CN108923104A - 高选择性基片集成间隙波导带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，该滤波器结构由三层介质板粘接而成。顶层介质板的上表面印刷有金属层，下表面印刷有圆形金属贴片，在顶层介质板打有周期性金属过孔，过孔正下方为印刷圆形金属贴片；底层介质板上表面印刷有金属层，金属层两端接过渡渐变线和馈电微带线，金属层上开有两列一组共三组矩形缝隙，其中一组为连续缝隙，另外两组的每一个矩形缝隙被金属层间隙分离为两个小缝隙；底层介质板下表面印刷有接地金属层；底层介质板两侧和中间位置分别打有周期性的金属过孔。本发明实现了高选择性的带滤波器,解决了传统滤波器中存在辐射损耗和平面波的问题，同时具有结构稳定等优点。
Description
技术领域
本发明涉及电子技术领域，具体涉及高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构。
背景技术
随着无线通信技术的发展，频谱资源的紧缺突显的日益紧张，微波带通滤波器在其中的地位越加重要。由于整个无线通信系统向着高性能方向发展，这对系统中滤波器的性能提出了更高的要求。
基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide, SIW）是由介质基板、上下金属面、金属化通孔组成的类波导结构，同时还兼有体积小、造价低、易于加工和集成的优异特性，这使其在滤波器的设计中得到广泛应用。在SIW滤波器的设计中，在其上下金属面开缝隙以形成阻带是其滤波器设计的一个重要方法。但这种SIW滤波器不能有效地抑制空间辐射和平面波。最近提出的基片集成间隙波导（Substrate Integrated Gap Waveguide,SIGW）被用来封装微波电路，有效地抑制了空间辐射和表面波。并且，SIGW具有制造简单、损耗低、结构稳定、传输性能好以及工作带宽较宽的特性。
本发明使用SIGW来实现自我封装的七阶带通滤波器，不仅可以抑制空间辐射和平面波，而且有助于实现高的带外抑制和提高通带传输性能。通过加入SIGW结构，使级联滤波器的各阶电路中增加并联的电容和电感。从而使切比雪夫滤波器变为椭圆滤波器，并使其通带两侧都具有传输零点（Transmission Zero, TZ），带外衰减更加陡峭。
本发明内容，经文献检索，未见与本发明相同的公开报道。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之不足，设计出高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构。
本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器，包括：顶层介质板（1），中间层介质板（2），底层介质板（3），其中：
a、顶层介质板（1）上打有三列周期性的金属过孔（4），其上表面印刷有金属层（19），下表面印刷有第一圆形金属贴片（5）和第二圆形金属贴片（6）；
b、中间层介质板（2）位于顶层介质板（1）和底层介质板（3）的中间位置；
c、底层介质板（3）的上表面印刷有金属层（18），下表面印刷有金属层（20）；底层介质板（3）的两侧打有周期性的金属过孔（7），并在中间位置打有周期性的金属过孔（8）；上表面金属层（18）上开有第一组矩形缝隙（9）、第二组矩形缝隙（10）和第三组矩形缝隙（11），每组都为两列缝隙，每组矩形缝隙（ 9, 10，11）分别为两个关于y轴对称，且平行于X轴的矩形缝隙；第一组矩形缝隙（9）是连续缝隙，但第二组和第三组矩形缝隙（10、11）的每一个缝隙不是连续缝隙，而是被印刷的金属层间隙（12、13）隔开的两个尺寸相同的小缝隙；金属层（18）的两端分别与印刷的过渡渐变线金属层（14、16）和馈电微带线金属层（15、17）连接；
d、所述高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构的顶层介质板（1）介电常数高于中间层介质板（2）和底层介质板（3），中间层介质板（2）和底层介质板（3）的介电常数相同，三层介质板两层介质板可通过粘接或螺丝固定在一起；所述顶层介质板（1）与中间层介质板（2）长度和宽度相同；
e、所述高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构的底层介质板（3）宽度与上面两层介质板宽度相同，但长度略长，使过渡渐变线（14、16）和馈电微带线（15、17）处于裸露状态，以便于测试；
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，顶层介质板（1）、中间层介质板（2）、周期性的金属过孔（4）和金属贴片（5、6）组成理想磁导体（Perfect MagneticConductor，PMC）层，有效减少了空间辐射损耗，抑制了平面波，同时解决了空间谐振的问题。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，底层介质板（1）的厚度高于中间层介质板（2）的厚度，有助于形成覆盖滤波器工作频带的带隙。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，带通滤波器中的PMC结构使级联的切比雪夫滤波器的各阶电路中并联的电容和电感增加，从而使切比雪夫滤波器变为椭圆滤波器，并使其通带两侧都具有传输零点，带外衰减更加陡峭。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，增加顶层介质板（1）的厚度，可以降低工作带宽。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，增加金属圆形贴片（5、6）的尺寸可以使通带右侧的传输零点向通带一侧移动和使通带的带宽降低，但金属圆形贴片（5）尺寸的影响较大。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，中间层介质板（2）代替不稳定的空气间隙，保障上下两层介质板（1、3）之间有一个稳定的间隙高度。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，通过改变底层介质板（3）中间位置的周期性的金属过孔（8）的直径以改变各级接地电感从而实现对该带通滤波器中心频率的调节，而不影响工作带宽。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，底层介质板（3）中的矩形缝隙（10、11）之间存在间隙（12、13），合适的调整间隙（12、13）的长度可以消除该带通滤波器的带外阻带的谐振问题。
