CN107946710B

CN107946710B - 基于rqmsiw的超紧凑双频段带通滤波器

Info

Publication number: CN107946710B
Application number: CN201711380396.7A
Authority: CN
Inventors: 游彬; 杨增; 罗国清
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2017-12-20
Filing date: 2017-12-20
Publication date: 2020-05-05
Anticipated expiration: 2037-12-20
Also published as: CN107946710A

Abstract

本发明公开基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器。本发明基于QMSIW结构，通过在其中加载脊波导，使滤波器产生了类似于矩形腔的谐振特性，在脊波导下嵌入开路带状线，激发了滤波器的高次模即TE201模，产生了双频段响应，加载在带状线的两条短截线用来改善了第二频段的性能。本发明首次在QMSIW结构中实现了双频段滤波器，为研究基于SIW结构的双频段滤波器提供了新思路。

Description

基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及基于脊形四分之一模基片集成波导(RQMSIW)结构，具有双模双频段的超紧凑射频带通滤波器。

背景技术

随着无线通信技术的飞速发展，多频段滤波器成为多业务无线通信系统的重要组成部分。而具有低插入损耗，紧凑尺寸，良好的通带选择性的双频段或多频段BPF是迫切需要的。在过去十年中，新兴的基板集成波导(SIW)技术，由于低成本，低轮廓，相对高Q，高功率处理能力和高密度集成的优点，成为无线收发器系统的有前景的候选者。

SIW技术的少数缺点之一与SIW组件的占有空间有关，特别是对于在低频工作的SIW组件，这通常大于微带线对应组件的占用空间，事实上，SIW结构的宽度取决于工作频率。为了提高SIW的紧凑性，已经提出了几种改进的SIW拓扑，例如半模SIW(HMSIW)，四分之一模SIW(QMSIW)，折叠SIW(FSIW)和脊波导SIW(RSIW)。HMSIW、QMSIW和FSIW使得SIW宽度分别减小50％、75％和50％。而脊波导被用来加载到相应的SIW结构中，以进一步减小SIW宽度，加载在QMSIW结构上可以使SIW的宽度减小80％以上。

另外，对于实现先进双频带或多频带BPF，已经进行了多种技术的研究和开发。例如(1)通过优化的多频带或宽带阻抗匹配网络，多个单独单频带并联；(2)通过把有限传输零点(FTZ)插入通带、或者把带阻滤波部分级联或集成到一个宽带BPF，将宽通带分割成多个子通带，以形成多频带响应；(3)利用具有双行为的谐振器，例如微带级阻抗谐振器(SIR)，通过设计不同的路径形成多频带响应。上述的技术更多的是用微带线结构来实现的。

这些技术也被引入波导或SIW平台来实现双频带或多频带BPF，但是导致电路尺寸较大。此外，通过在SIW表面上加载不同类型的互补分裂环谐振器(CSRR)分别产生在SIW截止频率之下传播的多个通带，上述技术缺乏设计自由度。

另一种通过SIW平台实现双频段的方法就是利用SIW结构的固有模式实现双频段，SIW的基模和高次模被分别用来支配第一和第二频带。然而，由于SIW结构的固有模式的特性，导致目前的研究仅限于在全模SIW结构上实现双频段；因为，虽然有关HMSIW和QMSIW的研究经常和SIW结构对比，但是仅限于在基模即TE101模式上的电磁特性的相似，而对于高次模来说，HMSIW和QMSIW的高次模的电磁特性和SIW的不同，因此，基于QMSIW或者HMSIW的结构来实现双频段滤波器非常困难。最新的SIW双模双频段滤波器的研究是基于矩形SIW结构实现的，一方面，设计的滤波器面积较大，另一方面，双频段中心频率比值的需要去调整整个滤波器的尺寸，导致中心频率的可控性降低。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述所提到的困难，提出了基于RQMSIW结构，具有超紧凑、低插入损耗和高选择性的双模双频段带通滤波器，以满足现代通信系统对双频带通滤波器(DBBPF)的高稳定性，高性能和灵活性，紧凑性的要求。

