CN111710947B - 一种基于单个siw腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器 - Google Patents
一种基于单个siw腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，包括多边形介质基板，所述介质基板上表面设有金属层，所述介质基板下表面设有金属接地板，所述介质基板上分别设有输入端口馈线，输出端口馈线，所述介质基板中设有中央金属微扰通孔，第一金属微扰通孔组，第二金属微扰通孔组，第一边侧金属微扰通孔，第二边侧金属微扰通孔，所述上表面金属层蚀刻有第一矩形微扰槽，第二矩形微扰槽。
Description
技术领域
本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器。
背景技术
基片集成波导(SIW，Substrate Integrated Waveguide)技术是近年来提出的一种平面波导技术，它继承了波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了微带的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点。随着现代无线通信技术的蓬勃发展，利用单个多模谐振腔设计带通滤波器在获得高性能的同时更能满足了小型化的设计要求。因此通过引入微扰元素(包括金属微扰通孔，矩形微扰槽等)对谐振腔进行微扰从而设计多通带滤波器在近几年也受到了学者们广泛关注。
文献1(R.S.Chen,Y.J.He,J.E.Xie,L.Zhang and S.W.Wong,“A novel dual-bandbandpass filter using a single perturbed substrate integrated waveguidecavity,”2017IEEE MTT-S International Microwave Symposium(IMS),2017,pp.1076-1079.)通过引入沿SIW腔对角线方向的通孔，设计了一种中心频率可控的双频BPF。虽然上面所涉及的拓扑非常巧妙，但是它们都局限于单带和双带操作。
文献2(R.S.Chen,Y.J.He,J.E.Xie,L.Zhang and S.W.Wong,“A novel compacttri-band filter based on a single substrate integrated waveguide cavity,”2019IEEE International Conference on Computational Electromagnetics(ICCEM),2019,pp.1-3.)采用L形槽加载馈线，利用SIW结构将两个刻蚀有矩形槽的SIW腔级联形成三通带BPF。然而，相对较差的插入损耗和较低的回波损耗会限制其应用。
文献3(A.R.Azad and A.Mohan,“Single-and Dual-Band Bandpass FiltersUsing a Single Perturbed SIW Circular Cavity,”IEEE Microw.Wirel.Compon.Lett.,2019,29,3,pp.201-203.)使用SIW圆腔的前四种谐振模式TM010、TM110和TM210设计了一种单、双通带滤波器，但是它不能得到较高的回波损耗。
发明内容
发明目的：本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑，高性能的基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器。
为了解决上述问题，本发明公开一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，包括多边形介质基板(3)，所述介质基板(3)上表面设有金属层(4)，介质基板(3)下表面设有金属接地板(5)，所述介质基板(3)上表面左下侧设有输入端口馈线(1)并与金属层(4)相连接，所述介质基板(3)上表面右下侧设有输出端口馈线(2)并与金属层(4)相连接，所述金属层(4)边界设有一圈接地柱构成SIW谐振腔(15)，所述SIW谐振腔(15)中间设有中央金属微扰通孔(6)，所述中央金属微扰通孔(6)上方设有第一金属微扰通孔组(7)，下方设有第二金属微扰通孔组(8)，所述中央金属微扰通孔(6)左侧设有第一矩形微扰槽(13)，所述第一矩形微扰槽(13)左侧设有第一边侧金属微扰通孔(9)，所述中央金属微扰通孔(6)右侧设有第二矩形微扰槽(14)，所述第二矩形微扰槽(14)右侧设有第二边侧金属微扰通孔(10)，并且所述第一边侧金属微扰通孔(9)中心、第二边侧金属微扰通孔(10)中心、中央金属微扰通孔(6)中心处于同一条直线上。
进一步的，所述输入端口馈线(1)包括输入50欧姆微带线导带(11)和SIW—共面波导转换结构(12)，所述50欧姆微带线导带(11)的输入端位于多边形介质基板(3)的一个短边的中点处，所述SIW—共面波导转换结构(12)位于输入50欧姆微带线导带(11)的两侧。
进一步的，所述第输出端口馈线(2)包括第50欧姆微带线导带(21)和SIW—共面波导转换结构(22)，所述50欧姆微带线导带(21)的输出端位于多边形介质基板(3)的一个短边的中点处，所述SIW—共面波导转换结构(22)位于输出50欧姆微带线导带(21)的两侧。
