CN111293388A - 基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器 - Google Patents

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汪洋
张景辉
余超
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Abstract

本发明公开了一种基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器。本发明一种基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器，包括：从上到下依次设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四介质层；第一金属化通孔阵列贯穿第一介质层并且和第一金属层以及第二金属层共同构成第一谐振腔；第二金属化通孔阵列贯穿第二介质层，并且与第二金属层、第三金属层共同构成第二谐振腔；第三金属化通孔阵列贯穿第三介质层，并且与第三金属层、第四金属层共同构成第三谐振腔。有益效果：将基片集成波导谐振腔垂直放置，在保证保证基片集成波导性能不变的前提下，可以有效的减小电路面积和封装的面积。

Description

基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器
本申请是申请号为201910137908.X、申请日为2019年02月25日、发明名称为“基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及滤波器领域，具体涉及一种基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器。
背景技术
随着无线通信的迅猛发展，频谱资源越来越紧张，分配到各类通信系统中的可用频率间隔越来越窄，各频段之间的干扰越加严重，对滤波器性能指标提出了很高的要求。高品质因数、低插损、等群时延、高带外抑制、小体积的带通滤波器受到了广泛的关注。
传统技术存在以下技术问题：
在现有的通信系统中，具有有限传输零点和良好频率选择性的准椭圆滤波器得到了越来越多的应用。为了实现准椭圆滤波响应，通常使用交叉耦合、源-负载耦合以及旁路耦合技术，其通过相邻谐振腔之间、源负载之间构造具有一定相位差的多条耦合路径，产生位于通带附近的传输零点，进而提高滤波器的带外抑制。但是这些技术往往不能对传输零点的位置进行控制，设计的灵活性较差，而且这些技术实现的滤波器的耦合拓扑结构往往比较复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器，该滤波器相当于两个二阶混合电磁耦合滤波器级联而成，基片集成波导谐振腔采用垂直堆叠放置，使得电路结构紧凑。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器，包括：
从上到下依次设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四介质层；第一金属化通孔阵列贯穿第一介质层并且和第一金属层以及第二金属层共同构成第一谐振腔；第二金属化通孔阵列贯穿第二介质层，并且与第二金属层、第三金属层共同构成第二谐振腔；第三金属化通孔阵列贯穿第三介质层，并且与第三金属层、第四金属层共同构成第三谐振腔。
在其中一个实施例中，所述第一金属层上设置有输入端口，所述第四金属层上设置有输出端口，输入端口和输出端口都采用微带线到共面波导的过渡结构。
在其中一个实施例中，所述的输出端口通过贯穿三层介质层的第四金属化通孔将能量耦合到所述第一金属层上的50欧姆的微带传输线上。
