CN109103555A

CN109103555A - 基于siw结构的三频带滤波器

Info

Publication number: CN109103555A
Application number: CN201810797947.8A
Authority: CN
Inventors: 杨增; 游彬; 郭君
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2018-07-19
Filing date: 2018-07-19
Publication date: 2018-12-28
Anticipated expiration: 2038-07-19
Also published as: CN109103555B

Abstract

本发明公开基于SIW结构的三频带滤波器。本发明将单个矩形SIW结构与两个方形SIW结构上下叠加连接形成三频带滤波器；矩形SIW结构的前四个谐振模式同时工作，方形SIW结构只工作在基模；矩形SIW腔的TE101和TE201模式组合形成滤波器的第一频带，TE301和TE401模式组合形成滤波器的第三频带。两个方形腔的基模TE101模式组合形成第二频带。同时，偏移的输入输出馈线为滤波器引入了六个个传输零点，很好地改善了滤波器的阻带衰减。通过合理利用SIW腔模式的方式迎合了现代多标准射频系统对于小型化的要求并解决了传统双频带滤波器尺寸大、设计复杂的问题。

Description

基于SIW结构的三频带滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体为一种基片集成波导(SIW)多模腔和单模腔连接形成的三频带滤波器，是一种合理利用腔体模式、具有良好带外抑制的新型三频带射频滤波器。

背景技术

随着现代无线通信系统的快速发展，迫切需要高度紧凑且易于集成的高性能微波和毫米波带通滤波器(BPF)。在过去十年中，新兴的基板集成波导(SIW)技术，由于具有低损耗，低成本，高功率处理能力和高密度集成的优点，在复杂BPF的设计中占据了显着的位置。

SIW多频带BPF在先进的收发器小型化和集成中发挥着不可或缺的作用，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。一般来说，所有这些设计方法可以分为以下四种类型：

(1)耦合两个多模谐振器来构建多频带滤波器；

(2)构想一个多模滤波器，它可以产生多频带滤波器所需的所有模式，并为每个频带添加适当的输入-输出耦合强度来构建滤波器；

(3)将几组不同的滤波器并联连接到输入输出端口，构成多频带滤波器。最简单的方法是连接多个不同频率的单频滤波器，以构建多频带滤波器；

(4)通过耦合矩阵合成多频带响应。从另一方面来看，这种滤波器可以被看作是使用传输零点将单个宽通带分成多个窄通带。

(1)和(2)的设计方法大部分用于微带线滤波器的设计，而基于SIW结构的设计报道并不多，即使有多模SIW结构，但对腔体模式的利用具有局限性，这是由于使用的腔体模式越多，输入-输出的耦合强度无法同时满足多个模式的要求；而使用上述(3)和(4)的方法设计的滤波器有两个很明显的缺点，即尺寸较大和电路结构复杂，因此几乎已被其他种类替代。随着通带数量的增加，方法(3)逐渐与方法(1)合作，产生双赢局面。这对滤波器的设计非常具有挑战性。

为了迎合下一代无线系统的低成本，简单设计，易于制造，低损耗以高性能的要求，除了实现滤波器的多个频带同时工作的性能之外，良好的阻带衰减十分重要。而为了实现滤波器响应中良好的阻带衰减，最有效的方法就是引入多个传输零点。现有的引入传输零点的方法有交叉耦合、旁路耦合以及源负耦合。使用交叉耦合和旁路耦合的方法需要引入额外的电路，使得滤波器的尺寸变大，同时使用这两种耦合方式引入的传输零点有限。因此源负耦合是实现良好阻带衰减的有效方案。先前的源负耦合更多的是在输入输出馈线上加入微带线，引入额外的电路来实现，并没有合理利用腔体多个固有模式实现源负耦合。

因此，为了满足现代多标准无线通信的发展，研究基于SIW多模谐振器的具有良好阻带衰减的多频段滤波器迫切需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，创造性地提出了基于单个矩形SIW腔的四模双频带滤波器和两个方形SIW腔的单模单频带滤波器连接形成的一个三频带滤波器。

本发明利用单个矩形SIW腔的前四种谐振模式(TE101、TE201、TE301、TE401模式)以及方形SIW腔的TE101模式，矩形SIW腔的TE101模和TE201模用形成第一通带，方形SIW结构的两个TE101模式形成第二通带，矩形SIW腔的TE301模和TE401模形成第三通带。并且由于矩形腔结构的特殊性，偏移的馈电位置使得滤波响应可以产生多个传输零点，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一个矩形SIW谐振腔，两个方形SIW谐振腔，输入输出馈线，两个耦合槽，以及7个扰动金属通孔。

