CN108539333B - 混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器 - Google Patents

混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，属于滤波器技术领域，包含介质基板，半模基片集成波导(HMSIW)谐振器，开路枝节，波导转换器，馈线和接地板；介质基板上表面呈矩形结构，HMSIW谐振器设置在介质基板的上表面，馈线设置在HMSIW谐振器一端的两侧，且馈线从HMSIW谐振器外沿延伸至介质基板的外沿，开路支节设置在HMSIW谐振器两侧，并且开路支节的一端连接至HMSIW谐振器；波导转换器开设在HMSIW谐振器端口与馈线的交界处，并且向HMSIW谐振器内延伸；接地板设置在介质基板的背面；带通滤波器(BPF)相对介质基板上表面的长轴呈轴对称。本发明带通滤波器有效展宽了阻带带宽，提高了阻带抑制特性，同时还具有结构紧凑，易于制造和推广的优势。

Description

混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，涉及一种混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器。
背景技术
随着通信技术的高速发展，滤波器作为射频前端提取有效信号，抑制干扰信号的关键器件，其性能的优劣直接影响整个系统的性能。因而，结构简单紧凑、滤波性能优越且易于制造集成的滤波器一直得到广泛的研究。
在滤波器设计中，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)滤波器因兼具传统金属波导滤波器的高Q值、高功率容量、低插入损耗的优点和微带滤波器的小体积、低成本、易于加工和集成等优点，而受到了学者的广泛关注。特别是半模基片集成波导(HMSIW)滤波器，它不仅继承了SIW滤波器的众多优点，同时其面积也仅为SIW的一半，结构紧凑，易于集成，因此在微波毫米波电路中有着广阔的应用前景。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，实现有效展宽阻带带宽，提高阻带抑制特性的目的。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，包含介质基板，半模基片集成波导(HMSIW)谐振器，开路枝节，波导转换器，馈线和接地板；
所述介质基板上表面呈矩形结构，所述HMSIW谐振器设置在所述介质基板的上表面，所述馈线设置在所述HMSIW谐振器一端的两侧，且所述馈线从所述HMSIW谐振器外沿延伸至所述介质基板的外沿，所述开路支节设置在所述HMSIW谐振器两侧，并且所述开路支节的一端连接至HMSIW谐振器；
所述波导转换器开设在HMSIW谐振器端口与馈线的交界处，并且向所述HMSIW谐振器内延伸；
所述接地板设置在所述介质基板的背面；
所述带通滤波器(BPF)相对所述介质基板上表面的长轴呈轴对称。
进一步，所述开路支节由两根长度不同的支节正交构成，所述开路支节呈L形，所述开路支节用于在通带内产生两个新的谐振频点以及在阻带内产生两个新的零点。
进一步，所述馈线呈倒L形，所述馈线的一端连接至所述HMSIW谐振器，所述馈线与所述HMSIW谐振器以及开路支节与所述HMSIW谐振器采用缝隙结构隔离，所述馈线的一端连接至所述波导转换器，另一端连接至50Ω同轴线内导体。
进一步，在所述HMSIW谐振器上远离所述馈线的一端设置有多个呈直线排列的周期性金属通孔。
进一步，所述介质基板采用Taconic CER-10材料制成，所述接地板的大小与所述介质基板相同，且所述接地板由铜制成。
进一步，所述开路支节的短边长为4.5-5.5mm，长边长为19-21mm，支节宽度为1-2mm。
进一步，所述波导转换器向HMSIW谐振器内延伸并呈L形，所述波导转换器的长边长为2.5-3.5mm，短边长为0.5-1.5mm，波导转换器的宽度为0.2-0.3mm。
