CN114335943A

CN114335943A - 基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器

Info

Publication number: CN114335943A
Application number: CN202111440761.5A
Authority: CN
Inventors: 杨玲; 许锋
Original assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Current assignee: Nanjing University of Posts and Telecommunications
Priority date: 2021-11-30
Filing date: 2021-11-30
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2041-11-30
Also published as: CN114335943B

Abstract

本发明提供了一种基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，由上至下包括顶层金属层、上层介质层、中间金属层、下层介质和底层金属层，在中间金属层上设置由六组金属化通孔组成的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，在第一谐振腔和第三谐振腔的两个短边上设置相对的过渡结构和第一矩形槽，在第二谐振腔上设置L形槽以及第二矩形槽。本发明通过改变第二矩形槽的长度可得到两种不同的灵活的频率响应，并且过渡结构的圆弧状第一微带线引入的源与负载的耦合能够在不增加滤波器尺寸的基础上引入一个额外的可控传输零点，从而进一步提高滤波器的选择特性和带外抑制水平。本发明设计结构简单且紧凑，选择特性及带外抑制好，插损低。

Description

基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，可用于微波技术领域。

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。在过去的十年中，一些高性能，低成本的基片集成波导滤波器被提出。这些基片集成波导滤波器结合了波导以及平面电路结构的各种优点，包括低损耗，低成本，高性能并且便于平面集成。此外，对于窄带信道的要求，一些具有高带外抑制的准椭圆函数滤波器被提出。盒型耦合拓扑不仅为滤波器的设计提供了新的可能性，而且还具有独特的性能。盒型滤波器和传统的三极子或者四极子交叉耦合滤波器的不同之处主要体现在两个方面。第一，在盒型拓扑中，源与负载之间有两条独立的主路径，而在三极子或者四极子滤波器中只有一条主路径。第二，盒型拓扑具备零点转移性能，也就是在不改变其他耦合系数的情况下仅仅改变腔体的谐振频率就可以使传输零点的位置从通带一侧转移到通带另一侧。零点转移性能就意味着使用相同的物理布局，滤波器的传输零点可以在上阻带也可以在下阻带，在传统的三极子交叉耦合拓扑中这是不可能实现的。在盒型带通滤波器的基础上，结合折叠基片集成波导技术沿着一条对称虚拟磁壁折叠得到一次折叠的折叠基片集成波导谐振腔，沿着两条对称的虚拟磁壁将基片集成波导谐振腔折叠两次得到双重折叠基片集成波导谐振腔。用混合折叠基片集成波导谐振腔设计带通滤波器能够保持高性能的同时进一步缩小滤波器的尺寸，同时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。在滤波器的输入输出端引入源与负载的耦合能够在不增加谐振器个数的情况下增加可控传输零点从而提高滤波器的选择特性以及带外抑制特性。

综上所述，如何发挥混合折叠基片集成波导谐振腔、源与负载耦合以及盒型拓扑的优势，并提供一种小型化双层折叠基片集成波导滤波器件，就成为本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

为了解决背景技术中提到的技术问题，本发明提出一种基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器。

本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：

基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，包括顶层介质基片、底层介质基片及设置在二者之间的中间层金属层，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层，所述顶层介质基片与底层介质基片上均设置有六组金属化通孔，六组金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间金属层、底层金属层、底层介质基片相连接；六组金属化通孔形成依次连接的四边形的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，第一谐振腔和第二谐振腔之间以及第二谐振腔与第三谐振腔之间通过公共金属化通孔壁连接，并在公共金属化通孔壁上缺少一部分金属化通孔以形成磁耦合窗；

