CN113314817A - 双层三角形基片集成波导滤波器 - Google Patents

双层三角形基片集成波导滤波器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种双层三角形基片集成波导带通滤波器，包含三层金属层和两层介质层，整体结构分割为两个分层紧贴放置的完整等边三角形谐振腔体和一个沿中线折叠的等边三角形谐振腔体，两条微带线分别与两个完整腔相连。中间金属层蚀刻有一个矩形槽使两个完整腔产生耦合，在接近于完整腔处蚀刻有一个圆形孔作为输入输出间的直接耦合孔。三个三角形谐振腔体两两耦合形成了带通滤波器，同时利用输入输出的直接耦合以及三角形谐振腔体内部的交叉耦合在通带外的低频处形成了一个传输零点，高频处形成了两个传输零点，克服了带外性能较差的缺点。本发明设计结构简单，馈电简单，可以有效抑制带外谐波，加工难度低，更适合应用于现代毫米波电路集成。

Description

双层三角形基片集成波导滤波器
技术领域
本发明涉及一种双层三角形基片集成波导滤波器，属于毫米波技术领域。
背景技术
作为射频/微波电路的一个重要组成部分，现代滤波器朝着低成本，重量轻，小型化，高功率容量，高性能的方向发展。基片集成波导(SIW：Substrate IntegratedWaveguide)因其高品质因数、低损耗、尺寸小、可以运行高功率容量等特点，成为了研究热点。在过去的二十年中，一些高性能，低成本的基片集成波导滤波器被提出。传统的基片集成波导技术，比如矩形、圆形基片集成波导等研究者甚多。然而关于三角形基片集成波导的研究还很不足。
与此同时，随着频率范围的不断提高，现代通信技术对毫米波器件小型化的要求将不断提高。折叠基片集成波导技术可以沿着对称的H面对基片集成波导谐振腔进行折叠。用折叠的基片集成波导谐振腔设计的滤波器能够保持高性能的同时进一步缩小滤波器的尺寸，并且封闭式的结构便于最终的带通滤波器和其他平面电路集成。
综上所述，基于折叠三角形基片集成波导的滤波器在具备高品质因数、低插入损耗、优秀的带外性能等优点的同时，还有结构紧凑，易于布局的优势，亟待开发和应用。
发明内容
为了解决上述背景技术所提出的问题，本发明提供了一种双层三角形基片集成波导滤波器。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
双层三角形基片集成波导滤波器，所述滤波器包括上层介质层和下层介质层，所述上层介质层的上表面设置顶层金属层，所述上层介质层的下表面和下层介质层的上表面之间设置中间金属层，所述下层介质层的下表面设置底层金属层；
所述顶层金属层包括第一金属等边三角形、第一金属直角三角形和第一微带线，所述第一金属直角三角形的斜边与所述第一金属等边三角形的一条边重合，所述第一金属直角三角形是所述第一金属等边三角形的一半，所述第一微带线通过所述第一金属等边三角形另两条边中的一条接入所述第一金属等边三角形；
所述中间金属层包括第二金属等边三角形、第二金属直角三角形和金属矩形，所述第二金属直角三角形的斜边与所述第二金属等边三角形的一条边重合，所述第二金属等边三角形在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一金属等边三角形重合，所述第二金属直角三角形在所述上层介质层的上表面的投影落入所述第一金属直角三角形范围内，所述第一金属等边三角形中接入第一微带线的边相对应的所述第二金属等边三角形中的边与所述金属矩形的长边重合；
所述底层金属层包括第三金属等边三角形、第三金属直角三角形和第二微带线，所述第三金属等边三角形在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一金属等边三角形重合，所述第三金属直角三角形在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一金属直角三角形重合，所述第二微带线接入所述第三金属等边三角形的位置在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一微带线接入所述第一金属等边三角形的位置重合；
所述第一金属等边三角形、第二金属等边三角形、第三金属等边三角形以及三个贯穿上、下介质层和顶层、中间、底层金属层的第一金属通孔列构成上、下两个分层紧贴放置等边三角形谐振腔体；
所述第一金属直角三角形、第三金属直角三角形、两个贯穿上、下介质层和顶层、中间、底层金属层的第一金属通孔列以及贯穿上、下介质层和顶层、底层金属层的一个第二金属通孔列构成一个直角三角形谐振腔体，所述第二金属通孔列与第二金属直角三角形的长边存在一定间隙；
