CN112002974A - 一种小型化siw谐振腔及其构成的宽阻带siw滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化SIW谐振腔及其构成的宽阻带SIW滤波器，提出了一种新型的容性加载方案，在传统SIW谐振腔的基础上，通过将腔体中心的部分底层金属向内凹陷，也就是减小部分底层金属与底层金属之间的间距，对SIW谐振腔的TE₁₀₁模进行电容性加载，从而使得TE₁₀₁模的谐振频率降低，实现了SIW谐振腔的小型化。由于容性加载的位置位于腔体中心，该容性加载对TE₂₀₁和TE₁₀₂模的谐振频率几乎没有影响，从而使得该高次谐振频率远离主模频率；通过将三个谐振腔体进行级联构成三阶滤波器，可实现的滤波器的小型化设计，同时也使滤波器具有宽阻带特性。

Description

一种小型化SIW谐振腔及其构成的宽阻带SIW滤波器

技术领域

本发明属于波导滤波器设计技术领域，具体涉及一种小型化的宽阻带基片集成波导滤波器。

背景技术

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)滤波器因其优异的滤波特性，如高品质、大容量功率、易于平面电路集成等特点，在过去数十年间收到学术界与工业界的广泛官洲。尽管它在许多方面具有优势，SIW滤波器也有天然的不足，其一，它的尺寸相对微带滤波器偏大，在系统应用中将收到尺寸的限制；其二、SIW滤波器的高次模频率离通带频率较近，难以实现阻带特性。就不断发展的无线通信技术而言，小型化、高性能是未来通信系统的发展趋势，因而实现小型化、宽度带微波滤波器必将得到进一步的开发与应用。

目前，SIW滤波器小型号技术包括1/n模切割技术、多层折叠技术以及加载技术。1/n模切割技术是将SIW谐振腔中沿中心线切割，得到半模、四分之一模、八分之一模、甚至十六分之一模，从而大大减小尺寸，但缺点是会造成Q值降低、插损增加；多层折叠技术是将SIW谐振腔垂直叠层分布，减小横向面积，但加工复杂，成本较高；而加载技术通过增加电容或电感效应、使得谐振频率降低从而实现小型化。

另一方面，SIW滤波器的宽阻带特性可通过抑制其高次模得到，常用的方法是通过馈电端口设计，使得高次谐振模式下不能被有效的激励，或者通过耦合窗的设计，使得高次模式不能有效地传播，从而使得高次模得到有效抑制，实现宽阻带特性。

发明内容

针对现有技术中的上述不足，本发明提供的小型化SIW谐振腔及其构成的宽阻带SIW滤波器解决了现有的SIW滤波器尺寸偏大且难以实现宽阻带特性的问题。

为了达到上述发明目的，本发明采用的技术方案为：一种小型化SIW谐振腔，包括顶层基板和底层基板，所述顶层基板和底层基板四周通过第一金属化过孔构成电壁形成所述小型化SIW谐振腔的矩形腔体结构；

所述底层基板表面中心设置有一个矩形金属贴片，所述矩形金属贴片四周设置有第二金属化过孔，且所述第二金属化过孔与所述底层基板上的底层金属连接。

进一步地，所述顶层基板和底层基板的基板材料为Rogers5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；

所述顶层基板的厚度为0.127mm，所述底层基板的厚度为0.508mm；

所述顶层基板和底层基板上下表面均设置有一层厚度为0.018mm的金属铜。

进一步地，所述第一金属化过孔的半径为0.3mm，所述第二金属化过孔的半径为0.2mm。

一种小型化SIW谐振腔的宽阻带SIW滤波器，其特征在于，包括级联的第一小型化SIW谐振腔、第二小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔；

所述第一小型化SIW谐振腔、第二小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔的顶层基板和底层基板均通过PCB加工工艺加工成统一整体，作为宽阻带 SIW滤波器的顶层基板和底层基板；

所述宽阻带SIW滤波器的顶层基板上设置有输入端口和输出端口；

所述输入端口和输出端口均由共面波导线构成，所述输入端口的共面波导线与所述第一小型化SIW谐振腔连接，所述输出端口的共面波导线与所述第三小型化SIW谐振腔连接。

进一步地，所述共面波导线的阻抗为50欧姆。

进一步地，所述第一小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔的尺寸完全相同，所述第二小型化SIW谐振腔的横向尺寸大于第一小型化SIW谐振腔及第三小型化SIW谐振腔的横向尺寸。

进一步地，所述第二小型化SIW谐振腔与所述第一小型化SIW谐振腔及第三小型化SIW谐振腔相邻侧形成宽度为C_w的耦合窗，所述耦合窗的宽度C_w可调节。

进一步地，所述顶层基板和底层基板未设置输入端口及输出端口的两侧分别预留三个一一对应的第三金属化过孔；

所述顶层基板和底层基板通过螺钉穿过第三金属化过孔将其拧合，构成完整的宽阻带SIW滤波器。

进一步地，所述第三金属化过孔的半径为1mm。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供了一种新的SIW谐振腔，通过将传统基片集成波导的底层金属箱内凹陷，也就是增加了TE₁₀₁模的电容加载效应，从而降低了谐振腔的谐振频率，实现了滤波器的小型化涉及，使得设计的滤波器具有非常紧凑的尺寸；