所述第一谐振腔和第三谐振腔与公共金属化通孔壁连接的短边处均设置有用于输入端口或输出端口的过渡结构，与过渡结构相对的短边处设置第一矩形槽；

所述第二谐振腔的非公共金属化通孔壁处设置L形槽，并在L形槽拐点处的对角线上设置可调节长度的第二矩形槽。

进一步的，过渡结构包括第一微带线、与第一微带线一端连接的带状线以及与第一微带线另一端连接的第二微带线，过渡结构通过带状线连接在第一谐振腔和第三谐振腔上。

进一步的，所述第一微带线为圆环，弧度为90°。

进一步的，所述第一谐振腔和第三谐振腔均为矩形，第二谐振腔为正方形，且第一谐振腔和第三谐振腔关于第二谐振腔的L形槽拐点处的对角线对称。

进一步的，所述第一谐振腔和第三谐振腔上的两个第一矩形槽相互垂直，且关于第二谐振腔的L形槽拐点处的对角线对称。

进一步的，所述第二微带线的阻抗为50Ω。

进一步的，所述顶层介质基片与底层介质基片均为Rogers 5880介质板，其中顶层介质基片与底层介质基片的介电常数均为2.2，顶层介质基片与底层介质基片的厚度均为0.508mm。

进一步的，所述L形槽和第一矩形槽的最外侧距离两边的金属通孔壁的圆心的距离为1mm。

与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：

（1）通过六组金属化通孔将中间金属层分成依次连接的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，并在第一谐振腔和第三谐振腔上设置过渡结构和第一矩形槽，在第二谐振腔上设置L型槽以及在L形槽拐点处的对角线上设置可调节长度的第二矩形槽，一方面能够得到两种不同的灵活的频率响应，并通过结合混合折叠基片集成波导谐振腔和盒型拓扑结构减小了带通滤波器的尺寸，提高了滤波器的带外抑制和选择特性。同时由于L形槽、第一矩形槽以及第二矩形槽都蚀刻在中间金属层上，整体滤波器是一个封闭式结构减小了由于在传统基片集成波导谐振腔的上层金属上或者地板蚀刻花纹所引起的辐射损耗，降低了加工难度与成本，便于和其他平面电路集成；

（2）将第一微带线设置成弧度为90°的圆环，使得第一谐振腔和第三谐振腔上的两个第一微带线在保持了滤波器结构紧凑的前提下能够避免输入输出端口相交，便于滤波器的加工和测量，并且弧度为90°的圆环状第一微带线相互靠近进行边缘耦合，耦合的四分之一微带圆环能够引入源与负载之间耦合，从而在不增加谐振腔个数的前提下能在带通滤波器的阻带形成额外的可控传输零点。

附图说明

图1是本发明实施例1中带状滤波器的三维结构示意图；

图2是图1的三维剖分图；

图3是本发明实施例1中带状滤波器的俯视结构示意图；

图4是本发明测试例1中带状滤波器的第一类S参数幅度的仿真结果图；

图5是本发明测试例1中带状滤波器的第二类S参数幅度的仿真结果图。

图中：顶层金属层1；顶层介质基片2；中间金属层3；底层介质基片4；底层金属层5；金属化通孔6；第一谐振腔61；第二谐振腔62；第三谐振腔63；L形槽7；第一矩形槽8；带状线9；第一微带线10；第二微带线11；第二矩形槽12。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、 “底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，包括顶层介质基片2、底层介质基片4及设置在二者之间的中间金属层3，顶层介质基片2的上表面设置有顶层金属层1，底层介质基片4的下表面设置有底层金属层5。顶层介质基片2与底层介质基片4上均设置有六组金属化通孔6，六组金属化通孔6与顶层金属层1、顶层介质基片2、中间金属层3、底层金属层5、底层介质基片4相连接；六组金属化通孔6形成依次连接的四边形的第一谐振腔61、第二谐振腔62和第三谐振腔63，第一谐振腔61和第二谐振腔62之间以及第二谐振腔62与第三谐振腔63之间通过公共金属化通孔壁连接，并在公共金属化通孔壁上缺少一部分金属化通孔6以形成磁耦合窗。第一谐振腔61和第三谐振腔63与公共金属化通孔壁连接的短边处均设置有过渡结构，与过渡结构相对的短边处设置第一矩形槽8。第二谐振腔62的非公共金属化通孔壁处设置L形槽7，并在L形槽7拐点处的对角线上设置可调节长度的第二矩形槽12。

实施例1

如图1-图3所示，在一种实施方式中，第一谐振腔61和第三谐振腔63均为矩形，第二谐振腔62为正方形，且第一谐振腔61和第三谐振腔63关于第二谐振腔62的L形槽7拐点处的对角线对称。其中第二谐振腔62上设置的L形槽7也关于L形槽7拐点处的对角线对称，第一谐振腔61和第三谐振腔63上设置的过渡结构和第一矩形槽8也都关于L形槽7拐点处的对角线对称，使得整体带通滤波器结构关于内部的L形槽7拐点处高度对称。

