CN110212274A - 基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的上表面金属层、第一介质基板、中间金属层、第二介质基板和下表面金属层。上、下表面金属层上均设有两组馈电端口；第一介质基板和第二介质基板上均设有若干个金属通孔和两个微扰金属通孔；中间金属层的中心设有矩形金属缝隙。本发明利用PEC‑PMC特性，采用在中间金属层刻蚀矩形金属缝隙,实现宽频带内高共模抑制的特性，利用基片集成波导矩形腔中双模之间的耦合和在源与负载之间引入非谐振结点,在差模通带两侧产生可控传输零点和带有宽频带内高共模抑制的高性能平衡滤波器，有效地提高了平衡滤波器的选择性和共模抑制性能，满足了差分通信系统的实际需求。

Description

基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器
技术领域
本发明涉及平衡滤波器技术领域，特别是一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧张。传统的通信系统受限于技术和成本，在频谱低于6GHz范围内广泛的研究和应用。而微波高频段及毫米波频段频谱资源更为丰富，有待进一步研究和开发。
在通信系统中，滤波器网络用于特定频段传输和衰减噪声，而诸如无线通信之类的新兴应用,将对微波滤波器提出更为严格的要求和挑战——更高的性能，更小的尺寸，更轻的重量和更低的成本。另一方面，随着电磁环境的日益恶化，电磁干扰和环境噪声对通信造成不可忽视的影响。由于平衡(差分)电路结构对环境噪声和电磁干扰有很强的抗性，可以增加收发机中的信噪比。在各种平衡电路中，平衡滤波器对差分系统中的性能增强起着非常重要的作用，其中对带有高共模抑制的平衡滤波器的实现是研究重点。
针对这一趋势，广大学者对各种具有抑制共模信号和在带内传输差模信号的平衡滤波器进行了广泛的研究和探索。在早期的工作中，学者们利用各种传输线结构进行研究和设计微波平衡滤波器，例如微带线、双面平行带线(DSPSL)和混合微带/槽线结构平衡滤波器。然而，当工作频率进入微波高频段或毫米波波段时，上述平衡滤波器存在辐射损耗高、功率处理能力低、品质因数Q e 低等缺点，因而无法继续得到应用。
面对上述难题，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)技术由于具有低损耗、低串扰、低成本、易于制造、良好的平面集成等优点，得到了很好的发展和广泛的应用。
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，而提供一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，该基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器利用PEC-PMC特性，采用在中间金属层刻蚀矩形金属缝隙的方法,实现宽频带内高共模抑制的特性，同时利用基片集成波导矩形腔中的双模之间的耦合和在源与负载之间引入非谐振结点(NRN),设计了在差模通带两侧产生可控传输零点和带有宽频带内高共模抑制的高性能平衡滤波器，有效地提高了平衡滤波器的选择性和共模抑制性能，满足了差分通信系统的实际需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的上表面金属层、第一介质基板、中间金属层、第二介质基板和下表面金属层。
平衡双模带通滤波器具有两条相互垂直的对称轴线，分别为水平轴线L1和垂直轴线L2。
上表面金属层和下表面金属层上均设置有两组关于垂直轴线L2对称的馈电端口；每组馈电端口均包括两条馈电微带线，每条馈电微带线的信号传输方向均与水平轴线L1相平行；两条馈电微带线分别为远端馈电微带线和近端馈电微带线。
第一介质基板和第二介质基板上均设置有若干个金属通孔和两个微扰金属通孔；若干个金属通孔形成正方形的通孔阵列；通孔阵列具有两个关于垂直轴线L2对称的馈电隔离段；馈电隔离段与对应组的馈电端口位置相对应，馈电隔离段的宽度大于每组馈电端口的宽度；其中，与远端馈电微带线邻近的金属通孔为远端金属通孔，与近端馈电微带线邻近的金属通孔为近端金属通孔；两个微扰金属通孔设置在邻近远端金属通孔的通孔阵列内，且关于垂直轴线L2对称；
中间金属层的中心设置有矩形金属缝隙，矩形金属缝隙分别关于水平轴线L1和垂直轴线L2对称。
第一介质基板和第二介质基板上的两个微扰金属通孔的连线与水平轴线L1相平行。
远端金属通孔位于两个微扰金属通孔的连线上。
每组馈电端口均为 50 Ω 微带线转CPW结构。
第一介质基板和第二介质基板均采用R05880型号，相对介电常数为2 .2，厚度为0.508mm。
金属通孔的直径均为0.8mm，两相邻金属通孔之间的间距为1.2mm；通孔阵列的长度和宽度均为l＝15.6mm；矩形金属缝隙的长度ly＝15.1mm,宽度lx＝2.0mm；近端馈电微带线至邻近平行侧边距离l 1=3.5mm，馈电微带线长度为l 4=6.3mm，馈电微带线宽度为g=0.25mm；两个金属微扰通孔的直径均为0.8mm，馈电隔离段宽度为l 2=6.33mm, 金属微扰通孔与远端金属通孔之间的距离为l 3=1.1mm。
本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用双层基片集成波导进行设计平衡带通滤波器，并利用基片集成波导简并双模模式构建差模通带，减小了滤波器平面尺寸，实现了结构紧凑和小型化，同时利用基片集成波导矩形腔中的双模之间的耦合和在源与负载之间引入非谐振结点(NRN),在差模通带两侧产生可控传输零点。
