CN109149028A

CN109149028A - 基于单个矩形siw结构的四模双频带滤波器

Info

Publication number: CN109149028A
Application number: CN201810709957.1A
Authority: CN
Inventors: 刘晓尚; 吴薇; 杨增; 郭君
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2018-07-02
Filing date: 2018-07-02
Publication date: 2019-01-04

Abstract

本发明公开基于单个矩形SIW结构的双频段带通滤波器。本发明基于矩形SIW结构，通过使用金属通孔扰动的方法，控制滤波器的前四个谐振模式，即TE101、TE201、TE301和TE401模式。TE101和TE201组合形成第一个通带，TE301和TE401组合形成第二个通带。此外，通过移动扰动通孔，可以相对独立地调谐两个通带的带宽和间距。同时，偏移的输入输出馈线为滤波器引入了四个传输零点，改善了滤波器的阻带衰减。通过合理利用单个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

基于单个矩形SIW结构的四模双频带滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体为一种在单个矩形基片集成波导(SIW)结构中，使用金属通孔扰动实现的四模双频带滤波器，是一种合理利用腔体模式、具有良好阻带衰减的新型双频带射频滤波器。

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。

同时，随着无线通信系统的发展，双频带或多频带BPF在现代射频电路中发挥着至关重要的作用，因为它们具有很强的多工作通带能力，可以大大降低无线模块的成本。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。

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。而(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，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，低损耗以及整个无线系统的完整集成的要求，使用上述(3)和(4)的设计方法逐渐被取代，而在SIW结构上使用(1)和(2)的设计方法成为研究的热门。先前有研究过单个方形SIW腔的四模双频带，但由于方形SIW结构的局限性，导致滤波器响应的阻带衰减并不是很优秀。因此，使用SIW腔的多模结构设计的具有良好阻带衰减的滤波器迫切需要。

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。本发明创造性地利用单个矩形腔的前四个固有模式，通过偏移馈电位置，使得四个模式分别实现四个源负耦合，引入四个传输零点，同时结构简单，不需要引入其它额外的电路。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了基于单个矩形SIW结构，通过金属通孔扰动实现的四模双频带滤波器。

本发明利用单个矩形SIW腔的前四种谐振模式，即TE101、TE201、TE301、TE401，TE101模和TE201模形成第一个通带，TE301模和TE401模形成第二个通带。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，同时可以通过金属通孔实现带宽和双频带间距的灵活控制，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，输入输出馈线，以及7个扰动金属通孔。

所述的滤波器主要由单层介质板构成，介质板的上表面铺设有第一金属层及输入输出馈线，介质板下表面铺设第二金属层；

所述的单层介质板的周边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，实现了单个矩形SIW谐振器结构。

所述的单层介质板的中心处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。

所述的单层介质板中设有两个贯穿介质板，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。

上述第二、第三金属柱构成滤波器结构中的扰动金属通孔。

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。

所述的介质板尺寸影响滤波器响应的传输零点数量，作为优选，矩形腔的长宽比大于3.25，这可以很好地改善阻带衰减。

单个矩形SIW腔的大小决定TE401和TE201模式的谐振频率，即决定双频带的间距；作为优选，上述第一金属柱的直径R₁满足条件:R₁<0.2λ，其中λ是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，所述的双频带滤波器采用标准PCB工艺。

单个矩形SIW结构腔的TE101、TE201、TE301和TE401模式同时工作，TE101和TE201模式构成第一个通带，TE301和TE401模式构成第二个通带。

工作过程：

所述的滤波器仅存在一个矩形SIW谐振腔，谐振腔的前四种模式同时工作，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模式形成第一通带，TE301和TE401模式形成第二通带。沿着x轴移动的第三金属柱用来同时调整TE101和TE201的谐振频率，对TE301和TE401模式的谐振频率没有影响，因此可以用来调整双频带的间距；沿着y轴移动的第三金属柱被用来调整双频带的带宽。由于第二金属柱主要影响第二通带的带宽，第三金属柱影响两个通带的带宽，因此，首先通过控制第三金属柱调整第一通带的带宽，然后通过第二金属柱控制第二通带的带宽，实现了滤波器带宽的相对独立控制。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，可以产生四个传输零点，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)基于单个矩形SIW结构，合理利用矩形SIW腔体的前四个谐振模式形成双频带响应，同时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。

(2)本发明的滤波器可以在不改变滤波器尺寸的前提下，通过调整金属扰动通孔的位置来调节两个频带的间距。

(3)本发明的滤波器仅使用单个矩形SIW结构，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(a)是介质板的上表面结构图，(b)是滤波器的整体结构图；