进一步的，所述介质基板(3)中央设有由一圈金属通孔围成的SIW谐振腔(15)。
进一步的，所述中央金属微扰通孔(6)位于SIW矩形谐振腔(15)的中心。
进一步的，所述第一金属微扰通孔组(7)位于介质基板(3)沿着垂直方向的中心线上且远离输入端口馈线(1)的一侧，与中央金属微扰通孔(6)相邻，所述第二金属微扰通孔组(8)位于介质基板(3)沿着垂直方向的中心线上且靠近输入端口馈线(1)的一侧，与中央金属微扰通孔(6)相邻。
进一步的，所述第一边侧金属微扰通孔(9)位于谐振腔(15)靠近左侧中间部分，且靠近输入端口馈线(1)的一侧，所述第二边侧金属通孔(10)位于谐振腔(15)靠近右侧中间部分，且靠近输出端口馈线(2)的一侧。
有益效果：与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下有益技术效果：
本发明设计的基于单个SIW腔的中心频率可调三通带滤波器，在单个谐振器上通过引入微扰元素实现三通带滤波功能，满足了小型化的设计要求，此外通过调节通孔和槽形结构实现了中心频率和带宽可调，有效地提高了设计性能和灵活性，此设计非常适用于现代无线通信系统。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。
图1是本发明一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器的结构示意图。
图2是图1的俯视图。
图3是实施例1带通滤波器的结构尺寸示意图。
图4是实施例1带通滤波器带宽可调的S参数仿真图。
图5是实施例1带通滤波器第一和第三通带中心频率可调的S参数仿真图。
图6是实施例1带通滤波器第二通带中心频率可调的S参数仿真图。
图7是实施例1带通滤波器的S参数仿真曲线图。
具体实施方式
实施例1：
如图1所示，本实施例提供了一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器。包括多边形介质基板3和SIW谐振腔15，所述介质基板3上表面设有金属层4，下表面设有金属界地板5，介质基板3上分别设有输入端口馈线1，输出端口馈线2，介质基板3中设有中央金属微扰通孔6，第一金属微扰通孔组7，第二金属微扰通孔组8，第一边侧金属微扰通孔9，第二边侧金属微扰通孔10，所述介质基板3上还蚀刻有第一矩形微扰槽13，第二矩形微扰槽14。所述输入端口馈线1两侧设有SIW—共面波导结构12，所述输出端口馈线2两侧设有SIW—共面波导结构22。
所述输入端口馈线1包括输入50欧姆微带线导带11和SIW—共面波导转换结构12，所述输入端口馈线1与上表面金属层4相连且位于直角处，所述50欧姆微带线导带11的输入端位于多边形介质基板3的一个短边的中点处，所述SIW—共面波导转换结构12位于输入50欧姆微带线导带11的两侧。
所述第输出端口馈线2包括第50欧姆微带线导带21和SIW—共面波导转换结构22，所述输出端口馈线2与上表面金属层4相连且位于直角处，所述50欧姆微带线导带21的输出端位于多边形介质基板3的一个短边的中点处，所述SIW—共面波导转换结构22位于输出50欧姆微带线导带21的两侧。
所述第SIW矩形谐振腔15由金属化通孔组成，加工精度高，体积小，能够实现高频，较强抗干扰性和较高的集成度。
所述中央金属微扰通孔6位于SIW矩形谐振腔15的中心。
所述第一金属微扰通孔组7位于介质基板3沿着垂直方向的中心线上且远离输入端口馈线1的一侧，所述第一金属微扰通孔组7与中央金属微扰通孔6相邻且位于同一竖直线上，所述第二金属微扰通孔组8位于介质基板3沿着垂直方向的中心线上且靠近输入端口馈线1的一侧，所述第二金属微扰通孔组8与中央金属微扰通孔6相邻且位于同一竖直线上。
所述第一边侧金属微扰通孔9位于谐振腔15边侧，所述第一边侧金属微扰通孔9位于与第一金属微扰通孔组7中心线垂直的方向上且靠近输入端口馈线1。所述第二边侧金属通孔10位于谐振腔15边侧，所述第二边侧金属微扰通孔10位于与第二金属微扰通孔组8中心线垂直的方向上且靠近输出端口2。
所述第一矩形微扰槽13位于中央金属微扰通孔6和第一边侧金属微扰通孔9之间，所述第一矩形微扰槽13的短边与第一金属微扰通孔组7平行，所述第二矩形微扰槽14位于中央金属微扰通孔6和第二边侧金属微扰通孔8之间，所述第二矩形微扰槽14的短边与第一金属微扰通孔组7平行，所述第一矩形微扰槽13和第二矩形微扰槽14分别在第一金属微扰通孔组两侧对称设置。
本发明在制造上通过对电路基板一圈打通金属化圆孔及在基板中相应位置打通若干个金属化通孔，从而形成所需的SIW三通带滤波电路结构，可在单个介质基板实现，结构紧凑，实现了小型化的性能。同时，通过改变金属微扰通孔的大小及位置实现了三通带带宽可调和第一及第三通带中心频率可调，此外，在上表面金属层蚀刻矩形微扰槽实现了第二通带中心频率可调。由于本发明基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器的结构紧凑、端口匹配性能好、带宽可调、中心频率可调等优点，适用于现代无线通信系统。
下面结合实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的结构如图1所示，有关尺寸规格如图3所示，在0.508mm厚的RT/duroid5880衬底上实现了三波段SIW带通滤波器，其中εr＝2.2，tanδ＝0.0009。孔的直径为0.6mm，两个相邻孔之间的距离约为1mm。最终确定图1中所示的三频带SIW BPF的最终尺寸为：w1＝15.45,wa＝1,wc＝5.35,ws＝0.61,ws1＝1.2，ws2＝1.2,wms＝1.56,l1＝10.35,lk＝7.8,lm＝3.75,ln＝3.85,lt＝2.9,lp＝1.5,ls＝3.6,ls1＝5.23,ls2＝3.8,tio＝3.9,p＝1,d＝0.6,c＝1,g＝1.2,b1＝1(所有单位：mm)。