(2)本发明利用PEC-PMC特性，在中间金属层蚀刻矩形金属缝隙，通过调整矩形金属缝隙的位置或尺寸，实现了宽频带共模抑制。
(3)利用基片集成波导矩形腔中的双模之间的耦合和在源与负载之间引入非谐振结点(NRN),在差模通带两侧产生可控传输零点；利用PEC-PMC特性，在中间金属层蚀刻矩形金属缝隙，通过调整矩形金属缝隙的位置或尺寸，实现了宽频带共模抑制。
附图说明
图1显示了本发明一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器的剖面图。
图2显示了本发明一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器的爆炸示意图。
图3显示了本发明一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器的仿真及测试图。
其中有：
10.上表面金属层；11.上馈电端口；111.远端馈电微带线；112.近端馈电微带线；
20.第一介质基板；
21.金属通孔；211.远端金属通孔；212.近端金属通孔；22.微扰金属通孔；23.馈电隔离段；
30.中间金属层；31.矩形金属缝隙；
40.第二介质基板；
50.下表面金属层；51.下馈电端口。
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。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，仅是为了便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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1和图2所示，一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的上表面金属层10、第一介质基板20、中间金属层30、第二介质基板40和下表面金属层50。
上述第一介质基板和第二介质基板均优选采用R05880型号，相对介电常数优选为2 .2，厚度优选为0.508mm。
上表面金属层印刷在第一介质基板的上表面，中间金属层印刷在第一介质基板和第二介质基板之间，下表面金属层印刷在第二介质基板的下表面。
平衡双模带通滤波器优选为正方形，边长优选为w=17.6mm。
平衡双模带通滤波器具有两条相互垂直的对称轴线，分别为水平轴线L1和垂直轴线L2。
上表面金属层和下表面金属层上均设置有两组关于垂直轴线L2对称的馈电端口。其中，位于上表面金属层上的馈电端口称为上馈电端口11，位于下表面金属层上的馈电端口称为下馈电端口51。每组馈电端口均优选为 50 Ω 微带线转CPW结构。
每组馈电端口均包括两条馈电微带线，每条馈电微带线的信号传输方向均与水平轴线L1相平行；两条馈电微带线分别为远端馈电微带线111和近端馈电微带线112。近端馈电微带线112至邻近平行侧边（右侧边）的距离优选为l 1=3.5mm，小于远端馈电微带线至该邻近平行侧边（右侧边）的距离。
馈电微带线长度优选为l 4=6.3mm，馈电微带线宽度优选为g=0.25mm。
第一介质基板和第二介质基板上均设置有若干个贯穿的金属通孔21和两个贯穿的微扰金属通孔22。
若干个金属通孔形成正方形的通孔阵列，通孔阵列内部形成基片集成波导腔体。其中，位于第一介质基板上的通孔阵列称为上通孔阵列，上通孔阵列内形成上基片集成波导腔体。位于第二介质基板上的通孔阵列称为下通孔阵列，下通孔阵列内形成下基片集成波导腔体。
平衡差模通带的中心频率通过调整上基片集成波导腔体和下基片集成波导腔体的尺寸参数大小来获得。因而，通过基片集成波导腔体的尺寸，从而选择合适的频率的谐振模式。
上基片集成波导腔体和下基片集成波导腔体同轴上下垂直放置，两者的长度和宽度均优选为l＝15.6mm。每个上述金属通孔的直径均优选为0.8mm，两个相邻通孔之间的距离均优选为1.2mm。
每个通孔阵列均优选具有两个关于垂直轴线L2对称的馈电隔离段23；馈电隔离段与对应组的馈电端口位置相对应，馈电隔离段的宽度大于每组馈电端口的宽度，优选为l 2=6.33mm。
与远端馈电微带线邻近的金属通孔为远端金属通孔211，与近端馈电微带线邻近的金属通孔为近端金属通孔212；两个微扰金属通孔设置在邻近远端金属通孔的通孔阵列内，且关于垂直轴线L2对称，实现简并模分离。
另外，第一介质基板和第二介质基板上的两个微扰金属通孔的连线均优选与水平轴线L1相平行。进一步，远端金属通孔优选位于两个微扰金属通孔的连线上。
两个金属微扰通孔的直径均优选为0.8mm，金属微扰通孔与远端金属通孔之间的距离优选为l 3=1.1mm。
中间金属层的中心优选同轴设置有矩形金属缝隙31，矩形金属缝隙分别关于水平轴线L1和垂直轴线L2对称。矩形金属缝隙的长度优选为ly＝15.1mm,宽度优选为lx＝2.0mm，矩形金属缝隙至邻近平行侧边之间的距离优选为d=6.8mm。
一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器的制作过程，包括以下步骤：
1、将第一介质基板和第二介质基板垂直上下叠放，在第一介质基板的上表面、第一介质基板和第二介质基板之间、第二介质基板的下表面分别印刷上表面金属层、中间金属层、下表面金属层，上述第一介质基板、第二介质基板的水平轴线L1与信号的传输方向相同。