在其中一个实施例中，所述的第二金属层和第三金属层上分别刻蚀第一圆形耦合孔和第二圆形耦合孔，第一圆形耦合孔和第二圆形耦合孔的中心与所述第四金属化通孔的中心相重合。
在其中一个实施例中，所述第二金属层上刻蚀第一磁耦合矩形槽和第一电耦合圆孔，所述第三金属层上刻蚀第二磁耦合矩形槽和第二电耦合圆孔，其中，第一磁耦合矩形槽和第二磁耦合矩形槽位于谐振腔的边缘位置且关于谐振腔中心对称，实现相邻谐振腔的磁耦合，第一电耦合圆孔和第二电耦合圆孔位于谐振腔的中心位置，实现相邻谐振腔的电耦合。
在其中一个实施例中，通过调节第二金属层上刻蚀的第一磁耦合矩形槽长度和第一电耦合圆孔的半径，可以调节下阻带传输零点的位置。
在其中一个实施例中，通过调节第三金属层上刻蚀的第二磁耦合矩形槽长度和第二电耦合圆孔的半径，调节上阻带传输零点的位置。
本发明的有益效果：
(1)将基片集成波导谐振腔垂直放置，在保证保证基片集成波导性能不变的前提下，可以有效的减小电路面积和封装的面积；
(2)通过在相邻谐振腔之间的公共金属层上刻蚀矩形槽和圆形孔，可以引入电磁混合耦合，从而可以引入有限频率的传输零点，对比现有的滤波器结构，本发明在不引入额外的电路面积的基础上，可以提高滤波器的选择性；
(3)本发明可以通过调整矩形耦合槽的长度和圆形耦合孔的半径分别来控制磁耦合强度和电耦合强度，从而调节电磁混合耦合系数，实现传输零点位置的可控；
(4)本发明具有设计灵活、结构简单、易于集成等优点。
附图说明
图1为二阶电磁混合耦合基片集成波导滤波器结构图。
图2为图1滤波器中间金属层俯视图。
图3为电耦合占主导地位的时候，二阶电磁混合耦合滤波器传输参数随着矩形耦合槽长度的变化。
图4为磁耦合占主导地位的时候，二阶电磁混合耦合滤波器传输参数随着圆形电耦合孔半径的变化。
图5为三阶混合电磁耦合滤波器耦合拓扑结构。
图6为三阶电磁混合耦合基片集成波导滤波器结构示意图。
图7为图6所示滤波器的S参数曲线。
图8为四阶电磁混合滤波器的耦合拓扑结构。
图9为四阶电磁混合耦合滤波器的结构示意图。
图10(a)、(b)分别为图9所示滤波器第一金属层和第二金属层俯视图。
图11为图9所示滤波器的S参数曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例1
图1所示的是二阶电磁混合耦合基片集成波导滤波器的结构示意图，包括依次堆叠的顶面金属层1、第一介质基板2、中间金属层3、第二介质基板4以及底面金属层5。所述的顶面金属层1和中间金属层3之间由穿过第一介质基板2的多个形状和尺寸都相同的金属化通孔阵列7相连接，从而构成第一谐振腔；所述的中间金属层3和底面金属层5之间由穿过第二介质基片层4的多个形状和尺寸都相同的金属化通孔阵列10相连接，构成第二谐振腔。其中中间金属层刻蚀了磁耦合矩形槽9和电耦合圆孔8。中间金属层的俯视图如图2所示，矩形耦合槽9位于基片集成波导谐振腔的边缘位置，且关于谐振腔中心对称，从而实现相邻谐振腔之间的磁耦合；圆形电耦合孔8位于谐振腔的中心位置，实现相邻谐振腔之间的电耦合。此外在顶面金属层1和底面金属层5上设置有输入端口6和输出端口7，输入端口6和输出端口7都采用尺寸相同的微带线到共面波导的过渡结构，且两个端口关于滤波器中心对称。
本发明的设计原理是：通过在相邻谐振腔之间引入混合电磁耦合，使得滤波器的耦合路径翻倍，利用两条耦合路径能量的叠加，从而可以得到有限频率的传输零点，提高滤波器的带外抑制。
其中传输零点的位置fm与滤波器中心频率f0之间的关系如下：
Figure BDA0002435802640000051
其中Ec和Mc分别为混合电磁耦合的电耦合分量和磁耦合分量，总的耦合系数由电耦合分量和磁耦合分量共同决定。通过公式(1)可以看出，混合电磁耦合所产生的传输零点，相对于通带来说，当电耦合占主导地位的时候，传输零点的位置位于通带的上方，当磁耦合占主导地位时，传输零点位于通带的下方。所以可以通过调节磁耦合矩形槽的长度LC和电耦合圆孔的半径RZ来控制混合电磁耦合的磁耦合分量和电耦合分量的大小，从而控制滤波器传输零点的位置和滤波器的相对带宽。
