CN110336107B - 一种带通或带阻可重构的hmsiw滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带通或带阻可重构的半模基片集成波导(HMSIW：Half Mode Substrate Integrated Waveguide)滤波器,包括两层介质基板、设置在两层介质基板之间的中间金属层、分别设置在介质基板表面的底层金属和顶层金属；所述顶层金属包括微带结构，所述底层金属与中间金属层之间的介质基板开有多个连接孔，并在中间金属层两侧均开有耦合槽，构成半模基片集成波导谐振腔结构。本发明采用半模基片集成波导的结构，使得滤波器的面积缩小一半，利于滤波器的小型化，更易于系统集成。

Description

一种带通或带阻可重构的HMSIW滤波器
技术领域
本发明涉及物联网设备或手机中的射频集成电路滤波器，具体而言，涉及一种带通或带阻可重构的半模基片集成波导(HMSIW)滤波器。
背景技术
滤波器作为通信系统前端的关键器件之一，其分离有用信号的能力在频谱资源稀缺的大背景下显得尤为重要，直接决定了整个无线通信系统的性能。目前，滤波器已经广泛应用于雷达、移动通信、探测、航空航天等领域的器件与设备中，并且随着5G通信时代的到来，以及物联网技术的广阔前景，对于滤波器的需要将进一步增加，且对各种性能指标都提出了更高、更严苛的要求，如滤波器的小型化、高集成度、高选择性、以及滤波器的可重构性，包括中心频率可重构、带宽可重构，带通/带阻可重构等。可重构滤波器可以动态调谐滤波器结构或参数，使其表现不同的滤波性能，以满足不同场合需求。其中带通/带通可重构滤波器作为滤波器的一种类型，可在通带的情况下滤过有用信号，而在阻带的情况下抑制强干扰信号，且由于带通与带阻集成在同一个滤波器上，避免了在系统中用分开使用一个带通滤波器和一个带阻滤波器，因而可以在有限的尺寸下实现系统的小型化。
就现有的可实现滤波器带通与带阻响应来说，可分别用一个带通滤波器与一个带阻滤波器，利用开关来切换不同的通道实现带通与阻带响应。另外，Eric J.Naglich等人在期刊“IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES”发表了题为“ATunable Bandpass-to-Bandstop Reconfigurable Filter With IndependentBandwidths and Tunable Response Shape”，其利用了三层金属结构，金属化过孔在底层基板层形成了圆柱谐振腔，通过电控射频开关的通断，使微波信号经不同的耦合路径从输入端口到达输出端口，从而分别得到滤波器带通与带阻响应。
现有的方案中，分别采用一个带通滤波器与一个带阻滤波器，并利用开关实现带通响应与带阻响应通道切换。这种方式最大的不足是，由于用了两个滤波器，占用面积大，难以在有限的尺寸上集成两个滤波器，不利于系统的小型化与集成；此外，带通响应与带阻响应都有开关的介入，使得插入损耗增大。
以上文章所提到的带通/带阻可重构滤波，由三层金属结构构成，利用金属化过在中间层金属与底层金属之间形成圆柱形谐振腔，带通/ 带阻响应可通过两个开关控制。开关的作用是切换微波信号的耦合通道，当开关断开时，信号经两个圆柱谐振腔形成通带；而开关带通时，信经两条耦合路径在输出端口形成阻带。该可重构滤波器采用了圆柱谐振腔，其不足还是存在滤波器尺寸相对较大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种带通或带阻可重构的HMSIW(Half Mode SubstrateIntegrated Waveguide,半模基片集成波导)滤波器，采用半模基片集成波导的结构，使得滤波器的面积缩小一半，利于滤波器的小型化，更易于系统集成。
为达到上述技术目的，本发明采用的技术方案具体如下：
一种带通或带阻可重构的HMSIW滤波器，包括两层介质基板、设置在两层介质基板之间的中间金属层、分别设置在介质基板表面的底层金属和顶层金属；所述顶层金属包括微带结构，所述底层金属与中间金属层之间的介质基板开有多个连接孔，并在中间金属层两侧均开有耦合槽，构成半模基片集成波导谐振腔结构。
进一步地，所述中间金属层两侧的耦合槽之间的等效微带走线长度为λg，λg为滤波器中心频率的波导波长。
