CN110400995B - 小型化宽阻带的hmsiw单腔三模带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，其包括上层金属板，微波介质板和下层金属板；上层金属板包括一对输入/输出的馈线、两排相互垂直的金属化通孔、两条加载型槽线、在两条加载型槽线之间的开路枝节和开路枝节正上方的第一金属化通孔。其中，两条加载型槽线的引入不仅可以增加一个谐振模式和传输零点，同时将腔体的TE₂₀₁模拉到TE₁₀₁模附近，且高次模TE₂₀₂模的频率基本保持不变，这便有利于结构的小型化和宽阻带的实现。第一金属化通孔用于扰动TE₁₀₁模，因而合适的带宽可以获得。在输入/输出馈线中，引入第三、第四槽线是为了得到最佳的带内匹配。与现有技术相比，本发明尺寸小，同时具有宽阻带的特性，可以很好的应用在未来毫米波通信系统中。

Description

小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种半模基片集成波导(HMSIW)带通滤波器，尤其涉及小型化宽阻带的带通滤波器，属于微波技术领域，可用于毫米波收发系统中。

背景技术

带通滤波器在现代无线通信系统中扮演着重要的角色，其主要应用于射频/微波系统中选择有用的信号,同时抑制杂散信号。并且，其还作为区分不同频谱的重要元件，对提高频谱资源的利用率具有重大意义。

带通滤波器的小型化、低的插入损耗和宽阻带等特点推动了它的应用。随着未来器件越来越高密度集成，器件的小型化是未来器件和微波系统发展的必经之路，当然，带通滤波器也不例外。同时，随着5G通信的兴起，多输入多输出系统得到了广泛的应用，因此，功率损耗的问题更加不可忽视，那么,低的插入损耗器件是必不可少的。并且，为了保障毫米波通信系统的稳定性，高性能的宽阻带带通滤波器起着关键的作用。综合上述三点分析，基片集成波导(SIW)结构相比于微带平面结构、槽线结构和带状线结构等传输结构，具有高的品质因数，即在毫米波频段的插入损耗较低。同时，加载槽线型的SIW相比于SIW，具有小型化的优点，更重要的是不但可以实现多模谐振来提高工作带宽，还可以改善带外抑制。因此，多模谐振的SIW带通滤波器更适合即将到来的第五代移动通信技术。

目前，多模谐振的SIW带通滤波器普遍存在以下两种问题。其一，在大多数情况下，多模谐振的SIW带通滤波器的中心频率均在高次模谐振模式，这样直接导致尺寸增大；其二，多模谐振的模式均使用基片集成波导的模式时，其带外抑制较差。因此，SIW带通滤波器的小型化宽阻带和多模谐振的特点将是未来毫米波通信的设计难点和挑战。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的是提出一种结构简单、易于实现的小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，其具有小尺寸和高性能的带外抑制的特点。

技术方案：本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

一种小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，包括上层金属板，中间层微波介质板，以及下层金属板；所述上层金属板包括一对输入/输出馈线、两排金属化的通孔、第一加载型槽线、第二加载型槽线、在两条加载型槽线之间的开路枝节和开路枝节上方的第一金属化通孔；

所述上层金属板是等腰直角三角形；

所述两排金属化的通孔与三角形的直角边分别平行，且相互垂直；

所述输入/输出馈线是由传输线以及相连的第三槽线和第四槽线构成，其中第三槽线与第四槽线的夹角大于等于0°且小于等于180°；

所述两条加载型槽线均垂直于三角形的斜边，且它们之间存在一条开路枝节；

所述第一金属化通孔位于开路枝节的正上方。

作为本发明的进一步优化方案，两条加载型槽线的电长度均为通带中心频率的四分之一波长。

作为本发明的进一步优化方案，所述位于斜边上两条加载型槽线之间的开路枝节，开路枝节的电长度为阻带内传输零点对应频率的四分之一波长；通过改变两条加载型槽线之间开路枝节的长度，进而可控地改变传输零点的位置。

作为本发明的进一步优化方案，通过改变第一金属化通孔的直径或者与开路枝节的距离进而改变腔体TE₁₀₁模的谐振频率。

作为本发明的进一步优化方案，通过改变两条加载型槽线长度和宽度改变腔体TE₂₀₁模的谐振频率。

作为本发明的进一步优化方案，通过改变馈线中第三、第四槽线的长度、宽度和相交的角度，进而改善通带内的匹配。

作为本发明的进一步优化方案，两条加载型槽线关于三角形斜边上的高呈镜像对称。

有益效果：本发明与现有技术比较，具有以下显著技术效果：

一、相比于传统的SIW三模带通滤波器，本发明所提出小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器的通带中心频率在基模谐振模式(TE₁₀₁模)附近，从而此结构的尺寸被大幅度的减小，具有尺寸小、易于加工集成、成本低等优点。

二、本发明所提出小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，通过两条槽线加载的方式，腔体的TE₂₀₁模往低频偏移，而高次模(如TE₂₀₂模)的谐振频率保持不变，从而实现了较宽的通带带宽和优异的带外抑制性能，其适合于未来毫米波通信系统中。

