CN110336106A - 一种小型化基片集成波导滤波器及其高阶滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化基片集成波导滤波器,包括基板，分别作为输入和输出连接到基板的微带线结构；所述基板下表面整块敷铜，所述基板上表面刻蚀有开槽结构，且开槽结构相对于基板中心呈旋转对称，并在基板上表面形成两个开口谐振器。同时，本发明还公开了一种基于小型化基片集成波导滤波器的高阶滤波器，在两个开口谐振器之间增加高阶谐振器，可以进一步提高滤波器的矩形度，提升滤波器的选频性能。采用本发明通过在基板表面刻蚀S形结构开槽，等效为两个短路的四分之一波长谐振器，构成一个二阶带通滤波器，实现了滤波器的小型化。

Description

一种小型化基片集成波导滤波器及其高阶滤波器

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种小型化基片集成波导滤波器及其高阶滤波器。

背景技术

具有低插损、高Q值的带通滤波器是现代无线通信系统的基本组成部分，它能抑制杂波及其他干扰信号，而使有用信号低损耗通过，是射频前端电路关键的器件之一。由于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)滤波器具有高功率容量、低插损、易集成等优点，使其得到了广泛的研究与应用，功能多样、种类繁多的SIW滤波器已应用于各类通信系统中。就现代通信系统而言，追求系统的小型化、便捷性也是一个非常重要的指标。实现系统的小型化在于实现电路与器件的小型化。因此，对滤波器的小型化设计显得十分必要。

目前，在现有技术中，滤波器设计大概可分为LC集总参数滤波器、微带线滤波器、波导滤波器、SIW滤波器。

传统基于集总参数元件的LC滤波器，利用分立的集总参数电容电感元件，可设计成各类低通、带通、高通、带阻滤波器等。由于集总参数元件自身的小尺寸，可实现滤波器的小型化设计。但LC滤波器致命的缺陷在于，只能用于大概2GHz频率以下的滤波器设计，存在频率设计的上限。

利用微带线、带状线的滤波器设计，其具有体积小、易集成、设计自由度高等优点；但其不足是功容量较小，损耗大，尤其在毫米波频率时辐射损耗严重。而基于波导结构的滤波器设计，尽管其具有最大功率容量，以及非常小的插入损耗，但其不足是体积偏大，三维立体结构的滤波器难以与PCB电路集成，实用性不强。

因而，在基于SIW滤波器，如何设计使其能够在保持SIW滤波器高Q值、低损耗、易集成等优点的同时，克服上述其他类滤波器体积偏大的问题，使其满足小型化，能够使其非常适合应用于各类通信系统中，就显得尤为必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型化基片集成波导滤波器，通过在基板表面刻蚀S形结构开槽，等效为两个短路的四分之一波长谐振器，构成一个二阶带通滤波器，实现了滤波器的小型化。

为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种小型化基片集成波导滤波器，包括基板，还包括所分别作为输入和输出连接到基板的微带线结构；所述基板下表面整块敷铜，所述基板上表面刻蚀有开槽结构，且开槽结构相对于基板中心呈旋转对称，并在基板上表面形成两个开口谐振器。

进一步地，所述开口谐振器为开口圆环形，且通过每个开口谐振器长度以调整谐振频率。

优选地，所述开口谐振器长度为四分之一波导波长。

进一步地，所述开口谐振器的开口端等效为开路，开口谐振器连接到基板上表面的端口等效为虚拟地。

进一步地，所述开槽结构为S形，且各位置的槽宽等距，且通过开槽结构的槽宽宽度以控制两个谐振器之间的耦合系数。

进一步地，所述基板两侧设置有周期性金属化过孔，所述基板的上下表面通过周期性金属化过孔相连接。

本发明还公开了一种基于上述小型化基片集成波导滤波器的高阶滤波器，可以进一步提高滤波器的矩形度，提升滤波器的选频性能。

一种小型化基片集成波导高阶滤波器，包括上述小型化基片集成波导滤波器，并在两个开口谐振器之间开槽，且斜置有高阶谐振器；所述高阶谐振器包括两个开口圆环，且两个开口圆环之间通过与圆环等宽的微带线连接；所述高阶谐振器与两个开口谐振器组合构成耦合结构。

