CN112072235B - 一种微带-探针结构馈电的双模siw平衡带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微带‑探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，包括三层介质基板、两层金属层、SIW谐振腔和四个微带‑探针馈电结构；在第二介质基板上布设有金属通孔阵列和两个金属微扰通孔；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第一介质基板上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在第三介质基板下表面，每个上微带馈电平衡端口均通过金属探针与下微带馈电平衡端口相连接，形成差分馈电端口；两根金属探针均穿过SIW谐振腔。本发明有效利用微带‑探针结构馈电方式，在差模信号激励下，可以得到良好的滤波特性，满足了差分通信系统的实际需求。
Description
技术领域
本发明涉及平衡滤波器技术领域，特别是一种微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器。
背景技术
随着现代通信技术的飞速发展，频谱资源日益紧张。传统的通信系统受限于技术和成本，在频谱低于6GHz范围内广泛的研究和应用。而微波高频段及毫米波频段频谱资源更为丰富，有待进一步研究和开发。
在通信系统中，滤波器网络用于特定频段传输和衰减噪声，而诸如无线通信之类的新兴应用将对微波滤波器提出更为严格的要求和挑战——更高的性能，更小的尺寸，更轻的重量和更低的成本。另一方面，随着电磁环境的日益恶化，电磁干扰和环境噪声对通信造成不可忽视的影响。由于平衡(差分)电路结构对环境噪声和电磁干扰有很强的抗性，可以增加收发机中的信噪比。在各种平衡电路中，平衡滤波器对差分系统中的性能增强起着非常重要的作用，其中对带有高共模抑制的平衡滤波器的实现是研究重点。
针对这一趋势，广大学者对各种具有抑制共模信号和在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和设计微波平衡滤波器，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，当工作频率进入微波高频段或毫米波波段时，上述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，因而无法继续得到应用。
面对上述难题，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术由于具有低损耗、低串扰、低成本、易于制造、良好的平面集成等优点，得到了很好的发展和广泛的应用。
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，而提供一种微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，该微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器利用平衡SIW传输线固有特性，实现宽频带内高共模抑制的特性。有效利用微带-探针结构馈电方式，在差模信号激励下，可以得到良好的滤波特性。利用基片集成波导矩形腔中的双模之间的耦合和在源与负载之间引入非谐振结点(NRN),产生可控传输零点和带有宽频带内高共模抑制的高性能平衡滤波器，有效地提高了平衡滤波器的选择性和共模抑制性能，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：
一种微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，包括三层介质基板、两层金属层、SIW谐振腔和四个微带-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第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板。
两层金属层分别为上金属层和下金属层，上金属层为印刷在第一介质基板和第二介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在第二介质基板和第三介质基板之间的共用金属面。
在第二介质基板上布设有“口”型的金属通孔阵列和两个金属微扰通孔。“口”型的金属通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成SIW谐振腔，两个金属微扰通孔布设在SIW谐振腔的左右两侧。
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第一介质基板的上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在第三介质基板的下表面，
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和弧形微带线，弧形微带线同心布设在条形微带线的内侧端。
第一介质基板和第三介质基板上均设置有两组弧形金属孔带，每组弧形金属孔带均与弧形微带线相对应，每组弧形金属孔均包括沿对应弧形微带线均匀布设的若干个金属化过孔。
上金属层和下金属层上均蚀刻有两个圆形金属缝隙，两根金属探针分别从两个圆形金属缝隙中穿过，且两个圆形金属缝隙的内径大于金属探针的外径。
两个圆形金属缝隙在共模信号激励下，能量全反射，实现宽频带共模抑制。在共模信号激励下，通过改变圆形金属缝隙的直径，进而调整双模SIW平衡带通滤波器的外部品质因数，实现理想差模带宽。
SIW谐振腔为正方形，通过调整SIW谐振腔的边长尺寸，从而适应不同频率的谐振模式。
SIW谐振腔的边长l＝23.0mm。
