CN109244611B - 一种小型化可调基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种小型化可调基片集成波导滤波器，包括电性连接的介质基板、波导单元、信号输入端、信号输出端、接地单元和谐振单元；所述谐振单元设置在介质基板的上表面，所述谐振单元包括金属层以及腐刻于金属层的谐振腔；所述介质基板的侧壁设置有信号输入端、信号输出端以及波导单元，所述信号输入端和信号输出端均与谐振单元电性连接，所述谐振单元通过波导单元与所述接地单元连接。该类滤波器具有更加小的尺寸，有利于系统的集成和小型化设计，提供了更加灵活的频率调谐方式。

Description

一种小型化可调基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及通信领域，具体涉及一种小型化可调基片集成波导滤波器。

背景技术

随着当下以5G、物联网为代表的无线通信技术的全面推进，对通信设备的要求越来越高。微波滤波器作为无线通信系统中的主要单元之一，其性能和质量对通信系统起着非常重要的作用。

目前常用的微波滤波器，大致分为集总电路滤波器、微带滤波器和基片集成波导滤波器等。集总电路滤波器，主要利用集总电子元器件，依照滤波器原理拓扑实现滤波电路，完成电磁信号的滤波目标。微带滤波器，主要利用微带线等传输线的分布式参数及其电路等效结构，对滤波器拓扑进行物理结构实现，调整微带线尺寸，即可实现滤波作用。基片集成波导滤波器，主要利用波导体腔模特性，TE模能够通过基片集成波导传输，构造特定的腔体谐振频率，在频带上形成对应的通带，从而实现滤波作用。目前常用的可调基片集成波导滤波器，大致有采用铜片螺旋钉改变通孔的接地角度，对基片集成波导谐振腔中的电磁场分布进行扰动，从而实现通带中心频率的可调；利用压电转换器来改变扰动介质块与基板之间的距离，从而通过改变谐振器的阻抗来达到可调谐的目的；以及利用射频微机电系统或二极管，切换腔体中短路钉的位置或改变腔体间的耦合缝隙长度等，从而通过扰动腔体电场或腔体间耦合等实现滤波器的可调。

就目前常用的微波滤波器技术而言，集总电路滤波器，受限于集总元件在高频工作时不再是简单的线性元件而是分布式参数网络，因此使用上存在频率限制，只能用于低频滤波实现；微带滤波器，微带等效元件结构的物理尺寸与波长可比拟，在低频时存在物理尺寸大，难于小型化和集成应用，而在高频时存在损耗较大等缺点；传统的基片集成波导滤波器，由于是利用腔模的谐振频率形成传输通带，腔模的谐振频率依赖于基片集成波导腔体的尺寸，同样存在物理尺寸大且设计不灵活等缺点。

就目前常用的可调基片集成波导滤波器而言，利用可调螺旋钉方案，由于螺旋钉打孔位置固定且需要手动调节螺旋钉的接地角度，因此存在调谐不灵活、可调谐范围较小等缺点；利用压电转换器的方案，需要外接专用的压电转换器系统和机械夹持固定结构，因此存在外接执行部分复杂、造价高昂且体积较大等缺点；利用RF-MEMS或PIN二极管方案，需要搭建开关电路，来控制腔体中短路钉接入位置或腔体间耦合缝隙长度等，存在滤波器尺寸大，调谐的范围有限，且RF-MEMS价格较为昂贵，不利于大规模应用等缺点。

因此，需要新的技术改变滤波器的物理尺寸大小，推进滤波器的小型化，增加滤波器的可调性，增强滤波器在现代通信系统中的应用。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明需要解决的技术问题是，提供一种小型化可调基片集成波导滤波器，改变滤波器的尺寸以及适用频率，实现通信领域的大规模应用。

本发明的技术方案是，一种小型化可调基片集成波导滤波器，包括电性连接的介质基板、波导单元、信号输入端、信号输出端、接地单元和谐振单元；所述谐振单元设置在介质基板的上表面，所述谐振单元包括金属层以及腐刻于金属层的谐振腔；所述介质基板的侧壁设置有信号输入端、信号输出端以及波导单元，所述信号输入端和信号输出端均与谐振单元电性连接，所述谐振单元通过波导单元与所述接地单元连接。