与金属层（18）连接的过渡渐变线金属层（14、16）和馈电微带线金属层（15、17）使高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的特性阻抗在频率变化时保持稳定，便于集成。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，中间层介质板（2）和底层介质板（3）的损耗角正切要求较高，需尽量选择损耗角正切小的介质板，但对顶层介质板（1）的损耗角正切要求不高，可选择更便宜的大损耗的介质板，以降低成本。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1、解决了传统缝隙的基片集成波导滤波器中辐射损耗和平面波的问题；
2、结构稳定，易集成，易加工；
3、封装结构使滤波器通带两侧都具有传输零点；
4、封装结构能够调节滤波器的带宽和传输零点。
附图说明
图1为本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的整体结构图。
图2为本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的顶层介质板上表面图。
图3为本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的顶层介质板下表面图。
图4为本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的底层介质板上表面图。
图5为本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的底层介质板下表面图。
图6为本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器在13-30 GHz的S11和S21的测试图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细说明。
如图1-6所示，本发明高选择性基片集成间隙波导带通滤波器，包括：顶层介质板（1），中间层介质板（2），底层介质板（3），其中：
a、顶层介质板（1）上打有三列周期性的金属过孔（4），其上表面印刷有金属层（19），下表面印刷有第一圆形金属贴片（5）和第二圆形金属贴片（6）；
b、中间层介质板（2）位于顶层介质板（1）和底层介质板（3）的中间位置；
c、底层介质板（3）的上表面印刷有金属层（18），下表面印刷有金属层（20）；底层介质板（3）的两侧打有周期性的金属过孔（7），并在中间位置打有周期性的金属过孔（8）；上表面金属层（18）上开有第一组矩形缝隙（9）、第二组矩形缝隙（10）和第三组矩形缝隙（11），每组都为两列缝隙，每组矩形缝隙（ 9, 10，11）分别为两个关于y轴对称，且平行于X轴的矩形缝隙；第一组矩形缝隙（9）是连续缝隙，但第二组和第三组矩形缝隙（10、11）的每一个缝隙不是连续缝隙，而是被印刷的金属层间隙（12、13）隔开的两个尺寸相同的小缝隙；金属层（18）的两端分别与印刷的过渡渐变线金属层（14、16）和馈电微带线金属层（15、17）连接；
d、所述高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构的顶层介质板（1）介电常数高于中间层介质板（2）和底层介质板（3），中间层介质板（2）和底层介质板（3）的介电常数相同，三层介质板两层介质板可通过粘接或螺丝固定在一起；所述顶层介质板（1）与中间层介质板（2）长度和宽度相同；
e、所述高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构的底层介质板（3）宽度与上面两层介质板宽度相同，但长度略长，使过渡渐变线（14、16）和馈电微带线（15、17）处于裸露状态，以便于测试；
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，顶层介质板（1）、中间层介质板（2）、周期性的金属过孔（4）和金属贴片（5、6）组成理想磁导体（Perfect MagneticConductor，PMC）层，有效减少了空间辐射损耗，抑制了平面波，同时解决了空间谐振的问题。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，底层介质板（1）的厚度高于中间层介质板（2）的厚度，有助于形成覆盖滤波器工作频带的带隙。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，带通滤波器中的PMC结构使级联的切比雪夫滤波器的各阶电路中并联的电容和电感增加，从而使切比雪夫滤波器变为椭圆滤波器，并使其通带两侧都具有传输零点，带外衰减更加陡峭。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，增加顶层介质板（1）的厚度，可以降低工作带宽。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，增加金属圆形贴片（5、6）的尺寸可以使通带右侧的传输零点向通带一侧移动和使通带的带宽降低，但金属圆形贴片（5）尺寸的影响较大。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，中间层介质板（2）代替不稳定的空气间隙，保障上下两层介质板（1、3）之间有一个稳定的间隙高度。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，通过改变底层介质板（3）中间位置的周期性的金属过孔（8）的直径以改变各级接地电感从而实现对该带通滤波器中心频率的调节，而不影响工作带宽。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，底层介质板（3）中的矩形缝隙（10、11）之间存在间隙（12、13），合适的调整间隙（12、13）的长度可以消除该带通滤波器的带外阻带的谐振问题。
与金属层（18）连接的过渡渐变线金属层（14、16）和馈电微带线金属层（15、17）使高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的特性阻抗在频率变化时保持稳定，便于集成。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，带通滤波器中的PMC结构可以使滤波器具有宽的阻带，在中心频率的1.76倍处的衰减仍然小于-30 dB。
如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，中间层介质板（2）和底层介质板（3）的损耗角正切要求较高，需尽量选择损耗角正切小的介质板，但对顶层介质板（1）的损耗角正切要求不高，可选择更便宜的大损耗的介质板，以降低成本。
