CN109768357B - 一种传输零点可控的基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例涉及一种传输零点可控的基片集成波导滤波器，包括纵向依次堆叠的第一金属层、第一介质基片层、第二金属层、第二介质基片层以及第三金属层，第二金属层包括并排间隔地设置的输入侧矩形板和输出侧矩形板，输入侧矩形板与输出侧矩形板之间形成耦合缝隙，在耦合缝隙的预定位置设置有调节器件。本发明的实施例提供的传输零点可控的基片集成波导滤波器在小型化的四重折叠基片集成波导谐振腔上设计可调结构，可以调节传输零点在通带的左右位置，进一步增加可调滤波器的抗干扰的灵活性，并且在保证滤波器可调的同时实现滤波器小型化。

Description

一种传输零点可控的基片集成波导滤波器

技术领域

本发明总体上涉及通信技术领域，具体涉及一种传输零点可控的基片集成波导滤波器。

背景技术

随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能日趋复杂，电性能指标要求越来越高，同时在应用中存在小体积、重量轻的需求。特别是随着5G的逐步商用，电磁频谱资源愈来愈紧张，相近频率之间的干扰越来越大。解决这个问题的方法之一是使用滤波器进行频率选择，而传输零点的产生能够提高滤波器的选择性，或是对某些特定频率的信号产生很强的抑制。因此，具有可调谐频率传输零点的微波滤波器得到了广泛的关注。

传输零点可控特别适应于多波段谱中的动态非对称滤波器响应环境。非对称响应可以在不增加滤波器阶数的情况下，调节滤波器的选择性，从而对某些频率变化着的干扰能更加灵活地抑制。但是目前传输零点的可控都是在带通滤波器的同一侧改变传输零点的位置，例如专利申请CN201810122500.0公开了一种T型源负载耦合的传输零点可调带通滤波器，其只能在通带同一侧改变传输零点的位置，不能灵活地对某些频率的信号产生抑制。

发明内容

针对上述问题，本发明的实施例提供一种传输零点可控的基片集成波导滤波器，解决了当前传输零点的可控仅能在带通滤波器的同一侧改变传输零点的位置的设计局限，并在保证滤波器可调的同时实现了滤波器小型化的目标。

本发明提供一种传输零点可控的基片集成波导滤波器，包括纵向依次堆叠的第一金属层、第一介质基片层、第二金属层、第二介质基片层以及第三金属层，所述第二金属层包括并排间隔地设置的输入侧矩形板和输出侧矩形板，所述输入侧矩形板与所述输出侧矩形板之间形成耦合缝隙，在所述耦合缝隙的预定位置设置有调节器件。

在某些实施例中，所述第一介质基片层、所述第二金属层以及所述第二介质基片层在各自的过孔区域分别对应开设有贯通上下的金属过孔。

在某些实施例中，所述过孔区域呈U型，多个所述金属过孔等间距地呈U型分布设置。

在某些实施例中，所述第二金属层包括U型过孔边沿和条形边沿，所述条形边沿与所述U型过孔边沿的开口端间隔地对应设置，形成所述输入侧矩形板和输出侧矩形板的容纳区域，所述输入侧矩形板和输出侧矩形板并行间隔地设置在所述容纳区域中。

在某些实施例中，所述U型过孔边沿与所述输入侧矩形板和输出侧矩形板之间形成U型缝隙。

在某些实施例中，所述条形边沿与所述输入侧矩形板和输出侧矩形板之间形成条形缝隙，所述耦合缝隙连通所述U型缝隙和所述条形缝隙。

在某些实施例中，所述第二金属层相对两端设置有作为输入端和输出端的第一金属条带和第二金属条带。

在某些实施例中，所述第一金属条带穿过所述条形边沿与所述U型过孔边沿的开口端的间隔区域，并与所述输入侧矩形板连接；所述第二金属条带穿过所述条形边沿与所述U型过孔边沿的开口端的间隔区域，并与所述输出侧矩形板连接。