所述的滤波器主要由上下叠加的两层介质板构成，上层介质板的上表面铺设有第一金属层及输入输出馈线，下层介质板的下表面铺设有第二金属层，上下介质板间设有中间金属层；

所述的上层介质板设有贯穿介质板的若干周期性分布第一金属柱，这些金属柱为腔体引入了电壁，实现了矩形SIW谐振器结构。上层介质板的中心处还设有贯穿介质板的若干周期性分布第二金属柱，这些第二金属柱构成十字型结构，该十字型结构中心为介质板中TE101模和TE301模的电场最强点。

所述的上层介质板中设有两个贯穿上层介质板，且中心对称分布的第三金属柱；该中心为TE101模和TE301模的电场最强点。作为优选，第三金属柱的位置任意，具体根据实际的滤波器的规格要求来放置。

所述的下层介质板设有贯穿介质板的若干周期性分布第四金属柱，这些金属柱围合成沿中线上下对称的两个方形SIW谐振器结构。

上述第一、二、三金属柱同时贯穿第一金属层以及上介质板下表面的中间金属层；第四金属柱同时贯穿第二金属层以及下介质板上表面的中间金属层。

上述第二、第三金属柱构成滤波器结构中的扰动金属通孔。

上层介质板、第一金属层、若干第一、二金属柱、两个第三金属柱以及中间金属层构成了矩形SIW谐振腔；下层介质板、第二金属层、若干第四金属柱、中间金属层构成了两个方形SIW谐振腔。

所述的中间金属层设有两个呈中线轴对称的耦合槽，从上至下命名为第一、第二耦合槽；第一和第二耦合槽分别位于矩形SIW腔的上下边界处，即矩形SIW腔的磁场最强处；作为优选，所述的耦合槽形状为矩形。TE101模和TE301模的电场最强点位于上述中线的中心。

所述的输入-输出馈线与矩形SIW腔中线的最短距离T_s，不仅影响滤波器响应的外部品质因素，同时也影响滤波器响应的阻带衰减。

所述的滤波器中矩形SIW腔的大小决定TE401和TE201模式的谐振频率，即决定第一和第三频带的间距；方形SIW腔的大小决定第二频带的位置。作为优选，上述第一、四金属柱的直径R₁满足条件:R₁<0.2λ，其中λ是SIW腔的TE101谐振模式波长，相邻金属柱间的距离P需满足条件P<2*R₁，以防止谐振腔电磁能量泄露；上述第二、第三金属柱的直径任意。

进一步地，双频带滤波器采用双层PCB板叠加工艺或LTCC工艺。

单个矩形SIW结构腔的TE101、TE201、TE301和TE401模式同时工作，两个方形SIW结构腔只工作在TE101模式，矩形SIW结构腔的TE101和TE201模式构成第一个通带，两个方形SIW结构腔的模式构成第二个通带，矩形SIW结构腔的TE101模式TE301和TE401模式构成第三个通带。

工作过程：

所述的滤波器存在一个矩形SIW谐振腔和两个方形SIW谐振腔；矩形SIW谐振腔的前四种模式同时工作，在矩形SIW腔中，第二金属柱调整TE101和TE301模式的谐振频率，使得TE101模的谐振频率逼近TE201模的谐振频率，TE301模的谐振频率逼近TE401模的谐振频率；因此TE101和TE201模式形成一个通带，TE301和TE401模式形成另一个通带；而第三金属柱用来调整这两个通带的间距以及带宽。方形SIW谐振腔只工作在基模，两个方形SIW谐振腔的TE101模式形成一个通带。矩形SIW腔和方形SIW腔以上下叠加的方式，通过两个槽进行磁耦合，矩形SIW腔的两个通带和方形SIW腔的一个通带连接形成三频带滤波器。同时，输入和输出的馈电位置中心对称(该中心为TE101模和TE301模的电场最强点)，而馈电位置在离腔体中间位置的适当距离处，可以在每个通带右边产生两个传输零点，实现滤波器响应的良好带外衰减。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明创造性的将基于矩形SIW腔的四模双频带和基于方形SIW腔的单模单频带连接形成新型的三频带滤波器