如上所述顶层介质板（1）采用介电常数为4.6、损耗角正切为0.02的FR4_epoxy介质材料，尺寸为12.6mm*31.8mm*1.2mm；中间层介质板（2）采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C介质材料，尺寸为12.6mm*31.8mm*0.203mm；底层介质板（3）采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C介质材料，尺寸为12.6mm*34.6mm*0.508mm。
图6所示的测试结果表明，本发明的滤波器中心频率为16.8 GHz，工作带宽为2.8GHz，传输零点分别位于14.9 GHz和19.4 GHz，并且阻带达到29 GHz处；本发明的滤波器是一种尺寸小、结构简单、传输性能好的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器。
上面对本发明的较佳实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式，在本领域的普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (14)
1.高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，其特征在于，包括：顶层介质板（1），中间层介质板（2），底层介质板（3），其中：
a、顶层介质板（1）上打有三列周期性的金属过孔（4），其上表面印刷有金属层（19），下表面印刷有第一圆形金属贴片（5）和第二圆形金属贴片（6）；
b、中间层介质板（2）位于顶层介质板（1）和底层介质板（3）的中间位置；
c、底层介质板（3）的上表面印刷有金属层（18），下表面印刷有金属层（20）；底层介质板（3）的两侧打有周期性的金属过孔（7），并在中间位置打有周期性的金属过孔（8）；上表面金属层（18）上开有第一组矩形缝隙（9）、第二组矩形缝隙（10）和第三组矩形缝隙（11），每组都为两列缝隙，每组矩形缝隙（ 9, 10，11）分别为两个关于y轴对称，且平行于X轴的矩形缝隙；第一组矩形缝隙（9）是连续缝隙，但第二组和第三组矩形缝隙（10、11）的每一个缝隙不是连续缝隙，而是被印刷的金属层间隙（12、13）隔开的两个尺寸相同的小缝隙；金属层（18）的两端分别与印刷的过渡渐变线金属层（14、16）和馈电微带线金属层（15、17）连接。
2.根据权利要求书1所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，其特征在于：所述高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构的顶层介质板（1）介电常数高于中间层介质板（2）和底层介质板（3），中间层介质板（2）和底层介质板（3）的介电常数相同，三层介质板两层介质板可通过粘接或螺丝固定在一起；所述顶层介质板（1）与中间层介质板（2）长度和宽度相同。
3.根据权利要求书1所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，其特征在于：所述高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构的底层介质板（3）的宽度与上面两层介质板宽度相同，但长度略长，使过渡渐变线（14、16）和馈电微带线（15、17）处于裸露状态，以便于测试。
4.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，顶层介质板（1）、中间层介质板（2）、周期性的金属过孔（4）和金属贴片（5、6）组成理想磁导体（Perfect MagneticConductor，PMC）层。
5.根据权利要求书1所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，其特征在于：如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，底层介质板（1）的厚度高于中间层介质板（2）的厚度。
6.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，增加顶层介质板（1）的厚度，可以降低工作带宽。
7.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，增加金属圆形贴片（5、6）的尺寸可以使通带右侧的传输零点向通带一侧移动，使通带的带宽降低，金属圆形贴片（5）尺寸的影响较大。
8.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，中间层介质板（2）保障上下两层介质板（1、3）之间有一个稳定的间隙高度。
9.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，通过改变底层介质板（3）中间位置的周期性的金属过孔（8）的直径以改变各级接地电感从而实现对该带通滤波器中心频率的调节，而不影响工作带宽。
10.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，底层介质板（3）中的矩形缝隙（10、11）之间存在间隙（12、13），合适的调整间隙（12、13）的长度可以消除该带通滤波器的带外阻带的谐振问题。
11.与金属层（18）连接的过渡渐变线金属层（14、16）和馈电微带线金属层（15、17）使高选择性基片集成间隙波导带通滤波器的特性阻抗在频率变化时保持稳定，便于集成。
12.如上所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，中间层介质板（2）和底层介质板（3）的损耗角正切要求较高，需尽量选择损耗角正切小的介质板，但对顶层介质板（1）的损耗角正切要求不高，可选择更便宜的大损耗的介质板，以降低成本。
13.根据权利要求书1所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，其特征在于：带通滤波器为椭圆滤波器，通带两侧都有传输零点，带外衰减更加陡峭。
14.根据权利要求书1所述的高选择性基片集成间隙波导带通滤波器结构，其特征在于：所述的顶层介质板（1）采用介电常数为4.6、损耗角正切为0.02的FR4_epoxy介质材料，尺寸为12.6mm*31.8mm*1.2mm；中间层介质板（2）采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C介质材料，尺寸为12.6mm*31.8mm*0.203mm；底层介质板（3）采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027的Rogers 4003C介质材料，尺寸为12.6mm*34.6mm*0.508mm。
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