CN108767382A - 基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于滤波器技术领域，公开了一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，由上层金属表面、中间介质基板和下层金属底面组成，包括第一谐振腔和第二谐振腔；第一谐振腔为一个方形的双模基片集成波导谐振腔，第二谐振腔为一个等腰直角三角形的基于主模的基片集成波导谐振腔；第一谐振腔和第二谐振腔采用直接耦合的方式级联在一起形成三模带通滤波器；三模带通滤波器的馈电方式采用共面波导馈电，且采用阶梯形式进行阻抗匹配；矩形谐振腔引入两个传输零点，三角腔减少了其他模式的杂散频率，二者实现同步可调的同时，共同提升了可调带通滤波器的带外抑制性能。

Description

基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器
技术领域
本发明属于滤波器技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器。
背景技术
作为无线通信系统的重要组成部分之一，电可调滤波器具有广阔的应用领域，如多功能收发机、军事防御和电子对抗等等。基片集成波导结构作为一种新型传输微波的结构，除了具有大功率容量和高品质因数的特点，更重要的是拥有良好的高频特性，易于与射频电路集成。多模滤波器是指将多种谐振模式应用于滤波器的腔体中，这种滤波器往往拥有更加紧凑的结构和良好的带外抑制特性。另外，为了实现滤波器的可调特性，诸如BST铁电薄膜、半导体变容二极管、MEMS等调谐方法被大量采用，变容二极管不仅具有快速的调谐速度的优点，更重要的是其成本较低，更易于加工最终实现成品。
Qiao-Li Zhang等人在Microwave and Optical Technology Letters，VOL.59.2017发表的《A Reconfigurable Dual-mode Bandpass Filter Based OnSubstrate Integrated Waveguide》介绍了一种在单个矩形谐振腔内利用简并模实现可重构性能的滤波器，将集总电容放置在双模场强最大的位置，同时将馈电位置选择在非腔体边长中心的位置，通过改变贴片电容的容值大小，最终实现滤波器的可调性能。
这种滤波器通过加载集总贴片电容利用单个腔体中简并模实现了频率的可调性，这样滤波器中的主模这一杂散频率将对带外特性造成不良影响，尤其对于可调滤波器来说，不同通带外的杂散频率对整个可调性能的影响将会被放大。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，实现了带通滤波器的频率可调；同时减少了其他模式的杂散频率，共同提升了可调滤波的带外抑制性能。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，所述三模带通滤波器由上层金属表面、中间介质基板和下层金属底面组成，包括第一谐振腔和第二谐振腔；
所述第一谐振腔为一个方形的双模基片集成波导谐振腔，所述第二谐振腔为一个等腰直角三角形的基于主模的基片集成波导谐振腔；
所述第一谐振腔和所述第二谐振腔采用直接耦合的方式级联在一起形成所述三模带通滤波器；
所述三模带通滤波器的馈电方式采用共面波导馈电，且采用阶梯形式进行阻抗匹配。
本发明技术方案的特点和进一步的改进为：
(1)所述第一谐振腔采用简并模式进行谐振，所述简并模式为对角TE102模式和TE201模式，并且在所述第一谐振腔的一组对角的位置分别设置有一个金属化过孔。
(2)所述第一谐振腔上还设置有四个表面方环型的缝隙谐振器，所述四个表面方环型的缝隙谐振器分别设置在TE102模式的电场分布场强最大的位置处和TE201模式的电场分布场强最大的位置处。
(3)所述第一谐振腔上还设置有四个相同的变容二极管，所述四个相同的变容二极管分别搭载在所述四个表面方环型的缝隙谐振器的缝隙上。
(4)所述第二谐振腔采用基模进行谐振，所述基模为TE101模式。
(5)一个表面方环型的缝隙谐振器，所述一个表面方环形的缝隙谐振器设置在距离所述第二谐振腔的电场分布场强中心预设距离的位置处。
(6)所述第二谐振腔上还设置有一个变容二极管，且所述一个变容二极管搭载在所述一个表面方环形的缝隙谐振器的缝隙上。
本发明通过上述技术方案利用滤波器多模技术，实现了带通滤波器的频率可调；避免了多阶滤波器过多相同腔体直接级联所造成的尺寸过大，插损不理想的问题，使整个可调滤波器的尺寸更加紧凑；在通带两侧形成了两个零点，同时减少了其他模式的杂散频率，共同提升了可调滤波的带外抑制性能。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的三模带通滤波器的立体模型示意图；
图2中，(A)是方腔内对角TE102模式的磁场分布示意图；(B)是对角TE201模式的磁场分布示意图；
图3是表面方环型缝隙谐振器的结构示意图；
图4是三角腔内电场分布示意图；
图5是本发明实施例提供的三模带通滤波器的拓扑结构示意图；
图6是本发明实施例提供的三模带通滤波器上层金属表面示意图；
图7是本发明实施例提供的三模带通滤波器下层金属表面示意图；
图8是本发明实施例提供的三模带通滤波器频率从3-4GHz的回波损耗|S11|仿真结果示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为幅度响应；
图9是本发明实施例提供的三模带通滤波器频率从3-4GHz的插入损耗|S21|仿真结果示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为幅度响应；
图10是本发明实施例提供的三模带通滤波器中，当变容二极管的容值为0.8pF时，频率展宽从2-5GHz的S参数仿真结果示意图，其中横坐标为频率，纵坐标为幅度响应。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种基于基片集成波导的三模可调滤波器由两个谐振腔组成，即一个方形的双模基片集成波导谐振腔和一个等腰直角三角形的基于主模的基片集成波导谐振腔，两个腔体通过直接耦合的方式级联到一起，共同实现了同步的频率调谐。馈电部分采用了共面波导馈电并用阶梯的形式进行阻抗匹配。本发明的3D视图如图1所示，该滤波器由上层的金属表面，中间的介质基板和下层的金属地面三部分组成。
