CN112018474A - 一种具有固有共模抑制的siw双频双模平衡带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，包括三层介质基板、两层金属层、圆形SIW谐振腔、谐振模式控制结构和四个微带‑探针馈电结构；具有两条对角线AA’和CC’；中层介质基板设有圆形SIW谐振腔和十个金属微扰通孔；其中六个围合形成环形的微扰通孔阵列；另外四个对称布设在微扰通孔阵列两侧，且均位于AA’上；谐振模式控制结构包括矩形金属槽和弧形金属槽；两个矩形金属槽位于CC’上，且关于AA’对称；两个弧形金属槽对称布设在两个矩形金属槽的外侧。本发明采用SIW，利用十个金属微扰通孔移动和控制SIW腔的谐振模式，引入矩形金属槽与圆弧形金属槽，实现对四个不同谐振频率灵活的控制，以此来调整带宽。

Description

一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器
技术领域
本发明涉及平衡带通滤波器技术领域，特别是一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器。
背景技术
伴随着无线通信技术的不断发展，具有良好噪声(共模信号)抑制特性的平衡电路应用越来越广，平衡无源器件的研究也不断得到深入和发展。作为平衡无源器件的实现基础，差分传输线的研究尤为重要，其性能的好坏直接影响到差分器件的整体性能。在平衡电路的各种器件中，平衡滤波器受到了较多的关注。平衡滤波器能够有效增强差分系统的性能，其中实现带有高共模抑制的平衡滤波器一直是研究的重点方向。
为响应这种趋势，学者们对各种抑制共模信号并在频带内传输差模信号的平衡滤波器进行了广泛的研究和探索。在早期的工作中，学者们利用各种传输线结构进行研究，并设计各种形式的微波平衡滤波器，例如微带线、双面平行带线(DSPSL)和混合微带/槽线结构平衡滤波器。
然而，在微波的高频带或毫米波频带，工作在此频带的平衡滤波器存在辐射损耗高、功率处理能力低、品质因数Qe低等缺点，因此不能被继续应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，该具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器利用位于中心均匀环绕的通孔作为扰动，移动和控制SIW腔的谐振模式，尤其会影响TE101模式，但不会影响TE210模式，以此来调整带宽；利用对称的两对金属化微扰通孔扰动TE010和TE110B两种模式；此外，还引入圆弧形槽和沿C-C’放置的矩形槽分别扰动不同模式；滤波器的叠层SIW结构可实现固有共模抑制；在此基础上，通过合理选择馈电位置可以同时激发四种模式的电场，从而实现差模双通带性能，设计具有独立可调通带的具有固有共模抑制的双模式双频段SIW带通滤波器，设计的平衡滤波器不仅具有共模抑制性能，而且还能进行模式选择，满足了差分通信系统的实际需求。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，包括三层介质基板、两层金属层、圆形SIW谐振腔、谐振模式控制结构和四个微带-探针馈电结构。
三层介质基板包括从上至下依次同轴叠置的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板。
两层金属层分别为上金属层和下金属层，上金属层为印刷在上层介质基板和中层介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在中层介质基板和下层介质基板之间的共用金属面。
三层介质基板和两层金属层均具有四条对称轴AA’、BB’、CC’和DD’。其中，AA’和CC’为相垂直的两条对角线。BB’和DD’均与其边长相平行或垂直。
在中层介质基板上设置有圆形通孔阵列和十个金属微扰通孔。圆形通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成圆形SIW谐振腔。十个金属微扰通孔布设在圆形SIW谐振腔内，其中六个金属微扰通孔围合形成与圆形通孔阵列同心且呈环形的微扰通孔阵列。另外四个金属微扰通孔对称布设在微扰通孔阵列两侧，且均位于对称轴AA’上。
谐振模式控制结构包括矩形金属槽和弧形金属槽。
在上金属层和下金属层上均蚀刻有两个矩形金属槽和两个弧形金属槽。上金属层或下金属层上的两个矩形金属槽均位于对称轴CC’上，且关于对称轴AA’对称。上金属层或下金属层上的两个弧形金属槽对称布设在两个矩形金属槽的外侧。
四个微带-探针馈电结构包括两个上微带馈电平衡端口、两个下微带馈电平衡端口和两根金属探针。
两个上微带馈电平衡端口对称印刷在上层介质基板的上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在下层介质基板的下表面，
每个上微带馈电平衡端口均通过一根金属探针与正下方的下微带馈电平衡端口相连接，形成一个差分馈电端口，其中，两根金属探针均竖直贯穿三层介质基板和两层金属层，且均穿过圆形SIW谐振腔。