“口”型的金属通孔阵列包括四条依次首位连接的金属通孔带组成，条形微带线与其中两条金属通孔带相平行，假设与条形微带线相平行且最邻近的一条金属通孔带称为第一金属通孔带，垂直于第一金属通孔带的两条金属通孔带称为竖直金属通孔带。则金属探针至第一金属通孔带的距离l1＝5.8mm，金属探针至最邻近的竖直金属通孔带的距离l2＝4.2mm，金属微扰通孔至第一金属通孔带的距离l3＝9.1mm，金属微扰通孔至最邻近的竖直金属通孔带的距离l4＝1.4mm。
第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均采用R05880型号的介质基板，相对介电常数为2.2，厚度h为0.508mm。
本发明具有如下有益效果：
(1)、本发明采用基片集成波导的固有特性进行设计平衡带通滤波器，实现了在非常宽的频带范围内实现了共模抑制。另外，由于采用基片集成波导SIW，故而能够现有技术中存在的辐射损耗高、功率处理能力低、品质因数Qe低等技术问题，从而能够用于高频6GHz以上，如差模通带的中心频率为10.3GHz的通滤波器设计。
(2)、利用基片集成波导简并双模模式构建差模通带，减小了滤波器平面尺寸，实现了结构紧凑和小型化。
(3)、利用基片集成波导矩形腔中的双模之间的耦合和在源与负载之间引入非谐振结点(NRN)，产生可控传输零点和带有宽频带内高共模抑制的高性能平衡滤波器，有效地提高了平衡滤波器的选择性和共模抑制性能，满足了差分通信系统的实际需求。
(4)、馈电结构简单，易于集成。
(5)、采用微带-探针结构馈电方式，微带-探针结构可以有效激励起通带内的模式，并且易于调整外部品质因数来获得更好的通带性能。在差模信号激励下，可以更好的在腔内激励起电磁波，从而得到良好的滤波特性。在差模信号激励下，通带的带宽可以通过调整两个金属化微扰通孔的位置来改变，同时在通带两侧引入两个传输零点以提高滤波器的选择性。
附图说明
图1显示了所采用印刷电路板的示意图。
图2显示了本发明一种微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器的三维结构图。
图3显示了本发明平衡双模带通滤波器的俯视图。
图4显示了双模平衡滤波器仿真及测试图。
其中有：S1.第一介质基板；S11.条形微带线；S12.弧形微带线；S13.金属化过孔；S14.探针过孔；S2.第二介质基板；S21.“口”型的金属通孔阵列；S22.金属通孔；S23.金属微扰通孔；S24.第一金属通孔带；S3.第三介质基板；M1.上金属层；M11.圆形金属缝隙；M2.下金属层；10.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和图2所示，一种微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，包括三层介质基板、两层金属层、SIW谐振腔和四个微带-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第一介质基板S1、第二介质基板S2和第三介质基板S3。
第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均优选采用R05880型号的介质基板，相对介电常数优选为2.2，厚度h优选为0.508mm。
两层金属层分别为上金属层M1和下金属层M2，上金属层为印刷在第一介质基板和第二介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在第二介质基板和第三介质基板之间的共用金属面。
在第二介质基板上布设有“口”型的金属通孔阵列上S21和两个金属微扰通孔S23。“口”型的金属通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成SIW谐振腔，两个金属微扰通孔布设在SIW谐振腔的左右两侧。
SIW谐振腔优选为正方形，边长优选为l＝23.0mm，通过调整SIW谐振腔的边长尺寸，从而适应不同频率的谐振模式。
“口”型的金属通孔阵列包括四条依次首位连接的金属通孔带组成，每条金属通孔带均由若干个直径优选为d＝0.8mm，间距优选为p＝1.2mm的金属通孔S22均匀排列形成。
两个金属微扰通孔的直径也优选为d＝0.8mm。
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10。
两个上微带馈电平衡端口对称印刷在第一介质基板的上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在第三介质基板的下表面，
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，两根金属探针均优选通过探针过孔S14竖直贯穿三层介质基板和两层金属层，且均穿过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优选包括条形微带线S11和弧形微带线S12，弧形微带线同心布设在条形微带线的内侧端。
条形微带线与“口”型的金属通孔阵列中的两条金属通孔带相平行，假设与条形微带线相平行且最邻近的一条金属通孔带称为第一金属通孔带S24，垂直于第一金属通孔带的两条金属通孔带称为竖直金属通孔带，则金属探针至第一金属通孔带的距离l1＝5.8mm，金属探针至最邻近的竖直金属通孔带的距离l2＝4.2mm，金属微扰通孔至第一金属通孔带的距离优选为l3＝9.1mm，金属微扰通孔至最邻近的竖直金属通孔带的距离优选为l4＝1.4mm。
第一介质基板和第三介质基板上均设置有两组弧形金属孔带，每组弧形金属孔带均与弧形微带线相对应，每组弧形金属孔均包括沿对应弧形微带线均匀布设的若干个金属化过孔S13，每个金属化过孔S13的直径优选为d＝0.8mm，间距优选为p＝1.2mm。
上金属层和下金属层上均蚀刻有两个圆形金属缝隙M11(也即上金属层和下金属层上的探针过孔)，两根金属探针分别从两个圆形金属缝隙中穿过，且两个圆形金属缝隙的内径大于金属探针的外径，两个圆形金属缝隙的半径优选为2.3mm。