进一步，所述周期性金属通孔的直径为1-2mm，周期性金属通孔间的间距为2-4mm，周期性金属通孔距离HMSIW谐振器轴线上的一条边的距离为0.5-1.5mm。
本发明的有益效果在于：本发明基于一种HMSIW谐振器和微带线的混合集成，完成了三模带通滤波器设计。第一个模式为HMSIW谐振器基模，第二、三个模式为两个L型开路枝节简并模。而且，HMSIW谐振器和L型开路支节在滤波器上阻带共引入了三个传输零点，阻带带宽高达滤波器工作的中心频点的4倍，而且阻带内的抑制都小于20dB。此外，本发明还具有设计简单，结构紧凑，易于制造和推广的优势。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明通滤波器的整体结构图；
图2为本发明带通滤波器的主视图；
图3为本发明带通滤波器的侧视图；
图4为本发明带通滤波器的HFSS的S参数仿真结果；
其中：1、介质基板；2、开路枝节；3、HMSIW谐振器；4、波导转换器；5、缝隙结构； 6、馈线。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
如图1、图2、图3所示，本发明为混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，该滤波器包括HMSIW谐振器3、开路枝节2、波导转换器4，馈线6、介质基板1和接地板。
介质基板1上表面有一个HMSIW谐振器3及其加载在馈线6上的两个L型的开路枝节2、蚀刻在HMSIW谐振器3端口和馈线6交界处的波导转换器4，其中馈线6一端连接至波导转换器4，另一端接50Ω同轴线内导体，而且馈线6和HMSIW谐振器3之间有一个缝隙结构5。介质基板1的下表面紧贴设置有接地板，接地板完全覆盖介质基板的下表面，并与外接的50Ω同轴馈线的外导体相连。
HMSIW谐振器3的短边宽W1为14-16mm，长边宽L1为45-47mm。改变L1的长度，可以直接改变整个滤波器的中心工作频率。HMSIW谐振器上的周期性金属通孔的直径D为 1-2mm，周期性金属通孔之间的间距S为2-4mm，周期性金属通孔距HMSIW谐振器右侧边缘距离e为0.5-1.5mm。
两个开路枝节2是关于介质基板的长轴对称的，短边长L2为4.5-5.5mm，长边长L3为 19-21mm，枝节宽W2为1-2mm，枝节的短边距离HMSIW谐振器的左侧的距离W3为4-5mm。本发明将开路枝节设计成L型形状，能够使得枝节加载在馈线上的位置灵活可调，从而使得设计的滤波器调谐工作十分简单快捷。
波导转换器是蚀刻在HMSIW谐振器3端口的共面波导结构，长边长L4为2.5-3.5mm，短边长L5为0.5-1.5mm，转换器的宽度W3为0.1-0.5mm。本发明的波导转换器4结构设计为共面波导结构蚀刻在谐振器的内部，能够在保证性能的情况下，不增加额外的尺寸，以实现滤波器小型化目的。
馈线6为倒L形，本发明馈线由两根长短不一的微带线正交构成，一部分与HMSIW谐振器3长边垂直，另一部分与HMSIW谐振器3长边平行。馈线6的平行部分由蚀刻在馈线和HMSIW谐振器之间的缝隙结构5实现，缝隙结构5的长度L6为18-20mm，其能够在不增加滤波器整体尺寸的情况下自由调节馈线长度以及HMSIW谐振器的输入输出端口位置，使得本发明的滤波器调谐工作简便快捷。另外，与HMSIW谐振器长边垂直的馈线部分长度 L7为12-13mm，馈线宽度W4为0.5-0.7mm。
介质基板的上表面为长方形，其中长方形长L8为45-55mm，宽W5为35-45mm，介质基板的厚度H为0.65mm，介质基板材料为Taconic CER-10(tm)，相对电介质常数为10，相对磁导率为1.0，损耗正切角值0.0035。
开路枝节2、HMSIW谐振器3构成带通滤波器谐振部分，HMSIW谐振器2提供通带内第一个模式和上阻带第一个传输零点。边长表示为L1，宽表示为W1，改变长度L1可以直接改变HMSIW谐振器工作的中心频点。L型开路枝节3提供通带内第二、三个谐振模式和上阻带第二、三个传输零点。短边长表示为L2，长边长表示为L3，线宽表示为W2，改变长度L2、L3可以改变枝节工作的中心频点和传输零点的位置。
