CN114267930A

CN114267930A - 一种适用于5g通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构

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Publication number: CN114267930A
Application number: CN202111648425.XA
Authority: CN
Inventors: 陈龙; 宋开新; 骆新江
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-12-31
Filing date: 2021-12-31
Publication date: 2022-04-01
Anticipated expiration: 2041-12-31
Also published as: CN114267930B

Abstract

一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，属于微波无源器件技术领域。本发明包括顶面金属层、中间介质板及底面金属层，中间介质板内通过设置多个连接顶面金属层和底面金属层的金属化过孔，将顶面金属层与底面金属层之间分隔为四个谐振腔，第一、第二及第三谐振腔之间依次设有耦合窗；顶面金属层上刻蚀有连通第一与第四谐振腔的交叉耦合环形槽；该金属刻蚀槽在本专利中首次创新性提出，可在两个基片集成波导谐振腔间实现电容耦合，从而在滤波器的某些耦合拓扑结构中加入交叉耦合，引入传输零点。本发明在基片集成波导滤波器当中引入交叉耦合结构实现上下边频双零点，并且通过改变新颖电容耦合的结构参数，实现双零点的可控。

Description

一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构

技术领域

本发明涉及微波无源器件技术领域，尤其涉及一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构。

背景技术

随着移动通信和卫星通信等方面的迅猛发展，尤其是随着5G通信时代的快速发展，对微波集成电路提出了更高的要求。高可靠的设备要求微波集成电路在满足电气性能指标的同时，应尽可能减小电路占用面积。

同时，随着通信技术的发展，在5G商用逐步加快的背景下，电磁频率资源越来越紧张，相近频率之间的干扰越来越大，同时由于频谱资源的不可再生性，滤波器作为频率选择的关键器件在无线通信中扮演着重要的角色。而传输零点的引入可以提高滤波器的选择性，或者对某些特定频率的信号产生很强的抑制，因此，具有可调谐频率传输零点的微波滤波器得到了广泛的关注。

现今，应用于移动和无线通信系统的频率相对较低，从而使得微带滤波器在电路设计中占据了较为主要的地位，这主要是因为其具有低成本，高品质因数，易加工等优点。而在高频领域，例如在5G通信FR2频段，根据较高介电常数材料设计的介质谐振器由于加工工艺的限制以及尺寸变化对频率的巨大影响，介质谐振器并不适合5G通信FR2频段的滤波器设计；当前火热的介质波导滤波器由于结构的约束以及馈电方式的限制，同样不适合毫米波频段的滤波器件设计；传统的微带线结构滤波器则是更难在毫米波频段发挥实力。因此在高频、毫米波频段的器件设计中，基于基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide，SIW)拥有易加工、良好的波导性能和易于与平面电路集成的特性，因而得到了广泛地应用。利用SIW技术设计出的滤波器对实现军事通信系统和民用移动通信系统小型化都具有十分重要的现实意义。成为了微波毫米波电路和元器件研究领域的热点之一。

传输零点可控对于提升滤波器的性能具有重要的意义，增强带外抑制，提升滤波器品质因素，让滤波器具有优良的频率选择特性。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术存在的问题，提供一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其提出了一种新的电容耦合结构，从而在基片集成波导滤波器当中引入交叉耦合结构实现上下边频双零点，并且通过改变新型电容耦合的结构参数，实现双零点的可控。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，包括顶面金属层、中间介质板及底面金属层，所述中间介质板内通过设置多个连接顶面金属层和底面金属层的金属化过孔，将所述顶面金属层与底面金属层之间分隔为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔，所述第一谐振腔与第二及第四谐振腔相邻，所述第三谐振腔与第二及第四谐振腔相邻；

所述第一与第二谐振腔之间，第二与第三谐振腔之间，以及第三与第四谐振腔之间均设有耦合窗；所述顶面金属层上刻蚀有连通所述第一与第四谐振腔的交叉耦合环形槽。

本发明的原理：第一、第二、第三和第四谐振腔之间，通过三个耦合窗依次进行电感耦合，通过在第一和第四谐振腔之间刻蚀交叉耦合环形槽，从而由环形槽分隔出外部金属面和内部金属面，刻蚀部分将中间介质板暴露，使得顶层金属面、地面等在环形槽处形成电容耦合，从而使滤波器实现CQ拓扑结构，在通带外形成两个零点。并且，可以通过调节环形槽的结构参数，实现双零点的可控。

