CN112635942B - 一种具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，包括介质基板、金属盖板和金属腔体，介质基板的上表面设有微波带通滤波器，下表面设有金属地层，金属地层上开有第一矩形缝隙和第二矩形缝隙，金属盖板上开有第一矩形挖空槽和第二矩形挖空槽，金属腔体的内部部分挖空形成毫米波谐振器；金属盖板贴合在金属腔体上，介质基板以其下表面贴合在金属盖板上。本发明频带通滤波器能够同时支持微波和毫米波，具有结构紧凑，选择性高，带外抑制好，频率比大的优点，且其工作频率契合第五代无线通信系统标准，因此适合应用于第五代无线通信系统。本发明广泛应用于无线通信技术领域。

Description

一种具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，尤其是一种具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器。
背景技术
无线通信系统中使用微波频段和毫米波频段信号，其中微波频段具有传输距离远、覆盖范围广等优点，以及有频谱资源少、传输速率低等缺点，而毫米波频段具有频谱资源多、传输速率高等优点，以及有传输距离和覆盖范围有限等缺点，因此同时使用微波频段和毫米波频段进行通信能够取得它们的互补作用，这就是微波频段和毫米波频段协同工作的概念。无论是使用微波频段还是毫米波频段，都需要用到带通滤波器这一关键元件，但如果分别为微波频段和毫米波频段各自配备带通滤波器，则会增加系统复杂度，从而增加使用成本、工作不稳定性以及占用空间等。
现有技术主要是通过并联不同工作频率的滤波器，并分别两个滤波器上加载调谐单元，或者是利用多模谐振器的不同工作模式，并在特定位置加载调谐单元等实现频率可重构的双频带通滤波器，但是受到谐波干扰和尺寸匹配等限制，难以实现超过3的频率比，而目前5G通信系统所使用的微波频段一般低于6GHz，毫米波频段一般高于24GHz，其频率比通常远大于5，因此现有技术不能很好地满足5G通信系统或者更先进通信系统的要求。
发明内容
针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器。
实施例中的具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器包括：
介质基板；所述介质基板的上表面设有微波带通滤波器，所述微波带通滤波器以微带工艺固定在所述介质基板上，所述介质基板的下表面设有金属地层，所述金属地层上开有第一矩形缝隙和第二矩形缝隙；
金属盖板；所述金属盖板上开有第一矩形挖空槽和第二矩形挖空槽，所述第一矩形挖空槽的尺寸和位置与所述第一矩形缝隙对应，所述第二矩形挖空槽的尺寸和位置与所述第二矩形缝隙对应；
金属腔体；所述金属腔体的内部部分挖空形成毫米波谐振器；
所述金属盖板贴合在所述金属腔体上以封闭所述金属腔体，所述介质基板以其下表面贴合在所述金属盖板上。
进一步地，所述微波带通滤波器为超宽阻带微带二阶带通滤波器。
进一步地，所述超宽阻带微带二阶带通滤波器包括第一阶跃阻抗谐振器和第二阶跃阻抗谐振器，所述第一阶跃阻抗谐振器与所述第二阶跃阻抗谐振器之间存在电耦合。
进一步地，所述第一阶跃阻抗谐振器包括第一低阻抗匹配线、第一高阻抗匹配线、第一50欧姆微带线和第一金属化过孔，所述第一低阻抗匹配线的末端开路，所述第一低阻抗匹配线与所述第一高阻抗匹配线的一端连接，所述第一高阻抗匹配线的另一端与所述第一50欧姆微带线连接，所述第一金属化过孔穿透所述介质基板连接所述第一高阻抗匹配线与所述金属地层。
进一步地，所述第二阶跃阻抗谐振器包括第二低阻抗匹配线、第二高阻抗匹配线、第二50欧姆微带线和第二金属化过孔，所述第二低阻抗匹配线的末端开路，所述第二低阻抗匹配线与所述第二高阻抗匹配线的一端连接，所述第二高阻抗匹配线的另一端与所述第二50欧姆微带线连接，所述第二金属化过孔穿透所述介质基板连接所述第二高阻抗匹配线与所述金属地层。
进一步地，所述第一第一低阻抗匹配线的末端与所述第二低阻抗匹配线的末端靠近形成耦合缝隙，所述耦合缝隙形成所述第一阶跃阻抗谐振器与所述第二阶跃阻抗谐振器之间的电耦合。
进一步地，所述金属腔体内部分挖空形成第一子腔体、第二子腔体和耦合窗口，所述第一子腔体和所述第二子腔体之间通过耦合窗口连通形成所述毫米波谐振器。
进一步地，所述第一子腔体的位置与所述第一矩形挖空槽和所述第一矩形缝隙对应，所述第二子腔体的位置与所述第二矩形挖空槽和所述第二矩形缝隙对应。
进一步地，所述第一子腔体和所述第二子腔体的底面长边上分别设有方形直角凸边，所述第一子腔体中的方形直角凸边与所述第二子腔体中的方形直角凸边关于所述耦合窗口对称.
