CN110690543A - 一种高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高共模抑制毫米波平衡带通滤波器，由基片集成波导谐振腔对、加载了人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线、用于匹配的金属化通孔和基片集成波导转接地共面波导组成。该平衡滤波器通过使用差模激励，在具有较宽宽度的基片集成波导传输线的中心对称面形成了人工电壁，使得该传输线可以等效为两路具有较窄宽度基片集成波导传输线。由此，基于这两路具有较窄宽度的基片集成波导传输线的基片集成波导谐振腔在人工电壁面上不需要使用物理金属实现电壁，从而减小了金属损耗。基于上述结构，研制了一款毫米波平衡带通滤波器。本发明实现了毫米波平衡带通滤波器的高共模抑制和低插损。

Description

一种高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器
技术领域
本发明涉及滤波器技术，特别是涉及毫米波平衡带通滤波器的设计与制作。
背景技术
随着无线通信服务的迅速发展和移动通信系统传输信息量的增大，将面临越来越多的噪声。一般这些噪声可分为两种：一是环境噪声，是由直流供给和衬底耦合的随机干扰；二是电噪声，其来源于有源器件的热噪声和散粒噪声。当噪声进入接收机时，单端口输入输出电路容易造成逻辑上的误判，从而降低接收机的灵敏度。与单端口输入输出电路相比，平衡电路因其具有良好的抗噪声干扰特性和易于集成化的优点引起众多学者广泛的关注。
在频谱资源越来越紧缺的情况下，开发毫米波频谱资源成了第五代移动通信技术的重点，因毫米波段具有频谱宽、可靠性高、方向性好以及波长短的优势，所以是MassiveMIMO通信系统的首要选择。当工作频率较低时，常常采用微带线设计平衡滤波器，然而微带线在毫米波频段导体损耗和辐射损耗较大。因此，如何改善毫米波平衡滤波器的损耗和共模抑制特性具有重要的意义。
发明内容
技术问题：本发明的目的是提供一种高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，该平衡带通滤波器具有较高的共模抑制电平，在3dB带宽范围内均大于56dB；在毫米波频段相比传统毫米波基片集成波导平衡滤波器具有较低的插损，带内插损为2.6dB。
技术方案：本发明提供一种高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，该平衡带通滤波器包括基片集成波导谐振腔对、加载了人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线、用于匹配的金属化通孔、中心对称面、用于基片集成波导谐振腔壁的隔离金属通孔阵列、基片集成波导转接地共面波导及其所形成的激励端口即第一端口、第二端口、第三端口、第四端口；其中，基片集成波导传输线由位于中心对称面两侧的两排侧壁金属通孔阵列所包围的区域构成；两个匹配金属化通孔分别位于基片集成波导传输线的左右两端；第一端口和第三端口对称于中心对称面置于基片集成波导传输线的一端，第二端口和第四端口对称于中心对称面置于基片集成波导传输线的另一端；第一端口、第二端口、第三端口、第四端口的中间为转接地共面波导。
所述基片集成波导传输线包括对称于中心对称面的第一传输线和第二传输线；在第一传输线和第二传输线中并排设有多排隔离金属通孔阵列，由侧壁金属通孔阵列和隔离金属通孔阵列构成第一基片集成波导谐振腔对、第二基片集成波导谐振腔对、第三基片集成波导谐振腔对、第四基片集成波导谐振腔对、第五基片集成波导谐振腔对、和第六基片集成波导谐振腔对。
所述隔离金属通孔阵列关于中心对称面对称；由隔离金属通孔阵列分隔的每个基片集成波导谐振腔对包括两个基片集成波导谐振腔，即第一基片集成波导谐振腔对包括第一谐振腔a和第一谐振腔b，第二基片集成波导谐振腔对包括第二谐振腔a和第二谐振腔b，第三基片集成波导谐振腔对包括第三谐振腔a和第三谐振腔b；第四基片集成波导谐振腔对包括第四谐振腔a和第四谐振腔b，第五基片集成波导谐振腔对包括第五谐振腔a和第五谐振腔b、第六基片集成波导谐振腔对包括第六谐振腔a和第六谐振腔b。
所述第一端口和第三端口、第二端口和第四端口进行差模激励或接收；基片集成波导传输线的中心对称面所在的平面为人工电壁，即其切向电场为零；基片集成波导传输线等效为两个只传输主模TE10模式的具有较窄宽度的第一传输线和第二传输线。