进一步地，所述耦合结构相对于基板中心呈中心旋转对称排布。

进一步地，所述高阶谐振器的长度和开口谐振器的长度共同控制中心频率。

进一步地，所述高阶谐振器的两个开口圆环与基板之间的槽宽宽度相等，两个开口谐振器与基板之间的槽宽宽度相等，可通过两个槽宽宽度控制耦合系数。

本发明的有益效果在于：本发明区别于现有技术，本发明提供了两种技术方案，第一种方案通过在SIW表面刻蚀S形结构，使得SIW等效为两个短路的四分之一波长谐振器，构成一个二阶带通滤波器，实现了SIW滤波器的小型化；所提出的S形加载的二阶SIW滤波器非常容易实现源/负载之间的耦合，使得滤波器的S参数响应具有带内两个传输极点，带外两个零点，具有较好的选频特性。此外，通过调整SIW的宽度，可以控制源/负载之间的耦合，实现两个零点的可控。

第二种方案是在第一种方案的技术上，在两个四分之一波长谐振器之间，增加了一个开路的半波长谐振器，由此构成一个三阶滤波器，该三阶滤波器同样具备小型化特征；提出的三阶滤波器具有通带内三个传输极点，通带外三个传输零点。第1个传输零点位于通带中心频率之下，第2、3个传输零点位于通带中心频率之上，具有良好的选频特性。此外，该滤波器非常容易实现源/负载之间的耦合，可通过调整SIW的宽度，改变源/负载之间的耦合系数，从而实现第1个和第3个传输零点的控制。

附图说明

图1是本发明提供的小型化基片集成波导滤波器的平面示意图；

图2是本发明提供的小型化基片集成波导滤波器的S参数响应示意图；

图3是本发明提供的小型化基片集成波导高阶滤波器的平面示意图；

图4是本发明提供的小型化基片集成波导高阶滤波器的S参数响应示意图。

附图标记：

1、微带线结构；2、金属化过孔；3、开槽结构；4、开口谐振器；5、基板；6、高阶谐振器。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”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，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本发明做进一步的详细描述。

如图1-图2所示，实施方式一：

一种小型化基片集成波导滤波器，包括基板5，还包括所分别作为输入和输出连接到基板5的微带线结构1。

所述基板5下表面整块敷铜，所述基板5上表面刻蚀有开槽结构3，且开槽结构3相对于基板5中心呈旋转对称，并在基板5上表面形成两个开口谐振器4。

所述开口谐振器4为开口圆环形，且通过每个开口谐振器4长度以调整谐振频率，优选开口谐振器4长度为四分之一波导波长。所述开口谐振器4的开口端等效为开路，开口谐振器4连接到基板5上表面的端口等效为虚拟地。

所述开槽结构3为S形，且各位置的槽宽等距，且通过开槽结构3的槽宽宽度以控制两个谐振器之间的耦合系数。

所述基板5两侧设置有周期性金属化过孔2，所述基板5的上下表面通过周期性金属化过孔2相连接。

本实施方式在实际使用时，使用Rogers5880基板5，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm，基板5上下表面敷铜，上表面与下表面通过两侧的周期性金属化过孔2相连。以传统SIW的结构为基础的基板5。

输入输出是50Ω的微带线结构1，微带馈线直接与基板5相连。面通过两侧的金属化过孔2相连。基板5上表面刻蚀了S形结构，该S形结构关于滤波器中心具有旋转对称特性，使得刻蚀后的基板5表面，形成两个开口圆环形的四分之一波长谐振器。该谐振器的开口端等效为开路，而与基板5表面相连接的部分可等效为虚拟地。

谐振器之间的耦合可通过加载S形的槽宽度dr控制，由图1可见，而调整谐振器的长度，可相应地改变谐振频率。该S形加载的SIW滤波器，通过合理的结构参数设计，可形成一个二阶带通滤波器。利用该滤波器结构，设计了一个中心频率为10GHz，带宽为1.3GHz的带通滤波器，图2为其S参数响应。该滤波器在通带内形成两个传输极点，在通带外两侧形成两个传输零点，具有较好的选频特性。

