CN111740192B

CN111740192B - 一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器

Info

Publication number: CN111740192B
Application number: CN202010849942.2A
Authority: CN
Inventors: 董元旦; 朱谊龙; 杨涛
Original assignee: Chengdu Pinnacle Microwave Co Ltd
Current assignee: Chengdu Pinnacle Microwave Co Ltd
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN111740192A

Abstract

本发明涉及波导技术领域，是一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，包括输入端口、输出端口、叉指结构和基片集成波导谐振腔结构；所述基片集成波导谐振腔结构设置在所述输入端口和输出端口之间；所述基片集成波导谐振腔结构包括顶层金属、底层金属和介质板层，所述介质板层上设置有阵列的金属化过孔，所述金属化过孔连通所述顶层金属和底层金属，以形成基片集成波导谐振腔；设置有至少两个所述基片集成波导谐振腔结构：相邻所述谐振腔之间设置有感性耦合窗；所述叉指结构设置在所述输入端口、输出端口和感性耦合窗中的一个或多个位置，减小滤波器尺寸，并且提高滤波器的选择性。

Description

一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及波导技术领域，具体涉及一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器。

背景技术

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide, SIW)具有一般腔体波导的特性，如高功率容量、低插损，同时它也具有一般平面电路易集成的优点，受到了学术界与工业界的广泛关注。基于基片集成波导技术的滤波器在过去数十年间被大量研究与应用，各种不同类型、滤波器响应、多通带、以及可重构的基片集成波导滤波器被广泛研究。尽管具有十分显著的优点，基片集成波导滤波器也有明显的不足，即其尺寸偏大。相较传统的微带滤波器或者集总参数滤波器，基片集成波导滤波器在横向面积上要大出许多。而随着现代无线通信技术的不断发展，小型化必将是通信系统的发展趋势，因而针对滤波器的小型化也将显得至关重要。

目前，基片集成波导滤波器小型化的方法主要包括多层折叠技术，1/n模切割技术，以及加载技术。基于多层折叠技术的基片集成波导滤波器小型化方法是将多个谐振腔垂直堆叠，减小滤波器的横向面积，在只稍微增加滤波器的剖面高度的情况下，使得滤波器的体积大大减小，但其不足是加工复杂，价格昂贵。1/n模切割技术是沿着基片集成波导谐振腔中心旋转对称切割为n份，每一个1/n模谐振腔均保留了原始全模腔体的谐振特性，但由于切割后的腔体不是一个全封闭的结构，存在一定电磁能量的泄露，从而导致腔体的品质因数降低；基于加载技术的基片集成波导滤波器小型化方法是通过加载金属或者超材料结构，从而增加谐振腔电容或电感，使得腔体谐振腔频率降低从而实现小型化。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提出一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，包括输入端口、输出端口、叉指结构和基片集成波导谐振腔结构；

所述基片集成波导谐振腔结构设置在所述输入端口和输出端口之间；

所述基片集成波导谐振腔结构包括顶层金属、底层金属和介质板层，所述介质板层上设置有阵列的金属化过孔，所述金属化过孔连通所述顶层金属和底层金属，以形成基片集成波导谐振腔；

设置有至少两个所述基片集成波导谐振腔结构：

相邻所述基片集成波导谐振腔之间设置有感性耦合窗；

所述叉指结构设置在所述输入端口、输出端口和感性耦合窗中的一个或多个位置。

进一步，所述叉指结构的谐振频率与所述基片集成波导谐振腔的谐振频率一致。

进一步，所述叉指结构设置于所述感性耦合窗处以形成三阶滤波器。

进一步，所述叉指结构两侧设置有对称的预留感性耦合窗。

进一步，所述预留感性耦合窗内设置有横向排列的金属过孔。

进一步，所述叉指结构设置于所述输入端口和输出端口以形成四阶滤波器。

进一步，所述叉指结构由三对交指构成。

本发明的有益效果：提供一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，以叉指结构作为谐振器与基片集成波导谐振腔混合设计，在同频率下，叉指谐振结构比基片集成波导谐振腔具有更小的物理尺寸，使得滤波器具有紧凑的结构；叉指结构自身的叉指电容相当于在传输路径增加了电耦合，引入基片集成波导谐振腔之间的交叉耦合，在通带一侧产生传输零点，提高滤波器的选择性。