(2)本发明的滤波器馈电位置的偏移为滤波器响应带来多个传输零点，改善了滤波器的阻带衰减。

(3)本发明的滤波器不仅尺寸紧凑，而且频率选择性高，通带性能好。

(4)本发明的滤波器结构简单，制造工艺要求低。

附图说明

图1是本发明滤波器结构示意图；其中图(a)是上介质板的上表面结构图，图(b)上介质板的下表面结构图，图(c)下介质板的上表面结构图，

图(d)是滤波器的整体结构图；

图2为本发明滤波器的S参数仿真曲线；

图3是本发明滤波器的重要参数调整的S参数仿真曲线；

图中标记：1为第一金属柱，1-1为第四金属柱，2为上介质板第一金属层，3和4为第三金属柱，5、6、7、8和9为第二金属柱，10和11分别为输入和输出馈电线，12为上介质板的中间金属层，13-1为第一耦合槽，13-2为第二耦合槽，14为下介质板的中间金属层，15为第二金属层，16和17分别为上、下介质板，TZ1、TZ2、TZ3、TZ4、TZ5和TZ6为6个传输零点。T_s为输入输出馈线距离矩形SIW谐振腔中间位置的距离，R₁是第一、四金属柱的直径，R₂是金属扰动通孔的直径，P是相邻金属柱之间的距离，h是介质板的厚度，A、B是矩形SIW谐振腔的长、宽，T_x和T_y是第三金属柱的偏移位置，D_x和D_y是第二金属柱组成的十字形状的尺寸，w_o和c₁是耦合槽的尺寸，A、L₁是方形SIW谐振腔的尺寸。

尺寸表Ι

参数	R<sub>1</sub>	R<sub>2</sub>	P	T<sub>x</sub>	T<sub>y</sub>	D<sub>x</sub>	D<sub>y</sub>	w<sub>1</sub>
									数值	0.6	0.4	1	1.8	9.3	0.5	0.6	4.6
参数	w<sub>s</sub>	w<sub>m</sub>	L<sub>s</sub>	T<sub>s</sub>	A	B	h	w<sub>o</sub>
									数值	0.3	1.5	2	1.55	9.4	29.4	0.508	0.8
参数	c<sub>1</sub>	L<sub>1</sub>
									数值	7.5	7.7

单位：mm

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明

如图1(d)所示，该发明的三频带滤波器由两层PCB板叠加而成。在图1(a)所示的上层介质板16中有两种类型的金属通孔，一种为构成谐振腔电壁的若干第一金属柱1，另一种为构成扰动金属通孔的若干第二(5、6、7、8、9)和两个第三金属柱(3、4)。引入的扰动金属通孔是为了合理的利用单个矩形SIW腔的前四种模式来形成两个通带。“十字型”第二金属柱位于上介质板矩形SIW腔的中心位置，因为在腔体的中心处，TE101和TE301模式的电场最强，TE201和TE401模式的电场最弱，引入的第二金属柱仅影响TE101和TE301模式，使得TE101和TE301模式的谐振频率分别逼近TE201和TE401模式的谐振频率，因此TE101和TE201模式组合形成一个通带，TE301和TE401模式组合形成另一个通带。矩形SIW腔的大小决定TE401和TE201模式的谐振频率，即控制这两个通带的间距。

如图1(c)所示，下层介质板17设有贯穿介质板的若干周期性分布第四金属柱1-1，这些金属柱围合成两个上下对称的方形SIW谐振腔，两个方形SIW腔工作在基模TE101，两个方形腔的TE101模组合形成一个通带，方形腔的尺寸决定TE101模的谐振频率，即形成通带的位置。

矩形SIW腔和两个方形SIW腔通过两个耦合槽(13-1和13-2)连接，矩形SIW腔的四模双频带和方形SIW腔的单模单频带组成成一个三频带滤波器。矩形SIW腔的两个通带分别位于第一、三频带位置，方形SIW腔的一个通带位于第二频带位置。

耦合槽位于矩形SIW腔和方形SIW腔的磁场最强处，即腔的边界；如图3(e)所示，通过改变耦合槽的长度c₁可以实现对第二频带的控制，同时也会影响第一频带的带宽。在图3(f)中也可以看到，方形SIW腔的尺寸L₁也被用来控制第二频带的位置，同时也会影响第三频带的位置，因此可以从图3(e)和(f)中发现，第二频带的位置可以通过方形腔的尺寸L₁和耦合槽的长度来控制。

第三金属柱(3和4)的位置在滤波器响应的实现中也是非常关键，主要用来控制矩形SIW腔的两个通带，即最终滤波器响应的第一、三频带。图3(a)和(d)显示了第三金属柱的位置对滤波器响应的影响，可以看到，当金属通孔沿y轴纵向移动时，即T_x改变时，第一、三频带同时左移或者右移。当金属通孔沿x轴从腔体中心向边界横向移动时，即T_y增加时，第一、三频带带宽增加，而第二频带的带宽减小。

