CN109768358B - 一种耦合折叠基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种耦合折叠基片集成波导滤波器，包括纵向堆叠的第一金属层、第一介质基片层、第二金属层、第二介质基片层和第三金属层，第一介质基片层、第二金属层及第二介质基片层设有贯通上下的U型排列的多个金属过孔，第一和第二介质基片层在U型开口对侧设置一字型分布金属过孔。第二金属层在U型过孔内设置有垂直于U型底部的第一缝隙，其一侧边沿与第一和第二介质基片层的一字型过孔间形成第二缝隙，第一和第二缝隙实现谐振腔交叉耦合及上下层能量耦合，通过调节第一缝隙长度来调节滤波器传输零点在通带左右侧的位置。本发明采用双层耦合结构的折叠集成波导谐振腔实现滤波器小型化；通过引入和调节交叉耦合结构使滤波器传输零点的位置可控。

Description

一种耦合折叠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，具体涉及一种耦合折叠基片集成波导滤波器。

背景技术

滤波器是无线通信系统的关键部件，高性能的滤波器可以有效滤除信道频率之外的杂波，增强通信系统性能。由多个滤波器组成的多工器在滤波的同时，可以隔离不同频段的信号，使得一个宽带天线可以替代各个频段所需的多个天线。随着微波器件小型化技术的发展，在新一代移动通信系统中把滤波器、多工器和放大器集成到基站天线中已成为发展方向之一。因此，面向下一代移动通信，研究小型化、低插损的高性能滤波器已成为学术界和工业界的研究热点。

发明内容

针对上述问题，本发明的实施例提供一种耦合折叠基片集成波导滤波器，实现了滤波器的小型化，并且通过交叉耦合结构，实现传输零点的位置可控，有效提高了滤波器的滤波性能。

本发明提供一种耦合折叠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，所述第一介质基片层、所述第二金属层以及所述第二介质基片层分别对应开设有贯通上下的U型排列的多个金属过孔，所述第二金属层在多个金属过孔围绕区域内设置有垂直于U型底部的第一缝隙，所述第一缝隙在滤波器横向上实现基片集成波导谐振腔的交叉耦合。

在某些实施例中，所述第二金属层的金属过孔呈U型分布设置；所述第一介质基片层和所述第二介质基片层设置有对应的U型金属过孔并且还在所述U型开口相对侧设置有一字型分布的金属过孔。

在某些实施例中，所述第二金属层包括上部矩形板和下部矩形板，所述上部矩形板的一侧边沿与所述下部矩形板连接，所述上部矩形板的边沿设置有呈U型等间隔分布的金属过孔。

在某些实施例中，所述上部矩形板和所述下部矩形板的中轴线重合，所述下部矩形板的左右宽度不超过所述上部矩形板的U型过孔区域的U型开口宽度。

在某些实施例中，所述下部矩形板的与上部矩形板相对侧的边沿与所述第一介质基片层和第二介质基片层的一字型分布的多个金属过孔之间形成第二缝隙，所述第二缝隙的厚度与所述第二金属层的厚度大体相同，所述第二缝隙在滤波器纵向上实现上下层能量耦合。

在某些实施例中，所述第一缝隙设置于所述第二金属层的多个金属过孔围绕区域的正中间位置。

在某些实施例中，所述第一缝隙与所述上部矩形板和所述下部矩形板的中轴线重合。

在某些实施例中，所述第一缝隙在所述下部矩形板下边缘上形成开口。

在某些实施例中，所述下部矩形板的两端相对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，所述多个金属过孔等间距排列。

本发明的实施例提供的耦合折叠基片集成波导滤波器，采用双层耦合结构的折叠集成波导谐振腔，实现滤波器的小型化。同时，通过引入交叉耦合，产生传输零点，并且通过调节耦合结构，能够使得滤波器传输零点的位置可控。

附图说明

图1示出根据本发明的一个实施例的耦合折叠基片集成波导滤波器的三维结构示意图；

图2示出根据本发明的一个实施例的耦合折叠基片集成波导滤波器的中间金属层的俯视图；

图3示出根据本发明的一个实施例的耦合折叠基片集成波导滤波器的中间金属层结构尺寸的示意图；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参数情况下耦合折叠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。

