CN112563701B - 基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，包括SIW矩形腔、直线型金属化通孔阵列微扰、输入耦合窗、输出耦合窗、输入转接器、输出转接器、输入端口和输出端口。该滤波器利用SIW微扰矩形腔的TE101模和TE201模来构建通带，在保持SIW完整性和不增加加工难度的基础上，不仅消除了双模SIW滤波器下阻带的寄生通带，而且还扩展了双模SIW滤波器上阻带的无杂散带宽。此外，该滤波器的通带带宽和传输零点方便可调，具有很大的设计灵活性。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种双模基片集成波导滤波器，尤其涉及一种基于微扰矩形腔的新型双模基片集成波导滤波器。
背景技术
基片集成波导(SIW)滤波器由于低损耗、低成本、低剖面、良好的屏蔽性、易于和其他平面电路集成等优点获得了微波毫米波领域的广泛应用。其中，双模或多模SIW 滤波器由于尺寸小、频率选择性高等优点成为了当前SIW滤波器的研究热点。
传统的双模SIW滤波器是利用SIW正方形腔或圆形腔的两个正交模(TE201模和TE102模)来实现的。尽管这些双模SIW滤波器能够在通带的一侧或两侧产生传输零点，从而获得较高的频率选择性，但由于SIW腔体中高次模特别是TE202模的存在，滤波器上阻带的无杂散带宽通常低于30％。此外，由于腔体中还存在TE101模，传统双模 SIW滤波器的下阻带中也会出现寄生通带。针对上述问题，有学者提出了一种基于部分空气填充矩形腔的双模SIW滤波器，有效地提升了双模SIW滤波器的阻带特性。但是这种SIW滤波器需要将SIW矩形腔体中的部分介质精确挖除，极大地增加了SIW滤波器的加工成本和复杂度。
此外，在传统双模SIW腔的表面刻蚀附加结构，比如互补分裂环谐振器、共面波导或槽线，能够实现结构更加紧凑的三模SIW滤波器，但这些表面刻蚀结构破坏了SIW 腔体的完整性和屏蔽性，增加了SIW滤波器的辐射损耗。为了保持SIW腔体的完整性，还有一种实现多模SIW滤波器的方法是在SIW正方形或圆形腔体中引入直径可调的金属化通孔来扰动SIW腔体的谐振模式。但这些SIW腔体中的多个谐振频率无法独立调谐，而且TE101模的谐振频率与TE201模和TE102模的谐振频率相隔太远，导致多模 SIW滤波器的通带带宽难以调谐。因此，双模SIW滤波器仍然是当前研究的重点。
发明内容
针对传统双模SIW滤波器阻带无杂散带宽受限的问题，本发明提出了一种基于微扰矩形腔的新型双模SIW滤波器，在保持SIW完整性和屏蔽性且不增加加工成本和难度的基础上，不仅消除了双模SIW滤波器下阻带的寄生通带，而且还扩展了双模SIW滤波器上阻带的无杂散带宽。
本发明采用如下技术方案：
一种基于微扰矩形腔的新型双模SIW带通滤波器，包括SIW矩形腔、直线型金属化通孔阵列微扰、输入耦合窗、输出耦合窗、输入转接器、输出转接器、输入端口和输出端口；
直线型金属化通孔阵列微扰的中心与SIW矩形腔的中心重合，且直线型金属化通孔阵列沿x轴方向排列；
输入耦合窗、输出耦合窗位于SIW矩形腔的y轴向两侧壁处，且两者错开设置；输入耦合窗、输出耦合窗处无金属化通孔设置。
作为优选，直线型金属化通孔阵列的长度与SIW矩形腔宽度之比c/w小于0.6。
作为优选，输入耦合窗和输出耦合窗的中点在y轴方向上偏离腔体中心的距离s不为0。
作为优选，输入耦合窗、输出耦合窗宽度相同。
输入转接器和输出转接器均采用梯形渐变线的形式进行阻抗匹配。
输入端口和输出端口均采用50欧姆微带线进行馈电。
本发明利用SIW微扰矩形腔的TE101模和TE201模来构建双模滤波器的通带；通过调节直线型金属化通孔阵列微扰的长度，可以控制双模SIW滤波器通带的带宽；通过调节SIW矩形腔的长宽比，可以控制双模SIW滤波器的上阻带无杂散带宽；通过调节输入、输出耦合窗的位置，可以控制双模SIW滤波器响应中传输零点的位置；在设计上具有很大的灵活度。
具体工作原理：
因为SIW矩形腔中TE201模的电场强度在腔体中心的x轴方向为零，所以在该处引入直线型金属化通孔阵列时，不会影响TE201模的电场分布和谐振频率(fTE201)。但是，由于TE101模的电场强度在腔体中心位置最强，因此直线型金属化通孔阵列的引入会扰动 TE101模的电场分布，从而改变TE101模的谐振频率(fTE101)。随着直线型金属化通孔阵列微扰长度的增加，fTE101与fTE201越来越接近，因此这两个谐振模式可以被用于构建双模滤波器的通带，而且通带的带宽可以通过调整直线型金属化通孔阵列微扰的长度来控制。