上金属层或下金属层上的两个弧形金属槽在关于对称轴AA’对称的同时，还关于对称轴CC’对称。
弧形金属槽的中心角为2θ＝20°，矩形金属槽和弧形金属槽的宽度为w＝0.2mm，矩形金属槽的长度l2＝5.0mm，弧形金属槽的半径为11.3mm，矩形金属槽内侧端至圆形通孔阵列圆心的距离为2.9mm。
每个上微带馈电平衡端口和每个下微带馈电平衡端口均包括条形微带线、弧形微带线和若干个金属柱。位于上层介质基板或下层介质基板上的两根条形微带线关于对称轴BB’对称。若干个金属柱均贯穿设置在上层介质基板或下层介质基板中，且呈弧形围合在条形微带线的内侧端，并通过弧形微带线相连通。
位于上层介质基板或下层介质基板上的两根条形微带线均位于对称轴DD’上且关于对称轴BB’对称。
两根条形微带线位于圆形SIW谐振腔内的长度为l1＝6.0mm。
三层介质基板和两层金属层上均设置有探针过孔，其中，位于两层金属层上的探针过孔的孔径大于金属探针的外径，与金属探针之间形成环形缝隙。
圆形通孔阵列由若干个金属通孔围合形成，相邻两个金属通孔之间弧长所对应的圆心角α＝7.2°，每个金属通孔的直径d＝0.8mm，圆形通孔阵列的半径r1＝13.0mm。
微扰通孔阵列的半径r2＝1.4mm。对称布设在微扰通孔阵列两侧的四个金属微扰通孔中，靠近微扰通孔阵列的两个金属微扰通孔称为内侧金属微扰通孔，另外两个金属微扰通孔称为外侧金属微扰通孔。内侧金属微扰通孔至微扰通孔阵列圆心的距离为r3＝7.1mm。内侧金属微扰通孔与邻近外侧金属微扰通孔的径向距离r4＝1.2mm。
三层介质基板均采用Rogers RT/Duroid 4003型号，相对介电常数为3.35，厚度为0.508mm。
本发明具有如下有益效果：
(1)滤波器的叠层SIW结构可实现固有共模抑制。由于SIW(Substrate IntegratedWaveguide,SIW)结构体积小、重量轻、造价低廉，同时易于和平面电路结合，将平衡电路与SIW结构结合，能设计应用于更高频段的平衡器件。为了便于分析平衡网络，引入了混合模S参数，该理论包含了Sdd和Scc参数，相比单端口网络S参数更适合去描述对称结构的平衡电路特性。此外，滤波器作为射频前端中的关键器件之一，其综合方法具有代表意义，其中的耦合矩阵理论是基片集成波导腔体滤波器设计的基础。
(2)本发明采用基片集成波导设计平衡带通滤波器，利用中心和两侧的金属微扰通孔移动和控制SIW腔的谐振模式，引入矩形金属槽与圆弧形金属槽，实现了对四个不同谐振频率灵活的控制，以此来调整带宽。
(3)本发明馈电方式采用微带探针平面差分激励结构，通过合理选择馈电输入位置来同时激发四种模式的电场，实现了通带独立可调节，从而实现差模双通带性能。
附图说明
图1显示了所采用印刷电路板的示意图。
图2显示了本发明一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器的结构示意图。
图3显示了本发明一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器的尺寸标注图。
图4显示了本发明具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器的仿真及测试图。
其中有：
10.上层介质基板；11.条形微带线；12.金属柱；13.弧形微带线；
20.上金属层；21.矩形金属槽；22.弧形金属槽；
30.中层介质基板；31.圆形通孔阵列；32.金属通孔；33.微扰通孔阵列；34.内侧金属微扰通孔；35.外侧金属微扰通孔；
40.下金属层；50.下层介质基板；60.金属探针。
具体实施方式
下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左侧”、“右侧”、“上部”、“下部”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，“第一”、“第二”等并不表示零部件的重要程度，因此不能理解为对本发明的限制。本实施例中采用的具体尺寸只是为了举例说明技术方案，并不限制本发明的保护范围。
如图1、图2和图3所示，一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，包括三层介质基板、两层金属层、圆形SIW谐振腔、谐振模式控制结构和四个微带-探针馈电结构。
三层介质基板均优选采用Rogers RT/Duroid 4003型号，相对介电常数优选为3.35，厚度优选为h＝0.508mm。
三层介质基板包括从上至下依次同轴叠置的上层介质基板10、中层介质基板30和下层介质基板50。
两层金属层分别为上金属层20和下金属层40，上金属层为印刷在上层介质基板和中层介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在中层介质基板和下层介质基板之间的共用金属面。
