CN110277621A - 基于基片集成波导的滤波功分器 - Google Patents

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陈武明
王兵
胡泰洋
吴礼
薛文
刘天恒
武侠
何蕾
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Abstract

本发明公开了一种基于基片集成波导的滤波功分器，包括介质基板、对称设置在介质基板上、下表面的金属层；金属层包括两个矩形SIW谐振腔、三角形半模SIW谐振腔和和输入端口、两个输出端口，矩形SIW谐振腔的其中一条边边长与半模SIW谐振腔的腰长相等，半模SIW谐振腔底边的垂直平分线与介质基板的主对角线重合，两个矩形SIW谐振腔的其中一条边分别贴合半模SIW谐振腔的两条腰关于介质基板的主对角线对称设置，沿矩形SIW谐振腔四边等间距设置金属通孔，两个矩形SIW谐振腔与半模SIW谐振腔的公共边上留有耦合窗口，形成谐振腔之间的耦合。本发明结构简单，加工方便，实现了小型化、集成化、高Q值、低损耗，且易于与平面电路集成。

Description

基于基片集成波导的滤波功分器
技术领域
本发明属于滤波功分器技术，具体为一种基于基片集成波导的滤波功分器。
背景技术
基片集成波导技术最初由加拿大蒙特利尔大学吴柯教授课题组和东南大学洪伟教授课题组共同提出，该技术通过在介质基板上下层覆盖金属层，四周等周期地排列金属通孔形成类似金属波导的结构。它的传播特性与矩形金属波导类似，因此由其构成的微波毫米波器件具有高Q值、高功率容量、低损耗的优点。同时由于基片集成波导整个结构均由介质基片上的金属化通孔阵列构成，所以可以利用PCB或LTCC工艺精确实现，并且可以与平面微带电路实现无隙集成，使微波毫米波系统小型化。基片集成波导与平面微带电路的过渡形式分为以下三种基本形式：
(1)直接过渡：即微带线直接与SIW相连，这种过渡方式在较低频段中插入损耗较小，但当频率较高(高于12GHz)时，插入损耗较大。
(2)锥形过渡：这种过渡结构可以分成两部分：锥形微带线和微带与基片集成波导的阶梯。这两者的组合能在整个基片集成波导带宽范围内提供较好的匹配，但尺寸较大。
(3)共面波导过渡：这种过渡结构由微带线和共面波导构成，共面波导位于基片集成波导之中，该种过渡方式在提供良好匹配的同时，尺寸比较紧凑。
现有的基片集成波导滤波功分器，大多存在带宽较窄或插入损耗较大等问题。如2017年王旭在论文《Design of broadband four-way filter power divider based onsubstrate integrated waveguide》中提出一种基于SIW结构的四路滤波功分器，该滤波功分器结构紧凑，带宽较宽，但插入损耗较大，为-6.6dB。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于基片集成波导的滤波功分器。
实现本发明目的的技术方案为：一种基于基片集成波导的滤波功分器，包括介质基板、对称设置在介质基板上、下表面的金属层；
所述金属层包括两个矩形SIW谐振腔、一个等腰直角三角形半模SIW谐振腔和和一个输入端口、两个输出端口，所述矩形SIW谐振腔的其中一条边边长与等腰直角三角形半模SIW谐振腔的腰长相等，所述等腰直角三角形半模SIW谐振腔底边的垂直平分线与介质基板的主对角线重合，两个矩形SIW谐振腔的其中一条边分别贴合等腰直角三角形半模SIW谐振腔的两条腰关于介质基板的主对角线对称设置，沿矩形SIW谐振腔四边等间距设置金属通孔，两个矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔的公共边上留有耦合窗口，形成谐振腔之间的耦合；所述两个矩形SIW谐振腔分别与一个输出端口连接，所述等腰直角三角形半模SIW谐振腔与输入端口连接，输入、输出端口均采用凹型过渡方式。
优选地，输入端口、输出端口均采用采用凹型过渡方式具体为：
所述输入端口通过第一微带传输线与等腰直角三角形半模SIW谐振腔底边中点连接，第一微带传输线以凹型槽方式接入等腰直角三角形半模SIW谐振腔；
所述两个输出端口分别通过第二微带传输线和第三微带传输线与两个矩形SIW谐振腔其中一条边相对的边中点连接，第二微带传输线和第三微带传输线均以凹型槽方式接入矩形SIW谐振腔。
优选地，所述第三微带传输线关于介质基板的主对角线与第二微带传输线对称。
优选地，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线与谐振腔连接处形成两个凹型槽，凹型槽宽度W2相同，均为0.7mm，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线接入谐振腔的长度L1相同，均为7.9mm，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线的宽度W1相同，均为1.5mm。
优选地，所述两个矩形SIW谐振腔长度和宽度W均为20mm。
优选地，所述相邻金属通孔间距P为1mm，所述金属通孔直径D为0.6mm。