附图说明

图1为本发明实施例的立体图；

图2为本发明实施例的俯视图；

图3为本发明实施例的仿真与实测频率响应曲线图。

图中：1-上层金属板，2-微波介质板，3-下层金属板，4-50Ω微带传输线，5-第三槽线，6-第四槽线，7-两排金属化通孔，8-开路枝节，9-第一加载型槽线，10-第二加载型槽线，11-第一金属化通孔。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1、2所示，本发明实施例公开的小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，包括上层的金属板1，中间层的微波介质板2和下层的金属板3。上层金属板1包括一对输入/输出馈线，两排金属化通孔7，开路枝节8，两条加载型槽线9、10和第一金属化通孔11。上层金属板1在不包含输入/输出馈线时呈等腰直角三角形，输入/输出馈线与三角形的直角边分别垂直；两排金属化通孔7相互垂直，分别与三角形直角边平行；两条加载型槽线9、10与三角形斜边均垂直；开路枝节8位于两条加载型槽线9、10之间；第一金属化通孔11在开路枝节8正上方。两条加载型槽线9、10关于三角形斜边的高呈镜像对称。

为了实现腔体滤波器的小型化和宽阻带的特性，在三角形的斜边引入两条加载型槽线910，其中，这两条加载型槽线具有以下三个作用。其一，将腔体的二次谐振模，即TE₂₀₁模，拉进一次谐振模TE₁₀₁模，这样相比于传统多模SIW滤波器具有更小的尺寸；其二，虽然TE₂₀₁模可以被两条加载型槽线9、10扰动，但是HMSIW腔体的高次模，如TE₂₀₂模，基本不受影响，因此，槽线的引入可以增加阻带的带宽；其三，两条加载型槽线9、10可以提供一个谐振模式，所以，此HMSIW腔体可以形成三模谐振，从而进一步的提高滤波带宽。在两条加载型槽线9、10之间的开路枝节8，其长度可以有效地控制此三模HMSIW滤波器的传输零点，从而改善了此滤波器的频率选择性，并且，传输零点的位置可以通过以下公式近似获得：

其中，f_z是传输零点的频率，c是真空中光速，l是开路枝节8的物理长度，ε_r是微波介质板2的相对介电常数。

为了验证上述的理论分析，本实施例设计了一款中心频率为6.9GH_Z，3-dB相对带宽为20％的三模HMSIW带通滤波器。首先，确定两条加载型槽线9、10的长度，即其谐振频率约为6.9GH_Z；其次，改变两条加载型槽线9、10的线宽，从而让HMSIW腔体的TE₂₀₁模也谐振在6.9GH_Z；接着，通过改变第一金属化通孔11的半径或者与开路枝节8的距离，调节HMSIW腔体的TE₁₀₁模至6.9GH_Z；最后，通过调节第三、第四槽线5，6，得到合适的带内回波损耗。

如图3所示的是HMSIW单腔三模带通滤波器的仿真与实测频率响应曲线图。可发现电磁仿真频率曲线与实测曲线在带外是基本吻合的，实测数据中的带内回波损耗变差主要是加工误差导致的。在实测的数据中，中心频率是6.94GH_Z，3-dB相对带宽是20％(6.55GH_Z-7.32GH_Z)。在8GH_Z处存在一个传输零点，并且从7.8GH_Z到13GH_Z的频带范围内的带外抑制均达到了25dB,实验结果验证了该设计具有较宽的通带带宽，优异的抑制特性和稳定的性能。

综上所述，本发明的小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，在通带内能存在三个谐振模式，同时抑制达到25dB的阻带延伸至1.87f₀(f₀是中心频率)，可以很好的应用在未来毫米波通信系统中。并且，本发明还具有小尺寸(尺寸只有0.23λg²(λg：中心频率的波导波长))、重量轻、加工简单、易于集成和制造成本低的特点。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理作用下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，包括上层金属板（1），中间层微波介质板（2），以及下层金属板（3）；其特征在于，所述上层金属板（1）包括一对输入/输出的馈线、两排金属化的通孔（7）、第一加载型槽线（9）、第二加载型槽线（10）、在两条加载型槽线（9，10）之间的开路枝节（8），和开路枝节（8）上方的第一金属化通孔（11）；

所述上层金属板（1）是等腰直角三角形；

所述两排金属化的通孔（7）与三角形的直角边分别平行，且相互垂直；

所述输入/输出的馈线是由传输线（4）以及相连的第三槽线（5）和第四槽线（6）构成，其中第三槽线（5）与第四槽线（6）的夹角大于等于0°且小于等于180°；

所述第一、第二加载型槽线（9，10）均垂直于直角三角形的斜边，且它们之间存在一条开路枝节（8）；

所述第一金属化通孔（11）位于开路枝节（8）的正上方；

第一、第二加载型槽线（9，10）的电长度均为通带中心频率的四分之一波长；

开路枝节（8）的电长度为阻带内的传输零点对应频率的四分之一波长；

两条加载型槽线（9，10）关于三角形斜边上的高呈镜像对称。

2.根据权利要求1所述的小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，其特征在于，通过改变第一金属化通孔（11）的直径或者与开路枝节（8）的距离改变腔体TE₁₀₁模的谐振频率。

3.根据权利要求1所述的小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，其特征在于，通过改变第一、第二加载型槽线（9，10）长度和宽度改变腔体TE₂₀₁模的谐振频率。

4.根据权利要求1所述的小型化宽阻带的HMSIW单腔三模带通滤波器，其特征在于，通过改变第三槽线（5）和第四槽线（6）的长度、宽度和相交的角度改善通带内的匹配。

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