进一步地，所述微带结构包括微带走线、加载在微带走线上的射频开关及射频开关的直流偏置电路，射频开关及直流偏置电路均为对称设置，且射频开关为偶数个。
进一步地，所述射频开关为两个，分别设置在距耦合槽λg/4处，并在两个射频开关之间设置有微带回路。
进一步地，所述微带回路为中心对称结构，并在两个射频开关之间形成180°相位延迟，构成λg/2等效微带走线长度。
进一步地，所述射频开关两侧分别设置有隔直电容。
进一步地，所述微带结构还包括控制两个开关的通断的直流馈电部分。
进一步地，当射频开关均断开，等效为微带线在耦合槽处短路，信号经半模基片集成波导谐振腔从微带线输出，形成二阶带通滤波器。
进一步地，当射频开关均导通，一部分信号从输入端耦合槽到输出端耦合槽相位差360°，另一部分信号经两个半模基片集成波导谐振腔输出，输入端耦合槽处于输出端耦合槽处信号相位差为180°，信号相互抵消形成阻带，从而形成带阻滤波器。
本发明的有益效果在于：本发明区别于现有技术，本发明提供了一种带通/带阻可重构的滤波器，通过电控两个开关的通断，在滤波器物理结构上形成两种不同的耦合通道，从而分别得到滤波器的带阻响应与带通响应。其特点灵活可调，且在同一个滤波器上实现带通/带阻的可切换性，利于系统的小型化设计。
该滤波器两个射频开关在距耦合槽λg/4处加载，利用开关了处于断开状态时，微带线末端开路，而距末端λg/4处的开槽处短路，来实现滤波器带通响应。避免了分别使用开关来控制滤波器的带通与带阻响应，减小了滤波器带通响应时的插入损耗。
该滤波器采用两个矩形半模基片集成波导谐振腔，与传统的全模 SIW滤波器相比，滤波器面积减小一半，使滤波器占用面积更小。
附图说明
图1是本发明提供的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器展开结构示意图；
图2是本发明提供的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器侧视结构示意图；
图3是本发明提供的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器射频开关断开时，带通参数图；
图4是本发明提供的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器射频开关导通时，带阻参数图；
附图标记：
1为介质基板、2为顶层金属、3为中间层金属、4为耦合槽、5为底层金属、6为连接孔、7为射频开关、8为隔直电容C1、9为隔交电感 L1、10为隔离电容C2、11为限流电阻R1。
具体实施方式
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，一种带通或带阻可重构的HMSIW滤波器，包括两层介质基板1、设置在两层介质基板1之间的中间金属层、分别设置在介质基板1表面的底层金属5和顶层金属2。
所述顶层金属2包括微带结构，微带结构包括微带走线、加载在微带走线上的射频开关7及射频开关7的直流偏置电路，射频开关7及直流偏置电路均为对称设置，且射频开关7为偶数个。具体而言，所述射频开关7为两个，分别记为D1和D2，D1和D2均设置在距耦合槽4λg/4 处。
两个射频开关7之间设置有微带回路，微带回路为中心对称结构，并在两个射频开关7之间形成180°相位延迟，构成λg/2等效微带走线长度，并在两个射频开关7两侧分别设置有隔直电容C18。
直流偏置电路包括20nH的隔交电感L19，100欧姆的限流电阻R111，以及20pF的隔离电容 C210，这些集总元件均采用0402标准封装结构。所述微带结构还包括控制两个开关的通断的直流馈电部分。所述底层金属5与中间金属层之间的介质基板1开有多个连接孔6，并在中间金属层两侧均开有耦合槽4，构成半模基片集成波导谐振腔结构。所述中间金属层两侧的耦合槽4之间的等效微带走线长度为λg，λg为滤波器中心频率的波导波长。
当射频开关7均断开，等效为微带线在耦合槽4处短路，信号经半模基片集成波导谐振腔从微带线输出，形成二阶带通滤波器。
当射频开关7均导通，一部分信号从输入端耦合槽4到输出端耦合槽4相位差360°，另一部分信号经两个半模基片集成波导谐振腔输出，输入端耦合槽4处于输出端耦合槽4处信号相位差为180°，信号相互抵消形成阻带，从而形成带阻滤波器。