三层介质基板和两层金属层均具有四条对称轴AA’、BB’、CC’和DD’。其中，AA’和CC’为相垂直的两条对角线。BB’和DD’均与其边长相平行或垂直。
在中层介质基板上设置有圆形通孔阵列31和十个金属微扰通孔。
圆形通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成圆形SIW谐振腔。圆形通孔阵列由若干个金属通孔围合形成，相邻两个金属通孔之间弧长所对应的圆心角优选为α＝7.2°，每个金属通孔的直径优选为d＝0.8mm，圆形通孔阵列的半径优选为r1＝13.0mm。
十个金属微扰通孔布设在圆形SIW谐振腔内，每个金属微扰通孔的直径优选为d＝0.8mm。
其中六个金属微扰通孔围合形成与圆形通孔阵列同心且呈环形的微扰通孔阵列33，微扰通孔阵列的半径r2＝1.4mm。
另外四个金属微扰通孔对称布设在微扰通孔阵列两侧，且均位于对称轴AA’上。靠近微扰通孔阵列的两个金属微扰通孔称为内侧金属微扰通孔34，另外两个金属微扰通孔称为外侧金属微扰通孔35。内侧金属微扰通孔至微扰通孔阵列圆心的距离优选为r3＝7.1mm。内侧金属微扰通孔与邻近外侧金属微扰通孔的径向距离优选为r4＝1.2mm。
十个金属微扰通孔，用于控制不同模式的谐振频率。
四种模式分别为TE101、TE210、TE010和TE110B。
六个金属微扰通孔围合形成的微扰通孔阵列33，能够移动和控制圆形SIW谐振腔的谐振模式，尤其会影响TE101模式，但不会影响TE210模式。
两个内侧金属微扰通孔34和两个外侧金属微扰通孔35，用于扰动TE010和TE110B两种模式，以此来调整带宽。
谐振模式控制结构包括矩形金属槽21和弧形金属槽22。
在上金属层和下金属层上均蚀刻有两个矩形金属槽和两个弧形金属槽。
上金属层或下金属层上的两个矩形金属槽均位于对称轴CC’上，且关于对称轴AA’对称。矩形金属槽的宽度优选为w＝0.2mm，矩形金属槽的长度优选为l2＝5.0mm。
上金属层或下金属层上的两个弧形金属槽对称布设在两个矩形金属槽的外侧，在关于对称轴AA’对称的同时，还关于对称轴CC’对称。
弧形金属槽的中心角优选为2θ＝20°，弧形金属槽的宽度优选为w＝0.2mm。
弧形金属槽的半径优选为11.3mm，矩形金属槽内侧端至圆形通孔阵列圆心的距离优选为2.9mm。
本发明利用中心和两侧的金属微扰通孔移动和控制SIW腔的谐振模式，引入矩形金属槽与圆弧形金属槽，实现了对四个不同谐振频率灵活的控制，以此来调整带宽。
矩形金属槽与圆弧形金属槽的引入，分别扰动不同模式；在此基础上，通过合理选择馈电位置可以同时激发四种模式的电场，从而实现差模双通带性能。此外，还可以实现优于46dB的共模抑制性能。
四个微带-探针馈电结构包括两个上微带馈电平衡端口、两个下微带馈电平衡端口和两根金属探针60。
两个上微带馈电平衡端口对称印刷在上层介质基板的上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在下层介质基板的下表面，
每个上微带馈电平衡端口均通过一根金属探针与正下方的下微带馈电平衡端口相连接，形成一个差分馈电端口。
三层介质基板和两层金属层上均设置有探针过孔，其中，位于两层金属层上的探针过孔的孔径大于金属探针的外径，与金属探针之间形成环形缝隙。两根金属探针均从对应的探针过孔中穿过，形成竖直贯穿三层介质基板和两层金属层，且均穿过圆形SIW谐振腔。
每个上微带馈电平衡端口和每个下微带馈电平衡端口均包括条形微带线11、弧形微带线13和若干个金属柱12。位于上层介质基板上表面或下层介质基板下表面的两根条形微带线关于对称轴BB’对称。
若干个金属柱均贯穿设置在上层介质基板或下层介质基板中，且呈弧形围合在条形微带线的内侧端，并通过弧形微带线相连通。弧形微带线设置在上层介质基板上表面和下层介质基板下表面。
位于上层介质基板或下层介质基板上的两根条形微带线均位于对称轴DD’上且关于对称轴BB’对称，两根条形微带线位于圆形SIW谐振腔内的长度优选为l1＝6.0mm。
图4给出了滤波器仿真和测试图。测得以8.04GHz为中心的差模通带所实现3dB的分数带宽为3.2％，以9.89GHz为中心的差模通带所实现3dB的分数带宽为5.6％，最小插入损耗分别为2.85dB和2.02dB。在8.66GHz处观察到，由于多径信号相互抵消，产生了两个通带之间测得的差模传输零点，抑制效果优于51dB，可以改善隔离度。在测得的频率范围内，测得的共模抑制优于46dB。
由上可知，本发明的叠层SIW结构可实现固有共模抑制；将基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计中，利用中心和两侧的金属微扰通孔移动和控制SIW腔的谐振模式，引入矩形金属槽与圆弧形金属槽，实现了对四个不同谐振频率灵活的控制，以此来调整带宽。
