CN113224489B - 一种传输零点位置独立可控的hmsiw滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，包括第一HMSIW腔体、第二HMSIW腔体、SIW腔体、第一金属化微扰通孔对或第一槽线、第二金属化微扰通孔对或第二槽线、第一耦合窗、第二耦合窗、第一馈电微带线、第二馈电微带线。其利用HMSIW矩形腔体的TE301和TE102模分别构建滤波器的传输极点和传输零点，通过在HMSIW腔体中引入一对金属化通孔或一段槽线可以方便、独立地控制传输零点的位置，同时保持滤波器的带宽，在提高滤波器频率选择性和阻带抑制度的同时极大地方便了滤波器的设计。

Description

一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器
技术领域
本发明属于微波技术领域，涉及一种HMSIW滤波器，尤其涉及一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器。
背景技术
现代无线通信系统要求滤波器具有尺寸小、插入损耗低、频率选择性高和阻带抑制度高等特点。基片集成波导(SIW)由于其低损耗、低成本、易加工和易集成等优点在滤波器设计中获得了广泛的应用。但相较于微带或共面波导(CPW)滤波器而言，SIW滤波器的尺寸偏大。因此，半模基片集成波导(HMSIW)滤波器应运而生，能够获得将近一半的尺寸缩减。但是，传统的HMSIW滤波器响应中缺乏足够的传输零点，导致滤波器的频率选择性和阻带抑制度不够。
为了引入传输零点，主要存在以下三种方法：第一，在非相邻谐振器之间或源与负载之间引入交叉耦合或源-负载耦合，以构造物理上具有一定相位差的多径耦合，从而在滤波器的通带附近引入传输零点，但传输零点的位置受很多参数的影响，调控过程十分复杂；第二，在两个相邻的谐振器之间实现混合电、磁耦合，构建双重电磁耦合路径，进而引入传输零点，且其位置可以通过调节电、磁耦合分量的相对大小进行控制，但在此过程中总的耦合系数大小也发生了变化，从而影响了滤波器的带宽；第三，利用同一个谐振腔中的多个谐振模式构建多个传输极点，从而实现多模滤波器，这种方法虽然也能产生位置可控的传输零点，但滤波器的带宽受到一定的限制。
此外，还有一种产生传输零点的方法是利用双模SIW圆形谐振腔中一个TM110模构建传输极点，而用另一个TM110模构建传输零点，通过调节该TM110模的谐振频率可以控制该传输零点的位置。但是，SIW全模腔体的使用使得滤波器尺寸偏大，而且传输零点只能位于滤波器的上阻带，限制了滤波器的应用。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提出了一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，利用HMSIW矩形腔体的TE301和TE102模分别构建滤波器的传输极点和传输零点，通过在HMSIW腔体中引入一对金属化通孔或一段槽线可以有效控制传输零点的位置，同时保持滤波器的带宽。
本发明采用如下技术方案：
一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，包括：两个HMSIW腔体、位于两个HMSIW腔体之间的SIW腔体；两个HMSIW腔体的开路端朝向相反，且两个HMSIW腔体的各自与开路端相对的侧壁为与SIW腔体共用侧壁；
其中，所述两个HMSIW腔体与SIW腔体的共用侧壁各自分别开有一耦合窗；所述耦合窗所在位置无金属化通孔设置；
所述两个HMSIW腔体的开路端各自设有一馈电微带线，且馈电微带线与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线错开设置；
所述两个HMSIW腔体各自分别设有一传输零点调节结构；
所述传输零点调节结构采用一对金属化微扰通孔，或一槽线；
所述的一对金属化微扰通孔关于与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线轴对称设置；金属化微扰通孔与所在HMSIW腔体与SIW腔体的共用侧壁的距离为该HMSIW腔体长度的三分之二；
所述槽线所在直线与位于与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线重合；作为优选，槽线的宽度WS<0.8mm；
两个HMSIW腔体的TE301模和SIW腔体的TE101模用以构建滤波器的传输极点，它们的谐振频率等于滤波器的中心频率；HMSIW腔体的长度LH与宽度WH的关系为
