CN111446532A - 一种基于基片集成波导的同轴谐振腔及其滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于基片集成波导的同轴谐振腔及其滤波器，包括紧密贴合的两层厚度不同且四周均设置有金属化过孔的PCB板，以及中心短路的金属化圆盘。滤波器包括第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔、第三同轴谐振腔和第四同轴谐振腔，以及输入输出端口结构。本发明利用谐振腔的同轴谐振模式形成通带，该滤波器工作于同轴谐振模式，四个谐振腔构成四阶的滤波器；本发明通过在非相邻腔体之间引入交叉耦合，能在滤波器的通带右侧产生一个传输零点，提高滤波器的上边带的选择性。本发明通过以上设计，其滤波器具有抑制基片集成波导同轴谐振腔高次模式的特性，带外抑制度高，具有较宽阻带抑制性能。

Description

一种基于基片集成波导的同轴谐振腔及其滤波器
技术领域
本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导的同轴谐振腔及其滤波器。
背景技术
随着无线通信技术的飞速发展，尤其在移动通信、物联网、军事应用等领域，研发具有高性能、多功能的小型化通信系统成为当前的一个热门趋势。射频前端是通信系统的重要组成部分，其中，滤波器又作为关键的前端器件，起着滤除干扰信号，而使有用信号低损耗通过的关键作用，因此，滤波器的高性能、小型化的设计，对于整个通信系统具有非常重要的研究与商业价值。基片集成波导滤波器是近年来提出的一种平面结构滤波器，具有高Q值、低插损、大功率容量等优点，因其优异的特性，基片集成波导滤波器已成为一个热门的研究方向，并被广泛用于各类通信系统中，但这种滤波器也有其不足之处，一是它的体积相对一般的微带滤波器较大；二是它的高次模式离通带较近，难以实现较宽的阻带带宽。
目前学界已提出多种基片集成波导滤波器小型化的方法，包括1/n模切割技术、多层折叠技术以及加载技术等。如文献“Design of Compact Bandpass Filters UsingQuarter-Mode and Eighth-Mode SIW Cavities”用四分之一模和八分之一基片集成波导谐振腔来设计滤波器，使得滤波器尺寸大为减小，但该方法不足之处是滤波器Q值降低、插损增大。文献“Multilayered substrate integrated waveguide(MSIW)elliptic filter”提到了一种双层结构的四阶基片集成波导滤波器，双层设计方法能使能使滤波器尺寸缩小一半，但其加工较为复杂。文献“Substrate Integrated Waveguide Loaded byComplementary Split-Ring Resonators and Its Applications to MiniaturizedWaveguide Filters”提出一种在基片集成波导表面刻蚀互补开口谐振环的方式来设计滤波器，该方法能大大减小了滤波器的设计尺寸，但同样面临Q值降低、插损增大的问题。
发明内容
针对现有技术中的上述不足，本发明提供的一种基于基片集成波导的同轴谐振腔及其滤波器，解决了现有滤波器体积较大且难以实现较宽阻带带宽的问题。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案为：
本方案提供一种基于基片集成波导的同轴谐振腔，包括紧密贴合的两层厚度不同且四周均设置有金属化过孔的PCB板，以及中心短路的金属化圆盘；所述PCB板包括底层PCB板和顶层PCB板；
所述金属化圆盘刻蚀在底层PCB板的上表面，且所述金属化圆盘的中心通过金属化过孔与底层PCB板的下表面连接；
所述金属化圆盘与顶层PCB板的上表面保持固定间距，且所述金属化圆盘与顶层PCB板的上表面形成一个缝隙电容；
所述顶层PCB板的下表面与底层PCB板的上表面刻蚀有大小相同的正方形开槽。
本发明的有益效果是：本发明提出了一种小型化的基片集成波导同轴谐振腔，通过在基片集成波导内部加载中心短路的金属化圆盘形结构，从而激励起基片集成波导的凋落模式，该工作模式下的谐振频率远小于相同尺寸下基片集成波导的截止频率，使得所提出的基片集成波导同轴谐振腔具有小型化的特性，并保持较高的品质因数。