波导转换器4、缝隙结构5是实现滤波器小型化的关键设计，波导转换器4采用了共面波导技术实现了从微带线到HMSIW谐振器的阻抗匹配。此外，采用共面波导技术还可以在保证性能的前提下，不增加滤波器额外的尺寸，实现小型化。阶梯型波导转换器长边长为L4，短边长为L5，缝隙宽为W4。缝隙结构5长表示为L6，宽为W4。改变长度L6相当于改变馈线长度和HMSIW谐振器输入输出端口的位置，从而使得设计的滤波器调谐工作简单快捷。
使用高频电磁仿真软件HFSS 15.0对上述建立的滤波器模型进行仿真实验，得出滤波器结构尺寸最优值如表1所示。
表1本发明各参数最佳尺寸表
表中：h不仅代表金属贴片的厚度，还代表了接地板和微带线的厚度。
依照上诉参数，使用HFSS 15.0对所设计的滤波器的各项参数进行仿真，对S11、S21进行联合仿真分析。
图4所示为本发明S11和S21联合参数仿真曲线图。如图所示，在S21>-3dB条件下，通带覆盖范围为456MHz～796MHz，中心频率为630MHz，3-dB相对带宽为53.2％，通带内最小插入损耗为1.39dB，带内回波损耗S11<-20dB，阻带内有3个传输零点，依次位于1.066GHz、1.531GHz、2.516GHz，阻带带宽为中心频率的4.2倍，且阻带抑制大于20dB，使得滤波器具有非常好的阻带抑制特性。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，其特征在于：包含介质基板，半模基片集成波导(HMSIW)谐振器，开路枝节，波导转换器，馈线和接地板；
所述介质基板上表面呈矩形结构，所述HMSIW谐振器设置在所述介质基板的上表面，所述馈线设置在所述HMSIW谐振器一端的两侧，且所述馈线从所述HMSIW谐振器外沿延伸至所述介质基板的外沿，所述开路支节设置在所述HMSIW谐振器两侧，并且所述开路支节的一端连接至HMSIW谐振器；
所述波导转换器开设在HMSIW谐振器端口与馈线的交界处，并且向所述HMSIW谐振器内延伸；
所述接地板设置在所述介质基板的背面；
所述带通滤波器(BPF)相对所述介质基板上表面的长轴呈轴对称；
所述开路支节由两根长度不同的支节正交构成，所述开路支节呈L形，所述开路支节用于在通带内产生两个新的谐振频点以及在阻带内产生两个新的零点；
所述馈线呈倒L形，所述馈线的一端连接至所述HMSIW谐振器，所述馈线与所述HMSIW谐振器以及开路支节与所述HMSIW谐振器采用缝隙结构隔离，所述馈线的一端连接至所述波导转换器，另一端连接至50Ω同轴线内导体。
2.根据权利要求1所述的混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，其特征在于：在所述HMSIW谐振器上远离所述馈线的一端设置有多个呈直线排列的周期性金属通孔。
3.根据权利要求1所述的混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，其特征在于：所述介质基板采用TaconicCER-10材料制成，所述接地板的大小与所述介质基板相同，且所述接地板由铜制成。
4.根据权利要求1所述的混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，其特征在于：所述开路支节的短边长为4.5-5.5mm，长边长为19-21mm，支节宽度为1-2mm。
5.根据权利要求1所述的混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，其特征在于：所述波导转换器向HMSIW谐振器内延伸并呈L形，所述波导转换器的长边长为2.5-3.5mm，短边长为0.5-1.5mm，波导转换器的宽度为0.2-0.3mm。
6.根据权利要求2所述的混合半模基片集成波导和微带线的紧凑型宽带带通滤波器，其特征在于：所述周期性金属通孔的直径为1-2mm，周期性金属通孔间的间距为2-4mm，周期性金属通孔距离HMSIW谐振器轴线上的一条边的距离为0.5-1.5mm。
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