CN112072236B - 一种微带-缝隙结构馈电的双模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‑缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，包括三层介质基板、微带‑缝隙馈电结构和SIW谐振腔；在第一介质基板的上表面和第三介质基板的下表面均设置有两根沿Z轴的馈电微带线；第二介质基板上设有四排金属通孔阵列和两个微扰金属通孔；在第一、二介质基板之间设有上金属层；在第二、三介质基板之间设有共用的下金属层；上金属层和下金属层均设有两个沿X轴的矩形金属缝隙，馈电微带线和矩形金属缝隙构成微带‑缝隙馈电结构；上、下金属层和四排金属通孔阵列，共同构成SIW谐振腔。本发明利用基片集成波导的固有平衡特性实现宽频带内高共模抑制的特性。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。
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-缝隙结构馈电的双模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。
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-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，该微带-缝隙结构馈电的双模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。通过设计微带-缝隙结构馈电方式，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-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，包括三层介质基板、微带-缝隙馈电结构和SIW谐振腔。
三层介质基板分别为从上至下依次叠置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板。
在第一介质基板的上表面和第三介质基板的下表面均设置有两根馈电微带线。
第二介质基板上设置有四排金属通孔阵列和两个微扰金属通孔。四排金属通孔阵列分别位于第二介质基板的四条侧边边缘部位。
在第一介质基板和第二介质基板之间设置有共用的上金属层。在第二介质基板和第三介质基板之间设置有共用的下金属层。
上金属层和下金属层均设置有两个矩形金属缝隙，两个矩形金属缝隙与两根馈电微带线的位置相对应且垂直于馈电微带线，馈电微带线和矩形金属缝隙构成微带-缝隙馈电结构。
上金属层、四排金属通孔阵列和下金属层，共同构成SIW谐振腔。两个微扰金属通孔位于SIW谐振腔内且邻近矩形金属缝隙。
SIW谐振腔为正方形，SIW谐振腔的长和宽相等。通过调整SIW谐振腔的尺寸，从而适应不同频率的谐振模式。
矩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，通过改变矩形金属缝隙的长和宽，从而能够调整滤波器的外部品质因数，实现理想差模带宽。
矩形金属缝隙的长度小于馈电微带线的长度，矩形金属缝隙的宽度小于馈电微带线的宽度。
上金属层或下金属层上的两根馈电微带线位于同一直线，且与其中两排金属通孔阵列相平行。
假设与馈电微带线相平行且最邻近的一排金属通孔阵列为金属通孔阵列一，垂直于金属通孔阵列一的两排金属通孔阵列称为竖直金属通孔阵列。则SIW谐振腔的边长l＝23.0mm，馈电微带线至金属通孔阵列一的距离l1＝4.1mm，馈电微带线内侧端至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离l2＝5.5mm，矩形金属缝隙至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离l3＝1.5mm，微扰金属通孔至金属通孔阵列一的距离l4＝9.1mm，微扰金属通孔至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离l5＝1.3mm，矩形金属缝隙的长度sl＝5.4mm，矩形金属缝隙的长度sw＝1.0mm。
每排金属通孔阵列中的每个金属通孔的直径d＝0.8mm，相邻两个金属通孔的间距p＝1.2mm。
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10GHz的通滤波器设计。
(2)、本发明中微带-缝隙结构的馈电方式，在差模信号激励下，可以得到良好的滤波特性。同时，微带-缝隙结构能够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。
(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)，在差模通带两侧产生可控传输零点，提高滤波器的选择性。同时，实现宽频带内的高共模抑制，满足差分通信系统的实际需求。
(4)、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，馈电结构简单，易于集成。
(5)、差模信号激励下，通带的带宽能够通过调整两个微扰金属通孔的位置来改变，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是所采用印刷电路板的示意图。
图2是本发明一种微带-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器的结构示意图。
图3为本发明平衡双模带通滤波器的俯视图。
图4为双模平衡滤波器的仿真及测试图。
其中有：11.上馈电微带线；21.上矩形金属缝隙；31.微扰金属通孔；32.金属通孔阵列一；33.竖直金属通孔阵列；34.金属通孔；41.下矩形金属缝隙；51.下馈电微带线。
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-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，包括三层介质基板、微带-缝隙馈电结构和SIW谐振腔。
在图2中，以每块介质基板的两条相邻边长分别为X轴和Z轴，每个介质基板的厚度方向为Y轴，建立坐标系。
三层介质基板分别为从上至下依次同轴叠置的第一介质基板Sub1、第二介质基板Sub2和第三介质基板Sub3。
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。
在第一介质基板的上表面和第三介质基板的下表面均设置有两根馈电微带线。其中，位于第一介质基板上表面的两根馈电微带线为上馈电微带线11，两根上馈电微带线11位于同一直线，且均平行于Z轴，分别为Port1和Port2。位于第三介质基板下表面的两根馈电微带线为下馈电微带线51，两根上馈电微带线51位于同一直线，且均平行于Z轴，分别为Port1’和Port2’。
第二介质基板上设置有四排金属通孔阵列和两个微扰金属通孔31。四排金属通孔阵列分别位于第二介质基板的四条侧边边缘部位，四排金属通孔阵列优选与第二介质基板的四条侧边分别相平行，也即分别位于X轴和Z轴。
将与馈电微带线相平行且最邻近的一排金属通孔阵列为金属通孔阵列一32，垂直于金属通孔阵列一的两排金属通孔阵列称为竖直金属通孔阵列33。