Figure BDA0003054591270000021
且LH需满足使得HMSIW腔体的TE301模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；SIW腔体的长度Ls需满足使得SIW腔体的TE101模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；
作为优选，耦合窗位于HMSIW腔体与SIW腔体的共用侧壁的中心；
作为优选，两个HMSIW腔体和SIW腔体的侧壁均由周期性排列的金属化通孔构成；
作为优选，馈电微带线的特征阻抗为50欧姆，两馈电微带线与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线的距离分别为S1和S2。
作为优选，两个HMSIW腔体的尺寸相同。
作为优选，两个耦合窗的宽度相同。
作为优选，SIW腔体的宽度与两个HMSIW腔体的宽度相同，均为WH。
本发明利用HMSIW腔体的TE301模构建滤波器的传输极点，同时利用TE102模在滤波器的阻带构建传输零点；调节馈电微带线错开的距离，可以控制滤波器的外部有载品质因数；改变耦合窗的宽度，可以控制滤波器内部耦合系数的大小；
金属化微扰通孔对与两个HMSIW腔体共用侧壁的距离DZ1、DZ2，用于调控TE102模的谐振频率，从而改变传输零点在滤波器上阻带的位置，同时保持滤波器的带宽不变。
两个HMSIW腔体内槽线的长度LS1、LS2，用于调控TE102模的谐振频率，从而改变传输零点在滤波器下阻带的位置，同时保持滤波器的带宽不变。
具体工作原理：
对于HMSIW矩形腔体，当
Figure BDA0003054591270000031
时，TE301模和TE102模的频率相等。
当馈电微带线偏离HMSIW腔体开路端的中心时，可以在腔体中同时激励出TE301和TE102模。在HMSIW腔体z轴向侧壁的中心，TE301模的磁场强度最高，而TE102模的磁场强度为零。因此，在该处开启耦合窗时，TE301模能够顺利通过，可用于构建滤波器的传输极点，而TE102模则无法通过，可用于构建滤波器的传输零点。
根据TE301和TE102模的电场分布可知，在距离HMSIW腔体z轴向侧壁三分之二个HMSIW腔体长度的位置，TE301模的电场强度为零，而TE102模的电场强度不为零。因此，在该处沿z轴方向对称地嵌入一对金属化通孔时，TE301的电场分布和谐振频率不受影响，而TE102模的谐振频率则会增加。通过增加金属化微扰通孔对与HMSIW腔体x轴向两侧壁的距离，可以控制TE102模的谐振频率，进而改变由TE102模引入的传输零点的位置。同时，由于TE301模的电场分布和谐振频率不变，因此滤波器的带宽保持不变。
根据TE301和TE102模在HMSIW腔体上表面的电流分布可知，在HMSIW腔体开路端的中心处，TE301模的电流方向沿着z轴方向，TE102模的电流方向沿x轴方向。因此，在该处沿z轴方向设置槽线时，TE301模的电流路径和谐振频率不受影响，而TE102模的谐振频率则会降低，进而改变由TE102模引入的传输零点位置；同时，由于TE301模的电场分布和谐振频率不变，因此滤波器的带宽保持不变。
本发明具有以下优点：
(1)具有三个传输零点，且第一、第二传输零点的位置独立可调，提高了滤波器的频率选择性和阻带抑制度；
(2)第一、第二传输零点既可位于滤波器的上阻带，也可位于滤波器的下阻带，使得滤波器的设计更加灵活；
(3)在调控第一、第二传输零点位置的同时，不改变滤波器的带宽，极大地方便了滤波器的设计；
(4)使用HMSIW腔体，减小了滤波器的尺寸；
附图说明
图1是本发明技术方案一(以传输零点调节结构采用一对金属化微扰通孔为例)的结构示意图；
图2是HMSIW矩形腔体中增加金属化微扰通孔对时TE301和TE102模的电场分布图；
图3是HMSIW矩形腔体中增加金属化微扰通孔对时TE301和TE102模的谐振频率变化曲线；
图4是本发明技术方案一在调控第一传输零点位置时的滤波器响应曲线；
图5是本发明技术方案一在调控第二传输零点位置时的滤波器响应曲线。
图6是本发明技术方案二(以传输零点调节结构采用一槽线为例)的结构示意图；
图7是HMSIW矩形腔体中增加槽线微扰时TE301和TE102模的电场分布图；
图8是HMSIW矩形腔体中增加槽线微扰时TE301和TE102模的谐振频率变化曲线；
图9是本发明技术方案二在调控第一传输零点位置时的滤波器响应曲线；