在某些实施例中，所述调节器件为可变电容。

在某些实施例中，所述调节器件设置于所述耦合缝隙的中间位置。

本发明的实施例提供的传输零点可控的基片集成波导滤波器，提供一种更加灵活的传输零点可控方法，可以调节传输零点在通带的左右位置，进一步增加可调滤波器的抗干扰的灵活性，并且在小型化的四重折叠基片集成波导谐振腔上设计可调结构，在保证滤波器可调的同时实现小型化。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的四重折叠基片集成波导谐振腔的结构示意图；

图2示出根据本发明的一个实施例的传输零点可控的基片集成波导滤波器的结构示意图；

图3示出根据本发明的一个实施例的传输零点可控的基片集成波导滤波器的中间金属层的俯视图；以及

图4和图5分别示出根据本发明的一个实施例的在不同调节器件参数情况下传输零点可控的基片集成波导滤波器的传输特性曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。但本领域技术人员知晓，本发明并不局限于附图和以下实施例。

如本文中所述，术语“包括”及其各种变体可以被理解为开放式术语，其意味着“包括但不限于”。术语“基于”可以被理解为“至少部分地基于”。术语“一个实施例”可以被理解为“至少一个实施例”。术语“另一实施例”可以被理解为“至少一个其它实施例”。

在本发明的描述中，需要说明的是，对于方位词，如术语“中心”，“横向(X)”、“纵向(Y)”、“竖向(Z)”“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等所指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于叙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、以特定方位构造和操作，不能理解为限制本发明的具体保护范围。

在本发明中，除另有明确规定和限定，如有术语“组装”、“相连”、“连接”术语应作广义去理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；也可以是机械连接；可以是直接相连，也可以是通过中间媒介相连，可以是两个元件内部相连通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述的术语在本发明中的具体含义。

如前所述，目前传输零点的可控都是在带通滤波器的同一侧改变传输零点的位置。本发明为引入传输零点的可调，在交叉耦合元素间引入可调耦合，同时为了调节零点在通带的左右位置，在直接耦合腔体间引入调节器件。进一步地，根据本发明的实施例，为了实现滤波器小型化的现实应用需求，本发明考虑在四重折叠基片集成波导谐振腔上设计可调结构。

基片集成波导(SIW，Substrate Integrated Waveguide)由于高品质因数、大功率容量、易加工和成本低等优点近年来逐步在无线通信系统中被广泛关注，本发明实施例提出的传输零点可控的滤波器采用基片集成波导谐振器，而进一步为了小型化目标，滤波器采用两个四重折叠基片集成波导谐振腔组成。

图1示出了根据本发明的一个实施例的四重折叠基片集成波导谐振腔100的结构示意图。如图所示，四重折叠基片集成波导谐振腔100包括在纵向垂直方向上依次堆叠的第一金属层110、第一介质基片层120、第二金属层130、第二介质基片层140和第三金属层150，在第一介质基片层120、第二金属层130以及第二介质基片层140各自靠近边缘的过孔区域分别对应开设有贯通上下的金属过孔160。

在本实施例中，第一金属层110为矩形金属片，覆盖第一介质基片层120的全部上表面，同样地，第三金属层150为矩形金属片，覆盖第二介质基片层140的全部下表面，第二金属层130为信号层金属面。

同层的金属过孔160之间具有等距间隔，并且可以不同方式分布设置，例如矩形、U型、L型、一字型等。第二金属层130开有缝隙170，上下层通过该缝隙进行能量耦合，该腔体在沿缝隙内的电场最强。缝隙170可以有不同的形状，例如T型、C型等。

在本实施例中，同层的金属过孔160呈L型分布，第二金属层130在其过孔区域内侧设置有C型缝隙，C型缝隙的开口方向可以是任意的。

该四重折叠基片集成波导谐振腔100的平面面积为原始集成波导谐振腔的1/32，高度为集成波导的两倍。当该谐振腔100选用的介质材料为Rogers RT/duriod 5880，相对介电常数为2.2，单层高度为0.508mm，整体谐振腔尺寸为8.6mm×8.6mm×1.016mm，C型缝隙尺寸为16.7mm，通过高频结构仿真软件Ansoft HFSS仿真得到其谐振频率为3.99GHz。