优选地，所述矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔之间的耦合窗口长度W3为4.7mm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)本发明采用基片集成波导结构，具有高Q值，高功率容量，低损耗，且易于与平面电路集成；(2)本发明采用滤波器与功分器集成的方式，将电路的选频特性与功率分配性能集成到一起，符合电路系统多性能和集成化的发展趋势，且更易于实现电路系统的小型化；(3)本发明中该滤波功分器的相对带宽达到10.6％，优于许多基片集成波导器件的相对带宽；(4)本发明在基片集成波导器件中结构简单，电路模型紧凑，空间利用率高。
附图说明
图1是本发明滤波功分器的结构示意图。
图2是本发明滤波功分器的上层金属结构示意图。
图3是本发明滤波功分器的频率响应示意图。
具体实施方式
如图1所示，一种基于基片集成波导的滤波功分器，包括介质基板、对称设置在介质基板上、下表面的金属层。
所述金属层包括两个矩形SIW谐振腔、一个等腰直角三角形半模SIW谐振腔和和一个输入端口、两个输出端口，所述矩形SIW谐振腔的其中一条边边长与等腰直角三角形半模SIW谐振腔的腰长相等，所述等腰直角三角形半模SIW谐振腔底边的垂直平分线与介质基板的主对角线重合，两个矩形SIW谐振腔的其中一条边分别贴合等腰直角三角形半模SIW谐振腔的两条腰关于介质基板的主对角线对称设置，沿矩形SIW谐振腔四边等间距设置金属通孔，两个矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔的公共边上留有耦合窗口，形成谐振腔之间的耦合；所述两个矩形SIW谐振腔分别与一个输出端口连接，所述等腰直角三角形半模SIW谐振腔与输入端口连接，输入、输出端口均采用凹型过渡方式。
进一步的实施例中，所述输入端口与第一微带传输线的一端相连，第一微带传输线另一端接入等腰直角三角形半模SIW谐振腔底边中心的凹槽中，两个输出端口分别与第二、第三微带传输线的一端相连，第二、第三微带传输线的另一端分别接入两个矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔贴合边的对边中心的凹槽中。即输入/输出端口处采用凹型过渡方式，通过耦合槽的方式解决了基片集成波导与微带线的过渡问题。
进一步的实施例中，所述第三微带传输线关于介质基板的主对角线与第二微带传输线对称。
进一步的实施例中，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线与谐振腔连接处形成两个凹型槽，凹型槽宽度W2相同，均为0.7mm，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线接入谐振腔的长度L1相同，均为7.9mm，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线的宽度W1相同，均为1.5mm。。
进一步的实施例中，所述两个矩形SIW谐振腔长度和宽度W均为20mm。
进一步的实施例中，所述相邻金属通孔间距P为1mm，所述金属通孔直径D为0.6mm。
进一步的实施例中，所述矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔之间的耦合窗口长度W3为4.7mm。
进一步的，第二微带传输线和第三微带传输线的长度也相同。
本发明设计原理为：首先确定谐振腔的谐振模式为TE101，由谐振模式确定矩形谐振腔的初始尺寸，之后根据设计要求计算谐振器之间的耦合系数以及外部品质因数，以此来确定SIW滤波功分器的耦合窗的位置和长度，最后通过软件优化得到最优的滤波功分器的尺寸。
本发明的滤波功能由三个谐振腔之间的耦合产生，矩形谐振腔的工作模式为TE101，在该模式下通带内形成了一个传输极点，通带内的另一个传输极点由等腰直角三角形半模SIW谐振腔产生，该极点的存在使通带的宽度增加，形成宽带滤波功分器，中心频率为7.5GHz,通带范围7.15GHz到7.95GHz，带宽宽度0.8GHz。由于该结构中两个输出端口关于输入端口完全对称，其输入功率能够平均地传输到两个输出端口，实现了功率分配功能。
实施例
如图2所示，一种基于基片集成波导的滤波功分器，中间层介质板为Rogers RT/droid 5880，厚度为0.508mm，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009。使用基于有限元法的3D电磁仿真软件HFSS对本发明提出的基于基片集成波导的滤波功分器的结构进行优化仿真，最后得出本实施例介质基板上SIW谐振腔及端口处传输线的尺寸参数如下：金属通孔7直径D为0.6mm，金属通孔7间距P为1mm；矩形SIW谐振腔2和3的长度和宽度W均为20mm；微带传输线与谐振腔连接处凹型槽的宽度W2为0.7mm；矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔1之间的耦合窗口长度W3为4.7mm；矩形SIW谐振腔3与第三微带传输线6相连的一边最左侧金属通孔圆心到第三微带传输线中点的宽度W4为8.75mm；第一微带传输线4、第二微带传输线5以及第三微带传输线6插入谐振腔的深度L1均为7.9mm；通过选择端口传输线的宽度和传输线插入深度来获得最优的频带内传输特性。
从图3可以看出，本实施例的基于基片集成波导的滤波功分器工作频带为7.15GHz～7.95GHz，中心工作频率位于7.5GHz处，绝对工作带宽为800MHz，3dB相对带宽为10.6％，通带内的插入损耗保持在3.8dB以内，回波损耗保持在-15dB以下。在通带内有两个传输极点，增大了带宽。
本发明在实现微波射频电路多性能和集成化要求的同时，具有较宽的工作带宽，较小的插入损耗，且易于与其他平面电路集成，实现电路系统的小型化。