所述的基片集成波导谐振腔对按照从左到右的顺序依次排列，置于基片集成波导传输线的内部；在需要提高滤波器的频率选择特性时，通过增加所述的基片集成波导谐振腔对的个数来实现；相反，通过减少所述的基片集成波导谐振腔对的个数，从而减小滤波器尺寸。
有益效果：本发明公开了一种高共模抑制毫米波平衡带通滤波器，相比现有技术，具有以下有益效果：
1、该平衡带通滤波器具有较高的共模抑制电平，在3dB带宽范围内均大于56dB；
2、在毫米波频段，与具有相同阶数的传统毫米波基片集成波导平衡滤波器相比，该滤波器具有较低的插损，带内插损为2.6dB。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中毫米波平衡带通滤波器结构示意图；
图2为本发明具体实施方式中加载人工电壁的基片集成波导和传统基片集成波导传输线的衰减常数对比图；
图3为本发明具体实施方式中加载人工电壁的基片集成波导和传统基片集成波导传输线的最大平均功率容量对比图；
图4为本发明具体实施方式中毫米波平衡带通滤波器的仿真与测试结果对比图。
图中有：第一基片集成波导谐振腔对1、第二基片集成波导谐振腔对2、第三基片集成波导谐振腔对3、第四基片集成波导谐振腔对4、第五基片集成波导谐振腔对5、和第六基片集成波导谐振腔对6、基片集成波导传输线7、第一传输线7-1、第二传输线7-2、侧壁金属通孔阵列7-3、匹配金属化通孔8、转接地共面波导9、中心对称面10、隔离金属通孔阵列11；
第一端口a、第二端口b、第三端口c、第四端口d。
第一基片集成波导谐振腔对1包括第一谐振腔a 1-1和第一谐振腔b 1-2，第二基片集成波导谐振腔对2包括第二谐振腔a 2-1和第二谐振腔b 2-2，第三基片集成波导谐振腔对3包括第三谐振腔a 3-1和第三谐振腔b 3-2；第四基片集成波导谐振腔对4包括第四谐振腔a 4-1和第四谐振腔b 4-2，第五基片集成波导谐振腔对5包括第五谐振腔a 5-1和第五谐振腔b 5-2、第六基片集成波导谐振腔对6包括第六谐振腔a 6-1和第六谐振腔b 6-2。
具体实施方式
本发明的高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器包括基片集成波导谐振腔对、加载了人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线7、用于匹配的金属化通孔8、中心对称面10、用于基片集成波导谐振腔壁的隔离金属通孔阵列11、基片集成波导转接地共面波导9及其所形成的激励端口即第一端口a、第二端口b、第三端口c、第四端口d；其中，基片集成波导传输线7由位于中心对称面10两侧的两排侧壁金属通孔阵列7-3所包围的区域构成；两个匹配金属化通孔8分别位于基片集成波导传输线7的左右两端；第一端口a和第三端口c对称于中心对称面10置于基片集成波导传输线7的一端，第二端口b和第四端口d对称于中心对称面10置于基片集成波导传输线7的另一端；第一端口a、第二端口b、第三端口c、第四端口d的中间为转接地共面波导9。
所述的每一个基片集成波导谐振腔对由2个基片集成波导谐振腔构成，每个基片集成谐振腔均由隔离金属通孔阵列、侧壁金属通孔阵列和位于中心对称面的人工电壁所构成；隔离金属通孔阵列关于具有较宽宽度的基片集成波导传输线中心对称面对称。
所述的加载人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线的两端还分别设有两组用于匹配的金属化通孔，两组并排放置在基片集成波导传输线中心对称面上。
本发明所述的高共模抑制毫米波平衡带通滤波器，由基片集成波导谐振腔对、加载人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线、用于匹配的金属化通孔、用于隔离的金属化通孔、用于侧壁的金属化通孔和基片集成波导转接地共面波导组成，在实施过程中采用了6个基片集成波导谐振腔对。根据设计指标的需要，基片集成波导谐振腔对的个数可以根据设计指标增加或减少，并按照从左到右的顺序依次排列，置于具有较宽宽度的基片集成波导传输线的内部。
当差分信号激励两路并排放置的基片集成波导传输线时，由于其结构的对称性，此时中心对称面10可被认为是理想电壁，如图1所示。因此具有较宽宽度的基片集成波导传输线7可以等效为两路并排放置的具有较窄宽度的基片集成波导传输线7-1和(7-2)，且这两路具有较窄宽度的基片集成波导传输线位于中心对称面10的金属化通孔可被去除。同理，每个基于这两路基片集成波导传输线的基片集成波导谐振腔的中心对称面10的金属化通孔可被去除。这将有效减小基片集成波导传输线和基片集成波导谐振腔的金属损耗，并提高其Q值。通过理论推导与仿真验证，该结构相比传统基片集成波导传输线和谐振腔具有低损耗和高功率容量的优点。基于上述结构，设计了一款毫米波基片集成波导平衡滤波器。最后对该平衡滤波器进行了加工实测，测试与仿真结果较为吻合，论证了上述理论的正确性，从而证明该平衡滤波器具有高共模抑制和低损耗的优点。
