CN111276781A - 基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器 - Google Patents

基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，包括二阶基片集成波导圆形腔，二阶基片集成波导圆形腔由单个基片集成波导圆形腔中心对称得到，二阶基片集成波导圆形腔包括介质基片，介质基片的上表面设有上金属层，介质基片的下表面设有下金属层，介质基片中沿二阶基片集成波导圆形腔的周向均匀分布有贯穿上金属层和下金属层的金属通孔，同时介质基片中心和四周添加若干贯穿上金属层和下金属层的金属微扰通孔。相对于传统的基于基模的基片集成波导滤波器以及多层和多阶结构的基片集成波导滤波器，本发明结构简单，加工方便，体积更小，频率更高，适用于42～47GHz频段，可以应用到该频段的5G毫米波移动通信系统中。

Description

基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器
技术领域
本发明涉及微波无源器件领域，特别是涉及一种基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器。
背景技术
随着现代无线通信系统的高速发展和日臻成熟，作为其重要组成部分的滤波器也引起了广泛的关注和研究。传统的滤波器通常可以分为平面结构和非平面结构两大类。平面结构经常用到的诸如微带线、带状线和槽线等，而非平面结构主要由矩形波导、圆波导以及同轴线等结构构成。平面结构电路可以容易的将有源和无源等结构电路进行互连。然而，当频率增高到波长与传输线相比拟时，平面电路辐射损耗增加，传输效率降低导致这种结构不适合工作在毫米波波段，也无法构成高Q值的部件。相反，非平面结构具有损耗小、功率容量大等优点，但很难与其他电路如有源器件等有效的集成。基片集成波导则同时融合了波导和微带线的优点，例如高Q值、辐射损耗小、功率容量较大、易与平面电路集成和加工、成本低等优点，使得它得到了广泛的研究与应用。
基片集成波导技术是最近十几年来出现的低插入损耗、高品质因数、高功率容量的一种新型的波导器件，基于PCB和LTCC等工艺实现的各种基片集成波导无源以及有源兼具有传统金属波导和平面电路的优点，且生产成本和设计复杂度在微波毫米波频段具有无可比拟的优势。传统的基片集成波导腔体在较高频段时受加工精度影响较大，采用基于通孔扰动的高次模基片集成波导结构可以在现有加工精度条件下实现更高频率传输，并有效减少腔体个数从而使结构更加紧凑。
目前引起广泛关注的5G微波毫米波通信系统，特别是大规模的MIMO系统，微波毫米波前端模块对电路的损耗、尺寸以及加工精度提出了更高的要求。因此，小型化，宽带宽，高选择性的器件或者模块成为了重要的研究热点。然而，在高频段尤其是Q波段受加工精度的影响，常规的滤波器很难在该频段工作。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够在现有加工精度条件下实现Q波段传输的基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器。
技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：本发明所述的基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，包括二阶基片集成波导圆形腔，二阶基片集成波导圆形腔由单个基片集成波导圆形腔中心对称得到，并由共面波导相连，二阶基片集成波导圆形腔包括介质基片，介质基片的上表面设有上金属层，介质基片的下表面设有下金属层，介质基片中沿二阶基片集成波导圆形腔的周向均匀分布有贯穿上金属层和下金属层的金属通孔，同时介质基片中心设有贯穿上金属层和下金属层的第一类金属微扰通孔，并在四周添加两对贯穿上金属层和下金属层的第二类金属微扰通孔和第三类金属微扰通孔，二阶基片集成波导圆形腔两侧分别通过共面波导接有输入微带线和输出微带线。
进一步，所述位于左侧的基片集成波导圆形腔和位于右侧的基片集成波导圆形腔通过共面波导相连，通过增加滤波器阶数，提升滤波器选择性。
进一步，所述第一类金属扰动通孔位于基片集成波导圆形腔的中心处，这样可以将基模向高频处移动，与TM110模形成通带，提升通带带宽与边带抑制。
进一步，所述第二类金属扰动通孔包括位于基片集成波导圆形腔左侧的金属扰动通孔和位于基片集成波导圆形腔右侧的金属扰动通孔，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔的直径镜像对称，且位于基片集成波导圆形腔左侧的共面波导与腔体连接处共面波导所在半径所形成夹角的内侧；所述第三类金属扰动通孔包括位于基片集成波导圆形腔上侧的金属扰动通孔和位于基片集成波导圆形腔下侧的金属扰动通孔，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔的圆心中心对称，且分别位于基片集成波导圆形腔左侧的共面波导与腔体连接处共面波导所在半径所形成夹角的内外两侧。这样可以抑制TM210模，使得滤波器在高频处可以有更宽的阻带。