进一步地，所述顶层PCB板的上表面和底层PCB板的下表面均敷设有铜。
上述进一步方案的有益效果是：本申请通过敷设铜能有效地减小阻抗，提高抗干扰能力，并且形成一个全封闭的结构，提高滤波器的品质因数。
基于上述同轴谐振腔，本发明还提供了一种基于基片集成波导同轴谐振腔的滤波器，所述滤波器包括第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔、第三同轴谐振腔和第四同轴谐振腔，以及输入输出端口结构；
各所述同轴谐振腔包括厚度不同且四周设置有金属化过孔的底层PCB板和顶层PCB板，及其一一对应的第一金属化圆盘、第二金属化圆盘、第三金属化圆盘和第四金属化圆盘，所述输入输出端口结构位于底层PCB板的下表面，其输入端与所述第一金属化圆盘连接，其输出端与第四金属化圆盘连接；
所述顶层PCB板的下表面刻蚀有四个矩形槽，且所述四个矩形槽的四周为由金属化过孔包围形成的矩形腔体；
所述底层PCB板的上表面刻蚀有四个矩形槽，且所述四个矩形槽的四周为由金属化过孔包围形成的矩形腔体，所述第一金属化圆盘、第二金属化圆盘、第三金属化圆盘以及第四金属化圆盘一一对应的设置于所述四个矩形槽的中心，且各所述金属化圆盘的中心分别均通过金属化过孔与底层PCB板的下表面连接。
本发明的有益效果是：本发明基于以上所提出的基片集成波导谐振腔进行滤波器设计，利用谐振腔的同轴谐振模式形成通带，该滤波器工作于同轴谐振模式，四个谐振腔构成四阶的滤波器；相比于传统的基片集成波导的滤波器设计方法，本发明所提出的滤波器尺寸更小；所设计的滤波器具有抑制基片集成波导同轴谐振腔高次模式的特性，带外抑制度高，具有较宽阻带抑制性能。
进一步地，所述滤波器还包括在第一同轴谐振腔和第四同轴谐振腔之间设置两端加载方形面盘的长条状结构，所述长条状结构伸入第一金属化圆盘和第四金属化圆盘的内部，与并与所述第一金属化圆盘和第四金属化圆盘之间存在缝隙。
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过在非相邻腔体之间引入交叉耦合，可以在通带右侧额外引入一个传输零点，并且传输零点的位置随交叉耦合强度可控，能在滤波器的通带右侧产生一个传输零点，提高滤波器的上边带的选择性。
再进一步地，所述输入输出端口结构为共面波导结构，其尾部通过金属过孔连接所述底层PCB板的上表面，并与所述第一金属化圆盘连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中共面波导馈电结构直接与第一金属化圆盘相连，使得耦合量大，形成的通带带宽较宽。
再进一步地，所述第一金属化圆盘与第二金属化圆盘之间、所述第二金属化圆盘与第三金属化圆盘之间以及所述第三金属化圆盘与第四金属化圆盘之间均通过带状线连接，其中，
与输入输出端口结构连接的第一金属化圆盘和第四金属化圆盘的半径小于第二金属化圆盘和第三金属化圆盘的半径。
上述进一步方案的有益效果是：本申请所提出的滤波器由四个基片集成波导谐振腔构成，谐振腔之间通过带状线直接相连，带状线的长度、粗细可控制腔体之间的耦合；本发明中将四个金属化圆盘半径的进行微调，使得其谐振频率不一致，从而实现通带内良好的阻抗匹配。
再进一步地，所述底层PCB板上表面四个矩形槽的大小与顶层PCB板下表面四个矩形槽的大小相同。
上述进一步方案的有益效果是：本发明中通过刻蚀矩形槽，并在其中心敷设中心短路的金属化圆盘，当两个层PCB板紧密贴合时，可以形成良好的同轴谐振腔结构。
再进一步地，所述顶层PCB板的上表面与底层PCB板的下表面全敷设有铜：
上述进一步方案的有益效果是：本发明通过敷设铜，有效地减小阻抗，提高抗干扰能力，并且形成一个全封闭的结构，提高滤波器的品质因数。
再进一步地，所述底层PCB板和所述顶层PCB板通过螺钉连接。
上述进一步方案的有益效果是：本发明对滤波器的两层PCB板分别单独进行加工，最后用螺钉将两层PCB板贴合在一起，便于安装。
附图说明
图1为本实施例1中基片集成波导同轴谐振腔的结构示意图。
图2为本实施例1中基片集成波导同轴谐振腔的同轴谐振模式场分布图。