所述两个等边三角形谐振腔体和一个直角三角形谐振腔体两两耦合形成带通滤波器。
进一步，所述第一金属直角三角形以其斜边为轴翻转折叠后，与所述第一金属等边三角形的一半重合。
进一步，所述第一和第二微带线与第一和第三金属等边三角形连接处开有延伸到金属等边三角形内的细槽。
进一步，所述第二金属等边三角形上蚀刻有一个矩形槽，使上、下两个等边三角形谐振腔体产生耦合。
进一步，所述矩形槽平行于第二金属等边三角形中未与第二金属直角三角形和金属矩形连接的边。
进一步，所述金属矩形上蚀刻有一个圆形孔，作为输入和输出之间的直接耦合孔。
进一步，所述圆形孔在所述上层介质层的上表面的投影落入第一微带线的范围内，在所述下层介质层的下表面的投影落入第二微带线的范围内。
进一步，所述第一和第二微带线与第一和第三金属等边三角形连接处不设置金属通孔。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
(1)本发明利用两个分层放置的等边三角形基片集成波导谐振腔和一个折叠等边三角形基片集成波导谐振腔两两耦合，构成了一个带通滤波器，带内性能良好；同时，利用输入输出的直接耦合以及三角形腔内部的交叉耦合在通带外的低频处形成了一个传输零点，高频处形成了两个传输零点，改善了滤波器的通带外性能；
(2)本发明利用多层结构和折叠的三角形腔的设计，使滤波器整体体积更小，结构更紧凑，在保持优良性能的同时减小了滤波器的体积；
(3)本发明中两条所述微带线分别通过一个共面波导过渡结构接入三角形基片集成波导谐振腔，提升通带内的性能，减小了带内差损，并且对整体结构没有影响；
(4)本发明滤波器整体结构简单且紧凑，易于加工，成本低廉，在有效减小滤波电路尺寸的同时具有良好的电路性能。
附图说明
图1是本发明中滤波器的三维剖析示意图；
图2是本发明的俯视结构示意图；
图3是本发明中底层金属层的结构示意图；
图4是本发明中中间金属层的结构示意图；
图5是本发明中带通滤波器S参数仿真波形图；
标号说明：1、顶层金属层；2、上层介质层；3、中间金属层；4、下层介质层；5、底层金属层；6、微带线；7、金属通孔；8、矩形槽；9、圆形孔。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
由图1、图2可知，本发明的双层三角形基片集成波导带通滤波器包含三层金属层和两层介质层，分别是顶层金属层1、上层介质层2、中间金属层3、下层介质层4和底层金属层5。上层介质层2、下层介质层4上排布有垂直于介质层表面的金属通孔7。
顶层金属层由一个等边三角形，一个顶角为30°-60°的直角三角形以及一条微带线6组成，其中直角三角形是等边三角形的一半。由图3可知，底层金属层由一个等边三角形，一个顶角为30°-60°的直角三角形以及一条微带线6组成，其中等边三角形、直角三角形部分与上层金属层中的结构与尺寸完全相同。
由图4可知，中间金属层由一个等边三角形，一个顶角为30°-60°的直角三角形以及作为微带线地面的金属矩形构成，其中等边三角形的大小与顶层和底层相同，直角三角形的大小略小与顶层和底层的直角三角形，且长直角边与上下介质层的金属化通孔有一定距离。
三层金属层，两层介质层和介质层中的金属化通孔将整体结构分割为了两个分层紧贴放置的等边三角形谐振腔体和一个直角三角形谐振腔体。由于顶层和底层金属层中的直角三角形以其斜边为轴翻转折叠后，与等边三角形的一半重合，所以直角三角形谐振腔体又可以看做一个沿中线折叠的等边三角形谐振腔体，两个完整的等边三角形谐振腔体和这个一个折叠的等边三角形谐振腔体之间的金属通孔排布留有一段作为耦合窗口的空隙。
中间金属层蚀刻有一个矩形槽8使上下两个等边三角形谐振腔体产生耦合，同时，两条微带线分别与两个等边三角形谐振腔体相连，在微带线位置接近于三角形处蚀刻有一个圆形孔9作为输入输出间的直接耦合孔。
其中，两条微带线与谐振腔体相连处均开有延伸到腔体内的细槽；两条微带传输线与谐振腔体的相连处无圆柱型金属化通孔。
两个等边三角形谐振腔体和一个直角三角形谐振腔体之间两两耦合形成了带通滤波器，同时利用输入输出的直接耦合以及三角形腔内部的交叉耦合在通带外的低频处形成了一个传输零点，高频处形成了两个传输零点，克服了带外性能较差的缺点。本发明设计结构简单，滤波器结构紧凑，体积小，馈电简单，可以有效抑制带外谐波，加工难度低，更适合应用于现代毫米波电路集成。
在本实施案例中，所述介质基片为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508mm；两条微带线的阻抗均为50欧姆；矩形槽与三角形的一边平行，距离金属化通孔约1mm处；圆形孔的圆心距离金属化通孔约1.2mm。