图10是本发明技术方案二在调控第二传输零点位置时的滤波器响应曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
实施例1：一种传输零点独立可控的HMSIW滤波器(以传输零点调节结构采用一对金属化微扰通孔为例)
如图1所示，包括第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2、SIW腔体3、第一金属化微扰通孔对4、第二金属化微扰通孔对5、第一耦合窗6、第二耦合窗7、第一馈电微带线8、第二馈电微带线9；所有腔体的侧壁由周期性排列的金属化通孔10组成。
沿着x轴向，第一HMSIW腔体1、SIW腔体3、第二HMSIW腔体2依次分布；第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2的开路端朝向相反，且第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2的与开路端相对的侧壁为与SIW腔体3共用侧壁；第一HMSIW腔体1和第二HMSIW腔体2的尺寸相同，宽度为WH,长度为LH,
Figure BDA0003054591270000041
SIW腔体3的宽度也为WH，长度为LS；
第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2的TE301模和SIW腔体的TE101模用以构建滤波器的传输极点，第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2的谐振频率等于滤波器的中心频率；HMSIW腔体的长度LH需设置使得HMSIW腔体的TE301模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；SIW腔体的长度Ls需设置使得SIW腔体TE101模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；
所述第一金属化微扰通孔对4位于第一HMSIW腔体1内，关于HMSIW滤波器的x轴向中心线轴对称设置；第一金属化微扰通孔对4各自与第一HMSIW腔体x轴向最近侧壁的距离均为DZ1，与第一HMSIW腔体z轴向侧壁的距离DX＝2LH/3,LH为第一HMSIW腔体长度；
所述第二金属化微扰通孔对5位于第二HMSIW腔体2内，关于HMSIW滤波器的x轴向中心线轴对称设置；第二金属化微扰通孔对5与第二HMSIW腔体x轴向最近侧壁的距离均为DZ2，与第二HMSIW腔体z轴向侧壁的距离DX＝2LH/3,LH为第二HMSIW腔体长度。
所述第一耦合窗6、第二耦合窗7分别位于第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2的z轴向侧壁的中心；第一耦合窗6、第二耦合窗7处无金属化通孔设置。第一耦合窗6、第二耦合窗7的宽度相同，均为WC；
所述第一馈电微带线8、第二馈电微带线9分别连接到第一HMSIW腔体1、第二HMSIW腔体2的开路端，且两者与腔体开路端的x轴向中心线错开设置，错开距离分别为S1和S2；
第一馈电微带线8和第二馈电微带线9的特征阻抗为50欧姆。
在本实例中每个金属化通孔10的直径为0.5mm，相邻两金属化通孔10的间距为0.85mm,介质基板采用的是0.5mm厚度的Tanconic TLY-5,相对介电常数为2.2，滤波器的具体尺寸为WH＝23.3mm,LH＝19mm,DX＝12.34mm,LS＝12.33mm,WC＝5.58mm,S＝3.32mm。
图2是HMSIW矩形腔体中增加金属化微扰通孔对时TE301和TE102模的电场分布图。由图可见，在DZ＝2LH/3的位置，TE301模的电场强度为零，金属化微扰通孔对的引入对其电场分布没有影响；同时，由于此处TE102模的电场强度不为零，金属化微扰通孔对的引入会挤压TE102模的电场分布，从而改变TE102模的谐振频率。此外，由该电场分布可知，当在腔体z轴向侧壁的中心开启耦合窗时，TE301模可通过，用于构建滤波器的传输极点，而TE102模则无法通过，从而形成滤波器的传输零点。
图3是HMSIW矩形腔体中增加金属化微扰通孔对时TE301和TE102模的谐振频率变化曲线。由图可见，当DZ增大时，TE102模的谐振频率随之提高，而TE301模的谐振频率保持不变。因此，通过调节DZ就可以方便地控制由TE102模引入的传输零点的位置。