2、上表面金属层和第一介质基板上设置若干贯穿的金属通孔，金属通孔构成上通孔阵列；第二介质基板和下表面金属层上也设置若干贯穿的金属通孔，上通孔阵列、上表面金属层和中间金属层围包形成上基片集成波导腔体；下通孔阵列、中间表面金属层和下表面金属层围包形成下基片集成波导腔体；上下基片集成波导腔体具有相同的尺寸；两个微扰通孔关于垂直轴线L2对称，实现简并模分离。
3、在中间金属层上蚀刻矩形金属缝隙；矩形金属缝隙关于水平轴线L1和垂直轴线L2对称。矩形金属缝隙在共模信号激励下等效为PMC，与上表面金属层和下表面金属层(PEC)之间的高度均小于λg/4，电磁波无法传输，实现宽频带共模抑制；其中，λg表示波导波长。
本发明将基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计，并利用简并双模TE120和TE210设计的平衡双模带通滤波器，减小了滤波器平面尺寸和腔体数目，实现了小型化和结构紧凑。
图3给出了本发明平衡双模带通滤波器的仿真和测试图，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。对于差模频率响应，测量(仿真)的差模通带的中心频率为15.4GHz(15.3GHz)，3-dB相对带宽为2.6%(3.0%)，为了方便实测，激励端口做了延长，并增加了两端弯曲，带来一定的阻抗不连续，同时SMA接头有一定的插损，实测得到的最小插入损耗为2.4dB(0.95dB)。在差模通带两侧的两个传输零点Tz1和Tz2可以清楚地观察到，优于50dB，分别位于14.6GHz和16.3GHz，提高滤波器的选择性。对于共模频率响应情况，可以看出在较宽的频带内，共模信号抑制优于40dB。
由上可知，本发明将基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计中，并设计叠层结构利用基片集成波导高次模式构建第二通带，减小了滤波器平面尺寸，实现了小型化。
本发明利用PEC-PMC特性，在中间金属层蚀刻矩形金属缝隙，通过调整矩形金属缝隙的位置或尺寸，实现了宽频带共模抑制；将双层基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计，并利用简并双模TE120和TE210设计的平衡双模带通滤波器，减小了滤波器平面尺寸和腔体数目，实现了小型化和结构紧凑。
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 (6)

1.一种基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，其特征在于：包括从上至下依次同轴设置的上表面金属层、第一介质基板、中间金属层、第二介质基板和下表面金属层；
平衡双模带通滤波器具有两条相互垂直的对称轴线，分别为水平轴线L1和垂直轴线L2；
上表面金属层和下表面金属层上均设置有两组关于垂直轴线L2对称的馈电端口；每组馈电端口均包括两条馈电微带线，每条馈电微带线的信号传输方向均与水平轴线L1相平行；两条馈电微带线分别为远端馈电微带线和近端馈电微带线；
第一介质基板和第二介质基板上均设置有若干个金属通孔和两个微扰金属通孔；若干个金属通孔形成正方形的通孔阵列；通孔阵列具有两个关于垂直轴线L2对称的馈电隔离段；馈电隔离段与对应组的馈电端口位置相对应，馈电隔离段的宽度大于每组馈电端口的宽度；其中，与远端馈电微带线邻近的金属通孔为远端金属通孔，与近端馈电微带线邻近的金属通孔为近端金属通孔；两个微扰金属通孔设置在邻近远端金属通孔的通孔阵列内，且关于垂直轴线L2对称；
中间金属层的中心设置有矩形金属缝隙，矩形金属缝隙分别关于水平轴线L1和垂直轴线L2对称。
2.根据权利要求1所述的基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，其特征在于：第一介质基板和第二介质基板上的两个微扰金属通孔的连线与水平轴线L1相平行。
3.根据权利要求2所述的基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，其特征在于：远端金属通孔位于两个微扰金属通孔的连线上。
4.根据权利要求1所述的基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，其特征在于：每组馈电端口均为 50 Ω 微带线转CPW结构。
5.根据权利要求1所述的基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，其特征在于：第一介质基板和第二介质基板均采用R05880型号，相对介电常数为2 .2，厚度为0.508mm。
6.根据权利要求1所述的基于双层基片集成波导的平衡双模带通滤波器，其特征在于：金属通孔的直径均为0.8mm，两相邻金属通孔之间的间距为1.2mm；通孔阵列的长度和宽度均为l＝15.6mm；矩形金属缝隙的长度ly＝15.1mm,宽度lx＝2.0mm；近端馈电微带线至邻近平行侧边距离l 1=3.5mm，馈电微带线长度为l 4=6.3mm，馈电微带线宽度为g=0.25mm；两个金属微扰通孔的直径均为0.8mm，馈电隔离段宽度为l 2=6.33mm, 金属微扰通孔与远端金属通孔之间的距离为l 3=1.1mm。
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