CN111403861B - 一种uir加载的三阶双通带基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，包括一个基片集成波导谐振腔、两个位于输入输出端口的UIR谐振器以及位于输入输出端口的微带线馈电结构，微带线馈电结构与UIR谐振器连接，两个UIR谐振器对称地置于基片集成波导谐振腔的两侧。本发明实现了三阶的双通带滤波响应，在两个通带内分别形成三个传输极点，本发明的高阶滤波器具有陡峭的边带衰减与更高的带外抑制性能。

Description

一种UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种UIR加载的双通带基片集成波导滤波器。

背景技术

随着现代无线通信技术的急速发展，尤其以5G通信、物联网设备、航空航天为代表的无线通信领域，具有高性能、多功能、集成性、小型化的射频前端系统必将是未来的发展趋势，其中，滤波器作为重要的前端部件，其性能直接决定了整个系统通信质量的优劣。目前，微波滤波器一个重要的研究方向是双通带或者多通带的设计，以满足一些高性能、多频带的通信设备，并且随着通信技术的进一步发展，对于双通带滤波器的需求将会进一步增加，对其性能也会提出更高的要求。

目前，双通带滤波器的设计方法主要包括：1)结合两个不同频带的滤波器，以构成双通带滤波器；2)利用多模谐振器的两个谐振模式，分别形成两个通带；3)结合一个宽带滤波器与一个带阻滤波器，在通带中形成一个陷波以形成两个通带。第一种方法是设计双通带滤波器最直接也最简单的方法，其优点是设计自由度高，双通带频率、带宽等参数能比较容易控制，但不足是滤波器尺寸大。第二种利用多模谐振器设计双通带滤波器，其优势是设计尺寸小，缺点是两个通带频率不易控制，谐振器之间的耦合也难以单独调谐。第三种方法是一种非常直接的滤波器设计方法，但一般用得较少，其缺点是滤波器的频率与带宽不易控制。此外，由于设计高阶滤波器非常复杂，目前大多数双通带滤波器是二阶的，难以实现较高的带外抑制度。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，实现了三阶的双通带滤波响应，具有陡峭的边带衰减与更高的带外抑制性能。

为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：

本方案提供一种UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，包括一个基片集成波导谐振腔、两个位于滤波器输入输出端口的UIR谐振器以及位于输入输出端口的微带线馈电结构，所述微带线馈电结构与所述UIR谐振器连接，两个所述UIR谐振器对称地置于基片集成波导谐振腔的两侧；

本发明的有益效果是：本发明结合了基片集成波导与微带线技术，将基于微带线技术的UIR谐振器置于输入输出端口，由于UIR谐振器本身的小型化特征，使得整个滤波器具有非常紧凑的尺寸。本发明通过以上设计实现了三阶的双通带滤波响应，在两个通带内分别形成三个传输极点，这种高阶的滤波器具有陡峭的边带衰减与更高的带外抑制性能。

进一步地，所述基片集成波导谐振腔为由金属化过孔包围形成的矩形谐振腔，且所述矩形谐振腔的TE₁₀₁模和TE₂₀₁模分别形成两个通带，其中，相邻两个所述金属化过孔的大小与间距均保持一致。

上述进一步方案的有益效果是：本发明利用基片集成波导的多模谐振特性，分别采用TE₁₀₁模和TE₂₀₁模形成两个通带，这种一腔双模的双通带滤波器设计方法可以减少谐振腔的使用数量，从而能明显缩小滤波器尺寸。

再进一步地，所述UIR谐振器由两个电长度不同的终端开口的圆环构成，其中，上圆环的电长度长于下圆环的电长度，且所述上下两个圆环的谐振频率分别与TE₁₀₁模和TE₂₀₁模的频率一致。

上述进一步方案的有益效果是：两个UIR谐振器与基片集成波导谐振腔构成三阶的滤波器，具有更高的带外抑制性能，构成的滤波器尺寸相对较小，此外，UIR谐振器自身能形成一个非谐振节点，由于电磁信号在UIR谐振的传输与反射作用，在两个通带右侧能分别形成一个传输零点，从而提高滤波器的选择性与带外抑制性能。

再进一步地，所述UIR谐振器的输入导纳的表达式如下：

Y_in1＝-jY₁cotθ₁

Y_in2＝-jY₂cotθ₂

其中，Y_in1为UIR谐振器上圆环的输入导纳，Y_in2为UIR谐振器下圆环的输入导纳，j为虚数，Y₁为UIR谐振器上圆环的特性导纳，Y₂为UIR谐振器下圆环的特性导纳，θ₁为UIR谐振器上圆环的电长度，θ₂为UIR谐振器下圆环的电长度。

