CN109326859B - 基于siw的tm双模平衡带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三。介质基板一和介质基板三上均设有微带线,金属板一上开设沿逆时针旋转38℃的矩形缝隙一;介质基板二上设有金属通孔阵列和两个微扰金属孔;金属板二上开设沿顺时针旋转38℃的矩形缝隙二。本发明不仅在通带内产生两个极点,且在通带两侧各产生一个传输零点,具有高选择性。此外,通过对耦合缝隙的位置及尺寸的设计,TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制,实现良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下,由于微带线中间形成了磁壁,磁流无法通过耦合缝隙进入谐振腔,从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。
Description
技术领域
本发明涉及一种滤波器,特别是一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器。
背景技术
在现代无线通信系统中,平衡器件受到了越来越多的关注,因为平衡器件可以有效抑制环境噪声和系统内部的噪声。而滤波器是通信系统设备必不可少的器件。平衡带通滤波器可以有效抑制环境和系统内部产生的噪声,因而广泛应用于现代无线通信电路。高选择性、小型化、高共模抑制的新型平衡带通滤波器是市场的迫切需求,也是平衡带通滤波器发展的必然趋势。
基片集成波导(SIW)技术因其小型化、易集成、高Q值的优点,受到越来越多的关注。使用双模或多模理念设计滤波器时,可以实现在不增加谐振器数目的同时提高单个腔体的选择性,从而可以有效减小滤波器的尺寸。利用TM模式可以使N阶滤波器产生N个传输零点,提高滤波器的选择性。但是由于使用TM双模或多模设计滤波器时不可避免的会有高次模的产生,从而在通带不远处出现一个或多个寄生通带,如何减小寄生通带或让寄生通带远离中心频率是一个重要的问题。本设计通过对耦合缝隙的位置以及尺寸进行合理设计,TM120和TM210模附近的六个模式被有效抑制,实现了良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下,由于微带线中间形成了磁壁,磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔,从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足,而提供一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,该基于SIW的TM双模平衡带通滤波器能在差模激励下,通过矩形缝隙激励起谐振腔内的TM120和TM210模(谐振模式)以及TE10和TE01模(非谐振模式),不仅在通带内产生了两个极点,而且在通带两侧分别产生了一个传输零点,有效地提高了滤波器的选择性。此外,通过对矩形缝隙的位置以及尺寸进行合理设计,TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制,实现了良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下,由于微带线中间的凸起部位形成了磁壁,磁流无法通过矩形缝隙进入SIW谐振腔,从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。
为解决上述技术问题,本发明采用的技术方案是:
一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三。
假设以每块介质基板或金属板的中心为原点,以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴,以过原点且垂直于x轴的方向为y轴,建立坐标系。
介质基板一上设置微带线一,该微带线一位于y轴上且关于x轴对称。
金属板一上开设有矩形缝隙一,该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合,且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ。
介质基板二上设置有金属通孔阵列和两个微扰金属孔;金属通孔阵列关于x轴和y轴对称;两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称。
金属板二上开设有矩形缝隙二,该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合,且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为- θ。
介质基板三上设置微带线二,该微带线二位于x轴上且关于y轴对称。
微带线一和微带线二的中部均设置有凸起。
金属通孔阵列的长度为34.1mm,宽度为33.8mm;金属通孔阵列中每个金属通孔的直径均为1mm,相邻两个金属通孔之间的间距为1.5mm。
每个微扰金属孔的直径均为0.6mm。
微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距为0.8mm。
矩形缝隙一和矩形缝隙二的长度均为10mm,宽度均为0.3mm。
θ=38°。
微带线一和微带线二的宽度为1.58mm。
本发明具有如下有益效果:
1.具有高选择性(良好的矩形系数和带外抑制)。在差模激励下,通过耦合缝隙激励起谐振腔内的TM120和TM210模(谐振模式)以及TE10和TE01模(非谐振模式),不仅在通带内产生了两个极点,而且在通带两侧分别产生了一个传输零点,有效地提高了滤波器的选择性。
2.具有高共模抑制能力。通过对耦合缝隙(也即矩形缝隙)的位置以及尺寸进行合理设计,TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制,实现了良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下,由于微带线中间的凸起部位形成了磁壁,磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔,从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。