由于TE101模是SIW微扰矩形腔的基模，在TE101模的谐振频率以下不存在其他谐振模式，因此该双模SIW滤波器在下阻带中不存在寄生通带。另一方面，根据SIW微扰矩形腔的长宽比不同，腔体中距离通带最近的高次模会在TE102模和TE301模之间转变，进而改变上阻带寄生通带的频率。因此，通过调节SIW矩形腔的长宽比，可以控制双模SIW滤波器的上阻带无杂散带宽。
定义输入端口与TE101模和TE201模的耦合系数分别为MS1和MS2,输出端口与TE101模和TE201模的耦合系数分别为ML1和ML2。根据TE101模和TE201模的场分布，可以得出MS1＝ML1,MS2＝-ML2。当MS1/MS2>1时，该双模滤波器将在上阻带产生一个传输零点，而且MS1/MS2越大，该传输零点离通带的距离越近。其中，MS1/MS2的大小可以通过调节输入/输出耦合窗的位置进行控制。另一方面，腔体内高次模的存在使得输入、输出端口之间产生了额外的寄生耦合。当SIW矩形腔的长宽比大于2时，TE301模成为了距离通带最近的高次模，由TE301模引起的寄生耦合与TE101模和TE201模相互作用，能够在低于TE301模的谐振频率的位置产生另一个传输零点，该传输零点的位置也可以通过调节输入/输出耦合窗的位置进行控制。
本发明具有以下优点：
(1)在不增加加工成本和难度的基础上，消除了传统双模SIW滤波器下阻带中的寄生通带；
(2)扩展了双模SIW滤波器的上阻带无杂散带宽(由30％以下扩展到了49％以上)；
(3)可独立调谐TE101模的谐振频率，而不改变TE201模的谐振频率，便于控制双模SIW滤波器的通带带宽；
(4)具有两个传输零点，且传输零点的位置可调，提高了双模SIW滤波器的频率选择性和阻带抑制度；
(5)保持了SIW腔体的完整性和屏蔽性，降低了SIW滤波器的辐射损耗及与其他电路之间的寄生耦合。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是SIW微扰矩形腔中TE101模和TE201模的谐振频率曲线；
图3是改变SIW微扰矩形腔长宽比时的滤波器响应曲线；
图4是本发明与传统双模SIW滤波器响应曲线的对比图；
图5是改变本发明输入/输出耦合窗位置时的滤波器响应曲线。
图中标记：SIW矩形腔1、直线型金属化通孔阵列微扰2、输入耦合窗3、输出耦合窗4、输入转接器5、输出转接器6、输入端口7、输出端口8。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1所示，本发明提供的一种基于微扰矩形腔的新型双模SIW带通滤波器，包括SIW矩形腔1、直线型金属化通孔阵列微扰2、输入耦合窗3、输出耦合窗4、输入转接器5、输出转接器6、输入端口7和输出端口8；其中，直线型金属化通孔阵列微扰2位于SIW矩形腔1的中心，沿x轴方向排列；输入耦合窗3位于SIW矩形腔1的左侧壁，其位置相对于左侧壁的中点向y轴正方向偏移；输出耦合窗4位于SIW矩形腔1的右侧壁，其位置相对于右侧壁中点向y轴负方向偏移；输入转接器5和输出转接器6均采用梯形渐变线的形式进行阻抗匹配；输入端口7和输出端口8均采用50欧姆微带线进行馈电。
直线型金属化通孔阵列中每个通孔的直径为0.5mm，相邻两通孔间距在0.7-0.9mm。输入耦合窗3和输出耦合窗4的宽度相同。
图1中的尺寸标识说明如下：l为SIW矩形腔1的长度，w为SIW矩形腔1的宽度，c为直线型金属化通孔阵列微扰2的长度，wio为输入耦合窗3和输出耦合窗4的宽度，s为输入耦合窗3和输出耦合窗4的中点在y轴方向上偏离腔体中心的距离。
图2是SIW微扰矩形腔中TE101模和TE201模的谐振频率与c之间关系图。在本实例中，SIW矩形腔的长宽比l/w为2.4，宽度w为13.1mm,介质基板采用的是0.5mm厚度的TanconicTLY-5,相对介电常数为2.2。由图可见，当c增大时，TE201模的谐振频率保持不变，而TE101模的谐振频率则不断提高，直至与TE201模的谐振频率相等。因此，通过调节c的长度可以方便地控制双模滤波器通带的带宽。