上述进一步方案的有益效果是：当输入导纳的虚部为零时，两个开口圆环谐振器产生谐振，由此可根据所需要的谐振频率计算相应的UIR谐振器尺寸参数。

再进一步地，所述TE₁₀₁模和TE₂₀₁模的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系表示如下：

其中，

为TE₁₀₁模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，

为TE₂₀₁模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，c为真空的光速，ε_r为介质基板的相对介电常数，μ_r为介质基板的相对磁导率，l为基片集成波导谐振腔的长度，w为基片集成波导谐振腔的宽度。

上述进一步方案的有益效果是：本发明利用TE₁₀₁和TE₂₀₁模形成滤波器的两个通带，即可利用上式计算得到两个模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，并且一旦确定两个通带的中心频率，就可以根据以上的公式计算基片集成波导谐振腔的尺寸l和w。

再进一步地，所述三阶双通带基片集成波导滤波器包括以下结构参数：

所述基片集成波导谐振腔的长度l为28.4mm；

所述基片集成波导谐振腔的宽度w为14.3mm；

所述基片集成波导谐振腔与微带馈电结构的间距d_w为2.2mm；

所述UIR谐振器及微带馈电结构分别偏离滤波器中心的距离d_x为8.5mm；

所述微带馈电结构的长度l_m为2mm；

所述微带馈电结构的宽度w_m为1.57mm；

所述微带馈电结构的阻抗变换器长度l_g为3mm；

所述微带馈电结构的阻抗变换器宽度w_g为4.2mm；

所述金属化过孔的直径d为0.6mm；

所述上圆环的开槽半径R_1a为1.69mm；

所述上圆环的内径R_1b为0.99mm；

所述上圆环开口的角度θ₁为30deg；

所述下圆环的开槽半径R_2a为1.49mm；

所述下圆环的内径R_2b为0.79mm；

所述下圆环开口的角度θ₂为30deg；

所述两个圆环的间距g为0.6mm；

所述圆环的宽度w_R为0.2mm；

相邻两个所述金属化过孔的间距p<1mm。

上述进一步方案的有益效果是：以上设计参数实现了本发明在两个中心频率(7.72GHz和9.9GHZ)良好的双通带响应，从而使得滤波器具有较好的选择性与带外抑制度，并且滤波器尺寸较小。

附图说明

图1为实施例中的三阶双通带滤波器平面结构图。

图2为实施例中仿真的S参数响应示意图。

其中，1-基片集成波导谐振腔，2-UIR谐振器，3-微带线馈电结构，4-金属化过孔。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

实施例

如图1所示，本发明提供了一种UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，该双通带基片集成波导滤波器包括一个基片集成波导谐振腔1、两个位于输入输出端口的UIR谐振器2以及位于输入输出端口的微带线馈电结构3，微带线馈电结构3与UIR谐振器2连接，两个UIR谐振器2对称地置于基片集成波导谐振腔1的两侧。基片集成波导谐振腔1为由金属化过孔4包围形成的矩形谐振腔，且矩形谐振腔的TE₁₀₁模和TE₂₀₁模分别形成两个通带，其中，所述金属化过孔4之间的大小与间距保持一致。UIR谐振器2由两个电长度不同的终端开口的圆环构成，其中，上圆环的电长度长于下圆环的电长度，且上下两个圆环的谐振频率分别与TE₁₀₁模和TE₂₀₁模的频率一致。

本实施例中，该滤波器通过标准的PCB加工工艺而成，电路基板采用Rogers5880基板，厚度为0.508mm，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，基板上下表面为厚度0.018mm的金属铜。将两个UIR谐振器2分别加载到一个基片集成波导谐振腔1的输入输出端口，其结构包含输入输出端口50欧姆的微带线馈电结构3，一个基片集成波导谐振腔1，以及两个UIR谐振器2。输入输出端口50欧姆的微带线馈电结构3通过一定的线宽变化与UIR谐振器2之间相连，该线宽的变化能控制两个通带的外部品质因数。基片集成波导谐振腔1是由金属化过孔4包围起来而形成的矩形谐振腔，金属化过孔4的直径为0.6mm，间距小于1mm，两个UIR谐振器2对称地置于基片集成波导谐振腔1的两侧，其尺寸参数一致。UIR谐振器2是由两个电长度不同的终端开口的圆环构成，上圆环的电长度相对较长，而下圆环的电长度相对较短，两个圆环的谐振频率分别与基片集成波导谐振腔的TE₁₀₁和TE₂₀₁模频率一致，使用两个UIR谐振器2和一个基片集成波导谐振腔1，该滤波器能形成三极点的双通带响应。