本发明的有益效果是：实施例中的频带通滤波器能够同时支持微波和毫米波，具有结构紧凑，选择性高，带外抑制好，频率比大的优点，且其工作频率契合第五代无线通信系统标准，因此适合应用于第五代无线通信系统或者更先进的无线通信系统。
附图说明
图1为实施例中带通滤波器的整体结构图；
图2为实施例中带通滤波器的超宽阻带微带二阶带通滤波器部分的结构图；
图3为实施例中带通滤波器的金属腔体部分的结构图；
图4为实施例中带通滤波器的金属腔体部分的结构图；
图5为实施例中仿真和测量的频率响应结果对比图。
具体实施方式
本实施例中，具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器的结构如图1所示。其包括介质基板102、金属盖板104和金属腔体105。其中，介质基板102是用厚度为0.254mm的Rogers RT/Duroid 5880材料制造的，其介电常数为2.2。
参照图1，介质基板102的上表面设有微波带通滤波器101，微波带通滤波器101以微带工艺固定在介质基板102上，介质基板102的下表面设有金属地层103，金属地层103上开有第一矩形缝隙10301和第二矩形缝隙10302。
本实施例中，微波带通滤波器101是一个超宽阻带微带二阶带通滤波器。本实施例中，超宽阻带微带二阶带通滤波器由第一阶跃阻抗谐振器和第二阶跃阻抗谐振器组成，第一阶跃阻抗谐振器和第二阶跃阻抗谐振器之间存在电耦合。
本实施例中，超宽阻带微带二阶带通滤波器的具体结构如图2所示。图2中，第一阶跃阻抗谐振器的元件和第二阶跃阻抗谐振器的元件是对称分布的，因此只标注了第一阶跃阻抗谐振器的元件。参照图2，第一阶跃阻抗谐振器包括第一低阻抗匹配线10101、第一高阻抗匹配线10102、第一50欧姆微带线10103和第一金属化过孔10104，第一低阻抗匹配线10101的末端开路，第一低阻抗匹配线10101与第一高阻抗匹配线10102的一端连接，第一高阻抗匹配线10102的另一端与第一50欧姆微带线10103连接，第一金属化过孔10104穿透介质基板连接第一高阻抗匹配线10102与金属地层。参照图2，第二阶跃阻抗谐振器包括第二低阻抗匹配线、第二高阻抗匹配线、第二50欧姆微带线和第二金属化过孔，第二低阻抗匹配线的末端开路，第二低阻抗匹配线与第二高阻抗匹配线的一端连接，第二高阻抗匹配线的另一端与第二50欧姆微带线连接，第二金属化过孔穿透介质基板连接第二高阻抗匹配线与金属地层。
本实施例中，参照图1，金属盖板104上开有第一矩形挖空槽10401和第二矩形挖空槽10402，其中，第一矩形挖空槽10401的尺寸和位置与第一矩形缝隙10301对应，第二矩形挖空槽10402的尺寸和位置与第二矩形缝隙10302对应。
本实施例中，参照图1，金属腔体105的内部通过部分挖空形成毫米波谐振器。具体地，参照图1、图2、图3和图4，金属腔体105内设有第一子腔体10501和第二子腔体10502，第一子腔体10501的位置与第一矩形挖空槽10401和第一矩形缝隙10301对应，第二子腔体10502的位置与第二矩形挖空槽10402和第二矩形缝隙10302对应，第一子腔体10501和第二子腔体10502之间通过耦合窗口10503连通，第一子腔体10501、第二子腔体10502与耦合窗口10503形成毫米波谐振器。
本实施例中，参照图1、图3和图4，第一子腔体10501和第二子腔体10502的底面长边上分别设有方形直角凸边，第一子腔体10501中的方形直角凸边10505与第二子腔体10502中的方形直角凸边10504关于耦合窗口10503对称。