图3是SIW微扰矩形腔设置为不同长宽比时的滤波器响应曲线。由图可见，当l/w分别设置为1.63、2和2.4时，滤波器响应中距离通带最近的寄生通带分别位于中心频率的1.44倍、1.54倍和1.49倍，即上阻带无杂散带宽分别为44％、54％和49％。而且，当l/w≥2时，滤波器响应在上阻带出现了两个传输零点。作为优选，本发明在接下来的实例中将l/w固定为2.4，从而兼顾了上阻带的无杂散带宽和阻带抑制度。
图4是本发明与传统双模SIW滤波器的响应曲线对比图。由图可见，传统双模SIW滤波器在上、下阻带均出现了寄生通带，分别位于中心频率的12.7倍和0.63倍。本发明在上阻带出现了寄生通带，位于中心频率的14.9倍，而在下阻带则没有出现寄生通带。相比于传统的双模SIW滤波器，本发明不仅消除了下阻带中的寄生通带，而且还将上阻带的无杂散带宽由27％扩展到了49％。
图5是本发明在输入/输出耦合窗位置改变时的响应曲线图。由图可见，当s变小时，滤波器响应中的两个传输零点均向通带方向移动。因此，设计者可以通过调节s的大小来控制传输零点的位置。值得注意的是，在设计中需要保证s≠0,否则SIW矩形腔中的TE201模无法被激励，因此也就无法实现双模滤波器。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于包括SIW矩形腔、直线型金属化通孔阵列微扰、输入耦合窗、输出耦合窗、输入转接器、输出转接器、输入端口和输出端口；
直线型金属化通孔阵列微扰的中心与SIW矩形腔的中心重合，且直线型金属化通孔阵列沿x轴向排列；x轴向与SIW矩形腔的宽度方向相同；
输入耦合窗、输出耦合窗位于SIW矩形腔的y轴向两侧壁处，且两者错开设置；输入耦合窗、输出耦合窗处无金属化通孔设置；y轴向与SIW矩形腔的长度方向相同；
输入耦合窗和输出耦合窗的中点在y轴方向上偏离腔体中心的距离s不为0；
定义输入端口与TE101模和TE201模的耦合系数分别为MS1和MS2, 输出端口与TE101模和TE201模的耦合系数分别为ML1和ML2；根据TE101模和TE201模的场分布，得出MS1=ML1, MS2=-ML2；
当MS1/MS2>1时，该双模滤波器将在上阻带产生一个传输零点，而且MS1/MS2越大，该传输零点离通带的距离越近；MS1/MS2的大小通过调节输入/输出耦合窗的位置进行控制。
2.如权利要求1所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于直线型金属化通孔阵列的长度与SIW矩形腔宽度之比c/w小于0.6。
3.如权利要求1或2所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于输入耦合窗、输出耦合窗宽度相同。
4.如权利要求1或2所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于输入转接器和输出转接器均采用梯形渐变线的形式进行阻抗匹配。
5.如权利要求1或2所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于输入端口和输出端口均采用50欧姆微带线进行馈电。
6.如权利要求1所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于通过调节直线型金属化通孔阵列微扰的长度，控制双模SIW滤波器通带的带宽。
7.如权利要求1所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于通过调节SIW矩形腔的长宽比，控制双模SIW滤波器的上阻带无杂散带宽。
8.如权利要求1所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于通过调节输入/输出耦合窗的位置，控制双模SIW滤波器响应中传输零点的位置。
9.如权利要求1所述的基于微扰矩形腔的双模基片集成波导滤波器，其特征在于当SIW矩形腔的长宽比大于2时，TE301模成为了距离通带最近的高次模，由TE301模引起的寄生耦合与TE101模和TE201模相互作用，能够在低于TE301模的谐振频率的位置产生另一个传输零点，该传输零点的位置通过调节输入、输出耦合窗的位置进行控制。
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