在具体使用时，本发明采用PCB加工工艺制备的假四层板结构，两层0.508mm厚的介质基板1，介质板上中下三层为0.018mm的金属铜层，以及金属化过孔等组成。其中，介质基板1采用Taconic tly DK2.2基板，其相对介电常数为2.2，损耗正切为0.0009。中间层金属3开两个细长的槽，形成两个半模基片集成波导谐振腔结构；通过调整谐振腔的大小，使其谐振于5GHz，因而使滤波器的中心频率也在5GHz。顶层金属2是50Ω微带线结构，两个射频开关7D1和D2(射频开关7使用 MA4SW110型号)分别加载在微带线上，射频开关7D1和D2加载位置分别距开槽口λg/4；当开关导通时，在考虑开关自身带来的一定相位延迟后，使得从D1输入到D2输出之间为180°的相位延迟，也就等效为λg/2，因此两个开槽之间的微带线长度等效为λg。
当直流供电-1.5V时，射频开关7D1和D2断开，微带线在此处开路，由于开关位置与两个耦合槽4相距约λg/4，相当于微带线在耦合槽4处短路，因而信号可以通过槽耦合进行半模基片集成波导谐振腔，滤波器是对称结构，信号经两个谐振腔从微带线输出，形成二阶带通滤波器。设置谐振腔的谐振频率在5GHz，因为构成了中心频率为5GHz的带通滤波器。如图3所示，为滤波器的带通响应S参数。可以看到，S参数中产生了两个传输极点，由两个半模基片集成波导谐振腔构成；以及一个在 6.5GHz处的传输零点，是由于开关断开，开路的λg/4微带线谐振产生。
当直流供电+1.5V时，射频开关7D1和D2导通，微带线从输入端口到输出端口全导通。此时由于两个耦合槽4之间微带线长度等效为λg，信号从输入端耦合槽4到输出端耦合槽4相位差360°；此外，还存在另一部分信号从耦合槽4处耦合进半模基片集成波导谐振腔，信号经两个半模基片集成波导谐振腔输出，在该路径上输入端耦合槽4处于输出端耦合槽4处信号相位差为180°。因此，在输出端耦合槽4处，两条路径上的电磁信号幅度大致相等，但相位相差180°，信号相互抵消从而形成阻带。如图4所示，为滤波器的阻带响应，可以看到，中心频率有一定偏移，阻带抑制大于20dB。
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 (4)

1.一种带通或带阻可重构的HMSIW滤波器，其特征在于：包括两层介质基板、设置在两层介质基板之间的中间金属层、分别设置在介质基板表面的底层金属和顶层金属；所述顶层金属包括微带结构，所述底层金属与中间金属层之间的介质基板开有多个连接孔，并在中间金属层两侧均开有耦合槽，构成两个半模基片集成波导谐振腔结构；所述中间金属层两侧的耦合槽之间的等效微带走线长度为λg，λg为滤波器中心频率的波导波长；所述微带结构包括微带走线、加载在微带走线上的射频开关及射频开关的直流偏置电路，射频开关及直流偏置电路均为对称设置，且射频开关为偶数个；所述射频开关为两个，分别设置在距耦合槽λg/4处，并在两个射频开关之间设置有微带回路；
所述微带回路为中心对称结构，并在两个射频开关之间形成180°相位延迟，构成λg/2等效微带走线长度；
所述射频开关两侧分别设置有隔直电容，所述隔直电容的两侧还具有两个隔离电感和两个隔离电容以及直流片组成的回路。
2.根据权利要求1所述的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器，其特征在于：所述微带结构还包括控制两个开关的通断的直流馈电部分。
3.根据权利要求1所述的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器，其特征在于：当射频开关均断开，等效为微带线在耦合槽处短路，信号经半模基片集成波导谐振腔从微带线输出，形成二阶带通滤波器。
4.根据权利要求1所述的带通或带阻可重构的HMSIW滤波器，其特征在于：当射频开关均导通，一部分信号从输入端耦合槽到输出端耦合槽相位差360°，另一部分信号经两个半模基片集成波导谐振腔输出，权利要求书2输入端耦合槽处于输出端耦合槽处信号相位差为180°，信号相互抵消形成阻带，从而形成带阻滤波器。
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