本实施例中，如表1所示，表1为三阶双通带滤波器结构参数(单位：mm &deg。

表1

l	w	d<sub>w</sub>	d<sub>x</sub>	l<sub>m</sub>	w<sub>m</sub>	l<sub>g</sub>	w<sub>g</sub>	d
									28.4	14.3	2.2	8.5	2	1.57	3	4.2	0.6
R<sub>1a</sub>	R<sub>1b</sub>	θ<sub>1</sub>	R<sub>2a</sub>	R<sub>2b</sub>	θ<sub>2</sub>	g	w<sub>R</sub>	p
									1.69	0.99	30deg	1.49	0.79	30deg	0.6	0.2	<1mm

表1中：l为基片集成波导谐振腔1的长度；w为基片集成波导谐振腔1的宽度；d_w为基片集成波导谐振腔1与微带馈电结构3的间距；d_x为UIR谐振器2及微带馈电结构3分别偏离滤波器中心的距离；l_m为微带馈电结构3的长度；w_m为微带馈电结构3的宽度；l_g为微带馈电结构3的阻抗变换器长度；w_g为微带馈电结构3的阻抗变换器宽度；d为金属化过孔4的直径；R_1a为上圆环的开槽半径；R_1b为上圆环的内径；θ₁为上圆环开口的角度；R_2a为下圆环的开槽半径；R_2b为下圆环的内径；θ₂为下圆环开口的角度；g为两个圆环的间距；w_R为圆环的宽度；p为相邻两个金属化过孔4的间距。

该滤波器由两个UIR谐振器2和一个基片集成波导谐振腔1构成，UIR谐振器2与输入输出端口偏移滤波器中心一定位置dx，其目的一是不对称馈电将TE₂₀₁模激励起来，二是针对TE₁₀₁模和TE₂₀₁；两个模式产生合适的外部品质因数，从而形成良好的通带。UIR谐振器2由两个大小不同的终端开口的圆环构成，两个开口圆环可分别视为两个电长度不同的四分之一波长谐振器。其等效电路如图1所示，为一端短路、另一端开路的微带线。特性导纳分别为Y₁和Y₂，电长度分别为θ₁和θ₂。则输入导纳Y_in1和Y_in2可分别表示为：

Y_in1＝-jY₁cotθ₁

Y_in2＝-jY₂cotθ₂

其中，Y_in1为UIR谐振器上圆环的输入导纳，Y_in2为UIR谐振器下圆环的输入导纳，j为虚数，Y₁为UIR谐振器上圆环的特性导纳，Y₂为UIR谐振器下圆环的特性导纳，θ₁为UIR谐振器上圆环的电长度，θ₂为UIR谐振器下圆环的电长度。

当输入导纳的虚部为零时，两个开口圆环谐振器产生谐振，由此可根据所需要的谐振频率计算相应的UIR谐振器2尺寸参数。而基片集成波导谐振腔1的尺寸则可根据以下的公式计算，由于利用TE₁₀₁和TE₂₀₁模形成滤波器的两个通带，两个模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔1的尺寸关系表示如下：

其中，

为TE₁₀₁模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，

为TE₂₀₁模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，c为真空的光速，ε_r为介质基板的相对介电常数，μ_r为介质基板的相对磁导率，l为基片集成波导谐振腔的长度，w为基片集成波导谐振腔的宽度。一旦确定两个通带的中心频率，就可以根据以上的公式计算基片集成波导谐振腔的尺寸l和w。

本实施例中，如图2所示，图2为该滤波器的S参数响应，是一个双通带响应，在每个通带内具有三个传输极点。两通带的中心频率分别为7.72GHz和9.95GHz，3dB带宽为1GHz和0.62GHz，该滤波器具有较好的带外抑制性能，两个通带之间的形成三个传输零点(其中有两个传输零点合并在一起)，抑制度最高超过40dB，而在第二通带右侧，出现两个传输零点，使得滤波器具有较好的选择性。

综上所述，本发明提出了一种UIR(Uniform Impedance Resonator,均匀阻抗谐振器)加载的双通带基片集成波导滤波器，基片集成波导谐振腔1由TE₁₀₁模和TE₂₀₁模构成有两个通带；UIR谐振器2由两个终端开口的圆环构成，本发明将一个UIR谐振器2加载到两个基片集成波导谐振腔1之间，由此可构成三阶的双通带滤波器。