Claims (7)

1.一种基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，包括介质基板、对称设置在介质基板上、下表面的金属层；
所述金属层包括两个矩形SIW谐振腔、一个等腰直角三角形半模SIW谐振腔和和一个输入端口、两个输出端口，所述矩形SIW谐振腔的其中一条边边长与等腰直角三角形半模SIW谐振腔的腰长相等，所述等腰直角三角形半模SIW谐振腔底边的垂直平分线与介质基板的主对角线重合，两个矩形SIW谐振腔的其中一条边分别贴合等腰直角三角形半模SIW谐振腔的两条腰关于介质基板的主对角线对称设置，沿矩形SIW谐振腔四边等间距设置金属通孔，两个矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔的公共边上留有耦合窗口，形成谐振腔之间的耦合；所述两个矩形SIW谐振腔分别与一个输出端口连接，所述等腰直角三角形半模SIW谐振腔与输入端口连接，输入、输出端口均采用凹型过渡方式。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，输入端口、输出端口均采用采用凹型过渡方式具体为：
所述输入端口通过第一微带传输线与等腰直角三角形半模SIW谐振腔底边中点连接，第一微带传输线以凹型槽方式接入等腰直角三角形半模SIW谐振腔；
所述两个输出端口分别通过第二微带传输线和第三微带传输线与两个矩形SIW谐振腔其中一条边相对的边中点连接，第二微带传输线和第三微带传输线均以凹型槽方式接入矩形SIW谐振腔。
3.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，所述第三微带传输线关于介质基板的主对角线与第二微带传输线对称。
4.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线与谐振腔连接处形成两个凹型槽，凹型槽宽度W2相同，均为0.7mm，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线接入谐振腔的长度L1相同，均为7.9mm，所述第一微带传输线、第二微带传输线和第三微带传输线的宽度W1相同，均为1.5mm。。
5.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，所述两个矩形SIW谐振腔长度和宽度W均为20mm。
6.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，所述相邻金属通孔间距P为1mm，所述金属通孔直径D为0.6mm。
7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的滤波功分器，其特征在于，所述矩形SIW谐振腔与等腰直角三角形半模SIW谐振腔之间的耦合窗口长度W3为4.7mm。
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