CN112072224A - 基于基片集成波导的平衡带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种基于基片集成波导的平衡带通滤波器，包括四个单模SIW谐振器、一个双模SIW谐振器、一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线，所述一对平衡输入馈线、一对平衡输出馈线与四个单模SIW谐振器对应相连，所述双模SIW谐振器位于中心，所述四个单模SIW谐振器分布在双模SIW谐振器的四周，并且四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器耦合。本发明具备小型化、低设计成本、低加工成本、低损耗等优点，实现一个FTZ或者两个FTZs位置按需配置，具有很好的差模传输和共模抑制特性。

Description

基于基片集成波导的平衡带通滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，特别涉及一种基于基片集成波导的平衡带通滤波器。

背景技术

随着5G、卫星通信、物联网及手持终端技术的飞速发展，无线通信系统对前端电路的重量、体积、集成度和电气性能等提出越来越高的要求。高速通信技术的发展进一步加剧了信号串扰和环境噪声等问题，而采用平衡电路可以有效地提高通信质量。平衡滤波器的工作较低时，如低于8GHz，采用微带结构可以实现较好的性能，但是工作频率大于8GHz时，微带结构的损耗较大。而基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)设计平衡滤波器可以实现通带低插损的特性，并且滤波器还具有易加工、低成本、较高功率容量和易于集成等优点。目前有四种基于SIW设计平衡带通滤波器的方法：第一种是基于单模SIW谐振器，但是实现的滤波器的尺寸较大；第二种是基于双模SIW谐振器，但是双模级联高阶滤波器时，设计难度大；第三种是基于三模SIW谐振器，但是需要采用双层电路板，加工成本高；第四种是基于SIW谐振器和共面波导或开环谐振器组合设计，但是槽线结构降低了SIW谐振器的品质因数，从而增加了平衡滤波器通带损耗。并且这四种方法实现的滤波器很难控制平衡滤波器的有限传输零点(Finite Transmission Zeros,FTZs)位置，导致滤波器的通带选择性和阻带抑制特性不能按需设计。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提出了一种基于基片集成波导的平衡带通滤波器，具备小型化、低设计成本、低加工成本、低损耗等优点，实现一个FTZ或者两个FTZs位置按需配置，具有很好的差模传输和共模抑制特性。

为解决上述技术问题，本发明采用以下的技术方案：

本发明提供了一种基于基片集成波导的平衡带通滤波器，包括四个单模SIW谐振器、一个双模SIW谐振器、一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线，所述一对平衡输入馈线、一对平衡输出馈线与四个单模SIW谐振器对应相连，所述双模SIW谐振器位于中心，所述四个单模SIW谐振器分布在双模SIW谐振器的四周，并且四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器耦合。

进一步地，所述四个单模SIW谐振器工作在TE₁₀₁模式，所述双模SIW谐振器工作在TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式。

进一步地，所述四个单模SIW谐振器尺寸相同、谐振频率相同。

进一步地，所述双模SIW谐振器的对角线T₁T₂或P₁P₂上设置有两个微扰金属过孔，用于分离和控制TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式的谐振频率；当两个微扰金属过孔位于双模SIW谐振器的对角线T₁T₂上时，TE₁₀₂模式的谐振频率大于TE₂₀₁模式的谐振频率；当两个微扰金属过孔位于双模SIW谐振器的对角线P₁P₂上时，TE₂₀₁模式的谐振频率大于TE₁₀₂模式的谐振频率。

进一步地，所述平衡带通滤波器关于对角线T₁T₂和P₁P₂对称。

进一步地，所述四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器通过耦合窗耦合，所述耦合窗的位置可偏离双模SIW谐振器的中心位置，并结合耦合窗的大小，用于控制单模SIW谐振器中TE₁₀₁模式与双模SIW谐振器中TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式的耦合强度。

进一步地，所述四个单模SIW谐振器从左、下、右、上依次为第一单模SIW谐振器、第二单模SIW谐振器、第三单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器。

进一步地，所述一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线均采用微带馈线，一对平衡输入馈线分别与第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器相连，一对平衡输出馈线分别与第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器相连。

进一步地，所述第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器分别沿着z轴方向移动，第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器分别沿着x轴方向移动，第一单模SIW谐振器和第二单模SIW谐振器、第三单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器分别形成一个交叉区域，移去交叉区域的金属过孔，得到两个交叉耦合区域。