图4和图5是本发明在调控第一、第二传输零点位置时的滤波器响应曲线。由图可见，在滤波器的上阻带具有三个传输零点，其中，第一传输零点由第二HMSIW腔体的TE102模引入，其位置可通过调节DZ2进行控制；第二传输零点由第一HMSIW腔体的TE102模引入，其位置可通过调节DZ1进行控制；第三传输零点由第一、第二HMSIW腔体的高次模引入，其位置基本不随DZ1和DZ2变化。值得注意的是，在调节第一、第二传输零点位置时，滤波器的带宽保持不变。
实施例2：一种传输零点独立可控的HMSIW滤波器(以传输零点调节结构采用一槽线为例)
如图6所示，包括第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b、SIW腔体3b、第一槽线4b、第二槽线5b、第一耦合窗6b、第二耦合窗7b、第一馈电微带线8b、第二馈电微带线9b；所有腔体的侧壁由周期性排列的金属化通孔10b组成。
沿着x轴向，第一HMSIW腔体1b、SIW腔体3b、第二HMSIW腔体2b依次分布；第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b的开路端朝向相反，且第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b的与开路端相对的侧壁为与SIW腔体3b共用侧壁；第一HMSIW腔体1b和第二HMSIW腔体2b的尺寸相同，宽度为WH,长度为LH,
Figure BDA0003054591270000061
SIW腔体3b的宽度也为WH，长度为LS；
第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b的TE301模和SIW腔体3b的TE101模用以构建滤波器的传输极点，第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b的谐振频率等于滤波器的中心频率；HMSIW腔体的长度LH使得HMSIW腔体的TE301模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；SIW腔体的长度Ls需设置使得SIW腔体TE101模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；
所述第一槽线4b位于第一HMSIW腔体1b的开路端的中心，沿x轴向设置,长度为LS1，宽度为WS,且WS<0.8mm；第二槽线5b位于第二HMSIW腔体2b的开路端的中心，沿x轴向设置,长度为LS2，宽度为WS；
所述第一耦合窗6b、第二耦合窗7b分别位于第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b的z轴向侧壁的中心，且两者的宽度相同，均为WC；第一耦合窗6b、第二耦合窗7b处无金属化通孔设置。
所述第一馈电微带线8b、第二馈电微带线9b分别连接到第一HMSIW腔体1b、第二HMSIW腔体2b的开路端，且两者与腔体开路端的中心线错开设置，错开距离分别为S1和S2；第一馈电微带线8和第二馈电微带线9的特征阻抗为50欧姆。
在本实例中每个金属化通孔10b的直径为0.5mm，相邻两金属化通孔10b的间距为0.85mm,介质基板采用的是0.5mm厚度的Tanconic TLY-5,相对介电常数为2.2，滤波器的具体尺寸为WH＝22.69mm,LH＝18.55mm,LS1＝9mm,LS2＝5mm，WS＝0.4mm,WC＝6.23mm,S1＝3.75mm,S1＝3.45mm。
图7是HMSIW矩形腔体中增加槽线微扰时TE301和TE102模的电场分布图。由图可见，在HMSIW矩形腔体开路端的中心线位置开槽时，TE301模的电场分布不受影响，而TE102模的电场分布发生改变。此外，由该电场分布可知，当在腔体z轴向侧壁的中心开启耦合窗时，TE301模可通过，用于构建滤波器的传输极点，而TE102模则无法通过，从而形成滤波器的传输零点。
图8是HMSIW矩形腔体中增加槽线微扰时TE301和TE102模的谐振频率变化曲线。由图可见，当LS增大时，TE301模的谐振频率保持不变，而TE102模的谐振频率随之减小。因此，通过调节LS就可以方便地控制由TE102模引入的传输零点的位置。
图9和图10是本发明在调控第一、第二传输零点位置时的滤波器响应曲线。由图可见，在滤波器的下阻带具有2个传输零点，其中，第一传输零点由第一HMSIW腔体的TE102模引入，其位置可通过调节LS1进行控制；第二传输零点由第二HMSIW腔体的TE102模引入，其位置可通过调节LS2进行控制；第三传输零点由第一、第二HMSIW腔体的高次模引入，其位置随LS1和LS2变化的程度很小。值得注意的是，在调节第一、第二传输零点位置时，滤波器的带宽保持不变。