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。发明人注意到，采用常规基片集成波导的滤波器虽然具有良好的导波特性和易于与其他平面器件集成的特点，但是其横向尺寸仍然很大，并且一般的滤波器结构一旦确定，其传输零点的位置很难在通带两侧变换，限制了滤波器的抗干扰性能。

有鉴于此，本发明实施例提出耦合折叠基片集成波导滤波器，以解决上述传统基片集成波导滤波器的不足。

图1示出了根据本发明的一个实施例的耦合折叠基片集成波导滤波器100的三维结构示意图。如图所示，滤波器100采用双层耦合结构的折叠基片集成波导谐振腔，以实现滤波器小型化的目标。

滤波器100分层设置为三层金属和两层介质。沿纵向z轴从上至下依次堆叠第一金属层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。

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各自的过孔区域分别对应开设有贯通上下的多个金属过孔160。第二金属层130开有缝隙170，上下层通过缝隙进行耦合，该腔体在沿缝隙170内的电场最强。

根据本发明的实施例，滤波器100在实现上可以由两个水平级联的谐振腔组成，每个谐振腔均为折叠的基片集成波导，由此解决了常规基片集成波导的滤波器横向尺寸大的问题。进一步地，滤波器100通过谐振腔间的缝隙170实现腔间耦合。

图2示出了根据本发明的一个实施例的耦合折叠基片集成波导滤波器100的第二金属层130的俯视图200。

如图所示，第二金属层130包括上部矩形板210和下部矩形板220。上部矩形板210的两侧和顶部边沿设置有U型过孔区域，上部矩形板210的底部(U型过孔区域的U型开口端)边缘与下部矩形板220的顶部边缘连接，所述上部矩形板210和下部矩形板220的中轴线重合，优选的，下部矩形板220的左右宽度不超过上部矩形板210的U型过孔区域的U型开口宽度。

下部矩形板220的左右两端设置有长形金属片或金属条带作为输入和输出。在一个实施例中，采用SIW微带线结构实现，第一金属微带线230和第二金属微带线240分别作为源输入和负载输出。

在耦合结构设计上，滤波器100通过在第二金属层形成的T型缝隙170-1和170-2实现谐振腔的交叉耦合和滤波器上下层能量耦合。

在本实施例中，第二金属层130的U型过孔区域的多个金属过孔160呈U型排列，所述多个金属过孔160等间距的分布。滤波器100的第一介质基片层120和第二介质基片层140设置有与第二金属层130的U型过孔区域对应的呈U型排列的多个金属过孔160，并且第一介质基片层120和第二介质基片层140的U型开口端的相对侧还设置有一字型分布的多个金属过孔160，所述多个金属过孔160等间距的分布。

第二金属层130开有垂直于上部矩形板210顶部边缘的第一缝隙170-1。第一缝隙170-1设置于呈U型排列的多个金属过孔160围绕区域的内侧，优选的在下部矩形板220下边缘上形成开口。在一个实施例中，其位于第二金属层130的多个金属过孔160围绕区域的正中间，与所述上部矩形板210和下部矩形板220的中轴线重合。

该第一缝隙170-1实现了源与第二谐振腔260、负载与第一谐振腔250之间的交叉耦合，从而在滤波器100中引入交叉耦合。交叉耦合的引入使得滤波器100产生了传输零点，根据本发明的实施例，通过调节第一缝隙170-1的长度，有效且成本高效地实现调节滤波器100传输零点在通带两侧的位置。

随着第一缝隙170-1的长度增大，容性耦合增大且感性耦合减小。因此，利用第一缝隙170-1的长短即可调节传输零点的位置。如后文的仿真所验证的，增大第一缝隙170-1的长度可以调整传输零点的位置，当第一缝隙170-1长度为8.15mm时传输零点位于通带右侧，当第一缝隙170-1长度为10.15mm时传输零点位于通带左侧，从而实现调节零点在通带的左右位置。

第二金属层130的下部矩形板220与贯通上下的第一介质基片层120和第二介质基片层140的一字型金属过孔分离。通过工艺实现，第一介质基片层120和第二介质基片层140的一字型金属过孔衔接上下贯通，由此在第二金属层130形成第二缝隙170-2，其厚度与第二金属层130的厚度大体相同。