进一步地，所述交叉耦合区域用于实现单模SIW谐振器的交叉耦合路径，交叉耦合路径的耦合强度由交叉耦合区域的大小确定，且该交叉耦合路径增加一个有限传输零点。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明采用四个单模SIW谐振器和一个双模SIW谐振器组合设计平衡带通滤波器，利用TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式在双模SIW谐振器左右、上下边的相位反向特性，实现差分信号传输和共模信号抑制，利用单模SIW谐振器和双模SIW谐振器中非谐振模式的异频特性，进一步提高差模响应阻带和共模响应的抑制特性。

2、本发明通过控制单模SIW谐振器与双模SIW谐振器的耦合窗的位置，使差模响应的通带下方附近或者上方附近产生一个FTZ，FTZ的位置可以按需配置。还可以通过交叉耦合区域实现单模SIW谐振器的交叉耦合路径，增加一个有限传输零点，实现了两个FTZs位置的控制，进一步提高了差模通带的频率选择性。

3、本发明采用单层电路板结构，实现了低成本加工；且不需要基于槽线的耦合结构，实现了SIW谐振器高品质因数特性。本发明与微带线滤波器相比，具有电磁屏蔽作用，可以抑制电磁能量向外辐射，并具有更强的抗干扰能力和更高的功率容量的特性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例的四端口电路耦合拓扑结构示意图；

图2是本发明实施例的四端口电路等效的二端口电路耦合拓扑结构示意图；

图3是本发明实施例的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的纵截面结构示意图；

图4是本发明实施例一的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的平面结构示意图；

图5是本发明实施例一的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的有限传输零点位置可控的仿真曲线；

图6是本发明实施例一的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的散射参数仿真与测试曲线；

图7是本发明实施例一的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的宽频带测试曲线；

图8是本发明实施例二的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的平面结构示意图；

图9是本发明实施例二的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的有限传输零点位置可控的仿真曲线；

图10是本发明实施例二的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的散射参数仿真与测试曲线；

图11是本发明实施例二的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的宽频带测试曲线。

图中序号所代表的含义为：

1.第一单模SIW谐振器，2.第二单模SIW谐振器，3.第三单模SIW谐振器，4.第四单模SIW谐振器，5.双模SIW谐振器，6.平衡输入馈线，7.平衡输出馈线。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明提出的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，实现的四端口电路耦合拓扑结构如图1所示，其揭示了四个单模SIW谐振器和一个双模SIW谐振器之间耦合路径之间的关系，其中：S₁和S₂表示一对平衡输入端口，L₁和L₂表示一对平衡输出端口，R₁和R₁'表示第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器，R₄和R₄'表示第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器，R₂和R₃分别为双模SIW谐振器中TE₁₀₂模和TE₂₀₁模，实线表示谐振模式之间的主耦合路径，虚线表示谐振模式之间的交叉耦合路径。

将上面四端口电路等效为二端口电路耦合拓扑结构如图2所示，其揭示了平衡带通滤波器在差模工作时，谐振模式之间耦合路径之间关系，其中：S和L分别为输入端口和输出端口，R₁和R₄分别为等效的单模SIW谐振器，R₂和R₃分别为双模SIW谐振器中TE₁₀₂模和TE₂₀₁模，实线表示谐振模式之间的主耦合路径，虚线表示谐振模式之间的交叉耦合路径。

实施例一

如图3所示，本实施例的基于基片集成波导的平衡带通滤波器采用介质基板，介质基板分为三层结构，分别是顶层金属层、底层金属层及设置在二者之间的中间层介质基片，优选的，介质基板采用Rogers5880型号，相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm，如图4所示，该平衡带通滤波器具体包括四个单模SIW谐振器、一个双模SIW谐振器一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线，所述一对平衡输入馈线、一对平衡输出馈线与四个单模SIW谐振器对应相连，所述双模SIW谐振器位于中心，所述四个单模SIW谐振器分布在双模SIW谐振器的四周，并且四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器耦合，四个单模SIW谐振器和一个双模SIW谐振器的边缘设置多个金属过孔，优选的，金属过孔的直径均为0.6mm，相邻金属过孔之间的间距为1mm。四个单模SIW谐振器工作在TE₁₀₁模式，双模SIW谐振器工作在TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式。四个单模SIW谐振器尺寸相同、谐振频率相同。四个单模SIW谐振器从左、下、右、上依次为第一单模SIW谐振器、第二单模SIW谐振器、第三单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器。平衡带通滤波器关于对角线T₁T₂和P₁P₂对称。