优选方案，所述谐振腔包括阶梯阻抗互补开口谐振腔，所述阶梯阻抗互补开口谐振腔用于信号频率的选择。

优选方案，所述信号输入端和信号输出端设置有通信组件，所述通信组件包括在沿信号输入端和信号输出端铺设的微带线，所述微带线用于连接微带结构与滤波器，进行信号传输。

优选方案，所述接地单元包括设置在介质基板下表面的接地金属层。

优选方案，所述波导单元包括沿介质基板侧壁周期性排列的金属化通孔，所述金属化通孔用于连接谐振单元与接地金属层。

优选方案，所述金属层上设置有间距可调的多组阶梯阻抗互补开口谐振腔，阶梯阻抗互补开口谐振腔之间通过腐刻金属带进行连接，用于改变滤波器的耦合系数。

优选方案，所述阶梯阻抗互补开口谐振腔组包括两个间距可调的阶梯阻抗互补开口谐振腔，两个阶梯阻抗互补开口谐振腔之间通过耦合的方式连接。

优选方案，所述接地金属层上还设置有变容管偏置电路，所述变容管偏置电路通过金属通孔与谐振单元连接。

优选方案，所述变容管偏置电路包括电性连接的集总元件和电容管，用于改变滤波器腔体的谐振频率。

优选方案，所述介质基板材的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。

本发明的有益效果体现在，提供一种小型化可调基片集成波导滤波器，此类滤波器具有更加小的尺寸，有利于系统的集成和小型化设计；高频段的低损耗，有利于在毫米波频段内应用；可调滤波器的新型电调方案，提供了更加灵活的频率调谐方式；通过调节谐振腔的物理尺寸以及两谐振腔之间的间距，在满足滤波器频率可调的基础上实现滤波器的小型化，有利于降低成本，适合大规模应用。

附图说明：

图1为本发明实施例所述一种小型化低频可调基片集成波导滤波器的结构示意图；

图2为本发明实施例所述一种小型化毫米波可调基片集成波导滤波器示意图；

图3为本发明实施例所述一种小型化可调基片集成波导滤波器示意图；

图4为本发明实施例所述一种小型化低频可调基片集成波导滤波器的频率响应曲线；

图5为本发明实施例所述一种小型化毫米波可调基片集成波导滤波器的频率响应曲线；

图6为本发明实施例所述一种小型化可调基片集成波导滤波器的频率响应曲线；

图7为本发明实施例所述一种小型化可调基片集成波导滤波器的频率响应曲线。

附图标记说明

1-信号输入端，2-信号输出端，3-介质基板，4-金属层，5-金属化通孔，6-阶梯阻抗互补开口谐振腔，7-变容管偏置电路，8-金属带。

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。

请参阅图1所示，本发明提供的具体实施例如下：

本实施例的一种小型化可调基片集成波导滤波器，包括：

电性连接的介质基板3、波导单元、信号输入端1、信号输出端2、接地单元和谐振单元；所述谐振单元设置在介质基板3的上表面，所述谐振单元包括金属层4以及腐刻于金属层4的谐振腔；所述介质基板3的侧壁设置有信号输入端1、信号输出端2以及波导单元，所述信号输入端1和信号输出端2均与谐振单元电性连接，所述谐振单元通过波导单元与所述接地单元连接。表面腐刻谐振结构，当电场矢量垂直穿过谐振结构时，能够激励谐振腔产生谐振效应，在基片集成波导的截止频率以下产生一个对应的通带。调整谐振腔的尺寸，实现谐振频率的调整，完成滤波器的通带中心频率控制。该类滤波器的通带频率不在受限于基片集成波导的物理尺寸。

优选实施例方案，所述谐振腔包括阶梯阻抗互补开口谐振腔6，所述阶梯阻抗互补开口谐振腔6用于信号频率的选择。利用了材料的后向波传输特性，在波导截止频率下形成通带，使得通带频率可控，实现信号频域上的选择，即滤波作用，阶梯阻抗互补开口谐振腔6拥有更长的电长度，从而尺寸不在受限于腔体尺寸，使得滤波器具有更小的尺寸，实现滤波器的小型化设计。

优选实施例方案，所述信号输入端1和信号输出端2设置有通信组件，所述通信组件包括在沿信号输入端1和信号输出端2铺设的微带线，所述微带线用于连接微带结构与滤波器，进行信号传输。采用铺设微带线的方式可以将微带结构与基片集成波导滤波器进行直接连接，使得信号的传输更加灵敏，避免信号的缺失。

优选实施例方案，所述接地单元包括设置在介质基板3下表面的接地金属层4。通过设置接地金属层4的方式，可以保护滤波器以及与滤波器相连的电子器件，避免电路故障导致的器件损坏。

优选实施例方案，所述波导单元包括沿介质基板3侧壁周期性排列的金属化通孔5，所述金属化通孔5用于连接谐振单元与接地金属层4。通过金属化通孔5将谐振单元与接地金属层4连接起来，既有利于谐振单元接地处理快捷性，也有利于谐振单元与接地金属层4上的其它单元之间的连接。

优选实施例方案，所述金属层4上设置有间距可调的多组阶梯阻抗互补开口谐振腔6，阶梯阻抗互补开口谐振腔6之间通过腐刻金属带8进行连接，用于改变滤波器的耦合系数。调整两组阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体间的金属带8的长度，即可调整滤波器的耦合系数。采用了新的腔体组合方式，使得滤波器的整体结构变得更加的紧凑。