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 (10)

1.一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于包括：
两个HMSIW腔体；
位于两个HMSIW腔体之间的SIW腔体；两个HMSIW腔体的开路端朝向相反，且两个HMSIW腔体的各自与开路端相对的侧壁为与SIW腔体共用侧壁；
其中，
所述两个HMSIW腔体与SIW腔体的共用侧壁各自分别开有一耦合窗；
所述两个HMSIW腔体的开路端各自设有一馈电微带线，且馈电微带线与HMSIW腔体共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线错开设置；
所述两个HMSIW腔体各自分别设有一传输零点调节结构；
所述传输零点调节结构采用一对金属化微扰通孔，或一槽线；
两个HMSIW腔体的TE301模和SIW腔体的TE101模用以构建滤波器的传输极点，两个HMSIW腔体的谐振频率等于滤波器的中心频率；HMSIW腔体的长度LH与宽度WH的关系为
Figure FDA0003054591260000011
且LH满足使得HMSIW腔体的TE301模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率；SIW腔体的长度Ls满足使得SIW腔体TE101模的谐振频率等于滤波器通带的中心频率。
2.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于所述耦合窗所在位置无金属化通孔设置；耦合窗位于HMSIW腔体与SIW腔体的共用侧壁的中心。
3.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于第一HMSIW腔体、SIW腔体、第二HMSIW腔体的侧壁均由周期性排列的金属化通孔构成。
4.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于馈电微带线的特征阻抗为50欧姆，两馈电微带线与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线距离分别为S1和S2。
5.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于两个HMSIW腔体的尺寸相同。
6.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于两个耦合窗的宽度相同。
7.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于SIW腔体的宽度与两个HMSIW腔体的宽度相同，均为WH。
8.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于所述的一对金属化微扰通孔关于与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线轴对称设置；金属化微扰通孔与所在HMSIW腔体与SIW腔体的共用侧壁的距离为该HMSIW腔体长度的三分之二。
9.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于所述槽线所在直线与位于与HMSIW腔体和SIW腔体的共用侧壁垂直的HMSIW滤波器中心线重合。
10.根据权利要求1所述的一种传输零点位置独立可控的HMSIW滤波器，其特征在于利用HMSIW腔体的TE301模构建滤波器的传输极点，同时利用TE102模在滤波器的阻带构建传输零点；调节馈电微带线错开的距离，可以控制滤波器的外部有载品质因数；改变耦合窗的宽度，可以控制滤波器内部耦合系数的大小；
金属化微扰通孔对与两个HMSIW腔体共用侧壁的距离DZ1、DZ2，用于调控TE102模的谐振频率，从而改变传输零点在滤波器上阻带的位置，同时保持滤波器的带宽不变；两个HMSIW腔体内槽线的长度LS1、LS2，用于调控TE102模的谐振频率，从而改变传输零点在滤波器下阻带的位置，同时保持滤波器的带宽不变。
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