滤波器的尺寸仅为0.35λ_g*0.16λ_g，λ_g为波导波长，在保证功能的同时，做到了小型化。

如图3-图4所示，实施方式二：

本发明还公开了一种基于上述实施方式一的高阶滤波器，可以进一步提高滤波器的矩形度，提升滤波器的选频性能。

一种小型化基片集成波导高阶滤波器，包括上述小型化基片集成波导滤波器，并在两个开口谐振器4之间开槽，且斜置有高阶谐振器6；所述高阶谐振器6包括两个开口圆环，且两个开口圆环之间通过与圆环等宽的微带线连接；所述高阶谐振器6与两个开口谐振器4组合构成耦合结构。

所述耦合结构相对于基板5中心呈中心旋转对称排布。

所述高阶谐振器6的长度和开口谐振器4的长度共同控制中心频率。该高阶谐振器6的优选为半波波长。

所述高阶谐振器6的两个开口圆环与基板5之间的槽宽宽度dr₁相等，两个开口谐振器4与基板5之间的槽宽宽度dr₂相等，且通过所述槽宽宽度dr₁和槽宽宽度dr₂控制耦合系数。

本实施方式在实际使用时，是通过在两个四分之一波长谐振器之间，增加了一个开路半波长谐振器。该开路的半波长谐振器斜置于两个四分之一波长谐振之间，谐振器两端为开口的圆环，两个开口圆环通过与其同样粗细的微带线连在一起。

该半波长谐振器与两个短路的四分之一波长谐振器形成耦合结构，由此构成一个三阶带通滤波器。其中半波长谐振器、两个四分之一波长谐振器，均关于滤波器中心旋转对称排布。

滤波器的输入输出直接与50Ω的微带线相连，其两侧分别为周期性的金属化过孔2，连通SIW的上下金属表面。基于该三阶滤波器的结构，设计了一个中心频率为10GHz，带宽为1.24GHz的带通滤波器。如图4所示，为滤波器的S参数响应。所设计的滤波器的具有带内三个传输极点，通带外三个传输零点的S参数响应；其中低于通带中心频率有一个传输零点，高于通带中心频率有两个传输零点。

该高阶滤波器不但非常容易实现源/负载之间的耦合，可通过调整SIW的宽度，改变源/负载之间的耦合系数，从而实现第1个和第3个传输零点的控制。并且本实施方式的高阶滤波器的尺寸仅为0.31λ_g*0.23λ_g，同样满足了小型化的需求。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种小型化基片集成波导滤波器，包括基板，其特征在于：还包括所分别作为输入和输出连接到基板的微带线结构；所述基板下表面整块敷铜，所述基板上表面刻蚀有开槽结构，且开槽结构相对于基板中心呈旋转对称，并在基板上表面形成两个开口谐振器。

2.根据权利要求1所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述开口谐振器为开口圆环形，且通过每个开口谐振器长度以调整谐振频率。

3.根据权利要求2所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述开口谐振器长度为四分之一波导波长。

4.根据权利要求1所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述开口谐振器的开口端等效为开路，开口谐振器连接到基板上表面的端口等效为虚拟地。

5.根据权利要求1所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述开槽结构为S形，且各位置的槽宽等距，且通过开槽结构的槽宽宽度以控制两个谐振器之间的耦合系数。

6.根据权利要求1所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述基板两侧设置有周期性金属化过孔，所述基板的上下表面通过周期性金属化过孔相连接。

7.一种小型化基片集成波导高阶滤波器，其特征在于：包括上述权利要求1-6任意一项的小型化基片集成波导滤波器，并在两个开口谐振器之间开槽，且斜置有高阶谐振器；所述高阶谐振器包括两个开口圆环，且两个开口圆环之间通过与圆环等宽的微带线连接；所述高阶谐振器与两个开口谐振器组合构成耦合结构。

8.根据权利要求7所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述耦合结构相对于基板中心呈中心旋转对称排布。

9.根据权利要求7所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述高阶谐振器的长度和开口谐振器的长度共同控制中心频率。

10.根据权利要求7所述的小型化基片集成波导滤波器，其特征在于：所述高阶谐振器的两个开口圆环与基板之间的槽宽宽度相等，两个开口谐振器与基板之间的槽宽宽度相等，可通过两个槽宽宽度控制耦合系数。