滤波器部分仿真的频率响应和电场分布图)可以看出，微波滤波器实现了超宽高频阻带抑制，毫米波滤波器实现了低频截止特性。
参照图6(本发明实施例的仿真和测量的频率响应结果对比图)，本发明实施例实现了大频率比的双频带通滤波器，实测结果中，中心频率分别为2.37GHz和29.84GHz，3dB相对带宽分别为19.41％和6.5％，插入损耗分别为0.75dB和1.74dB，通带间抑制大于23dB，通频带的频率比高达12.59。
上述所有结果均在基板材料为Rogers RT/Duroid 5880，介电常数为2.2，基板厚度为0.508mm的真实环境下通过矢量网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线基本吻合，表明了本发明的方案切实可行
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，其特征在于，包括从上至下依次排布微带结构(101)，第一介质基板(102)，共用金属地层(103)，中心挖空的介质基板(104)，金属平面(105)，第二介质基板(106)；其中，微带结构(101)上设置有基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带微波带通滤波器(200)，共用金属地层(103)设置有两条用于整合微波和毫米波滤波器的圆弧形缝隙，中心挖空的介质基板(104)上设置有基于空气填充基片集成波导圆形腔体的毫米波带通滤波器(300)；所述基于阶跃阻抗谐振器的超宽阻带微波带通滤波器(200)由混合阶跃阻抗单元、第一金属化过孔和加载的开路短截线组成；所述基于空气填充基片集成波导圆形腔体的毫米波带通滤波器(300)由三个空气填充的圆形腔体和沿挖空边缘分布的第二金属化过孔组成；所述混合阶跃阻抗单元包括一个三阶低通滤波器单元和一个二阶带通滤波器单元，两者以级联方式组合；所述第一金属化过孔位于带通滤波器两个谐振单元的高阻抗末端，上端连接微带结构(101)，下端连接共用金属地层(103)；所述开路短截线加载于带通滤波器的内部，与高阻抗线相连；所述三阶低通滤波器单元由两段等长等宽的低阻抗线和一段不等长的高阻抗线连接而成，所述二阶带通滤波器单元由两个完全对称的四分之一波长阶跃阻抗谐振器通过高阻抗线的末端连接而成；该双频带通滤波器还包括有两条微带端口线，以及两条内部微带线，一条用于连接低通滤波器单元和带通滤波器单元，一条用于连接带通滤波器单元和输出端口线；所述三个空气填充的圆形腔体由三个半径相同的圆形腔体部分交叉衔接组成，所述第二金属化过孔沿挖空部分边缘均匀分布，上端连接共用金属地层(103)，下端连接金属平面(105)。
2.根据权利要求1所述的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，其特征在于，所述的两条圆弧形缝隙位于空气填充的圆形腔体内部，且靠近挖空边缘部分。
3.根据权利要求2所述的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，其特征在于，所述微带结构(101)采用微带工艺固定在第一介质基板(102)上，所述共用金属地层(103)采用微带工艺固定在中心挖空的介质基板(104)上，第一介质基板(102)和中心挖空的介质基板(104)厚度为0.508mm。
4.根据权利要求3所述的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，其特征在于，所述第一介质基板(102)和中心挖空的介质基板(104)由Rogers RT/Duroid 5880的介质材料构成。
5.根据权利要求4所述的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，其特征在于，所述第一介质基板(102)和中心挖空的介质基板(104)的介质材料的介电常数是2.2。
6.根据权利要求5所述的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器，其特征在于，所述金属平面(105)采用微带工艺固定在第二介质基板(106)上，第二介质基板(106)厚度为0.5mm，由介电常数为4.4的FR-4介质材料构成。
7.一种如权利要求6所述的基于微带和基片集成波导的双频带通滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：根据所需的阻带抑制范围，选取合适的高低阻抗比和长度比；
S2：根据要求的中心频率和介质基板的相对介电常数，计算出四分之一波长阶跃阻抗谐振器的高低阻抗线长度的初始值；
S3：根据以上带通滤波器的频率响应，设计与其具有互补频率响应特性的三阶低通滤波器，两者级联并于带通滤波器内部加载一段四分之一波长开路短截线以更好地抑制由第一个高次谐波退化形成的毛刺，从而实现超宽阻带微波带通滤波器；
S4：计算圆形腔体的初始半径值；然后通过共用金属地上的两条圆弧形缝隙实现信号分离和信号组合，从而实现具有大频率比的双频带通滤波器，并通过微调部分参数，从而得到最优的阻抗匹配。
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