2、在传统的基片波导中心进行电容性加载，该容性加载结构只会降低TE₁₀₁模的谐振频率，而对TE₁₀₂和TE₂₀₁模的谐振频率影响不大，就滤波器设计而言，能使得滤波器的高次谐振进一步推远，实现进3倍频程的阻带抑制性能，远远超过当前传统的基片波导滤波器的阻带抑制特性。

附图说明

图1为本发明提供的小型化SIW谐振器三维结构结构示意图。

图2为本发明提供的小型化SIW谐振腔平面结构示意图。

图3为本发明提供的小型化SIW谐振腔剖面结构示意图。

图4为本发明提供的宽阻带SIW滤波器三维结构示意图。

图5为本发明提供的宽阻带SIW滤波器的平面结构示意图。

图6为本发明提供的滤波器的S参数响应示意图。

其中：1、顶层基板；2、底层基板；3、第一金属化过孔；4、矩形金属贴片；5、第二金属化过孔；6、输入端口；7、输出端口；8、第三金属化过孔。

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1：

如图1-3所示，一种小型化SIW谐振腔，包括顶层基板1和底层基板2，所述顶层基板1和底层基板2四周通过第一金属化过孔3构成电壁形成所述小型化SIW谐振腔的矩形腔体结构；

所述底层基板2表面中心设置有一个矩形金属贴片4，所述矩形金属贴片4 四周设置有第二金属化过孔5且所述第二金属化过孔5与所述底层基板2上的底层金属连接。

本实施例中的小型化SIW谐振腔采用标准的PCB加工工艺，利用双层基板来实现底层的凹陷方案；其中，顶层基板1和底层基板2的基板材料为Rogers5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；顶层基板1的厚度为 0.127mm，底层基板2的厚度为0.508mm；顶层基板1和底层基板2上下表面均有一层厚度为0.018mm的金属铜；基于仿真复杂度及加工精度，本实施例汇总的第一金属化过孔3的半径为0.3mm，第二金属化过孔5的半径为0.2mm。

基于上述SIW谐振腔结构，相较于传统的SIW谐振腔，相当于是将传统 SIW谐振腔的底层金属向内凹陷，就TE₁₀₁模而言，该金属贴片与顶层金属之间形成电容加载效应，使得谐振频率降低，而对TE₂₀₁模和TE₁₀₂模而言，由于中心位置电场最弱，电容加载效应非常弱，因而对其频率影响较小。

实施例2：

如图4-5所示，一种包括上述小型化SIW谐振腔的宽阻带SIW滤波器，包括级联的第一小型化SIW谐振腔、第二小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔；

上述第一小型化SIW谐振腔、第二小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔的顶层基板和底层基板均通过PCB加工工艺加工成统一整体，作为宽阻带 SIW滤波器的顶层基板和底层基板，该顶层基板和底层基板的厚度分别为 0.127mm和0.508mm；

上述宽阻带SIW滤波器的顶层基板上设置有输入端口6和输出端口7；所述输入端口6和输出端口7均由阻抗为50欧姆的共面波导线构成，所述输入端口6的共面波导线与所述第一小型化SIW谐振腔连接，所述输出端口7的共面波导线与所述第三小型化SIW谐振腔连接，作为信号馈入和输出端口。

其中，述第一小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔的尺寸完全相同，所述第二小型化SIW谐振腔的横向尺寸大于第一小型化SIW谐振腔及第三小型化SIW谐振腔的横向尺寸；第二小型化SIW谐振腔与所述第一小型化SIW谐振腔及第三小型化SIW谐振腔相邻侧形成宽度为C_w的耦合窗，所述耦合窗的宽度C_w可调节，可通过调节耦合窗的宽度C_w来控制信号耦合的强弱。

上述顶层基板和底层基板未设置输入端口6及输出端口7的两侧分别预留三个一一对应的第三金属化过孔8；顶层基板和底层基板通过螺钉穿过半径为 1mm的第三金属化过孔8将其拧合，构成完整的宽阻带SIW滤波器。

