CN112054271B - 小型化多通道微波毫米波滤波器组及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种小型化多通道微波毫米波滤波器组，包括多个沿同一方向延伸的并列排布的SIW滤波器，相邻的SIW滤波器共用同一条沿SIW滤波器长度方向的第一金属过孔作为边界，每个SIW滤波器有两条沿长度方向的第一金属过孔，在SIW滤波器沿长度方向的第一金属过孔有设置的沿SIW滤波器宽度方向的用于构成感性窗的第二金属过孔，平行于第二金属过孔的方向还设有完全嵌入在SIW滤波器上的带状线，带状线和SIW滤波器均包括被两层金属层夹持的介质基片，带状线还包括位于介质基片中的中心导体带。本发明还公开了此种滤波器组的设计方法。采用本发明的设计方案，将带状线的方向与SIW感性窗滤波器垂直，实现较高带外抑制的带通滤波器设计。

Description

小型化多通道微波毫米波滤波器组及其设计方法

技术领域

本发明属于无线通信系统中射频微波毫米波器件技术领域，涉及一种微波毫米波滤波器组，尤其涉及一种小型化多通道微波毫米波滤波器组及其设计方法。

背景技术

目前，第五代移动通信技术已正式步入商用阶段。作为5G的核心技术之一，毫米波技术在解决频谱资源紧张的问题方面起着关键作用。然而，随着频率的升高，毫米波的空间衰减也增大，制约了信号的传播距离和小区的覆盖范围。因此，与5G毫米波往往与大规模多天线(Massive MIMO)技术同时采用，通过多天线的增益来弥补空间衰减。天线和射频通道的增加，必然也会加大设备的尺寸，尤其是手机等对尺寸敏感的终端设备，对集成度要求非常高。

滤波器作为无线通信系统中的重要器件之一，主要用于选通或隔离特定频段的信号，对于保证系统通信质量起着举足轻重的作用。经过长足的发展，滤波器在理论设计方面已经有了成熟完整的方案体系，在工程应用方面也有着丰富的实现形式。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技术是21世纪初提出的一种较为新颖的导波结构。SIW的主要结构包括位于中间层的低损耗介质基片，其上下表面均为金属层，同时，有金属过孔阵列贯穿介质基片。SIW技术集合了金属波导损耗较低，品质因数高，与微带线电路体积小，加工难度较小，易与其他电路集成等优点，已成为微波器件尤其是微波滤波器的热门实现方式之一。

带状线是于上世纪五十年代初研制出的第一代微波平面电路传输线。它由一条中心金属导带和距离中心导带一段长度的上下两块接地金属层以及围绕在中心导带周围的介质组成。与传统微带线的半开放结构相比，带状线损耗更低一些，在设计微波滤波器时通带外的抑制性能也更好。因此，利用带状线结构设计滤波器，可以实现更小的尺寸，获得更为良好的屏蔽性能，同时，也具有微带线易加工，易集成等特性。

随着移动通信技术的不断演进，移动数据流量不断迎来爆炸式增长，一方面，移动通信系统的复杂度迅速提升，另一方面，对于系统小型化的需求也在日益升高。单个滤波器往往难以满足系统的滤波需求，而是以多个滤波器组合，即滤波器组的形式对信号进行处理。在尽量减小单个滤波器尺寸的情况下，进一步优化多个滤波器在空间结构上的位置排布，实现多通道滤波器组的小型化，具有重要的意义。

发明内容

发明目的：本发明所要解决的技术问题是：需要设计一组滤波器，以实现多通道滤波功能，并且将所设计滤波器组中的滤波器单元的相对位置在空间上的进行优化，实现多通道带通滤波器组的小型化。

发明内容：本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

技术方案：为实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种小型化多通道微波毫米波滤波器组，包括多个沿同一方向延伸的并列排布的SIW滤波器，相邻的SIW滤波器共用同一条沿SIW滤波器长度方向的第一金属过孔作为边界，每个SIW滤波器有两条沿长度方向的第一金属过孔，在SIW滤波器沿长度方向的第一金属过孔有设置的沿SIW滤波器宽度方向的用于构成感性窗的第二金属过孔，平行于第二金属过孔的方向还设有完全嵌入在SIW滤波器上的带状线，带状线和SIW滤波器均包括被两层金属层夹持的介质基片，带状线还包括位于介质基片中的中心导体带。

电磁波在SIW结构中的传输特性与传统矩形金属波导类似，两排第一金属过孔等效于传统矩形金属波导的两个金属侧壁，电磁波仅在两排第一金属过孔之间的介质基片空间中传播。因此，将多个SIW滤波器集成为滤波器组时，可以使其相互平行且共用相邻的一排第一金属过孔。既有效减小了空间的消耗，也不会影响滤波器的性能。