图4是本例中带通滤波器带宽可调的S参数仿真图，从图中可以看出，通带1的带宽可调范围为140MHz～200MHz，通带2的带宽可调范围为350MHz～600MHz，通带1的带宽可调范围为500MHz～850MHz。
图5是本例中带通滤波器第一通带和第三通带中心频率可调的S参数仿真图，从图中可以看出，通带1的中心频率可调范围为14.2GHz～14.6MHz，通带2的中心频率可调范围为21.6GHz～22.4GHz。
图6是本例中带通滤波器第二通带中心频率可调的S参数仿真图，从图中可以看出，通带2的中心频率可调范围为16.4GHz～17.5GHz。
图7是本实例中三通带带通滤波器的S参数仿真图，从图中可以看出，该带通滤波器的通带中心频率为14.4GHz，17GHz和22GHz，3dB带宽为180MHz，450MHz和670MHz(Δ1＝1.25％，Δ2＝2.65％，Δ3＝3.04％)。测得的最小带内插入损耗约为2.53GHz，1.23GHz和1.31GHz。此外，通带回波损耗高于17.5GHz，21.3GHz和16.9GHz。
综上所述，本实例的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，它利用了单个谐振腔的六种谐振模式，通过引入微扰元素，实现了(TE101与TE102，TE201与TE202，TE301与TE302)的组合，形成了三个通带，此外改变微扰通孔和槽的大小和位置实现了带宽可调和中心频率可调。相信所提出的设计当然可以应用于先进的无线通信系统中。
本发明提供了一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器的思路及方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，包括多边形介质基板(3)，所述介质基板(3)上表面设有金属层(4)，介质基板(3)下表面设有金属接地板(5)，所述介质基板(3)上表面左下侧设有输入端口馈线(1)并与金属层(4)相连接，所述介质基板(3)上表面右下侧设有输出端口馈线(2)并与金属层(4)相连接，所述金属层(4)边界设有一圈接地柱构成SIW谐振腔(15)，所述SIW谐振腔(15)中间设有中央金属微扰通孔(6)，所述中央金属微扰通孔(6)上方设有第一金属微扰通孔组(7)，下方设有第二金属微扰通孔组(8)，所述中央金属微扰通孔(6)左侧设有第一矩形微扰槽(13)，所述第一矩形微扰槽(13)左侧设有第一边侧金属微扰通孔(9)，所述中央金属微扰通孔(6)右侧设有第二矩形微扰槽(14)，所述第二矩形微扰槽(14)右侧设有第二边侧金属微扰通孔(10)，并且所述第一边侧金属微扰通孔(9)中心、第二边侧金属微扰通孔(10)中心、中央金属微扰通孔(6)中心处于同一条直线上。
2.根据权利要求1所述的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，所述输入端口馈线(1)包括输入50欧姆微带线导带(11)和第一SIW—共面波导转换结构(12)，所述输入50欧姆微带线导带(11)的输入端位于多边形介质基板(3)的一个短边的中点处，所述第一SIW—共面波导转换结构(12)位于输入50欧姆微带线导带(11)的两侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，所述输出端口馈线(2)包括输出50欧姆微带线导带(21)和第二SIW—共面波导转换结构(22)，所述输出50欧姆微带线导带(21)的输出端位于多边形介质基板(3)的一个短边的中点处，所述第二SIW—共面波导转换结构(22)位于输出50欧姆微带线导带(21)的两侧。
4.根据权利要求1所述的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，所述介质基板(3)中央设有由一圈金属通孔围成的SIW谐振腔(15)。
5.根据权利要求1所述的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，所述中央金属微扰通孔(6)位于SIW谐振腔(15)的中心。
6.根据权利要求1所述的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，所述第一金属微扰通孔组(7)位于介质基板(3)沿着垂直方向的中心线上且远离输入端口馈线(1)的一侧，与中央金属微扰通孔(6)相邻，所述第二金属微扰通孔组(8)位于介质基板(3)沿着垂直方向的中心线上且靠近输入端口馈线(1)的一侧，与中央金属微扰通孔(6)相邻。
7.根据权利要求1所述的一种基于单个多模SIW腔的带宽和中心频率可调三通带滤波器，其特征在于，所述第一边侧金属微扰通孔(9)位于SIW谐振腔(15)靠近左侧中间部分，且靠近输入端口馈线(1)的一侧，所述第二边侧金属微扰通孔(10)位于SIW谐振腔(15)靠近右侧中间部分，且靠近输出端口馈线(2)的一侧。
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