两个圆形金属缝隙在共模信号激励下，能量全反射，实现宽频带共模抑制。在共模信号激励下，通过改变圆形金属缝隙的直径，进而调整双模SIW平衡带通滤波器的外部品质因数，实现理想差模带宽。
图4给出了滤波器仿真和测试图。对于差模频率响应，测量(仿真)的差模通带的中心频率为10.3GHz(10.3GHz)，3-dB相对带宽为3.0％(2.9％)，为了方便实测，激励端口做了延长，并增加了两端弯曲，带来一定的阻抗不连续，同时SMA接头有一定的插损，实测得到的最小插入损耗为2.16dB(1.79dB)。在差模通带两侧的两个传输零点TZ1和TZ2可以清楚地观察到，优于35dB，分别位于9.8GHz和10.9GHz，提高滤波器的选择性。对于共模频率响应情况，可以看出在较宽的频带内，共模信号抑制优于51dB。
由上可知，本发明将基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计中，并设计叠层结构利用基片集成波导高次模式构建第二通带，减小了滤波器平面尺寸，实现了小型化。
本发明利用SIW固有特性，大大简化了设计方法，实现了宽频带共模抑制；将双层基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计，并利用简并双模TE120和TE210设计的平衡双模带通滤波器，减小了滤波器平面尺寸和腔体数目，实现了小型化和结构紧凑。
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 (7)
1.一种微带-探针结构馈电的双模SIW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、SIW谐振腔和四个微带-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第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板；
两层金属层分别为上金属层和下金属层，上金属层为印刷在第一介质基板和第二介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在第二介质基板和第三介质基板之间的共用金属面；
在第二介质基板上布设有“口”型的金属通孔阵列和两个金属微扰通孔；“口”型的金属通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成SIW谐振腔，两个金属微扰通孔布设在SIW谐振腔的左右两侧；
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第一介质基板的上表面，两个下微带馈电平衡端口对称印刷在第三介质基板的下表面，
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SIW谐振腔；
上金属层和下金属层上均蚀刻有两个圆形金属缝隙，两根金属探针分别从两个圆形金属缝隙中穿过，且两个圆形金属缝隙的内径大于金属探针的外径；两个圆形金属缝隙在共模信号激励下，能量全反射，实现宽频带共模抑制；在共模信号激励下，通过改变圆形金属缝隙的直径，进而调整双模SIW平衡带通滤波器的外部品质因数，实现理想差模带宽；
微带-探针结构馈电方式，能有效激励起通带内的模式，并且易于调整外部品质因数来获得更好的通带性能；在差模信号激励下，能在腔内激励起电磁波，从而得到良好的滤波特性；在差模信号激励下，通带的带宽能通过调整两个金属化微扰通孔的位置来改变，同时在通带两侧引入两个传输零点以提高滤波器的选择性。
2.根据权利要求1所述的微带-探针结构馈电的双模SIW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和弧形微带线，弧形微带线同心布设在条形微带线的内侧端。
3.根据权利要求2所述的微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：第一介质基板和第三介质基板上均设置有两组弧形金属孔带，每组弧形金属孔带均与弧形微带线相对应，每组弧形金属孔均包括沿对应弧形微带线均匀布设的若干个金属化过孔。
4.根据权利要求3所述的微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：SIW谐振腔为正方形，通过调整SIW谐振腔的边长尺寸，从而适应不同频率的谐振模式。
5.根据权利要求4所述的微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：SIW谐振腔的边长l=23.0mm。
6.根据权利要求5所述的微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：“口”型的金属通孔阵列包括四条依次首位连接的金属通孔带组成，条形微带线与其中两条金属通孔带相平行，假设与条形微带线相平行且最邻近的一条金属通孔带称为第一金属通孔带，垂直于第一金属通孔带的两条金属通孔带称为竖直金属通孔带；则金属探针至第一金属通孔带的距离l 1 =5.8mm，金属探针至最邻近的竖直金属通孔带的距离l 2 =4.2mm，金属微扰通孔至第一金属通孔带的距离l 3 =9.1mm，金属微扰通孔至最邻近的竖直金属通孔带的距离l 4 =1.4mm。
7.根据权利要求1所述的微带-探针结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板均采用R05880型号的介质基板，相对介电常数为2.2，厚度h为0.508mm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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