本发明结合了微带线和基片集成波导技术，其基本原理是利用了基片集成波导的多模谐振特性，分别用TE₁₀₁模和TE₂₀₁模形成两个不同频率的通带。在一定的频率范围内，两个通带的中心频率可以通过改变基片集成波导谐振腔的尺寸进行调谐，谐振腔的个数与滤波器的阶数正相关，本发明利用一个基片集成波导谐振腔1，则需要使用两个UIR谐振器2，UIR谐振器2是由两段不同电长度的终端开口圆环构成，上半圆环电长度相对较长，而下半圆环则较短，调谐其电长度，使两个圆环的谐振频率分别与基片集成波导谐振腔的TE₁₀₁模和TE₂₀₁模一致，再将UIR谐振器2加载到基片集成波导谐振腔1输入输出端口，在合适的耦合结构下，使得电磁信号在传输过程中，激励起两个基片集成波导谐振腔的TE₁₀₁和TE₂₀₁模，以及UIR谐振器2的两个开口圆环，就能形成双通带的三极点滤波响应。

本发明中，由于UIR谐振器的尺寸非常小，因此将其加载到基片集成波导中不会明显增加滤波器的体积，因而本发明所提出的滤波器具有相对紧凑的尺寸。另外，所提出的UIR谐振器有其固有的一个优势，由于电磁信号在UIR谐振器上的传输与反射作用，使得该谐振器能在两个通带上方分别产生一个传输零点，从而提高滤波器的边带抑制性能，具有较高的选择性。

Claims (5)

1.一种UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，其特征在于，包括一个基片集成波导谐振腔(1)、两个分别位于输入输出端口的UIR谐振器(2)以及位于滤波器输入输出端口的微带线馈电结构(3)，所述微带线馈电结构(3)与所述UIR谐振器(2)连接，两个UIR谐振器(2)对称地置于基片集成波导谐振腔(1)的两侧；

所述UIR谐振器(2)由两个电长度不同的终端开口的圆环构成，其中，上圆环的电长度长于下圆环的电长度，且所述上下两个圆环的谐振频率分别与TE₁₀₁模和TE₂₀₁模的频率一致；所述UIR谐振器(2)与输入输出端口偏移滤波器中心一定位置dx。

2.根据权利要求1所述的UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，其特征在于，所述基片集成波导谐振腔(1)为由金属化过孔(4)包围形成的矩形谐振腔，且所述矩形谐振腔的TE₁₀₁模和TE₂₀₁模分别形成两个通带，其中，相邻两个所述金属化过孔(4)之间的大小与间距均保持一致。

3.根据权利要求2所述的UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，其特征在于，所述UIR谐振器(2)的输入导纳的表达式如下：

Y_in1＝-jY₁cotθ₁

Y_in2＝-jY₂cotθ₂

其中，Y_in1为UIR谐振器上圆环的输入导纳，Y_in2为UIR谐振器下圆环的输入导纳，j为虚数，Y₁为UIR谐振器上圆环的特性导纳，Y₂为UIR谐振器下圆环的特性导纳，θ₁为UIR谐振器上圆环的电长度，θ₂为UIR谐振器下圆环的电长度。

4.根据权利要求3所述的UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，其特征在于，所述TE₁₀₁模和TE₂₀₁模的谐振频率与基片集成波导谐振腔(1)的尺寸关系表示如下：

其中，

为TE₁₀₁模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，

为TE₂₀₁模式的谐振频率与基片集成波导谐振腔的尺寸关系，c为真空的光速，ε_r为介质基板的相对介电常数，μ_r为介质基板的相对磁导率，l为基片集成波导谐振腔的长度，w为基片集成波导谐振腔的宽度。

5.根据权利要求4所述的UIR加载的三阶双通带基片集成波导滤波器，其特征在于，所述三阶双通带基片集成波导滤波器包括以下结构参数：

所述基片集成波导谐振腔(1)的长度l为28.4mm；

所述基片集成波导谐振腔(1)的宽度w为14.3mm；

所述基片集成波导谐振腔(1)与微带馈电结构(3)的间距d_w为2.2mm；

所述UIR谐振器(2)及微带馈电结构(3)分别偏离滤波器中心的距离d_x为8.5mm；

所述微带馈电结构(3)的长度l_m为2mm；

所述微带馈电结构(3)的宽度w_m为1.57mm；

所述微带馈电结构(3)的阻抗变换器长度l_g为3mm；

所述微带馈电结构(3)的阻抗变换器宽度w_g为4.2mm；

所述金属化过孔(4)的直径d为0.6mm；

所述上圆环的开槽半径R_1a为1.69mm；

所述上圆环的内径R_1b为0.99mm；

所述上圆环开口的角度θ₁为30deg；

所述下圆环的开槽半径R_2a为1.49mm；

所述下圆环的内径R_2b为0.79mm；

所述下圆环开口的角度θ₂为30deg；

所述两个圆环的间距g为0.6mm；

所述圆环的宽度w_R为0.2mm；

相邻两个所述金属化过孔(4)的间距p<1mm。

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