原理所述的金属刻蚀的交叉耦合环形槽为本专利提出的新颖耦合结构，其具有可调节性强、可应用性广的优点。

作为本发明优选，所述交叉耦合环形槽关于所述顶面金属层中心线对称设置。

作为本发明优选，所述交叉耦合环形槽对称设置于所述第一和第四谐振腔之间。

作为本发明优选，所述顶面金属层处于所述交叉耦合环形槽所围区域内的部分连接有金属化过孔。

作为本发明优选，所述交叉耦合环形槽设于远离第二及第三谐振腔的一侧。

作为本发明优选，所述顶面金属层上相对的两边侧分别设有输入微带线和输出微带线，所述输入微带线和输出微带线分别伸至所述第一和第四谐振腔处。

作为本发明优选，所述顶面金属层和底面金属层之间的边缘处阵列分布有金属化过孔，同时在两者之间的内部沿横向及竖向的中心线阵列分布有两排金属化过孔，以形成田字形的谐振腔壁，将所述顶面金属层和底面金属层之间均匀分隔为四个谐振腔。

作为本发明优选，所述第一与第二谐振腔之间，第二与第三谐振腔之间，以及第三与第四谐振腔之间的谐振腔壁上设有开口，以形成谐振腔之间的耦合窗。

本发明的优点是：

1、本发明在不增加原有电路面积、不引入额外微带线的基础上，仅仅通过在顶层金属面刻蚀出环形槽，从而实现了特定的耦合拓扑结构，大大改善了滤波器的频率选择特性；

2、本发明能够在在高低边频各有一个传输零点，其零点位置具有灵活的调节性；

3、本发明中用于实现双传输零点的交叉耦合结构实现简单，可用于PCB板工艺的基片集成波导滤波器以及LTCC工艺的基片集成波导滤波器等；

4、基于本发明的新颖交叉耦合结构可以适用于更多阶滤波器的可控双零点设计当中；尤其在LTCC工艺中具有较大潜力，可利用叠层结构组合该交叉耦合结构；

5、本发明在5G通信高频段中效果更为明显，在5G通信FR2频段实施效果佳。在其他频率范围内通过调节该电容耦合结构相关参数同样可以实现双零点效果。

附图说明

图1为本发明一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构的爆炸结构示意图；

图2为图1的俯视透视图；

图3为图2的尺寸标示图；

图4为交叉耦合环形槽长度L1变化时特性曲线S21参数变化示意图以及零点位置变化情况图；

图5为交叉耦合环形槽环带粗值W1变化时特性曲线S21参数变化示意图以及零点偏移情况图；

图6为交叉耦合环形槽顶点离边缘位置长度L3变化示意图；

图7为L3变化时的特性曲线S21参数变化示意图以及零点位置变化情况图；

图8为交叉耦合环形槽向左偏离时的结构示意图；

图9为交叉耦合环形槽左右偏离时特性曲线S21参数变化示意图以及对应双零点情况图；

图10为本发明基于LTCC工艺的双零点基片集成波导S参数频率响应图；

图11为本发明的PCB工艺实施结构示意图；

图12本发明的PCB工艺实施S参数频率响应图。

图中：1-顶面金属层；2-中间介质板；3-底面金属层；4-第一谐振腔；5-第二谐振腔；6-第三谐振腔；7-第四谐振腔；8-输入微带线；9-输出微带线；10-交叉耦合环形槽；S-边缘金属过孔间间距；Ws-端口处微带线宽度；Wp-微带线输入输出处处矩形金属挖槽宽度；Lp-微带线端口深度；L1-环形槽长度；L2-环形槽宽度；W1-环形槽环带粗值；L3-横向边缘金属过孔边界到类环形刻蚀槽边距离。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的详细说明。