图3所示的是磁耦合占优势的二阶混合电磁耦合滤波器的传输特性曲线，从图中可以看出，当磁耦合矩形槽的长度LC为1.4mm时，随着电耦合圆孔半径RZ的增大，传输零点的位置慢慢的靠近滤波器的通带，滤波器的带宽也会随着减小。
图4所示的是电耦合占优势的二阶混合电磁耦合滤波器的传输特性曲线，从图4中可以看出，当磁耦合矩形槽的长度LC为1.3mm时，随着电耦合圆孔半径RZ的增大，传输零点的位置远离通带，滤波器的带宽也随着增大。
实施例2
本实施例给出的是三阶混合电磁耦合基片集成波导滤波器，该滤波器可以由两个二阶混合电磁耦合滤波器级联得到，其耦合拓扑结构如图5所示，其中谐振器1和谐振器2之间采用磁耦合占优势的混合电磁耦合，谐振器2和谐振器3之间采用电耦合占优势的混合电磁耦合。
本实施例给出的三阶混合电磁耦合基片集成波导滤波器的结构示意图如图6所示。包括从上往下依次堆叠的第一金属层12、第一介质层13、第二金属层14、第二介质层15、第三金属层16、第三介质层17以及第四金属层18。所述的第一金属12和第二金属层16之间由贯穿第一介质层的金属化通孔21相连接，构成第一谐振腔。所述的第二金属层14和第三金属层16之间由贯穿第二介质层的15的金属化通孔24相连接，共同构成第二谐振腔。所述的第三金属层16和第四金属层18之间由贯穿第三介质层17的金属化通孔相连接，共同构成第三谐振腔。
所述的第一金属层12和第四金属层18上设置有输入端口19和输出端口30，输入端口19和输出端口30都采用尺寸相同的微带线到共面波导的过渡结构，其中输出端口30通过贯穿三层介质基板的金属化通孔26将电磁能量耦合到顶层的50Ω的微带线20上，为了提高金属化通孔26的能量耦合的能力，所述的第一金属层14和第二金属层16上刻蚀耦合圆孔23、28，其中耦合圆孔23、28的中心和金属通孔26的中心相重合，通过调节耦合圆孔的半径可以改变金属化通孔26的耦合强度。
为了实现相邻谐振腔之间的混合电磁耦合，所述的第二金属层上设置有磁耦合矩形槽25和电耦合孔22，所述的第三金属层上设置有磁耦合矩形槽29和电耦合孔27，其中磁耦合矩形槽25、29都位于谐振腔的边缘，且关于谐振腔中心对称，电耦合孔22、27都位于谐振腔中间位置。由于在谐振腔的中心处电场最强而磁场最弱，谐振腔边缘处磁场最强而电场最弱，所以磁耦合矩形槽和电耦合孔分别影响谐振腔之间的磁耦合和电耦合。通过调节电耦合圆孔的半径和磁耦合矩形槽的长度，可以分别控制磁耦合系数和电耦合系数，即磁耦合矩形槽越长则磁耦合系数越大，电耦合孔半径越大则电耦合系数越大。
图7为本实施例所给出滤波器的S参数曲线，可以看出，在滤波器的上阻带和下阻带分别引入了一个传输零点。滤波器的中心频率为29.5GHz,带宽为800MHz，通带内的插入损耗2dB，回波损耗优于25dB，两个传输零点的频率分别为27.5GHz和31.2GHz。
实施例3
本实施例给出的是四阶混合电磁耦合基片集成波导滤波器，图8给出的是该滤波器的耦合拓扑结构，可以看出谐振器1和谐振器2之间采用的是磁耦合占优势的混合电磁耦合，谐振器2和谐振器3之间采用的是磁耦合，谐振器3和谐振器4之间采用的是电耦合占优势的混合电磁耦合。