第二金属柱(5、6、7、8、9)形成的十字型的尺寸用来控制三个通带的带宽，如图3(b)和(c)所示，当D_y增加时，三个频带的带宽同时减小，当D_x增加时,第一、二频带的带宽同时减小，而第三频带的带宽不变并向右移动。

如图1(a)所示，输入输出馈线的位置呈中心对称，通过改变馈线与腔体中心位置的距离T_s，不仅调整滤波器的外部品质因素，同时偏移中心的馈线为滤波器响应带来了多个传输零点。图2展示了最终滤波器的响应，可以看到每个通带的右边都存在两个传输零点，总共有六个传输零点，实现了良好的阻带衰减。

本发明创新性的将单个矩形SIW结构和两个方形SIW结构连接，通过使用金属通孔扰动方法，合理地利用了矩形腔的前四个谐振模式来形成双频带，两个方形SIW结构形成一个单频带，双频带矩形腔和单频带方形腔通过耦合槽结合形成三频带滤波器。同时通过偏移的馈线，使得滤波器响应引入了六个传输零点，很好地改善了滤波器的阻带衰减。本发明的双频带滤波器可以灵活控制，并且电路结构简单，制造工艺要求低。

Claims

1.基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于将单个四模矩形SIW腔和两个单模方形SIW腔通过上下叠加连接形成三频带滤波器；位于上层的矩形SIW腔产生四模双频带，位于下层的方形SIW腔产生单模单频带；矩形SIW腔中的TE101模和TE201模形成第一频带，TE301模和TE401模形成第三频带，两个单模方形SIW腔形成第二频带；具体主要由上下叠加的两层介质板构成，上层介质板的上表面铺设有第一金属层及输入输出馈线，下层介质板的下表面铺设有第二金属层，上下介质板间设有中间金属层；

所述的上层介质板的设有贯穿介质板、第一金属层、中间金属层的若干周期性分布第一金属柱，这些第一金属柱围合成矩形SIW谐振器结构；上层介质板中还设有贯穿介质板、第一金属层、中间金属层的若干周期性分布第二金属柱以及两个第三金属柱，这些金属柱被用构成滤波器的金属扰动通孔；上述这些第二金属柱呈“十字型”结构，其中心为TE101模和TE301模的电场最强点；两个第三金属柱中心对称设置，其中心为TE101模和TE301模的电场最强点；

所述的下层介质板的设有贯穿介质板、第二金属层、中间金属层的若干周期性分布第四金属柱，这些第四金属柱围合成两个关于中线轴对称的方形SIW谐振器结构；

所述的输入和输出馈线位于上层介质板的上表面，馈电位置中心对称设置，其中心为矩形腔TE101模和TE301模的电场最强点，而馈电位置在离矩形SIW谐振器中线的适当距离T_s，可以产生多个传输零点，实现滤波器响应的良好带外衰减；

上述TE101模和TE301模的电场最强点位于中线上。

2.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于所述的输入和输出馈线与矩形SIW谐振腔中线的最短距离T_s，影响滤波器的外部耦合系数，并且影响滤波器的阻带衰减。

3.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于矩形SIW谐振腔的大小决定第三频带和第一频带的间距；方形SIW谐振腔的大小决定第二频带的位置。

4.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于第一、四金属柱的直径R₁满足条件:R₁<0.2λ，其中λ是相应腔的TE101谐振模式波长，相邻金属柱间的距离P需满足条件：P<2*R₁，以防止谐振腔电磁能量泄露。

5.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于“十字型”第二金属柱主要控制三个通带的带宽；第三金属柱主要控制第一、三频带的带宽和位置；耦合槽的长度影响第二频带的位置。

6.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于滤波器的加工采用双层PCB板叠加工艺或LTCC工艺。

7.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征在于矩形SIW谐振腔的TE101、TE201、TE301和TE401模式同时工作，方形SIW谐振腔只工作在TE101模式，矩形SIW谐振腔的TE101和TE201模式构成第一频带，矩形SIW谐振腔的TE301和TE401模式构成第三频带；方形SIW谐振腔的TE101模式构成第二频带。

8.如权利要求1所述的基于SIW结构的三频带滤波器，其特征由于矩形腔的模式分布的特殊性，偏移谐振器中线位置的输入输出馈线使得滤波器响应中产生了六个传输零点，改善了滤波器的阻带衰减。