上述宽阻带SIW滤波器的设计原理为：基于加载技术的基片集成波导小型化设计是较为常用的手段之一，通过对SIW谐振腔进行容性加载或者感性加载，也就是增加腔体谐振的等效电感或等效电容，在传统SIW谐振腔的基础上，通过将腔体中心的部分金属箱内凹陷，也就是减小部分底层金属与底层金属之间的间距。由于加载位置位于腔体中心，对TE₁₀₁模来说，腔体中心电场强度最大，也就增加了容性效应；而对TE₁₀₂和TE₂₀₁模来说，腔体中心电场最小，底层金属向内凹陷对增加容性效应影响不大。因此，所提出的SIW谐振腔能够减小TE₁₀₁模的谐振频率，实现腔体的小型化设计；而对TE₁₀₂和TE₂₀₁模的频率影响不大，从而能将主模与高次模式的谐振频率进一步分离。利用该谐振腔构成滤波器，所实现的滤波器同样具有小型化特性，由于其高次模距离通带较远，同时也实现了宽阻带特性。

实施例3：

利用本发明设计的滤波器结构，采用如表1所示的结构参数进行仿真，得到如图6所示的滤波器的S参数响应，其中(a)、(b)分别为5-15GHz和5-30GHz 的S参数响应曲线，滤波器的中心频率设置为10GHz，3dB带宽为1.14GHz。可以看到，该小型化滤波器实现了非常宽的阻带带宽，其高次模式谐振频率为 29.3GHz，实现了接近3dB阻带带宽的抑制性能。

表1：三阶小型化的宽阻带滤波器结构参数

l<sub>1</sub>	w<sub>1</sub>	w<sub>m</sub>	s<sub>1</sub>	l<sub>g</sub>	d	d<sub>1</sub>	w<sub>s1</sub>
								18	11.7	0.8	0.5	2.6	2	0.6	5.14
w<sub>s2</sub>	l<sub>s</sub>	c<sub>w</sub>	w<sub>m1</sub>	w<sub>m2</sub>	d<sub>2</sub>	p<sub>2</sub>	l<sub>m</sub>
								4.95	10.7	3.7	3.49	3.3	0.4	<0.3	6

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“厚度”、“上”、“下”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“径向”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，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备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。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明的技术特征的数量。因此，限定由“第一”、“第二”、“第三”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。

Claims (9)

1.一种小型化SIW谐振腔，其特征在于，包括顶层基板(1)和底层基板(2)，所述顶层基板(1)和底层基板(2)四周通过第一金属化过孔(3)构成电壁形成所述小型化SIW谐振腔的矩形腔体结构；

所述底层基板(2)表面中心设置有一个矩形金属贴片(4)，所述矩形金属贴片(4)四周设置有第二金属化过孔(5)，且所述第二金属化过孔(5)与所述底层基板(2)上的底层金属连接。

2.根据权利要求1所述的小型化SIW谐振腔，其特征在于，所述顶层基板(1)和底层基板(2)的基板材料为Rogers5880，介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009；

所述顶层基板(1)的厚度为0.127mm，所述底层基板(2)的厚度为0.508mm；

所述顶层基板(1)和底层基板(2)上下表面均设置有一层厚度为0.018mm的金属铜。

3.根据权利要求1所述的小型化SIW谐振腔，其特征在于，所述第一金属化过孔(3)的半径为0.3mm，所述第二金属化过孔(5)的半径为0.2mm。

4.一种包括权利要求1所述的小型化SIW谐振腔的宽阻带SIW滤波器，其特征在于，包括级联的第一小型化SIW谐振腔、第二小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔；

所述第一小型化SIW谐振腔、第二小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔的顶层基板和底层基板均通过PCB加工工艺加工成统一整体，作为宽阻带SIW滤波器的顶层基板和底层基板；

所述宽阻带SIW滤波器的顶层基板上设置有输入端口(6)和输出端口(7)；

所述输入端口(6)和输出端口(7)均由共面波导线构成，所述输入端口(6)的共面波导线与所述第一小型化SIW谐振腔连接，所述输出端口(7)的共面波导线与所述第三小型化SIW谐振腔连接。

5.根据权利要求4所述宽阻带SIW滤波器，其特征在于，所述共面波导线的阻抗为50欧姆。

6.根据权利要求4所述的宽阻带SIW滤波器，其特征在于，所述第一小型化SIW谐振腔和第三小型化SIW谐振腔的尺寸完全相同，所述第二小型化SIW谐振腔的横向尺寸大于第一小型化SIW谐振腔及第三小型化SIW谐振腔的横向尺寸。

7.根据权利要求4所述的宽阻带SIW滤波器，其特征在于，所述第二小型化SIW谐振腔与所述第一小型化SIW谐振腔及第三小型化SIW谐振腔相邻侧形成宽度为C_w的耦合窗，所述耦合窗的宽度C_w可调节。

8.根据权利要求4所述的宽阻带SIW滤波器，其特征在于，所述顶层基板和底层基板未设置输入端口(6)及输出端口(7)的两侧分别预留三个一一对应的第三金属化过孔(8)；

所述顶层基板和底层基板通过螺钉穿过第三金属化过孔(8)将其拧合，构成完整的宽阻带SIW滤波器。

9.根据权利要求8所述的宽阻带SIW滤波器，其特征在于，所述第三金属化过孔(8)的半径为1mm。

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