本发明滤波器主要包括两个1/4模脊形SIW(RQMSIW)谐振腔，输入输出馈线，嵌入的开路带状线以及两条四分之一波长短截线。

所述的滤波器主要从上至下依次包括上介质板、粘接层、下介质板；

所述的上介质板包括上介质板本体和第一层金属面；在上介质板本体上表面的中央部分面积铺设第一层金属面，上表面四周均剩余部分面积未铺设第一层金属面，即上介质板本体的边长大于第一层金属面的边长；其中未铺设第一层金属面的部分面积用来加载输入输出馈线；由于QMSIW的电磁特性，上表面的面积必须大于金属面才能形成QMSIW的特性。

所述的上介质板开有中心对称的第一金属通孔组，该中心为整个器件电场最强点；其中第一金属通孔组包括两组互相垂直且相同个数的金属通孔阵列。

所述的上介质板设有两组中心对称的第二金属通孔组，该中心为整个器件电场最强点；其中第二金属通孔组包括若干周期性分布的第二金属通孔，上述金属通孔采用围合方式设置，且间距相等。两组第二金属通孔组的中心所在的直线位于整个器件电场最强处。

上介质板本体的下表面仅在两组第二金属通孔组所对应的位置敷设第二层金属层，从而形成两个脊波导结构。

作为优选，所述的第一、二金属通孔的直径任意；金属通孔阵列中相邻两第一金属通孔的间距相等。

所述的下介质板包括下介质板本体和第三层金属层；下介质板本体上表面部分铺设第三层金属层，第三层金属层包括一条开路带状线A和加载在两边的四分之一波长短截线B1、B2；其中开路带状线A的两端必须分别位于两个脊波导的正下方，用来激发滤波器的高次模以产生第二频段。

所述的开路带状线A在第一频段引入了一个传输零点，通过调节带状线A的长度或者宽度用以控制传输零点的位置，从而调节第一频段的带宽。但是调节时，带状线A必须正对于脊波导的下面。

所述的短截线B1、B2位于开路带状线A的中心处即滤波器磁场最强点，是为了增加第二频段中的感应耦合，从而提高第二频段的性能。

所述的下介质板本体下表面全部铺设第四层金属面。

第一金属通孔贯穿上介质板本体、粘接层、下介质板本体；第二金属通孔贯穿上介质板本体；

一组轴对称的金属通孔阵列、第一层金属面、第四层金属面构成一个QMSIW谐振腔，故整个器件设有两个QMSIW谐振腔，上述对称轴位于整个器件电场最强处(也就是两组第二金属通孔组的中心所在的直线)。

第一层金属面只在QMSIW结构处敷铜，故第一层金属面边沿与上介质板本体边沿间的面积构成磁壁。上述操作的目的是将两谐振腔采用角耦合的机制进行耦合，使滤波器的尺寸进一步减小。

作为优选，上述角耦合方式具体采用磁耦合，通过调整金属通孔阵列中相邻两第一金属通孔的间距进而调节磁耦合强度。

第二金属通孔、第二层金属层构成脊波导结构。

由两个脊波导分别加载在各自的QMSIW谐振腔上，从而形成两个RQMSIW谐振腔。

作为优选，脊波导的位置与双频段的中心频率比值有关；在不改变滤波器尺寸的前提下，可以通过调节脊波导的位置来调节双频段的距离或者中心频率的比值；

作为优选，调节脊波导的尺寸用以微调第二频段的中心频率。

作为优选，上介质板本体与下介质板本体的厚度比值决定滤波器的通带外抑制，比值越大则滤波器的通带外抑制越好，这是由于上介质板本体越厚，则上介质板的Q值相对于下介质板来说则会变得越大，使得加载在嵌入带状线A两边的短截线的感应耦合变强，从而使得带外抑制变得更好。