优选实施例方案，所述阶梯阻抗互补开口谐振腔6组包括两个间距可调的阶梯阻抗互补开口谐振腔6，两个阶梯阻抗互补开口谐振腔6之间通过耦合的方式连接。它的作用是直接使得电磁信号从一个阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体耦合到另外一个阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体，调整两腔体之间的缝隙尺寸，即可调整滤波器的耦合系数，实现带宽的调整。

优选实施例方案，所述接地金属层4上还设置有变容管偏置电路7，所述变容管偏置电路7通过金属通孔与谐振单元连接。相当于在阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体的等效LC谐振电路上并联上一个可变电容。改变变容管偏置电路7的驱动电压，即可改变阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体的谐振频率，从而实现电调滤波器的设计。

优选实施例方案，所述变容管偏置电路7包括电性连接的集总元件和电容管，用于改变滤波器腔体的谐振频率。利用集总元件和电容管，搭建了变容管偏置电路7，利用低压直流电源偏置变容管，改变变容管接入电容值，形成一个等效可变电容器。变容管的变容范围0.3pF-2.2pF，设计频率可调范围覆盖1.7-2.17GHz，适用于无线通信系统。

优选实施例方案，所述介质基板3材的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009

新型小型化低频二阶滤波器，上表面腐刻的挖掉中间金属间隙的两个阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体缝隙，它的作用是直接使得电磁信号从一个阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体耦合到另外一个阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体，调整两腔体之间的缝隙尺寸，即可调整滤波器的耦合系数，实现带宽的调整。将阶梯阻抗引入超材料中，它的作用是相对于均匀阻抗线，阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体拥有更长的电长度，展现出更加紧凑的尺寸。

新型小型化毫米波四阶滤波器，上表面腐刻的四个阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体缝隙，分为左右两组，腐刻金属带8连接起来，它的作用是直接通过金属带8将左右两组阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体电磁信号进行传输。调整两组阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体间的金属带8的长度，即可调整滤波器的耦合系数。采用了新的超材料腔体构形方式，使得滤波器的整体结构变得更加的紧凑。

小型化可调基片集成波导滤波器，是在二阶超材料基片集成波导滤波器的基础上，搭建了电调谐电路，引入可变电容变量，实现频率的可调。在接地板上，利用集总元件和电容管，搭建了变容管偏置电路7，它的作用是利用低压直流电源偏置变容管，改变变容管接入电容值，形成一个等效可变电容器。阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体中间位置的金属通孔，它的作用是将地板上的可变点电容器与上表面的阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体结构相连接，相当于在阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体的等效LC谐振电路上并联上一个可变电容。改变变容管偏置电路7的驱动电压，即可改变阶梯阻抗互补开口谐振腔6腔体腔体的谐振频率，从而实现电调滤波器的设计。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“底部”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用以描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“～”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A～B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：包括电性连接的介质基板、波导单元、信号输入端、信号输出端、接地单元和谐振单元；所述谐振单元设置在介质基板的上表面，所述谐振单元包括金属层以及腐刻于金属层的谐振腔；所述介质基板的侧壁设置有信号输入端、信号输出端以及波导单元，所述信号输入端和信号输出端均与谐振单元电性连接，所述谐振单元通过波导单元与所述接地单元连接；

所述谐振腔包括阶梯阻抗互补开口谐振腔，所述互补开口谐振腔边对边设置且两开口方向相反并分别朝向信号输入端和信号输出端，所述阶梯阻抗互补开口谐振腔谐振状态时，用于信号频率的选择，同时用于小型化设计；

所述金属层上设置有间距可调的多个阶梯阻抗互补开口谐振腔组,阶梯阻抗互补开口谐振腔组之间通过腐刻金属带进行连接，用于改变滤波器的耦合系数，同时用于实现紧凑结构。

2.根据权利要求1所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述信号输入端和信号输出端设置有通信组件，所述通信组件包括在沿信号输入端和信号输出端铺设的微带线，所述微带线用于连接微带结构与滤波器，进行信号传输。

3.根据权利要求1所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述接地单元包括设置在介质基板下表面的接地金属层。

4.根据权利要求3所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述波导单元包括沿介质基板侧壁周期性排列的金属化通孔，所述金属化通孔用于连接谐振单元与接地金属层。

5.根据权利要求1所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述阶梯阻抗互补开口谐振腔组包括两个间距可调的阶梯阻抗互补开口谐振腔，阶梯阻抗开口谐振腔组内的两个互补开口谐振腔呈边对边布局，两个阶梯阻抗互补开口谐振腔之间实现容性耦合，用于获得多阶滤波特性。

6.根据权利要求3所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述接地金属层上还设置有变容管偏置电路，所述变容管偏置电路通过金属通孔与谐振单元连接。

7.根据权利要求6所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述变容管偏置电路包括电性连接的集总元件和可变电容管，变容管直接作用于互补开口谐振腔的等效电容，用于改变开口谐振腔的谐振频率，即实现滤波器的通带可调谐。

8.根据权利要求1所述的一种小型化可调基片集成波导滤波器，其特征在于：所述介质基板的介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。

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