如图3所示，馈电微带线至金属通孔阵列一的距离优选为l1＝4.1mm，馈电微带线内侧端至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离优选为l2＝5.5mm，
每排金属通孔阵列均由若干个金属通孔34排列形成，每个金属通孔的直径优选为d＝0.8mm，相邻两个金属通孔的间距优选为p＝1.2mm。
在第一介质基板和第二介质基板之间设置有共用的上金属层Metal1。在第二介质基板和第三介质基板之间设置有共用的下金属层Metal2。
上金属层和下金属层均设置有两个矩形金属缝隙，两个矩形金属缝隙与两根馈电微带线的位置相对应且垂直于馈电微带线，馈电微带线和矩形金属缝隙构成微带-缝隙馈电结构。
其中，位于上金属层上的两个矩形金属缝隙为上矩形金属缝隙21，位于下金属层上的两个矩形金属缝隙为下矩形金属缝隙41；上馈电微带线和上矩形金属缝隙构成上微带-缝隙馈电结构，下馈电微带线和下矩形金属缝隙构成下微带-缝隙馈电结构。
矩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，通过改变矩形金属缝隙的长和宽，从而能够调整滤波器的外部品质因数，实现理想差模带宽。
矩形金属缝隙的长度优选小于馈电微带线的长度，矩形金属缝隙的宽度优选小于馈电微带线的宽度。矩形金属缝隙至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离优选为l3＝1.5mm，，矩形金属缝隙的长度优选为sl＝5.4mm，矩形金属缝隙的长度优选为sw＝1.0mm。
上金属层、四排金属通孔阵列和下金属层，共同构成SIW谐振腔。SIW谐振腔优选为正方形，边长优选为l＝23.0mm。通过调整SIW谐振腔的尺寸，从而适应不同频率的谐振模式。
两个微扰金属通孔位于SIW谐振腔内的左右两侧且邻近矩形金属缝隙。每个微扰金属通孔31的直径也优选为d＝0.8mm，微扰金属通孔至金属通孔阵列一的距离优选为l4＝9.1mm，微扰金属通孔至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离优选为l5＝1.3mm。
差模信号激励下，通带的带宽能够通过调整两个微扰金属通孔的位置来改变，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。
本发明使用SIW的固有共模抑制，实现了宽频带高共模抑制。将基片集成波导技术引入平衡带通滤波器的设计，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。使用微带-缝隙馈电结构，易于集成。
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10.06GHz(10.00GHz)，3-dB相对带宽为2.1％(2.0％)，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3.24dB(1.85dB)。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9.6GHz和10.8GHz，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35dB。
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 (6)
1.一种微带-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：包括三层介质基板、微带-缝隙馈电结构和SIW谐振腔；
三层介质基板分别为从上至下依次叠置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板；
在第一介质基板的上表面和第三介质基板的下表面均设置有两根馈电微带线；
第二介质基板上设置有四排金属通孔阵列和两个微扰金属通孔；四排金属通孔阵列分别位于第二介质基板的四条侧边边缘部位；
在第一介质基板和第二介质基板之间设置有共用的上金属层；在第二介质基板和第三介质基板之间设置有共用的下金属层；
上金属层和下金属层均设置有两个矩形金属缝隙，两个矩形金属缝隙与两根馈电微带线的位置相对应且垂直于馈电微带线，馈电微带线和矩形金属缝隙构成微带-缝隙馈电结构；
上金属层、四排金属通孔阵列和下金属层，共同构成SIW谐振腔；两个微扰金属通孔位于SIW谐振腔内且邻近矩形金属缝隙；
矩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，通过改变矩形金属缝隙的长和宽，从而能够调整滤波器的外部品质因数，实现理想差模带宽；
矩形金属缝隙的长度小于馈电微带线的长度，矩形金属缝隙的宽度小于馈电微带线的宽度；
微带-缝隙结构的馈电方式，在差模信号激励下，能得到良好的滤波特性；同时，微带-缝隙结构能够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；
差模信号激励下，通带的带宽能够通过调整两个微扰金属通孔的位置来改变，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-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：SIW谐振腔为正方形，SIW谐振腔的长和宽相等；通过调整SIW谐振腔的尺寸，从而适应不同频率的谐振模式。
3.根据权利要求1所述的微带-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：上金属层或下金属层上的两根馈电微带线位于同一直线，且与其中两排金属通孔阵列相平行。
4.根据权利要求3所述的微带-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：假设与馈电微带线相平行且最邻近的一排金属通孔阵列为金属通孔阵列一，垂直于金属通孔阵列一的两排金属通孔阵列称为竖直金属通孔阵列；则SIW谐振腔的边长l＝23.0mm，馈电微带线至金属通孔阵列一的距离l1＝4.1mm，馈电微带线内侧端至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离l2＝5.5mm，矩形金属缝隙至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离l3＝1.5mm，微扰金属通孔至金属通孔阵列一的距离l4＝9.1mm，微扰金属通孔至最邻近的竖直金属通孔阵列的距离l5＝1.3mm，矩形金属缝隙的长度sl＝5.4mm，矩形金属缝隙的宽度sw＝1.0mm。
5.根据权利要求4所述的微带-缝隙结构馈电的双模SIW平衡带通滤波器，其特征在于：每排金属通孔阵列中的每个金属通孔的直径d＝0.8mm，相邻两个金属通孔的间距p＝1.2mm。
6.根据权利要求4所述的微带-缝隙结构馈电的双模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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| CN112072236A (zh) | 2020-12-11 |
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| PB01 | Publication | ||
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