3. 首次提出采用TM双模腔来设计平衡滤波器。利用单个谐振腔可以产生两个极点和两个传输零点;通过合理地设计耦合缝隙的位置和尺寸,有效地抑制了通带附近的六个模式,实现了宽阻带性能。引入了微带—槽线转换结构对SIW腔进行馈电,实现了在较宽频带范围内的高共模抑制。由于使用了双模腔和多层结构,平衡滤波器的尺寸更加紧凑。
附图说明
图1显示了本发明基于SIW的TM双模平衡带通滤波器的结构示意图。
图2显示了介质基板的一个优选实施例。
图3显示了本发明基于SIW的TM双模平衡带通滤波器在差模激励下的拓扑结构示意图。
图4显示了本发明基于SIW的TM双模平衡带通滤波器的散射参数仿真和测试结果。
其中有:
10.介质基板一;11.微带线一;12.凸起;
20.金属板一;21.矩形缝隙一;
30.介质基板二;31.金属通孔阵列;32.金属通孔;33.微扰金属孔;
40.金属板二;41.矩形缝隙二;
50.介质基板三;51.微带线二。
另外:
w1:微带线宽度;w2:凸起宽度;port1、port1’:第一平衡端口;
w s:矩形缝隙宽度;l s:矩形缝隙长度;θ:耦合缝隙旋转角度;
w:金属通孔阵列宽度;l:金属通孔阵列长度;p:相邻金属通孔之间的间距;d:金属通孔直径;g:微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距;
port2、port2’:第二平衡端口;
S:源;L:负载;MS1:源与TM120之间的耦合系数;MS2:源与TM210之间的耦合系数;MSL:源与负载之间的耦合系数。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的平衡带通滤波器以工作在中心频率为5.2GHz的WLAN系统为例说明,其3dB相对带宽为4%。
如图1所示,一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,包括从上至下依次同轴设置的介质基板一10、金属板一20、介质基板二30、金属板二40和介质基板三50。
假设以每块介质基板或金属板的中心为原点,以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴,以过原点且垂直于x轴的方向为y轴,建立坐标系,此时为二维坐标系。也即每块介质基板或金属板均具有一个二维坐标系,另外,以过原点且沿带通滤波器的厚度方向为z轴,建立三维坐标。
介质基板一上设置微带线一11,该微带线一位于y轴上且关于x轴对称,其开路端连接第一平衡端口Port1、Port1’。
介质基板三上设置微带线二51,该微带线二位于x轴上且关于y轴对称,其开路端连接第二平衡端口Port2、Port2’。
微带线一和微带线二的中部均设置有凸起12。
微带线一和微带线二的宽度,也即微带线宽度w1优选为1.58mm。
介质基板一和介质基板三的材料优选为:
1.相对介电常数为2.2,厚度为0.508mm的RT / Duroid 5880。
2.采用微波板作为基板的材料,如图2所示,包括基板S1以及包覆在其上、下表面的上金属层S2和下金属层S3。
金属板一上开设有矩形缝隙一21(也称耦合缝隙一);该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合,且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ,θ优选为38℃。矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角也可表述为:绕z轴逆时针旋转38°。
金属板一既充当微带线一的地,也作为谐振腔的金属壁。
金属板二上开设有矩形缝隙二41(也称耦合缝隙二),该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合,且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为- θ,也即- 38℃。矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角也可可表述为:绕z轴顺时针旋转38°。
矩形缝隙一和矩形缝隙二的长度l s均优选为10mm,宽度w s均优选为0.3mm。
金属板二既充当微带线二的地,也作为谐振腔的金属壁。
介质基板二上设置有金属通孔阵列31和两个微扰金属孔33。
金属通孔阵列关于x轴和y轴对称,金属通孔阵列的长度l优选为34.1mm,宽度w优选为33.8mm;金属通孔阵列中每个金属通孔的直径d均优选为1mm,相邻两个金属通孔之间的间距p优选为1.5mm。
两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称。每个微扰金属孔的直径均优选为0.6mm。微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距g优选为0.8mm。
金属通孔阵列构成谐振腔,介质基板二的规格优选为:相对介电常数为3.38,厚度为0.813mm的Rogers RO4003C。
由金属通孔阵列围成的谐振腔的尺寸(l, w)决定了滤波器的谐振频率。SIW谐振腔的初始尺寸由中心频率f 0决定;在微波毫米波波段内,通过调整SIW腔的尺寸、耦合缝隙的旋转角度和尺寸以及微带线中间部分的宽度,该平衡带通滤波器可以工作在不同的中心频率。
本发明所述平衡带通滤波器的4个端口均采用SMA头焊接,以便接入测试或者与电路相连。本发明可用于WLAN以及毫米波系统。
如图3中的拓扑结构示意图所示,在差模信号激励下,通过耦合缝隙激励起谐振腔内的TM120和TM210模(谐振模式)以及TE10和TE01模(非谐振模式),不仅在通带内产生了两个极点,而且在通带两侧分别产生了一个传输零点,有效地提高了滤波器的选择性。
耦合缝隙的特性是只能进行磁耦合。由于所提出SIW腔的前八个谐振模式中只有TM120和TM210的磁场分布位于腔体的中心位置,而其它模式在中心点附近的磁场强度较弱,所以将耦合缝隙放置于SIW腔的中心处。此时,模式TM120和TM210被成功激励,形成所需要的通带;同时激励起非谐振模式(TE10和TE01),引入了源与负载耦合,从而在通带两侧分别产生了一个传输零点,提高了通带的矩形系数。