图3为本实施例2中基片集成波导同轴滤波器的三维示意图。
图4为本实施例2中基片集成波导同轴滤波器的顶层PCB板与底层PCB 板的平面示意图。
图5为本实施例2中S参数响应示意图。
图6为本实施例3中基片集成波导同轴滤波器的顶层PCB板与底层PCB 板的平面示意图。
图7为本实施例3中S参数响应。
其中，1-PCB板，101-底层PCB板，102-顶层PCB板，2-金属化圆盘， 201-第一金属化圆盘，202-第二金属化圆盘，203-第三金属化圆盘，204-第四金属化圆盘，3-金属化过孔，4-输出端口结构，5-长条状结构，6-螺钉孔。
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1
如图1所示，本发明公开了一种基于基片集成波导的同轴谐振腔，同轴谐振腔包括紧密贴合的两层厚度不同且四周均设置有金属化过孔的PCB板1，以及中心短路的金属化圆盘2；金属化圆盘2刻蚀在底层PCB板101的上表面，且金属化圆盘2的中心通过金属化过孔3与底层PCB板101的下表面连接；所述PCB板1包括底层PCB板101和顶层PCB板102金属化圆盘2与顶层PCB板102的上表面保持固定间距，且金属化圆盘2与顶层PCB板102 的上表面形成一个缝隙电容；顶层PCB板102的下表面与底层PCB板101的上表面均刻蚀有大小相同的正方形开槽。
本实施例中，如图1所示，图1(a)为同轴谐振腔的平面示意图，图1(b)为同轴谐振腔的三维结构示意图，图1(c)为同轴谐振腔的剖面图。该同轴谐振腔为双层结构，分别由两层厚度不同的PCB板1紧密贴合而形成的全封闭结构，上下两层的厚度分别为h1和h2，PCB板1四周为金属化过孔3，半径为0.3mm。顶层PCB板102的上表面与底层PCB板101的下表面均全敷铜，顶层PCB 板102的下表面与底层PCB板101的上表面则刻蚀了大小相同的正方形开槽，金属化圆盘2与顶层PCB板102上表面间距为h1，二者形成一个缝隙电容，在底层PCB板101上表面，即同轴谐振腔中心位置，半径为R的金属化圆盘2刻蚀在底层PCB板101上表面，金属化圆盘2的中心通过半径0.2mm的金属化过孔3与底层PCB板101下表面相连，由于该中心短路的金属化圆盘的加载作用，使得基片集成波导的凋落模式被激励起来。
本实施例中，如图2所示，图2(a)为电场分布图，同轴谐振模式在金属化圆盘2四周谐振状态下电场分布最大，图2(b)为磁场分布图，同轴谐振模式在金属化圆盘2四周有最大的电场分布，而在中心短路的过孔附近，则有最大的磁场分布。由于同轴谐振模式的频率远低于相同尺寸下基片集成波导的截止频率，使得该基片集成波导同轴谐振腔具有小型化特性，利用该同轴谐振腔也就能进行滤波器的小型化设计。
本发明通过在基片集成波导谐振腔内部插入中心短路的金属化圆盘2，可以在基片集成波导截止频率以下，激励起它的凋落模式，也称之为同轴谐振模式，同轴模式的谐振频率远低于基片集成波导的截止频率，因而同样的谐振频率下，本发明所提出的基片集成波导谐振腔尺寸更小。
实施例2
基于上述所提出的基片集成波导同轴谐振腔，本发明提出了以该谐振腔为基本单元的滤波器，如图3所示，一种基于基片集成波导同轴谐振腔的滤波器，包括第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔、第三同轴谐振腔和第四同轴谐振腔，以及输入输出端口结构4；各同轴谐振腔包括厚度不同且四周设置有金属化过孔的底层PCB板101和顶层PCB板102，及其一一对应的第一金属化圆盘201、第二金属化圆盘202、第三金属化圆盘203和第四金属化圆盘204，输入输出端口结构4位于底层PCB板101的下表面，其输入端与第一金属化圆盘201 连接，其输出端与第四金属化圆盘204连接；底层PCB板101的上表面刻蚀有四个矩形槽，且四个矩形槽的四周为由金属化过孔3包围形成的矩形腔体，第一金属化圆盘201、第二金属化圆盘202、第三金属化圆盘203以及第四金属化圆盘204一一对应的设置于该四个矩形槽的中心，并分别通过金属化过孔 3与底层PCB板101的下表面连接；顶层PCB板102的下表面刻蚀有四个矩形槽，且四个矩形槽的四周为由金属化过孔3包围形成的矩形腔体。