图9所示是四阶混合电磁耦合基片集成波导滤波器结构示意图，包括从上到下依次层叠设置的第一金属层34、第一基板层33、金属化通孔阵列35、第二金属层39、第二基板层40、金属化通孔阵列45、第三金属层50。所述的第一金属层34上设置有输入端口32和输出端口36，输入端口32和输出端口36都采用尺寸相同的微带线到共面波导的过渡结构。所述的金属化通孔阵列35贯穿第一基板层33并且和第一金属层34、第二金属层39共同围成第一谐振腔46与第四谐振腔47，所述的金属化通孔阵列45贯穿第二基板层40并且和第二金属层39、第三金属层50共同围成第二谐振腔48和第三谐振腔49。所述的第一谐振腔46与第二谐振腔48之间通过第二金属层39上刻蚀的磁耦合矩形槽38和电耦合圆形孔41进行能量的耦合，从而实现混合电磁耦合，其中磁耦合矩形槽38位于谐振腔48边缘位置，且关于谐振腔中心对称，电耦合圆孔41位于谐振腔48的中心位置。所述的第三谐振腔49和第四谐振腔47之间通过第二金属层39上刻蚀的磁耦合矩形槽44和电耦合圆形孔43进行能量的耦合，构成混合电磁耦合，其中磁耦合矩形槽44位于谐振腔49边缘位置，且关于谐振腔中心对称，电耦合圆孔43位于谐振腔49的中心位置。所述的第二谐振腔48与第三谐振腔49之间通过感性窗口42相互耦合。
本实施例所述的基片集成波导滤波器在第一谐振腔46与第二谐振腔48、第三谐振腔49与第四谐振腔47之间引入混合电磁耦合，第二谐振腔和第三谐振腔直接引入感性开窗42的磁耦合。通过控制相邻谐振腔之间的混合电磁耦合的大小，可以在滤波器通带的上阻带和下阻带各引入一个传输零点，从而在不增加滤波器电路面积的前提下提高滤波器的带外抑制。图10所示的是滤波器第一金属层34和第二金属层39的示意图，其中第一谐振腔46和第二谐振腔48之间的电耦合强度和磁耦合强度可以通过分别调节磁耦合矩形槽的长度LC1和电耦合圆孔半径RZ1来调整，第二谐振腔48和第三谐振腔49之间的耦合强度可以通过改变感性窗口42的宽度W来调节，第三谐振腔49和第四谐振腔47之间的磁耦合强度和电耦合强度可以分别通过改变磁耦合矩形槽长度LC2和电耦合圆形孔的半径RZ2来调节。通过调节上述参数的值，可以调节本实施例所给出滤波器的传输零点的位置和滤波器的相对带宽。
图11给出了四阶混合电磁耦合基片集成波导滤波器的S参数仿真结果，如图所示，该滤波器的中心频率为29.5GHz，相对带宽为3％，通内的插入损耗约为2dB，回波损耗要优于-25dB，其中滤波器上阻带和下阻带的传输零点的位置都靠近通带，从而大大提高了滤波器的带外抑制。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (1)

1.一种基于电磁混合耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于，包括：
从上到下依次设置的第一金属层、第一介质层、第二金属层、第二介质层、第三金属层、第三介质层和第四介质层；第一金属化通孔阵列贯穿第一介质层并且和第一金属层以及第二金属层共同构成第一谐振腔；第二金属化通孔阵列贯穿第二介质层，并且与第二金属层、第三金属层共同构成第二谐振腔；第三金属化通孔阵列贯穿第三介质层，并且与第三金属层、第四金属层共同构成第三谐振腔；
所述第一金属层上设置有输入端口，所述第四金属层上设置有输出端口，输入端口和输出端口都采用微带线到共面波导的过渡结构；
所述的输出端口通过贯穿三层介质层的第四金属化通孔将能量耦合到所述第一金属层上的50欧姆的微带传输线上；
所述的第二金属层和第三金属层上分别刻蚀第一圆形耦合孔和第二圆形耦合孔，第一圆形耦合孔和第二圆形耦合孔的中心与所述第四金属化通孔的中心相重合；
所述第二金属层上刻蚀第一磁耦合矩形槽和第一电耦合圆孔，所述第三金属层上刻蚀第二磁耦合矩形槽和第二电耦合圆孔，其中，第一磁耦合矩形槽和第二磁耦合矩形槽位于谐振腔的边缘位置且关于谐振腔中心对称，实现相邻谐振腔的磁耦合，第一电耦合圆孔和第二电耦合圆孔位于谐振腔的中心位置，实现相邻谐振腔的电耦合；
通过调节第二金属层上刻蚀的第一磁耦合矩形槽长度和第一电耦合圆孔的半径，调节下阻带传输零点的位置；
通过调节第三金属层上刻蚀的第二磁耦合矩形槽长度和第二电耦合圆孔的半径，调节上阻带传输零点的位置。
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