所述四个单模SIW谐振器和一个双模SIW谐振器组合设计平衡带通滤波器，实现差模传输和共模抑制特性，并实现一个位置可控的FTZ，该FTZ的归一化位置Ω可由式(1)进行计算，M₁₂和M₁₃分别表示单模SIW谐振器中TE₁₀₁模与双模SIW谐振器中TE₁₀₂模和TE₂₀₁模之间的耦合系数，M₂₂和M₃₃分别表示双模SIW谐振器中TE₁₀₂模和TE₂₀₁模的自耦合系数。

双模SIW谐振器的对角线T₁T₂或P₁P₂上设置有两个微扰金属过孔，微扰金属过孔的直径C_r＝0.6mm，用于分离和控制TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式的谐振频率。当两个微扰金属过孔位于双模SIW谐振器的对角线T₁T₂上时，TE₁₀₂模式的谐振频率大于TE₂₀₁模式的谐振频率；当两个微扰金属过孔位于双模SIW谐振器的对角线P₁P₂上时，TE₂₀₁模式的谐振频率大于TE₁₀₂模式的谐振频率。

四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器通过耦合窗耦合，耦合窗的位置可以偏离双模SIW谐振器的中心位置，耦合窗的位置D₁可以偏离双模SIW谐振器的中心位置，并结合耦合窗大小L₃，用于控制单模SIW谐振器中TE₁₀₁模式与双模SIW谐振器中TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式的耦合强度。

一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线均采用50Ω微带馈线，微带馈线的宽度为1.54mm，一对平衡输入馈线分别与第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器相连，一对平衡输出馈线分别与第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器相连，分别激励相连的单模SIW谐振器。两对平衡输入输出馈线从四个馈电端口引出，四个馈电端口为50Ω微带线转共面波导结构，共面波导结构的缝隙宽度W₁＝W₂＝0.25mm。

差模响应的通带由等效的两个单模SIW谐振器和一个双模SIW谐振器确定，构成四阶平衡带通滤波器，在本实例中，微扰金属过孔始终位于对角线T₁T₂上，因此，双模SIW谐振器中TE₁₀₂模式的谐振频率大于TE₂₀₁模式的谐振频率，也就是M₂₂<M₃₃。

在本实例中，单模SIW谐振器之间没有耦合，因此图2所示的路径R₁-R₄的耦合强度为零，当单模SIW谐振器中TE₁₀₁模式与双模SIW谐振器中TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式之间的耦合强度相等时，也就是M₁₂等于M₁₃，由公式(1)可知，归一化位置Ω为无穷大，因此该滤波器没有有限传输零点，仿真结果如图5中曲线1；当M₁₂大于M₁₃，也就是控制耦合窗的位置D₁小于0，此时在差模响应的通带下方附近产生一个FTZ，仿真结果如图5中曲线2，该FTZ由图2所示的耦合路径R₁-R₂-R₄和R₁-R₃-R₄产生，并由两条耦合路径的耦合强度控制；当M₁₂小于M₁₃，也就是控制耦合窗的位置D₁大于0，此时在差模响应的通带上方附近产生一个FTZ，仿真结果如图5中曲线3，该FTZ由耦合路径R₁-R₂-R₄和R₁-R₃-R₄产生，并由两条耦合路径的耦合强度控制。由图5所示的仿真曲线可知，该平衡带通滤波器可以产生一个FTZ，且其位置可以按需配置。

图6给出了本实施例的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的散射参数仿真与测试结果，对于平衡带通滤波器的差模相应，测试的中心频率为12.54GHz，带内插入损耗2.02dB，带内反射损耗为13.57dB，1dB的带宽为389MHz(相对带宽3.1％)，测得一个FTZ位于11.95GHz。共模工作时，在中心频率处测得的共模抑制为27.13dB。

图7给出了本实施例的基于基片集成波导的平衡带通滤波器的宽频带测试结果，差模工作时，抑制水平大于20dB的阻带到20.28GHz，也就是1.62倍的差模通带中心频率。共模工作时，抑制水平大于20dB差模响应到22GHz，也就是1.75倍的差模通带中心频率。

测试结果表明，实施例一中所示的平衡带通滤波器实现了一个FTZ位置按需配置，并且实现了很好的差模传输和共模抑制特性。

实施例二

本实施例的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，与实施例一的结构基本相同，相同之处不再赘述，不同之处在于：该平衡带通滤波器能够实现差模传输和共模抑制特性，并实现两个位置可控的FTZs。