进一步，所述位于左侧的基片集成波导圆形腔内部的第一类金属扰动通孔、第二类金属扰动通孔和第三类金属扰动通孔同样分布在位于右侧的基片集成波导圆形腔内部，且与位于左侧的基片集成波导圆形腔内部的金属扰动通孔呈中心对称。
进一步，所述二阶基片集成波导圆形腔包括位于左侧的基片集成波波导圆形腔和位于右侧的基片集成波导圆形腔，其中，位于左侧的基片集成波导圆形腔左侧通过共面波导连接有输入微带线，位于右侧的基片集成波导圆形腔右侧通过共面波导连接有输出微带线，且两微带线关于腔体连接处的共面波导呈中心对称。
进一步，所述输入微带线和输出微带线均为50欧姆，输入微带线端部为输入端口，输出微带线端部为输出端口。
有益效果：本发明公开了基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，相对于传统的基片集成波导圆形腔滤波器，可在现有加工精度条件下实现更高频段的传输，有效实现高频化。同时相对于传统的多阶滤波器，在性能相近的条件下，大大减小了滤波器的尺寸，有效实现小型化。并且，相对于传统的多层结构，本发明无需多层结构，仅通过普通的PCB工艺即可实现，结构简单，加工方便。
附图说明
图1为本发明具体实施方式中滤波器的结构图；
图2为本发明具体实施方式中滤波器的频率响应曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
本具体实施方式公开了一种基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，包括二阶基片集成波导圆形腔3，二阶基片集成波导圆形腔3由单个基片集成波导圆形腔31和单个基片集成波导圆形腔32中心对称并通过共面波导7相连得到。二阶基片集成波导圆形腔3包括介质基片，介质基片的上表面设有上金属层，介质基片的下表面设有下金属层，介质基片中沿二阶基片集成波导圆形腔3的周向均匀分布有贯穿上金属层和下金属层的金属通孔4。二阶基片集成波导圆形腔3包括位于左侧的基片集成波波导圆形腔31和位于右侧的基片集成波导圆形腔32，如图1所示，其中，位于左侧的基片集成波导圆形腔31左侧通过共面波导11连接有输入微带线5，位于右侧的基片集成波导圆形腔32右侧通过共面波导12连接有输出微带线6，两微带线关于腔体连接处的共面波导7呈中心对称。输入微带线5和输出微带线6均为50欧姆。输入微带线5端部为输入端口1，输出微带线6端部为输出端口2。
如图1所示，二阶基片集成波导圆形腔3内还设有贯穿上金属层和下金属层的第一类金属扰动通孔8、第二类金属扰动通孔9和第三类金属扰动通孔10。其中第一类金属扰动通孔8位于基片集成波导圆形腔31的中心处；第二类金属扰动通孔9包括位于基片集成波导圆形腔31左侧的金属扰动通孔91和位于基片集成波导圆形腔31右侧的金属扰动通孔92，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔31的直径镜像对称，且位于基片集成波导圆形腔31左侧的共面波导11与腔体连接处共面波导7所在半径所形成夹角的内侧；第三类金属扰动通孔10包括位于基片集成波导圆形腔31上侧的金属扰动通孔101和位于基片集成波导圆形腔31下侧的金属扰动通孔102，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔31的圆心中心对称，且分别位于基片集成波导圆形腔31左侧的共面波导11与腔体连接处共面波导7所在半径所形成夹角的内外两侧。同时位于左侧的基片集成波导圆形腔31内部的第一类金属扰动通孔8、第二类金属扰动通孔9和第三类金属扰动通孔10同样分布在位于右侧的基片集成波导圆形腔32内部，且与位于左侧的基片集成波导圆形腔31内部的金属扰动通孔呈中心对称。
介质基片的相对介电常数为2.2，介质厚度为0.254mm。滤波器的总体平面尺寸为11.3mm*15.7mm。
本具体实施方式中，通过输入端口1输入信号，从输入微带线5输入到加载有第一类金属扰动通孔8、第二类金属扰动通孔9和第三类金属扰动通孔10的二阶基片集成波导圆形腔3，经过滤波后的信号传输至输出微带线6，经过输出端口2输出。
图2为本具体实施方式中滤波器的频率响应曲线，其中两条实线为仿真结果曲线，两条虚线曲线为测试结果曲线，本具体实施方式的滤波器的中心频率为44.5GHz，带宽为4.5GHz，通带内插入损耗优于2dB，通带内回波损耗优于19dB，仿真和测试结果具有良好的一致性。