附图说明

用附图对本发明作进一步说明，但附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。

图1是本发明实施例中三阶滤波器的平面结构示意图；

图2是本发明实施例中三阶滤波器仿真S参数示意图；

图3是本发明实施例中四阶滤波器的平面结构示意图；

图4是本发明实施例中四阶滤波器仿真S参数示意图；

图5是本发明实施例中谐振结构的分层结构示意图。

1-叉指结构；2-基片集成波导谐振腔；3-金属化过孔；4-预留感性耦合窗；10-顶层金属；20-介质板层；30-底层金属。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明技术方案作进一步的说明，这是本发明的较佳实施例。

如图1-5所示

本实施例的一种叉指结构1加载的基片集成波导滤波器，包括输入端口、输出端口、叉指结构1和基片集成波导谐振腔2结构；

基片集成波导谐振腔2结构设置在输入端口和输出端口之间；

基片集成波导谐振腔2结构包括顶层金属10、底层金属30和介质板层20，介质板层20上设置有阵列的金属化过孔3，金属化过孔3连通顶层金属10和底层金属30，以形成基片集成波导谐振腔2；

设置有至少两个所述基片集成波导谐振腔2结构：

相邻基片集成波导谐振腔2之间设置有感性耦合窗；

叉指结构1设置在输入端口、输出端口和感性耦合窗中的一个或多个位置。

叉指结构1可以等效看成一种复合左右手传输线结构，基于复合左右手传输线结构的谐振器，由于其独特的相位特性，有着与传统右手传输线结构谐振器不同的独特特性，并且具有比传统右手传输线结构谐振器更小的物理尺寸，相比基片集成波导传输线则尺寸更小，叉指结构1实现的复合左右手传输线谐振器，其叉指电容可以用来表征左手电容，两端接地的过孔可以用来表征左手电感；

作为优选的方案，叉指结构1的谐振频率与基片集成波导谐振腔2的谐振频率一致，使得电磁信号在不同的谐振腔之间产生谐振进而传播。

作为优选的方案，叉指结构1设置于感性耦合窗处以形成三阶滤波器。

该方案的一种实施：采用标准的PCB加工工艺，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0.018mm的金属铜，输入输出端口为特性阻抗为50欧姆的共面波导结构，共面波导结构分别连接到两个基片集成波导谐振腔2，两个基片集成波导谐振腔2之间级联了一个叉指结构1谐振器，基片集成波导谐振腔2被金属化过孔3包围，构成矩形谐振腔，金属化过孔3连接金属上下表面，其直径为0.6mm，过孔间距小于1mm，叉指结构1级联在滤波器中心位置，两侧为直径为0.4mm金属化过孔3，总共六个通孔，在两个基片集成波导谐振腔2之间，设置两个对称的预留感性耦合窗4，提供了两个基片集成波导谐振腔2之间的交叉耦合，基片集成波导谐振腔2的工作模式为TE101模，叉指结构1工作在其主模谐振频率上，与基片集成波导谐振腔2工作频率一致，因而三个谐振器形成三极点带通响应；

其主路径耦合是由基片集成波导谐振腔2到叉指结构1，再由叉指结构1到另一基片集成波导谐振腔2，两个基片集成波导谐振腔2之间，预留两个感性耦合窗，使其在这两个谐振腔之间产生磁耦合，由于这种非相邻谐振腔之间的交叉耦合效应，从而在通带左侧产生一个传输零点；