第二缝隙170-2使得第二金属层130的一边与贯通上下的第一介质基片层120和第二介质基片层140的一字型金属过孔不相连，能量通过该第二缝隙170-2实现上下层能量耦合，相当于传统基片集成波导折叠后，通过缝隙耦合实现能量传递。以此方式，实现了滤波器结构的小型化。

图3示出了根据本发明的一个实施例的耦合折叠基片集成波导滤波器的中间金属层结构尺寸图300的示意性示图。通过Ansoft HFSS软件仿真优化滤波器100的结构参数，在一个实施例中，滤波器100介质材料为相对介电常数2.55，单层高度为1mm，整体谐振腔尺寸为29mm×18mm×2mm。优选地，上部矩形板210的长度和宽度均大于下部矩形板220。

图中所示具体的结构尺寸见下表一。

表一：尺寸参数(单位：mm)

La	Lb	L1	L2	Ls	Wd
						23	10.3	18.5	1.9	5.25	0.9

La:上部矩形板210的长度；

Lb:上部矩形板210的宽度；

L1：下部矩形板220的长度；

L2：下部矩形板220的宽度；

Ls：第一金属条带230和第二金属条带240的长度；

Wd：第一金属条带230和第二金属条带240的宽度。

根据本发明的一个实施例，耦合折叠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U型排列的多个金属过孔，其中第二金属层的结构如以上结合图2和图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参数情况下耦合折叠基片集成波导滤波器的传输特性曲线的仿真图400和500。如前所述，本发明实施例提出的耦合折叠基片集成波导滤波器能够通过调节第一缝隙170-1的长度，实现滤波器传输零点的位置调节。在本实施例中，分别取第一缝隙170-1的长度为8.15mm和10.15mm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示出了当第一缝隙170-1的长度为8.15mm时的滤波器传输曲线S11和S21。可以看到，传输零点在通带的右侧。在图5中，对应的第一缝隙170-1的长度为10.15mm，如图所示，传输零点在通带的左侧。由此可见，本发明实施例提供耦合折叠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，进一步增强了滤波器的抗干扰的灵活性。

本发明实施例提供的耦合折叠基片集成波导滤波器，采用双层耦合结构的折叠集成波导谐振腔，实现滤波器的小型化。通过引入交叉耦合，产生传输零点，并且通过调节耦合缝隙的长度，实现滤波器传输零点的位置可控。

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 (9)

1.一种耦合折叠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，所述第一介质基片层、所述第二金属层以及所述第二介质基片层分别对应开设有贯通上下的U型排列的多个金属过孔，所述第一介质基片层和所述第二介质基片层的U型过孔区域的U型开口端的相对侧还设置有一字型分布的多个金属过孔；所述第二金属层在多个金属过孔围绕区域内设置有垂直于U型底部的第一缝隙，所述第一缝隙在滤波器横向上实现基片集成波导谐振腔的交叉耦合；所述第二金属层包括上部矩形板和下部矩形板，所述上部矩形板的一侧边沿与所述下部矩形板连接，所述下部矩形板的与上部矩形板相对侧的边沿与所述第一介质基片层和第二介质基片层的一字型分布的多个金属过孔之间形成第二缝隙，所述第二缝隙的厚度与所述第二金属层的厚度大体相同，所述第二缝隙在滤波器纵向上实现上下层能量耦合。

2.根据权利要求1所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第二金属层的多个金属过孔呈U型分布设置；所述第一介质基片层和所述第二介质基片层设置有对应的U型分布的多个金属过孔。

3.根据权利要求2所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述上部矩形板的外侧边沿设置有呈U型等间隔分布的金属过孔。

4.根据权利要求3所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述上部矩形板和所述下部矩形板的中轴线重合，所述下部矩形板的左右宽度不超过所述上部矩形板的U型过孔区域的U型开口宽度。

5.根据权利要求1所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一缝隙设置于所述第二金属层的多个金属过孔围绕区域的正中间位置。

6.根据权利要求5所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一缝隙与所述上部矩形板和所述下部矩形板的中轴线重合。

7.根据权利要求6所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一缝隙在所述下部矩形板下边缘上形成开口，并且通过调节所述第一缝隙的长度来调节所述耦合折叠基片集成波导滤波器的传输零点在通带左右侧的位置。

8.根据权利要求1所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述下部矩形板的两端相对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。

9.根据权利要求1-8之一所述的耦合折叠基片集成波导滤波器，其特征在于，所述多个金属过孔等间距排列。

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