如图1和2所示，一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，包括：依次堆叠设置的顶面金属层1、中间介质板2以及底面金属层3。其中，中间介质板2上设置有沿边缘阵列化分布的金属化过孔，同时在基片内部也设置金属化过孔，通过金属化过孔与顶部、底部金属面形成了第一谐振腔4、第二谐振腔5、第三谐振腔6和第四谐振腔7。顶面金属层1设置有输入微带线8、输出微带线9以及交叉耦合环形槽10。具体的，顶面金属层1、中间介质板2及底面金属层3均为相适配的矩形，金属化过孔呈田字形阵列分布，即金属化过孔形成了田字形的谐振腔壁，从而形成四个均匀且呈立方体的谐振腔。其中，第一谐振腔4与第二谐振腔5之间的谐振腔壁上设有开口，即未设置金属化过孔的部分，而形成耦合窗口；同理，第二谐振腔5与第三谐振腔6之间，第三谐振腔6和第四谐振腔7之间也设有耦合窗口；从而使得第一、第二、第三和第四谐振腔之间，通过三个耦合窗依次进行电感耦合。所述交叉耦合环形槽10通过在顶面金属层1上刻蚀而成，其横跨第一和第四谐振腔，交叉耦合环形槽10具体呈矩形，从而由环形槽分隔出外部金属面和内部矩形金属面，刻蚀部分将中间介质板2暴露，使得顶层金属面、地面等在环形槽处形成电容耦合，从而使滤波器实现CQ拓扑结构，在通带外形成两个零点。另外，输入微带线8和输出微带线9分别设于顶面金属层1上相对的两边侧，且输入微带线8和输出微带线9分别伸至所述第一和第四谐振腔处。

本实施例通过类环形刻蚀槽的设置，使得在一、四谐振腔间引入了新的负耦合结构，构成了CQ拓扑结构，在高低边带获得了额外的传输零点，具有良好的带外抑制特性；且在不增加原有电路的面积基础上，仅仅通过在顶层金属面刻蚀出一个环形槽，实现了特定的耦合拓扑，大大改善了频率选择特性。

进一步的，如图2所示，滤波器为对称结构，顶层金属刻蚀的交叉耦合环形槽10关于顶面金属层1的竖直中心线对称，同时关于一、四谐振腔壁中轴线对称，这样设计能够减少设计变量，便于结构优化。

可控双传输零点的基片集成波导滤波器顶面金属层结构的变化对滤波器的性能有着重要的影响，其中，环形槽的长度可以有效控制零点的偏移，环形槽长度越短，即越靠近一、四谐振腔间壁，通带外高、低频零点越往滤波器频率响应通带中心靠近；环形槽长度越长，即逐渐远离一、四谐振腔壁，通带外高、低频零点越往滤波器频率响应通带中心靠近。另外，环形槽的粗细对零点位置也有一定影响。

具体的，为了说明本发明对零点位置的控制，下面会通过分析类环形刻蚀槽各参数的变化对零点位置影响，可以根据分析结构来设置合适的尺寸，已得到理想的滤波器。图3中给出了顶面金属层的各结构标号，其中标出了：边缘金属过孔间间距S，端口处微带线宽度Ws，微带线输入输出处处矩形金属挖槽宽度Wp，微带线端口深度Lp，以及新型电容耦合结构环形槽的长度L1、宽度L2和环形槽环带粗值W1，以及横向边缘金属过孔边界到环形槽边距离L3。

在滤波器设计中，内部金属过孔间距S的选择，即开窗大小对基片集成波导谐振腔以及耦合系数有一定影响，可根据所需目标频率选择尺寸。

端口馈电处的尺寸变化对回波影响明显，经过改变结构参数调节可将性能慢慢优化。

在交叉耦合环形槽10结构不做大改变的基础上，我们将实施例性能优化之后，为了分析环形槽结构各参数对零点效果的影响，我们依次进行了环形槽结构参数扫描。

图4为图1实施例中环形槽长度结构参数L1的变化对零点造成影响的S21参数频率响应图。根据S21曲线可以看出，当L1逐渐从短变长时，两侧零点位置也逐渐往更低频、更高频移动；而当L1的值过大时，零点逐渐消失；同时，零点移动的同时，带外抑制也在变化。因此根据图4，本发明中，结构参数L1的变化主要影响零点位置和带外抑制效果。