如图5为本发明带通滤波器的S参数仿真波形图，其横坐标为频率(单位：GHz),纵坐标为S参数(单位：dB)，实线与虚线分别表示电磁波反射系数与频率的关系、电磁波传输系数与频率的关系，本发明双层滤波器的3-dB工作带宽为11.4GHz-12 GHz,中心频率为11.7GHz,相对带宽为5.1％，输入端口与输出端口的回波损耗均大于20dB。通带两边11GHz、12.1GHz和12.55GHz处分别有一个传输零点，提高了该滤波器的选择特性。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能依此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述滤波器包括上层介质层和下层介质层，所述上层介质层的上表面设置顶层金属层，所述上层介质层的下表面和下层介质层的上表面之间设置中间金属层，所述下层介质层的下表面设置底层金属层；
所述顶层金属层包括第一金属等边三角形、第一金属直角三角形和第一微带线，所述第一金属直角三角形的斜边与所述第一金属等边三角形的一条边重合，所述第一金属直角三角形是所述第一金属等边三角形的一半，所述第一微带线通过所述第一金属等边三角形另两条边中的一条接入所述第一金属等边三角形；
所述中间金属层包括第二金属等边三角形、第二金属直角三角形和金属矩形，所述第二金属直角三角形的斜边与所述第二金属等边三角形的一条边重合，所述第二金属等边三角形在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一金属等边三角形重合，所述第二金属直角三角形在所述上层介质层的上表面的投影落入所述第一金属直角三角形范围内，所述第一金属等边三角形中接入第一微带线的边相对应的所述第二金属等边三角形中的边与所述金属矩形的长边重合；
所述底层金属层包括第三金属等边三角形、第三金属直角三角形和第二微带线，所述第三金属等边三角形在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一金属等边三角形重合，所述第三金属直角三角形在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一金属直角三角形重合，所述第二微带线接入所述第三金属等边三角形的位置在所述上层介质层的上表面的投影与所述第一微带线接入所述第一金属等边三角形的位置重合；
所述第一金属等边三角形、第二金属等边三角形、第三金属等边三角形以及三个贯穿上、下介质层和顶层、中间、底层金属层的第一金属通孔列构成上、下两个分层紧贴放置等边三角形谐振腔体；
所述第一金属直角三角形、第三金属直角三角形、两个贯穿上、下介质层和顶层、中间、底层金属层的第一金属通孔列以及贯穿上、下介质层和顶层、底层金属层的一个第二金属通孔列构成一个直角三角形谐振腔体，所述第二金属通孔列与第二金属直角三角形的长边存在一定间隙；
所述两个等边三角形谐振腔体和一个直角三角形谐振腔体两两耦合形成带通滤波器。
2.如权利要求1所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一金属直角三角形以其斜边为轴翻转折叠后，与所述第一金属等边三角形的一半重合。
3.如权利要求1所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一和第二微带线与第一和第三金属等边三角形连接处开有延伸到金属等边三角形内的细槽。
4.如权利要求1所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第二金属等边三角形上蚀刻有一个矩形槽，使上、下两个等边三角形谐振腔体产生耦合。
5.如权利要求4所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述矩形槽平行于第二金属等边三角形中未与第二金属直角三角形和金属矩形连接的边。
6.如权利要求1所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述金属矩形上蚀刻有一个圆形孔，作为输入和输出之间的直接耦合孔。
7.如权利要求6所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述圆形孔在所述上层介质层的上表面的投影落入第一微带线的范围内，在所述下层介质层的下表面的投影落入第二微带线的范围内。
8.如权利要求1所述的双层三角形基片集成波导滤波器，其特征在于，所述第一和第二微带线与第一和第三金属等边三角形连接处不设置金属通孔。
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