Claims (5)

1.一种基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，其特征在于，包括二阶基片集成波导圆形腔(3)，二阶基片集成波导圆形腔(3)由单个基片集成波导圆形腔(31)和单个基片集成波导圆形腔(32)中心对称，并由共面波导(7)相连得到；二阶基片集成波导圆形腔(3)包括介质基片，介质基片的上表面设有上金属层，介质基片的下表面设有下金属层，介质基片中沿二阶基片集成波导圆形腔(3)的周向均匀分布有贯穿上金属层和下金属层的金属通孔(4)，介质基片中心设有贯穿上金属层和下金属层的第一类金属微扰通孔(8)，介质基片四周预设位置添加两对贯穿上金属层和下金属层的第二类金属微扰通孔(9)和第三类金属微扰通孔(10)，二阶基片集成波导圆形腔(3)两侧分别通过基片集成波导圆形腔(31)左侧的共面波导(11)和基片集成波导圆形腔(32)右侧的共面波导(12)接有输入微带线(5)和输出微带线(6)。
2.根据权利要求1所述的基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，其特征在于：所述第一类金属扰动通孔(8)位于基片集成波导圆形腔(31)的中心处；所述第二类金属扰动通孔(9)包括位于基片集成波导圆形腔(31)左侧的金属扰动通孔(91)和位于基片集成波导圆形腔(31)右侧的金属扰动通孔(92)，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔(31)的直径镜像对称，且位于基片集成波导圆形腔(31)左侧的共面波导(11)与腔体连接处共面波导(7)所在半径所形成夹角的内侧；所述第三类金属扰动通孔(10)包括位于基片集成波导圆形腔(31)上侧的金属扰动通孔(101)和位于基片集成波导圆形腔(31)下侧的金属扰动通孔(102)，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔(31)的圆心中心对称，且分别位于基片集成波导圆形腔(31)左侧的共面波导(11)与腔体连接处共面波导(7)所在半径所形成夹角的内外两侧。
3.根据权利要求2所述的基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，其特征在于：所述位于左侧的基片集成波导圆形腔(31)内部的第一类金属扰动通孔(8)第二类金属扰动通孔(9)和第三类金属扰动通孔(10)以同样的方式分布在位于右侧的基片集成波导圆形腔(32)内部，且与位于左侧的基片集成波导圆形腔(31)内部的金属扰动通孔呈中心对称。
4.根据权利要求1所述的基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，其特征在于：所述二阶基片集成波导圆形腔(3)包括位于左侧的基片集成波波导圆形腔(31)和位于右侧的基片集成波导圆形腔(32)，其中，位于左侧的基片集成波导圆形腔(31)左侧通过共面波导(11)连接有输入微带线(5)，位于右侧的基片集成波导圆形腔(32)右侧通过共面波导(12)连接有输出微带线(6)，且两微带线关于腔体连接处的共面波导(7)呈中心对称。
5.根据权利要求4所述的基于通孔扰动的高次模基片集成波导圆形腔滤波器，其特征在于：所述输入微带线(5)和输出微带线(6)均为50欧姆。
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