进一步地，中心导体带的方向平行于第二金属过孔。

进一步地，每两个感性窗之间都可插入一个带状线。

鉴于SIW和带状线的主要结构都包括中间层的介质基片层与上下两层的金属层，为了实现多通道带通滤波器组的小型化，本发明将带状线结构嵌入SIW感性窗滤波器中。同时，为了不破坏既有的SIW感性窗滤波器的结构，并尽量减小滤波器组中不同滤波器单元之间的相互耦合，本发明选择将带状线结构的方向与SIW感性窗滤波器垂直，避开SIW中感性窗部分的第二金属过孔阵列，实现较高带外抑制的带通滤波器设计。

一种小型化多通道微波毫米波滤波器组的设计方法，包括以下步骤：

1)根据滤波器指标要求，确定低通滤波器原型的形式与阶数，并通过查表得到相应的归一化元件参数g_i；

2)设计SIW带通滤波器；

3)计算腔体间耦合系数理论值，得到感性窗宽度；

4)设计平行耦合的带状线带通滤波器；

5)利用ADS中的LineCalc tool，输入奇偶模阻抗及相关参数，得到带状线的相应尺寸；

6)在HFSS中建模并对相关参数进行优化，得到最终结果。

进一步地，所述步骤2)中，设计的SIW带通滤波器，谐振腔长度为：

其中，

其中，

为SIW结构等效宽边宽度；BW为相对带宽；D_SIW为单个金属化过孔直径，S_vp为两个金属化过孔间距，W_SIW为两行沿长度方向的第一金属过孔的行间距；X_j,j+1为感抗；Z₀为特征阻抗；ω为中心频率对应角频率；λ_g0为波导波长；λ为无界介质中电磁波长；

进一步地，所述步骤3)中，腔体间耦合系数理论值k_i,i+1计算如下式：

在HFSS中建模进行本征模仿真，得到f₀₁，f₀₂分别为两个模式的谐振频率，当根据

计算出的耦合系数与理论值近似相等时，可认为模型中的窗口宽度即为所求。

进一步地，所述步骤4)中，平行耦合带状线带通滤波器设计如下：

归一化元件参数g_i带入下列公式，计算出奇偶模阻抗

奇模阻抗：Z_o|i,i+1＝Z₀[1-Z₀J_i,i+1+(Z₀J_i,i+1)²]

偶模阻抗：Z_e|i,i+1＝Z₀[1+Z₀J_i,i+1+(Z₀J_i,i+1)²]

其中，

其中，BW为相对带宽,Z₀为特征阻抗。

在该多通道滤波器组的设计过程中，需要先完成SIW滤波器组的设计，带状线带通滤波器的个数M可根据SIW感性窗的个数进行调整，平行耦合带状线滤波器的阶数也需要考虑到SIW感性窗间距的限制，最终实现多通道小型化的滤波器组设计。

有益效果：本发明相对于现有技术而言：

实现了多通道带通滤波，且通带内较为平坦，插入损耗较小，带外抑制较高，各通道间相互影响较小。

通过精心布局，利用SIW和带状线的电磁场工作模式不同(分别为TE₁₀模和TEM模)的特点，复用SIW和带状线结构的空间，多通道滤波器组的面积可减少一半，实现了多通道滤波器组的小型化。

附图说明

图1是本发明设计的多通道带通滤波器组的结构示意图；

图2是本发明实施例的多通道带通滤波器组的俯视图；

图3是本发明实施例的多通道带通滤波器组的侧视图；

图4是本发明SIW带通滤波器的仿真与实测S参数测量数据图；

图5是本发明带状线带通滤波器的仿真与实测S参数测量数据图；

图6是本发明滤波器组通道间干扰的仿真与实测S参数测量数据图；

图7是本发明实施例中滤波器尺寸表格所对应的滤波器结构设计示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明涉及一种结合了SIW技术与带状线结构的多通道带通滤波器组，对于无线通信设备的小型化具有重要的应用价值。主要是利用SIW和带状线在结构上的相似性，通过将带状线嵌入SIW滤波器组中来实现多通道带通滤波，同时有效提升了空间利用率，实现了滤波器组的小型化，所设计的带通滤波器单元的电路结构易于加工。为了详细说明本发明的多通道带通滤波器组，下面给出一个具体实例。该具体实例为一个四通道小型化带通滤波器组，包括两个SIW带通滤波器单元和两个平行耦合带状线带通滤波器单元。具体实施方法如图2所示，图中展示了本发明的整体结构。

实施例1

一种小型化多通道微波毫米波滤波器组，包括多个沿同一方向延伸的并列排布的SIW滤波器，相邻的SIW滤波器共用同一条沿SIW滤波器长度方向的第一金属过孔作为边界，每个SIW滤波器有两条沿长度方向的第一金属过孔，在SIW滤波器沿长度方向的第一金属过孔有设置的沿SIW滤波器宽度方向的用于构成感性窗的第二金属过孔9，平行于第二金属过孔9的方向还设有完全嵌入在SIW滤波器上的带状线10，带状线10和SIW滤波器均包括被两层金属层夹持的介质基片，带状线10还包括位于介质基片中的中心导体带16。