图2示出了根据本发明的一个实施例的传输零点可控的基片集成波导滤波器200的结构示意图。如图所示，滤波器200由两个并排设置的第一四重折叠基片集成波导谐振腔和第二四重折叠基片集成波导谐振腔组成。

滤波器200的第一四重折叠基片集成波导谐振腔和第二四重折叠基片集成波导谐振腔在第二金属层分别设置有长条形金属片作为输入220和输出230。在一个实施例中，采用SIW微带线结构实现，第一金属微带线220和第二金属微带线230分别作为源输入和负载输出。

在耦合结构的设计上，将腔体相邻一侧的缝隙并为一体，整合为一条缝隙，以此方式实现谐振腔之间的耦合。由于该滤波器结构引入了负载与第一个谐振腔(图中左侧)、源与第二个谐振腔(图中右侧)的交叉耦合，从而产生传输零点。耦合强度主要受两谐振腔间共用耦合缝隙210的长度的影响，属于电磁混合耦合方式。共用耦合缝隙210增大，两谐振腔之间的电耦合增强，耦合系数也随之变大。

图3示出了根据本发明的一个实施例的传输零点可控的基片集成波导滤波器的中间金属层的俯视图300。具体的，滤波器200的第二金属层呈矩形状，具有U型过孔边沿310、输入侧矩形板320、输出侧矩形板330和条形边沿340。沿所述U型过孔边沿310在其上等距间隔设置有多个金属过孔160。所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端间隔地对应设置，形成所述输入侧矩形板320和输出侧矩形板330的容纳区域，所述输入侧矩形板320和输出侧矩形板330并行设置在所述容纳区域中，且所述输入侧矩形板320与输出侧矩形板330之间具有共用耦合缝隙210；所述U型过孔边沿310与所述输入侧矩形板320和输出侧矩形板330之间形成U型缝隙350；所述条形边沿340与所述输入侧矩形板320和输出侧矩形板330之间形成条形缝隙360，共用耦合缝隙210连通U型缝隙350和条形缝隙360。优选地，形成条形缝隙的所述条形边沿部分的宽度小于条形边沿的端部宽度。

在所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端的间隔区域附近，所述U型过孔边沿310的第一侧边部的内端角与对侧的输入侧矩形板侧320边部连接；所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端的间隔区域附近的输入侧矩形板320的端角通过其朝向条形边沿310的一侧与对侧的条形边沿的侧边部连接；第一金属条带370穿过所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端的间隔区域，并与所述输入侧矩形板320连接。

在所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端的间隔区域附近，所述U型过孔边沿310的第二侧边部的内端角与对侧的输出侧矩形板侧330边部连接；所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端的间隔区域附近的输出侧矩形板330的端角通过其朝向条形边沿310的一侧与对侧的条形边沿的侧边部连接；第二金属条带380穿过所述条形边沿340与所述U型过孔边沿310的开口端的间隔区域，并与所述输出侧矩形板330连接。

根据本发明的实施例，在交叉耦合元素间引入可调耦合，同时为了调节零点在通带的左右位置，在直接耦合腔体间引入调节器件390。如图所示，在共用耦合缝隙210中间设置有调节器件390。在一个实施例中，调节器件390为可变电容。作为替代，其他能够实现可变电容的电气组件也是可行的。随着电容的增大，混合耦合的耦合极性由正耦合变成负耦合，相应地，传输零点由谐振中心频率的右边变为左边。以此方式，实现了更加灵活的传输零点可控，可以调节传输零点在通带的左右位置，进一步增加可调滤波器的抗干扰的灵活性。

通过Ansoft HFSS软件仿真优化滤波器200的结构参数。在一个实施例中，滤波器200主体尺寸为20.6mm×8.6mm×1.016mm，介质材料选用Rogers RT/duriod 5880，相对介电常数为2.2，损耗正切值为0.0009。

图中所示具体的其他结构尺寸见下表一。

表一参数尺寸(单位：mm)