第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器分别沿着z轴方向移动，第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器分别沿着x轴方向移动，第一单模SIW谐振器和第二单模SIW谐振器、第三单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器分别形成一个交叉区域，移去交叉区域的金属过孔，得到两个交叉耦合区域，进而实现单模SIW谐振器的交叉耦合路径，交叉耦合路径R₁-R₄的耦合强度由交叉耦合区域的大小(参数D₃)确定，且该交叉耦合路径增加一个有限传输零点，进一步提高了差模通带的选择性。

图9给出了本实施例的平衡带通滤波器的差模响应的两个FTZs位置的可控性仿真结果，增加交叉耦合区域时，两个FTZs位置同时靠近差模通带，进一步可以提高差模通带的选择性，实现了两个FTZs位置的控制。

图10给出了本实施例的平衡带通滤波器的散射参数仿真与测试结果，对于平衡带通滤波器的差模响应，测试的中心频率为12.54GHz，带内插入损耗2.12dB，带内反射损耗为15.18dB，1dB的带宽为362MHz(相对带宽2.89％)，测得两个FTZs分别位于12.11GHz和13.095GHz。共模工作时，在中心频率处测得的共模抑制为19.59dB。

图11给出了本实施例的平衡带通滤波器的宽频带测试结果，差模工作时，抑制水平大于20dB的阻带到19.76GHz，也就是1.58倍的差模通带中心频率。共模工作时，抑制水平大于19dB的差模响应到19.73GHz，也就是1.57倍的中心频率。

测试结果表明，实施例二中所示的平衡带通滤波器实现了两个FTZs位置按需配置，并且实现了很好的差模传输和共模抑制特性。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

最后需要说明的是：以上所述仅为本发明的实施例的特例，仅用于说明本发明的技术方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，包括四个单模SIW谐振器、一个双模SIW谐振器、一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线，所述一对平衡输入馈线、一对平衡输出馈线与四个单模SIW谐振器对应相连，所述双模SIW谐振器位于中心，所述四个单模SIW谐振器分布在双模SIW谐振器的四周，并且四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器耦合。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述四个单模SIW谐振器工作在TE₁₀₁模式，所述双模SIW谐振器工作在TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式。

3.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述四个单模SIW谐振器尺寸相同、谐振频率相同。

4.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述双模SIW谐振器的对角线T₁T₂或P₁P₂上设置有两个微扰金属过孔，用于分离和控制TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式的谐振频率；当两个微扰金属过孔位于双模SIW谐振器的对角线T₁T₂上时，TE₁₀₂模式的谐振频率大于TE₂₀₁模式的谐振频率；当两个微扰金属过孔位于双模SIW谐振器的对角线P₁P₂上时，TE₂₀₁模式的谐振频率大于TE₁₀₂模式的谐振频率。

5.根据权利要求4所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述平衡带通滤波器关于对角线T₁T₂和P₁P₂对称。

6.根据权利要求2所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述四个单模SIW谐振器分别与双模SIW谐振器通过耦合窗耦合，所述耦合窗的位置可偏离双模SIW谐振器的中心位置，并结合耦合窗的大小，用于控制单模SIW谐振器中TE₁₀₁模式与双模SIW谐振器中TE₁₀₂模式和TE₂₀₁模式的耦合强度。

7.根据权利要求1所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述四个单模SIW谐振器从左、下、右、上依次为第一单模SIW谐振器、第二单模SIW谐振器、第三单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器。

8.根据权利要求7所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述一对平衡输入馈线和一对平衡输出馈线均采用微带馈线，一对平衡输入馈线分别与第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器相连，一对平衡输出馈线分别与第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器相连。

9.根据权利要求7所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述第一单模SIW谐振器和第三单模SIW谐振器分别沿着z轴方向移动，第二单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器分别沿着x轴方向移动，第一单模SIW谐振器和第二单模SIW谐振器、第三单模SIW谐振器和第四单模SIW谐振器分别形成一个交叉区域，移去交叉区域的金属过孔，得到两个交叉耦合区域。

10.根据权利要求9所述的基于基片集成波导的平衡带通滤波器，其特征在于，所述交叉耦合区域用于实现单模SIW谐振器的交叉耦合路径，交叉耦合路径的耦合强度由交叉耦合区域的大小确定，且该交叉耦合路径增加一个有限传输零点。

Images