图5为环形槽的环带粗值结构参数W1变化对零点的影响，根据S21曲线可以看出，当W1逐渐变小时，带外抑制逐渐增强，带外抑制效果越强，而当刻蚀宽度为0时，即没有环形槽结构时，零点消失，这也验证了本发明的真实产生可控双零点的真实有效性；其次W1变化也影响着零点位置偏移。

较佳的，在工程中若为了在毫米波频段追求较好的带外抑制，可以将本发明用在加工精度更高的LTCC工艺中，这样环形槽环带粗值W1的设计会有更多的自由度。

图6为环形槽距离边缘的距离变化的实例图模型之一，图7为环形槽至边缘金属化过孔距离结构参数L3的变化对零点的影响效果图；每次移动的递增量为边缘金属化过孔间距S，沿着对称轴线即一四谐振腔（标号4、7）壁间上下移动时，根据图7的S21曲线可以看出，随着L3的变化，零点的变化微小；因此环形槽在轴线位子上的偏移，即参数L3对零点位置影响不大，只在环形槽接近另一端时零点偏移明显。

图8为环形槽关于滤波器对称轴左右偏离时的实施例模型之一，图9为偏移值对零点的影响效果图。根据图9的S21图可以看出，非对称偏移在一定值内时，偏移变化主要影响带外抑制，对零点位置偏移影响较小。

图10、图11和图12是一些本发明一些实例图的模型和仿真效果图，滤波器设计的目标频段为5G通信FR2频段，具有实际应用前景，其中：

图10为基于LTCC工艺设计的双零点基片集成波导滤波器即实施例图1模型的仿真频率响应图；可以看到，其上下边频各有一个零点，大大改善了带外抑制效果，增强了滤波器的频率选择特性，同时该滤波器通带超过1GHz；这说明本发明在基于LTCC工艺的基片集成波导滤波器设计中具有实际应用价值。

由于本发明不用增加冗余微带线等结构连接不相邻谐振单元，并且结构简单，可以适用于PCB工艺和LTCC工艺的基片集成波导电路；并且在LTCC工艺当中，可以将图1实施例结构进行叠层组合，能减小滤波器体积。

图11为基于PCB工艺设计的双零点基片集成波导滤波器实施例模型图顶部金属图，在端口馈电处设计了阶梯阻抗微带线，可直接接入高频探针头进行信号输入；其双零点滤波器的核心结构并未改变，这种结构只是为了方便接入高频接头进行测试，环形槽结构和以上实施例描述相同；图12为图11实施例的仿真S参数，可以看出其工作频率同样在5G通信的FR2频段，其在上下边频外有两个零点，大大改善了带外抑制效果，同时通带超过1GHz，性能优良，结构简单，具有实际应用价值。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，该具体实施方式是基于本发明整体构思下的一种实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims

1.一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，包括顶面金属层、中间介质板及底面金属层，其特征在于，所述中间介质板内通过设置多个连接顶面金属层和底面金属层的金属化过孔，将所述顶面金属层与底面金属层之间分隔为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔，所述第一谐振腔与第二及第四谐振腔相邻，所述第三谐振腔与第二及第四谐振腔相邻；

2.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述交叉耦合环形槽关于所述顶面金属层中心线对称设置。

3.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述交叉耦合环形槽对称设置于所述第一和第四谐振腔之间。

4.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述顶面金属层处于所述交叉耦合环形槽所围区域内的部分连接有金属化过孔。

5.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述交叉耦合环形槽设于远离第二及第三谐振腔的一侧。

6.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述顶面金属层上相对的两边侧分别设有输入微带线和输出微带线，所述输入微带线和输出微带线分别伸至所述第一和第四谐振腔处。

7.根据权利要求1所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述顶面金属层和底面金属层之间的边缘处阵列分布有金属化过孔，同时在两者之间的内部沿横向及竖向的中心线阵列分布有两排金属化过孔，以形成田字形的谐振腔壁，将所述顶面金属层和底面金属层之间均匀分隔为四个谐振腔。

8.根据权利要求7所述的一种适用于5G通信高频段的双零点可调基片集成波导滤波器结构，其特征在于，所述第一与第二谐振腔之间，第二与第三谐振腔之间，以及第三与第四谐振腔之间的谐振腔壁上设有开口，以形成谐振腔之间的耦合窗。