本实施例中，采用标准的PCB板1加工工艺，对滤波器的两层PCB板1 分别单独进行加工，最后用螺钉将两层PCB板1贴合在一起以构成滤波器。电路PCB板均采用Rogers5880PCB板，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，滤波器的顶层PCB板102的厚度为0.254mm，底层PCB板101的厚度为 0.508mm，PCB板1上下表面的金属铜厚度为0.018mm，如图3所示，PCB 板1四周为六个预留的直径2mm的螺钉孔6。如图4所示，图4(a)和图4 (b)分别为上下两层PCB板的平面示意图，顶层PCB板102的上表面均敷设有铜，顶层PCB板102的下表面则刻蚀出四个矩形槽，其四周则是由金属化过孔3包围而形成的矩形腔体。金属化过孔3的半径为0.3mm，间距小于 1mm。对于底层PCB板101，其上表面同样刻蚀出与顶层PCB板101同样大小的四个矩形槽，其四周被金属化过孔3包围，在四个矩形槽中心，分别刻蚀四个金属圆盘2，其中，与输入输出端口4相连接的第一金属化圆盘201和第四金属化圆盘204的半径为3.29mm，另外两个金属化圆盘2半径为3.39mm。四个金属化圆盘2的中心均通过半径为0.2mm的金属化过孔3与底层PCB板 101的下表面相连，第一金属化圆盘201与第二金属化圆盘202之间、第二金属化圆盘202与第三金属化圆盘203之间以及所述第三金属化圆盘203与第四金属化圆盘204之间均通过带状线连接，线宽为0.2mm。而输入输出端口结构 4则位于底层PCB板102的下表面，为50欧姆的共面波导结构，在共面波导尾部，通过半径0.2mm的金属化过孔3连接到底层PCB板101的上表面，与第一金属化圆盘201相连。
本实施例中，该滤波器工作于同轴谐振模式，四个谐振腔构成四阶的滤波器，如图5所示，图5(a)和图5(b)所示，分别为滤波器在2-10GHz和2-25GHz 的滤波器S参数响应。本申请所设计的滤波器中心频率为5GHz，3dB带宽为 1.12GHz，可以看到，滤波器在25GHz范围内，带外抑制均在25dB以下，具有较宽阻带抑制性能。
实施例3
如图6所示，在实施例2的基础上，本发明还提供了一种基于基片集成波导同轴谐振腔的滤波器，与实施例2不同的是：该滤波器在第一同轴谐振腔和第四同轴谐振腔之间设置两端加载方形面盘的长条状结构5，所述长条状结构 5伸入第一金属化圆盘201和第四金属化圆盘204的内部，与并与所述第一金属化圆盘201和第四金属化圆盘204之间存在缝隙。
如图6所示，分别为滤波器上下两层PCB板的平面示意图。其中，顶层 PCB板101尺寸与实施例1完全相同，底层PCB板102在结构上略有不同，其不同之处在于：在第一同轴谐振腔和第四同轴谐振腔之间，即底层PCB板 102的上表面，引入了两端加载方形面盘的长条状结构5。该长条状结构5伸入金属化圆盘2的内部，与金属化圆盘2之间的缝隙间距为0.15mm。两端方形面盘的边长为0.8mm，整个长条状结构5的长度为7.8mm，线宽为0.2mm。该长条状结构5的引入增加了非相邻腔体之间的交叉耦合，在滤波器通带右侧产生了一个传输零点，提高了上边带的选择性。
本实施例中，如图7所示，图7为该滤波器的S参数响应，中心频率为 5GHz，3dB带宽为1.12GHz，传输零点位于6.67GHz，在同侧右侧具有较高的选择性。本发明通过在非相邻腔体之间引入交叉耦合，可以在通带右侧额外引入一个传输零点，并且传输零点的位置随交叉耦合强度可控，进一步提高上边带的选择性。
综上所述，本申请所提出的滤波器由四个基片集成波导同轴谐振腔构成，其中，同轴谐振腔之间通过带状线直接相连，带状线的长度、粗细可控制腔体之间的耦合。滤波器的馈电结构通过共面波导与金属化圆盘直接相连，设置合适的同轴谐振腔之间的电磁耦合以及外部品质因数，就能形成具有良好滤波特性的通带。此外，由于每个同轴谐振腔的输入输出耦合线刚好水平或者竖直与金属化圆盘相连，其连接位置刚好位于基片集成波导同轴谐振腔高次模式电场最弱的地方，因此，本申请所提出的滤波器能较好地抑制高次模式，具有较宽的阻带带宽。

Claims (9)