设计的中心频率为10GHz，3dB带宽为1.19GHz，其结构参数如下表所示，表中各参数为图1中标注的尺寸，单位（mm）：

l1	w1	wm	ls	ws	p1
						14.6	13.65	1.57	2.4	1.9	<1
d1	m1	n1	g1	r1
						0.6	2.88	0.2	0.2	0.4

从该三阶滤波器的仿真S参数可以看出，由于两个基片集成波导谐振腔2间的交叉耦合，在滤波器通带左侧产生了一个传输零点，该滤波器具有较宽的阻带抑制性能，在20GHz范围内，带外抑制均超过20dB。

作为优选的方案，叉指结构1设置于输入端口和输出端口以形成四阶滤波器。

采用标准的PCB加工工艺，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0.018mm的金属铜，滤波器的输入输出端口为50欧姆的微带馈电线结构，两个叉指谐振器分别位于输入输出端口，一端与50欧姆微带馈电直接相连，另外一端与基片集成波导谐振腔2相连。叉指结构1谐振器由三对交指构成，基片集成波导谐振腔2四周被金属化过孔3包围，构成矩形谐振腔，形成封闭的结构，过孔直径为0.6mm，间距小于1mm。两个基片集成波导谐振腔2之间预留一个感性耦合窗，开窗的宽度能控制两个谐振腔之间的耦合系数，两个基片集成波导谐振腔2工作在TE101模式，而两个叉指谐振器工作在自身的主谐振模式，其谐振频率与基片集成波导谐振腔2频率相同，当四个谐振器之间构成合适的耦合系数时，就能形成四极点的通带响应；

设计的中心频率为10GHz，3dB带宽为1.19GHz，其结构参数如下表所示，表中各参数为图3中标注的尺寸，单位（mm）：

l2	w2	wm	vx	vy	p1
						14.45	13.5	1.57	0.8	1.7	<1
d1	ws	g2	m2	n2	dy
						0.6	6.35	0.2	2.77	0.2	1.5

从该四阶滤波器的仿真S参数可以看出，在通带左右两侧均产生了一个传输零点，其带外抑制效果极好，具有良好的选择性。

可以理解的是，叉指结构1作为谐振腔级联在相邻两个基片集成波导谐振腔2处或者是设置在输入输出端口处，对于基片集成波导滤波器来说，可以集成多个谐振腔，通过叉指结构1谐振腔的结合，提高滤波器性能，又可以尽量减小滤波器的尺寸。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“坚直”、“水平”、“中心”、“顶”、“底”、“顶部”、“根部”、“内”、“外”、“外围”、“里侧”、“内侧”、“外侧”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了使于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。其中，“里侧”是指内部或围起来的区域或空间。“外围”是指某特定部件或特定区域的周围的区域。

在本发明的实施例的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“组装”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的实施例的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

在本发明的实施例的描述中，需要理解的是，“-”和“~”表示的是两个数值之同的范围，并且该范围包括端点。例如:“A-B”表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。“A~B''表示大于或等于A，且小于或等于B的范围。

在本发明的实施例的描述中，本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims

1.一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，其特征在于，包括输入端口、输出端口、叉指结构和基片集成波导谐振腔结构；

设置有至少两个所述基片集成波导谐振腔结构：

相邻所述基片集成波导谐振腔之间设置有感性耦合窗；

所述叉指结构设置在所述输入端口、输出端口和感性耦合窗中的一个或多个位置；

所述叉指结构设置于所述输入端口和输出端口以形成四阶滤波器。

2.根据权利要求1所述的一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述叉指结构的谐振频率与所述基片集成波导谐振腔的谐振频率一致。

3.根据权利要求2所述的一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述叉指结构设置于所述感性耦合窗处以形成三阶滤波器。

4.根据权利要求3所述的一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述叉指结构两侧设置有对称的预留感性耦合窗。

5.根据权利要求4所述的一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述预留感性耦合窗内设置有横向排列的金属过孔。

6.根据权利要求1所述的一种叉指结构加载的基片集成波导滤波器，其特征在于，所述叉指结构由三对交指构成。