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本发明所述的平衡带通滤波器包括基片集成波导谐振腔对、加载了人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线7、用于匹配的金属化通孔8、中心对称面10、用于基片集成波导谐振腔壁的隔离金属通孔阵列11、基片集成波导转接地共面波导9及其所形成的激励端口即第一端口a、第二端口b、第三端口c、第四端口d；其中，基片集成波导传输线7由位于中心对称面10两侧的两排侧壁金属通孔阵列7-3所包围的区域构成；两个匹配金属化通孔8分别位于基片集成波导传输线7的左右两端；第一端口a和第三端口c对称于中心对称面10置于基片集成波导传输线7的一端，第二端口b和第四端口d对称于中心对称面10置于基片集成波导传输线7的另一端；第一端口a、第二端口b、第三端口c、第四端口d的中间为转接地共面波导9。
所述的六个基片集成波导谐振腔对第一基片集成波导谐振腔对1、第二基片集成波导谐振腔对2、第三基片集成波导谐振腔对3、第四基片集成波导谐振腔对4、第五基片集成波导谐振腔对5和第六基片集成波导谐振腔对6，每一个基片集成波导谐振腔对由2个基片集成波导谐振腔构成，总共有12个基片集成波导谐振腔。基片集成波导谐振腔对置于具有较宽宽度的基片集成波导传输线7的内部，并按照从左到右的顺序依次排列。
所述的第一基片集成波导谐振腔对1包括第一谐振腔a 1-1和第一谐振腔b1-2，第二基片集成波导谐振腔对2包括第二谐振腔a 2-1和第二谐振腔b 2-2，第三基片集成波导谐振腔对3包括第三谐振腔a 3-1和第三谐振腔b 3-2；第四基片集成波导谐振腔对4包括第四谐振腔a 4-1和第四谐振腔b 4-2，第五基片集成波导谐振腔对5包括第五谐振腔a 5-1和第五谐振腔b 5-2、第六基片集成波导谐振腔对6包括第六谐振腔a 6-1和第六谐振腔b 6-2，均由隔离金属通孔阵列11、侧壁金属通孔阵列7-3和中心对称面10所在平面的人工电壁所构成；隔离金属通孔阵列11关于中心对称面10对称。
所述的加载人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线7的两端还设有匹配金属化通孔8，该匹配金属化通孔8两路并排放置的具有较宽宽度的基片集成波导传输线中心对称面上。
当差分信号激励两路并排放置的基片集成波导传输线时，由于其结构的对称性，此时中心对称面10可被认为是理想电壁，如图1所示。因此具有较宽宽度的基片集成波导传输线7可以等效为两路并排放置的具有较窄宽度的第一传输线7-1、第二传输线7-2，且这两路具有较窄宽度的基片集成波导传输线位于中心对称面10的金属化通孔可被去除。同理，每个基于这两路基片集成波导传输线的基片集成波导谐振腔的中心对称面10的金属化通孔可被去除。这将有效减小基片集成波导传输线和基片集成波导谐振腔的金属损耗，并提高其Q值。通过理论推导与仿真验证，该结构相比传统基片集成波导传输线和谐振腔具有低损耗和高功率容量的优点。基于上述结构，设计了本发明的毫米波基片集成波导平衡滤波器。
本发明对该平衡滤波器进行了加工实测，测试与仿真结果较为吻合，从而证明该平衡滤波器具有高共模抑制和低损耗的优点。
当差分信号激励两路并排放置的基片集成波导传输线时，由于其结构的对称性，此时中心对称面10可被认为是理想电壁，如图1所示。因此两路并排放置的基片集成波导传输线中心对称面上的金属化通孔可被去除，此时中心对称面10可被视为人工电壁。通过理论推导和仿真分析，计算出基于人工电壁结构的基片集成波导和传统基片集成波导传输线的衰减常数和最大平均功率容量，如图2和图3所示。从图中可以看出该传输线相比传统基片集成波导具有低损耗和高功率容量的优点。基于上述结构，设计了一款工作在29.75GHz的六阶平衡滤波器，耦合系数分别为：M12＝M56＝0.7579,M23＝M45＝0.5805,M34＝M43＝0.5601,MS1＝M6L＝0.8932。由于耦合谐振腔是异步调谐的，耦合系数和外部品质因数可由下式表达：