另外,由于两个耦合缝隙位置的特殊性,根据SIW腔中前8个TM模的磁场分布图确定耦合缝隙的位置,TM210和TM120模被成功激励的同时,对其它的6个模式产生一定的抑制效果。耦合缝隙的旋转角度θ对通带性能有显著影响,通过确定合适的θ,滤波器的通带能够形成。耦合缝隙长度l S的改变会影响零点的位置,选择合适的l s进一步提高了宽阻带性能;通过调节微扰金属通孔在x轴上的位置g改变耦合系数,进而控制滤波器的带宽;通过改变耦合缝隙的宽度w s和微带线中间部分(也即凸起)的宽度w 2来获得理想的外部品质因数。
上述金属板一、介质基板二和金属板二是作为谐振器的SIW腔,介质基板一和介质基板二是作为馈电的微带—SIW换结构。
引入了微带—槽线转换结构,在共模信号激励下,微带线中间形成了磁壁,磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔,从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。
电磁能量的流动路径为:第一(二)平衡端口—微带线—耦合缝隙—SIW腔—耦合缝隙—微带线—第二(一)平衡端口。
如图4所示,本发明平衡带通滤波器的散射参数仿真与实测结果。其中Sdd11表示差模信号激励下的仿真和测试的反射系数,Sdd21为差模信号激励下的仿真和测量的传输系数。Scc21为共模信号激励下的仿真和测量的传输系数。所述平衡带通滤波器在差模激励下的通频带中心频率为5.2GHz,其3dB相对带宽为4%,插入损耗为1.2dB。在0-4.6 GHz内的抑制电平大于40dB,在5.4-8.2 GHz内的抑制电平大于25dB,在8.2-9.4 GHz内的抑制电平大于12dB。该滤波器具有高选择性和低插入损耗。在共模激励下,在0-9.3GHz内共模信号抑制电平大于-50dB,具有很高的共模抑制效果。从图中可以看到仿真和实测结果吻合良好。
以上详细描述了本发明的优选实施方式,但是,本发明并不限于上述实施方式中的具体细节,在本发明的技术构思范围内,可以对本发明的技术方案进行多种等同变换,这些等同变换均属于本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三;
假设以每块介质基板或金属板的中心为原点,以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴,以过原点且垂直于x轴的方向为y轴,建立坐标系;
介质基板一上设置微带线一,该微带线一位于y轴上且关于x轴对称,微带线一的两端位于介质基板一的两边沿处;
金属板一上开设有矩形缝隙一,该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合,且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ;
介质基板二上设置有金属通孔阵列和两个微扰金属孔;金属通孔阵列关于x轴和y轴对称;两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称;
金属板二上开设有矩形缝隙二,该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合,且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为- θ;矩形缝隙二与矩形缝隙一的几何尺寸相同;
介质基板三上设置微带线二,该微带线二位于x轴上且关于y轴对称,微带线二的两端位于介质基板二的两边沿处;
微带线一和微带线二的中部均设置有凸起;谐振腔的尺寸决定了滤波器的谐振频率;SIW谐振腔的初始尺寸由中心频率f 0决定;在微波毫米波波段内,通过调整SIW腔的尺寸、耦合缝隙的旋转角度和尺寸以及微带线中间凸起的宽度,使平衡带通滤波器工作在不同的中心频率;通过确定耦合缝隙的旋转角度θ,形成滤波器的通带;耦合缝隙长度l S的改变会影响零点的位置,通过选择合适的l s,提高宽阻带性能;通过调节微扰金属通孔在x轴上的位置g改变耦合系数,进而控制滤波器的带宽;通过改变耦合缝隙的宽度w s和微带线中间凸起的宽度w 2来获得理想的外部品质因数;金属板一、介质基板二和金属板二是作为谐振器的SIW腔,介质基板一和介质基板二是作为馈电的微带—SIW换结构;通过引入微带—槽线转换结构,在共模信号激励下,微带线中间形成磁壁,磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔,从而在0-9.3GHz内实现高共模抑制。
2.根据权利要求1所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:金属通孔阵列的长度为34.1mm,宽度为33.8mm;金属通孔阵列中每个金属通孔的直径均为1mm,相邻两个金属通孔之间的间距为1.5mm。
3.根据权利要求2所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:每个微扰金属孔的直径均为0.6mm。
4.根据权利要求3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距为0.8mm。
5.根据权利要求1或2或3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:矩形缝隙一和矩形缝隙二的长度均为10mm,宽度均为0.3mm。
6.根据权利要求1或2或3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:θ=38°。
7.根据权利要求1或2或3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器,其特征在于:微带线一和微带线二的宽度为1.58mm。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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