方形腔体利用了简并模式(对角TE102模式和TE201模式)进行谐振，同时在方形腔体的靠近两个对角的位置嵌入了两个金属化过孔，方形腔体的两个模式的磁场分布图如图2所示。如图2中所示，两个微扰金属化过孔的连线切割了对角TE201模式的磁力线，而对对角TE102模式的磁场分布几乎没有影响，通过这一特性将两个本相等的简并模式的谐振频率分裂开来。将四个表面方环型缝隙谐振器分别加载在TE102模式和TE201模式的电场分布场强最大的位置，同时将四个相同的变容二极管搭载在缝隙上以实现方腔的频率可调性能，表面方环型缝隙谐振器的结构如图3所示，黑色的贴片代表变容二极管。
三角形腔体利用了基模(TE101模式)进行谐振，通过窗型耦合的方式与方形腔体直接耦合到一起，同时将一个表面方环型谐振器和一个相同型号的变容二极管加载在离三角形场强中心一定距离的位置，以保证三角腔和方形腔体能实现同步频率调谐，加载位置及其电场分布图如图4所示。
本发明所解决的关键问题除了滤波器频率可调功能的实现外，另一个是对带通滤波器的带外抑制的提升。通过方形腔体的简并模在滤波器通带两侧引入两个传输零点，通过三角形腔体减少杂散频率，两者优势互补，共同促进了可调滤波器的带外抑制，滤波器的拓扑图如图5所示，其中S，L分别代表源与负载，1，2，3分别代表模式等效的腔体代号。
本发明设计了一个基于基片集成波导的三模电可调带通滤波器，其介质板材料为Rogers RT/Duroid 5880(tm)(介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009)，厚度为1mm。滤波器的上表面如图6所示，下表面如图7所示。其中，Dv为对角微扰过孔(金属化过孔)直径，C1，C2，C3，C4，C5为完全相同的5个变容二极管，Lf为表面方环型谐振器的外径，Lf1为表面方环型谐振器的内径。D1为方形谐振腔内表面方环型谐振器中心过孔的直径，D2为三角腔内方环型谐振器中心过孔的直径，X1，Y1，X2，Y2分别表示方形谐振腔内表面方环型谐振器中心过孔圆心距离方形中心的横纵距离，X3，Y3分别为三角腔内方环型谐振器中心过孔的圆心距离三角腔直角边的横纵距离。
该滤波器的具体尺寸为DV＝3.3mm，Lf＝3mm，Lf1＝2.2mm，D1＝1mm，D2＝0.8mm，X1＝11mm，X2＝11.5mm，X3＝13.5mm，Y1＝11mm，Y2＝11.5mm，Y3＝23mm，I＝60mm。
在电磁仿真软件HFSS里建立该滤波器模型进行仿真，仿真结果的回波损耗|S11|如图8所示，插入损耗|S21|如图9所示。由仿真结果可知，当滤波器中所有变容二极管的容值从0pF变化到1.4pF时，带通滤波器的中心频率从3.78GHz变化到3.11GHz，同时伴随的插入损耗|S21|均小于1.5dB，回波损耗|S11|大于10dB。当变容二极管的容值为0.8pF时，把频段展宽，频率直到4.6GHz时，|S11|大于50dB，带外抑制良好，仿真结果如图10所示。以上数据表明，本发明一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器具有良好的可调特性和较好的带外抑制。
本发明技术方案采用了双模方形谐振腔和基于主模的三角形谐振腔级联的方式，通过变容二级管实现了双腔的同步频率调谐，双模方腔引入两个传输零点，提高了滤波器的频率选择性，三角腔减少了杂散频率，二者优势互补，共同提高了可调滤波器的带外抑制。同时采用变容二极管作为调谐元件，可调速度快且易于加工，成本低。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，所述三模带通滤波器由上层金属表面、中间介质基板和下层金属底面组成，包括第一谐振腔和第二谐振腔；
所述第一谐振腔为一个方形的双模基片集成波导谐振腔，所述第二谐振腔为一个等腰直角三角形的基于主模的基片集成波导谐振腔；
所述第一谐振腔和所述第二谐振腔采用直接耦合的方式级联在一起形成所述三模带通滤波器；
所述三模带通滤波器的馈电方式采用共面波导馈电，且采用阶梯形式进行阻抗匹配。
2.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，
所述第一谐振腔采用简并模式进行谐振，所述简并模式为对角TE102模式和TE201模式，并且在所述第一谐振腔的一组对角的位置分别设置有一个金属化过孔。
3.根据权利要求2所述的一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，
所述第一谐振腔上还设置有四个表面方环型的缝隙谐振器，所述四个表面方环型的缝隙谐振器分别设置在TE102模式的电场分布场强最大的位置处和TE201模式的电场分布场强最大的位置处。
4.根据权利要求3所述的一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，
所述第一谐振腔上还设置有四个相同的变容二极管，所述四个相同的变容二极管分别搭载在所述四个表面方环型的缝隙谐振器的缝隙上。
5.根据权利要求1所述的一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，
所述第二谐振腔采用基模进行谐振，所述基模为TE101模式。
6.根据权利要求5所述的一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，
所述第二谐振腔上设置有一个表面方环型的缝隙谐振器，所述一个表面方环形的缝隙谐振器设置在距离所述第二谐振腔的电场分布场强中心预设距离的位置处。
7.根据权利要求6所述的一种基于基片集成波导的电可调的三模带通滤波器，其特征在于，
所述第二谐振腔上还设置有一个变容二极管，且所述一个变容二极管搭载在所述一个表面方环形的缝隙谐振器的缝隙上。
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