本实施例中，金属盖板104设置在金属腔体105上以封闭金属腔体105，介质基板102以其下表面叠合在金属盖板104上，金属盖板104与金属腔体105、介质基板102保持上下对准，且通过外围紧固件紧密贴合。由于第一矩形挖空槽10401的尺寸和位置与第一矩形缝隙10301对应，第一子腔体10501的位置与第一矩形挖空槽10401和第一矩形缝隙10301对应，第二矩形挖空槽10402的尺寸和位置与第二矩形缝隙10302对应，第二子腔体10502的位置与第二矩形挖空槽10402和第二矩形缝隙10302对应，因此，两条矩形缝隙位于50欧姆微带线的正下方，两个贯穿盖板的矩形槽位于矩形缝隙的正下方，两条矩形缝隙与两个贯穿盖板的矩形槽中心对准，两个贯穿盖板的矩形槽与两个矩形腔体内部靠近边缘位置对准。
本实施例中，具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器的主要工作原理及技术效果为：
(1)金属地层设置的矩形缝隙和金属盖板设置的的矩形槽耦合会对微波与毫米波工作频率的信号进行分离和和整合，微波工作频率的信号直接通过微波带通滤波器传输，毫米波工作频率的信号会通过金属地层上设置的矩形缝隙和金属盖板上设置的矩形槽耦合进入金属腔体内传输。
(2)微波带通滤波器设置的超宽阻带二阶微带带通滤波器的阻带宽度和谐波抑制深度与微带阶跃阻抗谐振器高低阻抗匹配线的长度比，阻抗比，以及馈电位置距离金属化过孔的距离有关，通过合理的调节设置这些参数，即可以实现足以覆盖微波到毫米波的谐波抑制，无需引入额外的滤波单元或增加结构复杂度。
(3)金属腔体中设置的基于矩形腔体的四阶毫米波滤波器由两个双模矩形腔体和一个耦合窗口构成，每个双模腔体通过其底部设置的方形直角凸边实现两个谐振模式的耦合，两个双模矩形腔体之间由耦合窗口实现耦合。其中直两个角切角各设置在两个双模腔体底部的不同的长边上，可以引入模式之间的交叉负耦合，从而在毫米波工作频率通带两侧引入传输零点，实现高选择性。
本发明的技术效果主要是由本发明的结构带来的，同时也与图3-图4中所标记的以下参数的具体取值有关：微波带通滤波器中低阻抗匹配线长度L1，低阻抗匹配线宽度W1，低阻抗匹配线开路端耦合缝隙S0，高阻抗匹配线长度L2，低阻抗匹配线宽度W2，馈电位置与金属化过孔的距离L3，50欧姆微带线宽度W0，50欧姆微带线伸出矩形缝隙的长度Lin；介质基板102的基板高度h0，金属地层103中矩形缝隙长度Ls1，矩形缝隙长度Ws1；金属盖板104中矩形槽长度Ls2，矩形槽长度Ws2,盖板高度h1；金属腔体105中矩形腔体宽度a，矩形腔体宽度b，矩形腔体长度c，方形直角凸边高度cut，耦合窗口高度winh，耦合窗口宽度winw，耦合窗口长度t。
本实施例中将W0和W1等参数设定为以下数值：
W0＝0.77mm,W1＝3.1mm,W2＝0.14mm,Lin＝1.15mm,L1＝1.75mm,L2＝5.9mm,L3＝1.2mm,
S0＝0.1mm,Ls1＝4mm,Ws1＝0.5mm,Ls2＝4.2mm,Ws2＝1mm,h0＝0.254mm,h1＝2.15mm,a＝3.99mm,b＝4.33mm,c＝5.8mm,cut＝0.74mm,winh＝2.7mm,winw＝2.38mm,t＝1mm。
图5为本发明实施例的仿真和测量的频率响应结果对比图。参照图5，本发明实施例实现了大频率比的紧凑型双频带通滤波器，实测结果中，双频的中心工作频率为3.55GHz和43.14GHz，3dB带宽分别为7.8％和2.7％，插入损耗分别为1.7dB和2.0dB，两个通带之间的谐波抑制深度大于28dB，双频频率比高达12.15，有效电路尺寸为12.6*6*6.8mm3。
上述结果通过矢量网络分析仪测得。通过以上仿真和测试对比图可以发现，仿真和实测曲线基本吻合，表明了本发明的方案切实可行。