1.一种基于基片集成波导的同轴谐振腔，其特征在于，包括紧密贴合的两层厚度不同且四周均设置有金属化过孔(3)的PCB板(1)，以及中心短路的金属化圆盘(2)；所述PCB板(1)包括底层PCB板(101)和顶层PCB板(102)；
所述金属化圆盘(2)刻蚀在底层PCB板(101)的上表面，且所述金属化圆盘(2)的中心通过金属化过孔(3)与底层PCB板(101)的下表面连接；
所述金属化圆盘(2)与顶层PCB板(102)的上表面保持固定间距，且所述金属化圆盘(2)与顶层PCB板(102)的上表面形成一个缝隙电容；
所述顶层PCB板(102)的下表面与底层PCB板(101)的上表面均刻蚀有大小相同的正方形开槽。
2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔，其特征在于，所述顶层PCB板(102)的上表面和底层PCB板(101)的下表面均敷设有铜。
3.一种基于权利要求1所述基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，包括第一同轴谐振腔、第二同轴谐振腔、第三同轴谐振腔和第四同轴谐振腔，以及输入输出端口结构(4)；
各所述同轴谐振腔包括厚度不同且四周设置有金属化过孔的底层PCB板(101)和顶层PCB板(102)，及其一一对应的第一金属化圆盘(201)、第二金属化圆盘(202)、第三金属化圆盘(203)和第四金属化圆盘(204)，所述输入输出端口结构(4)位于底层PCB板(101)的下表面，其输入端与所述第一金属化圆盘(201)连接，其输出端与第四金属化圆盘(204)连接；
所述底层PCB板(101)的上表面刻蚀有四个矩形槽，且所述四个矩形槽的四周为由金属化过孔(3)包围形成的矩形腔体，所述第一金属化圆盘(201)、第二金属化圆盘(202)、第三金属化圆盘(203)以及第四金属化圆盘(204)一一对应的设置于所述四个矩形槽的中心，并分别通过金属化过孔(3)与底层PCB板(101)的下表面连接；
所述顶层PCB板(102)的下表面刻蚀有四个矩形槽，且所述四个矩形槽的四周为由金属化过孔(3)包围形成的矩形腔体。
4.根据权利要求3所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，还包括在第一同轴谐振腔和第四同轴谐振腔之间设置两端加载方形面盘的长条状结构(5)，所述长条状结构(5)伸入第一金属化圆盘(201)和第四金属化圆盘(204)的内部，并分别与所述第一金属化圆盘(201)和第四金属化圆盘(204)之间存在缝隙。
5.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，所述输入输出端口结构(4)为共面波导结构，其尾部通过金属化过孔(3)连接在所述底层PCB板(101)的上表面，并与所述第一金属化圆盘(201)连接。
6.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，所述第一金属化圆盘(201)与第二金属化圆盘(202)之间、所述第二金属化圆盘(202)与第三金属化圆盘(203)之间以及所述第三金属化圆盘(203)与第四金属化圆盘(204)之间均通过带状线连接，其中，
与输入输出端口结构(4)连接的第一金属化圆盘(201)和第四金属化圆盘(204)的半径小于第二金属化圆盘(202)和第三金属化圆盘(203)的半径。
7.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，所述底层PCB板(101)上表面四个矩形槽的大小与顶层PCB板(102)下表面四个矩形槽的大小相同。
8.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，所述底层PCB板(101)的下表面和所述顶层PCB板(102)的上表面均敷设有铜。
9.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的同轴谐振腔的滤波器，其特征在于，所述底层PCB板(101)和所述顶层PCB板(102)通过螺钉连接。
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