作为优选，所述的上介质板本体、下介质板本体采用PCB板。

作为优选，所述的上下介质板本体和粘接层的介电常数差值不超过±0.1。

作为优选，通过调节开路带状线A和加载在两边的四分之一波长短截线B1、B2的长度，用以调节滤波器的第一通带和第二通带的带宽。

本发明的有益效果是：

(1)基于QMSIW结构，通过在其中加载脊波导，使滤波器产生了类似于矩形腔的谐振特性，在脊波导下嵌入开路带状线，激发了滤波器的高次模即TE201模，产生了双频段响应，加载在带状线的两条短截线用来改善了第二频段的性能。

(2)本发明的滤波器可以在不改变滤波器尺寸的前提下，通过调整脊波导的位置来调节两个频带的间距或者中心频率的比值。

(3)本发明的滤波器不仅尺寸非常紧凑，而且频率选择性高，通带性能好。

(4)本发明首次在QMSIW结构中实现了双频段滤波器，为研究基于SIW结构的双频段滤波器提供了新思路。

附图说明

图1是本发明滤波器整体结构示意图；其中(a)是上介质板的上表面结构图，(b)是上介质板的下表面结构图，(c)是下介质板的结构图，(d)是滤波器的结构示意图；

图2是本发明滤波器的S参数示意图；

图3是本发明滤波器的双频段原理图，其中(a)是第一频段原理图，(b)是第二频段原理图；

图4是脊波导的位置p对双频段的影响图。

图中标记：1为第一金属通孔，2为第二金属通孔，3和4为RQMSIW谐振器，5和6分别为输入和输出馈线，7为第二层金属面，8为第一层金属面，A为嵌入的开路带状线，B1和B2为四分之一波长短截线，p为脊波导到磁壁的距离，TZ1、TZ2、TZ3为三个传输零点。

尺寸表Ι

参数	l<sub>1</sub>	l<sub>2</sub>	dr<sub>1</sub>	d<sub>1</sub>	dr<sub>2</sub>	d<sub>2</sub>	p	w
									数值(mm)	14.6	24	0.6	1.4	0.25	2.3	3.9	4.4
参数	g<sub>0</sub>	b	w<sub>1</sub>	l<sub>31</sub>	l<sub>32</sub>	l<sub>41</sub>	l<sub>42</sub>	l<sub>5</sub>
									数值(mm)	6	6.3	2.4	10.35	8.4	10.65	5.3	4.2
参数	l<sub>6</sub>	l<sub>7</sub>	h<sub>2</sub>	h<sub>0</sub>	h<sub>1</sub>
									数值(mm)	9.1	13.3	1.524	0.2023	0.203

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

如图1(d)所示，滤波器由三部分组成，两层厚度分别为h₁、h₂的相同材料的介质板和一层厚度为h₀的粘接层；在使用多层PCB工艺加工时，由于粘接层在本发明滤波器中是非常重要的，所以粘接层的使用决定了介质板的使用，即介质板的介电常数必须和粘接层的介电常数非常接近。粘接层材料的特性(介电常数为3.55)，使得滤波器的介质板只能使用介电常数为3.55左右的介质板。

正是由于粘接层的加入，使得脊波导的第二层金属面7和嵌入的开路带状线A分离，这样的话，如图3(a)所示，才会产生原理图中的C₁，而C₁在第二频段中起着至关重要的作用，如图3(b)所示。假如没有粘接层的加入，不会产生图3中的C₁，则不会产生第二频段。

如图1(d)所示的h₁和h₂的大小不一样，本发明滤波器对上下介质板的厚度是有要求的，h₂/h₁的值越大的话，则滤波器的通带外抑制会越好，这是由于，h₂的值越大，则上介质板的Q值相对于下介质板来说则会变得越大，使得加载在嵌入带状线两边的短截线的感应耦合变强，从而使得带外抑制变得更好。

如图3所示，L、C代表RQMSIW谐振器3和4，L_o1、C_o1代表嵌入的开路带状线A，L₂、C₂和L₃、C₃分别代表加载在带状线两边的短截线B1和B2；如图2所示的测量图，图中有三个传输零点：TZ1、TZ2和TZ3，这三个传输零点分别由A、B1和B2控制,即