本发明的馈电方式采用微带探针平面差分激励结构，通过合理选择馈电输入位置来同时激发四种模式的电场，实现了通带独立可调节，从而实现差模双通带性能。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：包括三层介质基板、两层金属层、圆形SIW谐振腔、谐振模式控制结构和四个微带-探针馈电结构；
三层介质基板包括从上至下依次同轴叠置的上层介质基板、中层介质基板和下层介质基板；
两层金属层分别为上金属层和下金属层，上金属层为印刷在上层介质基板和中层介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在中层介质基板和下层介质基板之间的共用金属面；
三层介质基板和两层金属层均具有四条对称轴AA’、BB’、CC’和DD’；其中，AA’和CC’为相垂直的两条对角线；BB’和DD’均与其边长相平行或垂直；
在中层介质基板上设置有圆形通孔阵列和十个金属微扰通孔；圆形通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成圆形SIW谐振腔；十个金属微扰通孔布设在圆形SIW谐振腔内，其中六个金属微扰通孔围合形成与圆形通孔阵列同心且呈环形的微扰通孔阵列；另外四个金属微扰通孔对称布设在微扰通孔阵列两侧，且均位于对称轴AA’上；
谐振模式控制结构包括矩形金属槽和弧形金属槽；
在上金属层和下金属层上均蚀刻有两个矩形金属槽和两个弧形金属槽；上金属层或下金属层上的两个矩形金属槽均位于对称轴CC’上，且关于对称轴AA’对称；上金属层或下金属层上的两个弧形金属槽对称布设在两个矩形金属槽的外侧；
四个微带-探针馈电结构包括两个上微带馈电平衡端口、两个下微带馈电平衡端口和两根金属探针；
两个上微带馈电平衡端口对称印刷在上层介质基板的上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在下层介质基板的下表面，
每个上微带馈电平衡端口均通过一根金属探针与正下方的下微带馈电平衡端口相连接，形成一个差分馈电端口，其中，两根金属探针均竖直贯穿三层介质基板和两层金属层，且均穿过圆形SIW谐振腔。
2.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：上金属层或下金属层上的两个弧形金属槽在关于对称轴AA’对称的同时，还关于对称轴CC’对称。
3.根据权利要求2所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：弧形金属槽的中心角为2θ＝20°，矩形金属槽和弧形金属槽的宽度为w＝0.2mm，矩形金属槽的长度l2＝5.0mm，弧形金属槽的半径为11.3mm，矩形金属槽内侧端至圆形通孔阵列圆心的距离为2.9mm。
4.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：每个上微带馈电平衡端口和每个下微带馈电平衡端口均包括条形微带线、弧形微带线和若干个金属柱；位于上层介质基板或下层介质基板上的两根条形微带线关于对称轴BB’对称；若干个金属柱均贯穿设置在上层介质基板或下层介质基板中，且呈弧形围合在条形微带线的内侧端，并通过弧形微带线相连通。
5.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：位于上层介质基板或下层介质基板上的两根条形微带线均位于对称轴DD’上且关于对称轴BB’对称。
6.根据权利要求5所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：两根条形微带线位于圆形SIW谐振腔内的长度为l1＝6.0mm。
7.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：三层介质基板和两层金属层上均设置有探针过孔，其中，位于两层金属层上的探针过孔的孔径大于金属探针的外径，与金属探针之间形成环形缝隙。
8.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：圆形通孔阵列由若干个金属通孔围合形成，相邻两个金属通孔之间弧长所对应的圆心角α＝7.2°，每个金属通孔的直径d＝0.8mm，圆形通孔阵列的半径r1＝13.0mm。
9.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：微扰通孔阵列的半径r2＝1.4mm；对称布设在微扰通孔阵列两侧的四个金属微扰通孔中，靠近微扰通孔阵列的两个金属微扰通孔称为内侧金属微扰通孔，另外两个金属微扰通孔称为外侧金属微扰通孔；内侧金属微扰通孔至微扰通孔阵列圆心的距离为r3＝7.1mm；内侧金属微扰通孔与邻近外侧金属微扰通孔的径向距离r4＝1.2mm。
10.根据权利要求1所述的具有固有共模抑制的SIW双频双模平衡带通滤波器，其特征在于：三层介质基板均采用Rogers RT/Duroid 4003型号，相对介电常数为3.35，厚度为0.508mm。
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