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，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，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (6)

1.一种具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，其特征在于，包括：
介质基板；所述介质基板的上表面设有微波带通滤波器，所述微波带通滤波器以微带工艺固定在所述介质基板上，所述介质基板的下表面设有金属地层，所述金属地层上开有第一矩形缝隙和第二矩形缝隙；
金属盖板；所述金属盖板上开有第一矩形挖空槽和第二矩形挖空槽，所述第一矩形挖空槽的尺寸和位置与所述第一矩形缝隙对应，所述第二矩形挖空槽的尺寸和位置与所述第二矩形缝隙对应；
金属腔体；所述金属腔体的内部部分挖空形成毫米波谐振器；所述金属腔体内部分挖空形成第一子腔体、第二子腔体和耦合窗口，所述第一子腔体和所述第二子腔体之间通过耦合窗口连通形成所述毫米波谐振器；所述第一子腔体和所述第二子腔体的底面长边上分别设有方形直角凸边，所述第一子腔体中的方形直角凸边与所述第二子腔体中的方形直角凸边关于所述耦合窗口对称；
所述金属盖板贴合在所述金属腔体上以封闭所述金属腔体，所述介质基板以其下表面贴合在所述金属盖板上；
所述第一子腔体的位置与所述第一矩形挖空槽和所述第一矩形缝隙对应，所述第二子腔体的位置与所述第二矩形挖空槽和所述第二矩形缝隙对应。
2.根据权利要求1所述的具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，其特征在于，所述微波带通滤波器为超宽阻带微带二阶带通滤波器。
3.根据权利要求2所述的具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，其特征在于，所述超宽阻带微带二阶带通滤波器包括第一阶跃阻抗谐振器和第二阶跃阻抗谐振器，所述第一阶跃阻抗谐振器与所述第二阶跃阻抗谐振器之间存在电耦合。
4.根据权利要求3所述的具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，其特征在于，所述第一阶跃阻抗谐振器包括第一低阻抗匹配线、第一高阻抗匹配线、第一50欧姆微带线和第一金属化过孔，所述第一低阻抗匹配线的末端开路，所述第一低阻抗匹配线与所述第一高阻抗匹配线的一端连接，所述第一高阻抗匹配线的另一端与所述第一50欧姆微带线连接，所述第一金属化过孔穿透所述介质基板连接所述第一高阻抗匹配线与所述金属地层。
5.根据权利要求4所述的具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，其特征在于，所述第二阶跃阻抗谐振器包括第二低阻抗匹配线、第二高阻抗匹配线、第二50欧姆微带线和第二金属化过孔，所述第二低阻抗匹配线的末端开路，所述第二低阻抗匹配线与所述第二高阻抗匹配线的一端连接，所述第二高阻抗匹配线的另一端与所述第二50欧姆微带线连接，所述第二金属化过孔穿透所述介质基板连接所述第二高阻抗匹配线与所述金属地层。
6.根据权利要求5所述的具备超大频率比的紧凑型双频带通滤波器，其特征在于，所述第一低阻抗匹配线的末端与所述第二低阻抗匹配线的末端靠近形成耦合缝隙，所述耦合缝隙形成所述第一阶跃阻抗谐振器与所述第二阶跃阻抗谐振器之间的电耦合。
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