Figure BDA0002243604510000061
Figure BDA0002243604510000062
其中fsi(i＝1,2)是每个谐振腔的自谐振频率，fpi(i＝1,2)表示模式分离后的谐振频率，τS11(w0)是反射系数的群延时。
基于本发明思想，对毫米波平衡滤波器进行了加工和测试，测试使用的矢量网络分析仪为PNA-X N5247A。滤波器所使用的介质基板是Taconic TLY-5，厚度为0.51mm，介电常数为2.2，整个滤波器的尺寸为70mm×35.8mm。图4为平衡滤波器测试的S参数曲线，测试与仿真结果较为吻合。测试的中心频率为29.45GHz，相对带宽为7.2％，插入损耗为2.6dB，共模抑制电平在3dB带宽内大于56dB。测试结果论证了上述理论的正确性，从而证明该滤波器具有高共模抑制和低插损的优点。

Claims (5)

1.一种高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，其特征在于：该平衡带通滤波器包括基片集成波导谐振腔对、加载了人工电壁的具有较宽宽度的基片集成波导传输线(7)、用于匹配的金属化通孔(8)、中心对称面(10)、用于基片集成波导谐振腔壁的隔离金属通孔阵列(11)、基片集成波导转接地共面波导(9)及其所形成的激励端口即第一端口(a)、第二端口(b)、第三端口(c)、第四端口(d)；其中，基片集成波导传输线(7)由位于中心对称面(10)两侧的两排侧壁金属通孔阵列(7-3)所包围的区域构成；两个匹配金属化通孔(8)分别位于基片集成波导传输线(7)的左右两端；第一端口(a)和第三端口(c)对称于中心对称面(10)置于基片集成波导传输线(7)的一端，第二端口(b)和第四端口(d)对称于中心对称面(10)置于基片集成波导传输线(7)的另一端；第一端口(a)、第二端口(b)、第三端口(c)、第四端口(d)的中间为转接地共面波导(9)。
2.根据权利要求1所述的高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，其特征在于：所述基片集成波导传输线(7)包括对称于中心对称面(10)的第一传输线(7-1)和第二传输线(7-2)；在第一传输线(7-1)和第二传输线(7-2)中并排设有多排隔离金属通孔阵列(11)，由侧壁金属通孔阵列(7-3)和隔离金属通孔阵列(11)构成第一基片集成波导谐振腔对(1)、第二基片集成波导谐振腔对(2)、第三基片集成波导谐振腔对(3)、第四基片集成波导谐振腔对(4)、第五基片集成波导谐振腔对(5)、和第六基片集成波导谐振腔对(6)。
3.根据权利要求2所述的高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，其特征在于：所述隔离金属通孔阵列(11)关于中心对称面(10)对称；由隔离金属通孔阵列(11)分隔的每个基片集成波导谐振腔对包括两个基片集成波导谐振腔，即第一基片集成波导谐振腔对(1)包括第一谐振腔a(1-1)和第一谐振腔b(1-2)，第二基片集成波导谐振腔对(2)包括第二谐振腔a(2-1)和第二谐振腔b(2-2)，第三基片集成波导谐振腔对(3)包括第三谐振腔a(3-1)和第三谐振腔b(3-2)；第四基片集成波导谐振腔对(4)包括第四谐振腔a(4-1)和第四谐振腔b(4-2)，第五基片集成波导谐振腔对(5)包括第五谐振腔a(5-1)和第五谐振腔b(5-2)、第六基片集成波导谐振腔对(6)包括第六谐振腔a(6-1)和第六谐振腔b(6-2)。
4.根据权利要求1所述的高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，其特征在于：所述第一端口(a)和第三端口(c)、第二端口(b)和第四端口(d)进行差模激励或接收；基片集成波导传输线(7)的中心对称面(10)所在的平面为人工电壁，即其切向电场为零；基片集成波导传输线(7)等效为两个只传输主模TE10模式的具有较窄宽度的第一传输线(7-1)和第二传输线(7-2)。
5.根据权利要求1所述的高共模抑制的毫米波平衡带通滤波器，其特征在于：所述的基片集成波导谐振腔对按照从左到右的顺序依次排列，置于基片集成波导传输线(7)的内部；在需要提高滤波器的频率选择特性时，通过增加所述的基片集成波导谐振腔对的个数来实现；相反，通过减少所述的基片集成波导谐振腔对的个数，从而减小滤波器尺寸。
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