图2是本发明滤波器的S参数仿真曲线；

图3是本发明滤波器的调整带宽和间距的S参数仿真曲线，其中(a)是调整双频带间距的S参数仿真曲线，(b)和(c)是调整带宽的S参数仿真曲线；

图中标记：1为第一金属柱，2为介质板第一金属层，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为介质板第二金属层，13为介质板，TZ1、TZ2、TZ3和TZ4为4个传输零点。T_s为输入输出馈线与矩形SIW谐振腔中间位置的距离，R₁是第一金属柱的直径，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是单个矩形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。

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	0.5	1	1	2	17.2	1.2	1.5	7.5
参数	w<sub>s</sub>	w<sub>m</sub>	L<sub>s</sub>	T<sub>s</sub>	A	B	h
									数值	0.5	1.5	4.2	4.75	19.5	69.5	0.508

单位：mm

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(b)所示，滤波器由厚度为h的单层Rogers5880介质板组成，介质板的上下表面铺设金属层；从图1(a)中可以看到，滤波器结构仅由单个矩形SIW腔组成，在图1(a)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，另一种为构成扰动金属通孔的若干第二、第三金属柱。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，因此，扰动金属通孔在本发明滤波器的设计中起着关键的作用。

“十字型”第二金属柱位于矩形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模式组合形成第一个通带，TE301和TE401模式组合形成第二个通带。

在第二金属柱中，如图1(a)所示，7、8和9三个金属通孔在腔体中心沿着x轴横向排列，9处于腔体的正中心，7和8关于y轴对称放置，这三个通孔用来干扰TE101和TE301模式的电场，使得它们的电场分布分别接近于TE201和TE401模式的电场分布，这样做的目的：使馈线可以同时满足前四种模式的要求。5和6两个金属通孔沿着y轴纵向排列，并且它们两个是关于x轴对称的，5和6是用来控制滤波器的带宽，如图3(c)所示，通过调整参数D_x，即5和6的位置，主要用来控制第二个通带的带宽。

在第三金属柱中，如图1(a)所示，3和4两个金属通孔是中心对称放置的，3和4的具体位置是根据所要设计的滤波器规格确定的；图3(a)和(b)展示了3和4的位置参数对滤波器响应的影响，可以看出，当金属通孔沿y轴从腔体中心向边界纵向移动时，即T_x增加时，第一通带逐渐变大，第二通带逐渐变小。而当通孔沿x轴从腔体中心向边界横向移动时，即T_y增加时，第一通带左移，两个通带的间距变大。

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四个传输零点，改善了滤波器的阻带衰减。如图2所示，最终的滤波器响应中出现了四个传输零点。

从图3中可以看出，双频带滤波响应的带宽可以相对独立控制，同时，两个通带的间距可以在不改变滤波器尺寸的前提下进行调整。从图2中可以看出，滤波器具有良好的阻带衰减；在单个谐振腔中，不需要添加其他复杂的电路，实现了四个传输零点。

本发明创新性的在单个矩形SIW结构，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，同时通过偏移的馈线，使得滤波器响应引入了四个传输零点，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，并且仅使用一个谐振腔，使尺寸紧凑，电路结构简单，制造工艺要求低。

Claims

1.基于单个矩形SIW结构的四模双频带滤波器，其特征在于仅由单层介质板构成，介质板的上表面铺设有第一金属层及输入输出馈线，介质板的下表面铺设有第二金属层；

所述的单层介质板的周边设有贯穿介质板的若干周期性分布第一金属柱，这些第一金属柱围合成单个矩形SIW谐振器结构；介质板中还设有贯穿介质板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”分布，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；

所述的输入和输出馈线的馈电位置中心对称设置，其中心为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，可以产生四个传输零点，实现滤波器响应的良好带外衰减。

2.如权利要求1所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，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所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于矩形SIW谐振腔的大小决定TE201、TE401模式的谐振频率。

4.如权利要求1所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于第一金属柱的直径R₁满足条件:R₁<0.2λ，其中λ是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所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于“十字型”第二金属柱主要控制第二个通带的带宽；第三金属柱的横向移动控制双频带的间距，纵向移动主要控制第一个通带的带宽。

6.如权利要求1所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于双频带滤波器采用标准PCB板加工工艺。

7.如权利要求1所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于单个矩形SIW谐振腔的TE101、TE201、TE301和TE401模式同时工作，TE101和TE201模式构成第一个通带，TE301和TE401模式构成第二个通带。

8.如权利要求1所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于引入的金属通孔扰动TE101和TE301模式的电场分布，使它们的谐振频率分别逼近TE201和TE401模式的谐振频率，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四个传输零点，改善了滤波器的阻带衰减。

9.如权利要求1所述的单个矩形SIW四模双频带滤波器，其特征在于双频带的间距可以在不改变滤波器尺寸的前提下，通过金属扰动通孔进行控制。