通过控制三个传输零点的位置，即调节A和B1、B2的长度，可以分别调节滤波器的第一通带和第二通带的带宽。

如图4所示，当脊波导的位置改变时，双频段的间距变大，从图(b)可以看出，脊波导对第二频段f₂的中心频率的影响较大，对第一频段f₁的影响很小；如图4(a)所示，随着p的增大，两个中心频率的比值也逐渐增大。因此，本发明滤波器在不改变整体尺寸的前提下，通过调节脊波导的位置，可以调节双频段的间距。

本发明创新性的在QMSIW结构上实现了双频段滤波器，不仅很大程度上的减小了滤波器的尺寸，同时，滤波器有很大的灵活性，尤其在不需要改变滤波器尺寸的前提，可以通过调节加载其中的脊波导的位置来控制双频段的中心频率的比值，而且滤波器中引入的3个传输零点增加了滤波器的频率选择性。

Claims

1.基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于包括两个RQMSIW谐振腔，输入输出馈线，嵌入的开路带状线以及两条四分之一波长短截线；具体从上至下依次包括上介质板、粘接层、下介质板；

所述的上介质板包括上介质板本体和第一层金属面，上介质板本体的边长大于第一层金属面的边长；在上介质板本体上表面的中央部分面积铺设第一层金属面，未铺设第一层金属面的面积部分用来加载输入输出馈线；

所述的上介质板开有中心对称的第一金属通孔组，该中心为整个滤波器电场最强点；其中第一金属通孔组包括两组互相垂直且相同个数的金属通孔阵列；

所述的上介质板设有两组中心对称的第二金属通孔组，该中心为整个滤波器电场最强点；其中第二金属通孔组包括若干周期性分布的第二金属通孔，两组第二金属通孔组的中心所在的直线位于整个器件电场最强处；

上介质板本体的下表面仅在两组第二金属通孔组所对应的位置敷设第二层金属层；

所述的下介质板包括下介质板本体和第三层金属层；下介质板本体上表面部分铺设第三层金属层，第三层金属层包括一条开路带状线A和加载在两边的四分之一波长短截线B1、B2；其中开路带状线A的两端分别位于两个脊波导的正下方；所述的四分之一波长短截线B1、B2设置在滤波器磁场最强点，以增加第二频段中的感应耦合，从而提高第二频段的性能;

所述的下介质板本体下表面全部铺设第四层金属面；

一组轴对称的金属通孔阵列、第一层金属面、第四层金属面构成一个QMSIW谐振腔，故整个滤波器设有两个QMSIW谐振腔，上述对称轴位于整个滤波器电场最强处；两组第二金属通孔组、第二层金属层构成两个脊波导结构；由上述两个脊波导分别加载在各自的QMSIW谐振腔上，从而形成两个RQMSIW谐振腔；

输入输出馈线分别加载在两个QMSIW谐振腔，且输入输出馈线呈中心对称。

2.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于所述的上下介质板本体和粘接层的介电常数差值不超过±0.1。

3.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于开路带状线A在第一频段引入传输零点，通过调节带状线A的长度或者宽度用以控制传输零点的位置，从而调节第一频段的带宽。

4.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于第一层金属面只在QMSIW结构处敷铜，故第一层金属面边沿与上介质板本体边沿间的面积构成磁壁。

5.如权利要求4所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于角耦合方式具体采用磁耦合，通过调整金属通孔阵列中相邻两第一金属通孔的间距进而调节磁耦合强度。

6.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于脊波导的位置与双频段的中心频率比值有关。

7.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于调节脊波导的尺寸用以微调第二频段的中心频率。

8.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于上介质板本体与下介质板本体的厚度比值决定滤波器的通带外抑制。

9.如权利要求1所述的基于RQMSIW的超紧凑双频段带通滤波器，其特征在于通过调节开路带状线A和加载在两边的四分之一波长短截线B1、B2的长度，用以调节滤波器的第一通带和第二通带的带宽。