中心导体带16的方向平行于第二金属过孔9。

每两个感性窗之间都可插入一个带状线10。

第一端口1、第二端口2间，第三端口3、第四端口4间各为一个SIW感性窗带通滤波器。为了便于进行测试和与其他电路集成，同时尽可能使器件尺寸紧凑，本发明中设计了SIW-共面波导-带状线的转换结构。单排第二金属过孔9构成了基片集成波导感性窗，感性窗可以用于调整基片集成波导谐振腔之间的耦合，从而实现带通滤波效果。通过调整窗口的大小和窗间距，可以方便的调整SIW滤波器的滤波特性。

第五端口5、第六端口6间，第七端口7、第八端口8间各为一个平行耦合带状线带通滤波器。为了避免影响SIW滤波器的性能，带状线结构的位置需要避开SIW感性窗部分的第一金属过孔和第二金属过孔阵列。本发明中选择平行耦合带状线结构来实现滤波特性，不仅结构简单，更是充分利用了SIW滤波器中的空余空间。通过改变耦合线的长度与间距，也可以容易的实现带状线滤波器滤波功能的调谐。

如本发明侧视图即图3所示，在该具体实例中，带状线10中，第一介质基片12、第二介质基片14(也可以忽略厚度不计的粘合层，认为是一层介质基片)均采用介电常数为2.2，厚度0.254mm的Taconic TLY-5板材，两层介质基片之间粘合层13采用厚度0.1mm的RO4450板材，中心导体带16和第一金属层11、第二金属层15材料均为厚度0.035mm的铜。其中，第一金属层11和第一介质基片12大小为36.4mm*74mm，第二介质基片14和第二金属层15大小为46.4mm*74mm。金属过孔9直径均为0.4mm。

经过实物加工与测试，得到该具体实例S参数实测结果，如图4所示。测试结果表明，本实施例中的多通道带通滤波器组中，各滤波器单元均能正常实现带通滤波功能，滤波器之间的相互干扰较小。

实施例2

首先根据滤波器指标要求，确定低通滤波器原型的形式与阶数，并通过查表(查表的归一化元件参数表为滤波器设计中的常见通用表格，可在滤波器设计相关文献中查阅到。)得到相应的归一化元件参数g_i。

滤波器尺寸表格(对应尺寸如图7标示)：

SIW带通滤波器设计：

谐振腔长度：

其中，

其中，

为SIW结构等效宽边宽度；BW为相对带宽；D_SIW为单个金属化过孔直径，S_vp为两个金属化过孔间距，W_SIW为两行沿长度方向的第一金属过孔的行间距；X_j,j+1为感抗；Z₀为特征阻抗；ω为中心频率对应角频率；λ_g0为波导波长；λ为无界介质中电磁波长；

腔体间耦合系数理论值k_i,i+1计算如下式：

在HFSS中建模进行本征模仿真，得到f₀₁，f₀₂分别为两个模式的谐振频率，当根据

计算出的耦合系数与理论值近似相等时，可认为模型中的窗口宽度即为所求。

平行耦合带状线带通滤波器设计：

归一化元件参数g_i带入下列公式，计算出奇偶模阻抗

Z_o|i,i+1＝Z₀[1-Z₀J_i,i+1+(Z₀J_i,i+1)²]

Z_e|i,i+1＝Z₀[1+Z₀J_i,i+1+(Z₀J_i,i+1)²]

其中，

BW为相对带宽,Z₀为特征阻抗。

再利用ADS中的LineCalc tool，输入奇偶模阻抗及相关参数，得到带状线的相应尺寸；

在HFSS中建模并对相关参数进行优化，得到最终结果。

Claims (4)

1.一种小型化多通道微波毫米波滤波器组，其特征在于：包括多个沿同一方向延伸的并列排布的SIW滤波器，相邻的SIW滤波器共用同一条沿SIW滤波器长度方向的第一金属过孔作为边界，每个SIW滤波器有两条沿长度方向的第一金属过孔，在SIW滤波器沿长度方向的第一金属过孔有设置的沿SIW滤波器宽度方向的用于构成感性窗的第二金属过孔，平行于第二金属过孔的方向还设有完全嵌入在SIW滤波器上的带状线，带状线和SIW滤波器均包括被两层金属层夹持的介质基片，带状线还包括位于介质基片中的中心导体带。

2.根据权利要求1所述的小型化多通道微波毫米波滤波器组，其特征在于：中心导体带的方向平行于第二金属过孔。

3.根据权利要求1所述的小型化多通道微波毫米波滤波器组，其特征在于：每两个感性窗之间都可插入一个带状线。

4.一种如权利要求1所述的小型化多通道微波毫米波滤波器组的设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)根据滤波器指标要求，确定低通滤波器原型的形式与阶数，并通过查表得到相应的归一化元件参数g_i；

2)设计SIW带通滤波器；

3)计算腔体间耦合系数理论值，得到感性窗宽度；

4)设计平行耦合的带状线带通滤波器；

5)利用ADS中的LineCalc tool，输入奇偶模阻抗及相关参数，得到带状线的相应尺寸；

6)在HFSS中建模并对相关参数进行优化，得到最终结果。

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