La	Ls	L1	L2	Lm	Ld	Ws	Wm	Wd	d
										13.2	5.5	8.24	4.1	0.8	0.4	1.1	1.1	0.3	0.8

La：U型过孔边沿310底边两端的过孔中心的间距；

Ls：共用耦合缝隙210的长度；

L1：条形缝隙360的长度；

L2：U型过孔边沿310的底边内端面到其侧边部顶端的距离；

Lm：条形边沿340的端部宽度；

Ld：金属过孔160的间距；

Ws：第一金属条带370或第二金属条带380的宽度；

Wm：条形边沿340的外侧边部到第一金属条带370或第二金属条带380的距离；

Wd：共用耦合缝隙210和条形缝隙360的宽度；

d：金属过孔160的直径。

根据本发明的一个实施例，传输零点可控的基片集成波导滤波器包括纵向依次堆叠的第一金属层、第一介质基片层、第二金属层、第二介质基片层以及第三金属层，第一介质基片层、第二金属层以及第二介质基片层在各自的过孔区域分别对应开设有贯通上下的金属过孔，其中第二金属层的结构如以上结合图3所描述。

图4和图5分别示出了根据本发明的一个实施例的在不同调节器件参数情况下传输零点可控的基片集成波导滤波器的传输特性曲线的仿真图400和500。在本实施例中，分别取调节器件310的可变电容值为0.1pf和0.5pf作为示例，对具有上述滤波器结构参数的滤波器进行仿真和测量得到相应的传输特性曲线。

图4示出了当调节器件310的可变电容值为0.1pf时的滤波器传输曲线S11和S21。可以看到，传输零点在通带(中心频率3.99Ghz)右边为4.76GHz。在图5中，对应的滤波器调节器件310的可变电容值为0.5pf，如图所示，传输零点在通带(中心频率3.99Ghz)左边为3.18GHz。由此可见，本发明实施例提供的基片集成波导滤波器实现了调节传输零点在通带的左右两侧位置，进一步增强了可调滤波器的抗干扰的灵活性。

本发明实施例提供的传输零点可控的基片集成波导滤波器，在小型化的基片集成波导谐振腔上设计可调结构，引入负载与第一个谐振腔、源与第二个谐振腔的交叉耦合，从而引入传输零点，该传输零点通过调节器件来调节其在通带两侧的位置。由此，在保证滤波器可调的同时实现了小型化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、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。

以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种传输零点可控的基片集成波导滤波器，其特征在于，包括纵向依次堆叠的第一金属层、第一介质基片层、第二金属层、第二介质基片层以及第三金属层，所述第二金属层包括并排间隔地设置的输入侧矩形板和输出侧矩形板，所述输入侧矩形板与所述输出侧矩形板之间形成耦合缝隙，在所述耦合缝隙的中间位置处设置有可变电容；其中，所述第二金属层包括U型过孔边沿和条形边沿，所述条形边沿与所述U型过孔边沿的开口端间隔地对应设置，形成所述输入侧矩形板和输出侧矩形板的容纳区域，所述输入侧矩形板和输出侧矩形板并行间隔地设置在所述容纳区域中，所述U型过孔边沿与所述输入侧矩形板和输出侧矩形板之间形成U型缝隙；所述条形边沿与所述输入侧矩形板和输出侧矩形板之间形成条形缝隙，所述耦合缝隙连通所述U型缝隙和所述条形缝隙。

2.根据权利要求1所述的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一介质基片层、所述第二金属层以及所述第二介质基片层在各自的过孔区域分别对应开设有贯通上下的金属过孔。

3.根据权利要求2所述的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述过孔区域呈U型，多个所述金属过孔等间距地呈U型分布设置。

4.根据权利要求1所述的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第二金属层相对两端设置有作为输入端和输出端的第一金属条带和第二金属条带。

5.根据权利要求4所述的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一金属条带穿过所述条形边沿与所述U型过孔边沿的开口端的间隔区域，并与所述输入侧矩形板连接；所述第二金属条带穿过所述条形边沿与所述U型过孔边沿的开口端的间隔区域，并与所述输出侧矩形板连接。

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