过渡结构包括第一微带线10、与第一微带线10一端连接的带状线9以及与第一微带线10另一端连接的第二微带线11，过渡结构通过带状线9连接在第一谐振腔61和第三谐振腔63上以实现阻抗匹配。其中第一微带线10为圆环，弧度为90°，使得两个过渡结构不相交，设置在第一谐振腔61和第三谐振腔63上的过渡结构分别构成了带通滤波器的两个端口，一个用作输入端口，一个用作输出端口，且两个端口的第二微带线11的阻抗为50Ω。

两个第一微带线10在保持了滤波器结构紧凑的前提下能够避免输入输出端口相交，便于滤波器的加工和测量。同时第一微带线10的阻抗和与其两端相连接的传输线的特性阻抗略有不同，第一微带线10能够作为一段阻抗匹配的结构，来实现输入输出50欧姆的第二微带线11到屏蔽带状线9之间的阻抗匹配。并且，弧度为90°的圆环状第一微带线10相互靠近进行边缘耦合，耦合的四分之一微带圆环能够引入源与负载之间耦合，从而在不增加谐振腔个数的前提下能在带通滤波器的阻带形成额外的可控传输零点。额外的可控传输零点一方面能够提高滤波器的带边选择特性改善带通滤波器的阻带抑制；另一方面可以通过改变两个四分之一耦合微带圆环的耦合系数的大小来进行调节，具体为通过调节第一微带线10的内径大小，能够对第一微带线10之间的距离进行调节，从而进一步控制耦合强度的大小。

第一谐振腔61和第二谐振腔62的短边上设置的第一矩形槽8使得第一谐振腔61和第二谐振腔62构成一次折叠的基片集成波导谐振腔；第二谐振腔62的非公共金属化通孔壁上设置的L形槽7使得第二谐振腔62构成双重折叠的基片集成波导谐振腔，并在L形槽7拐点处的对角线上设置可调节长度的第二矩形槽12，以调节第二谐振腔62中奇模的谐振频率，从而进一步获得两种不同的带通滤波器频率响应。正方形的第二谐振腔62的简并模为偶模TE103模和奇模TE301模，其中沿着蚀刻第二矩形槽12的对角线上，第一谐振腔61中间金属层3上偶模的表面电流分布平行于该对角线，而对于奇模来说，表面电流分布垂直于该对角线。因此，沿着该对角线蚀刻的第二矩形槽12能够使得奇模的表面电流路径延长从而降低奇模的谐振频率，而偶模的谐振频率保持不变。随着第二矩形槽12的长度逐渐变长，正方形的第二谐振腔62中偶模TE103的谐振频率基本不变，而奇模TE301的谐振频率从略大于偶模的谐振频率开始逐渐下降到远小于偶模的谐振频率。因此，能够通过调节中间金属层3沿着对角线蚀刻的第二矩形槽12的长短得到两种不同的灵活的频率响应。

为了简化结构，同时提高滤波器选择特性、带外抑制性以及频率响应的灵活性，降低加工难度和加工成本并减小面积，本实施例中L形槽7和第一矩形槽8最外侧距离两边的金属通孔的圆心的距离为1mm。顶层介质基片2与底层介质基片4均为 Rogers 5880介质板，顶层介质基片2与底层介质基片4叠合放置且相互贴合，其中，顶层介质基片2与底层介质基片4的介电常数均为2.2，顶层介质基片2与底层介质基片4的厚度均为0.508mm。

测试例1

当第二矩形槽12的长度较短时，对实施例1中所述的带通滤波器进行第一类S参数幅度的仿真测试，结果如图4所示，带通滤波器第一种响应的3-dB工作带宽为8.7 GHz-9.20GHz,中心频率为8.95GHz,相对带宽为5.6%，输入端口与输出端口的回波损耗均大于20dB。通带两边7.23GHz，9.23GHz和9.56GHz处分别有一个传输零点提高了带通滤波器的选择特性和带外抑制特性。

测试例2

当第二矩形槽12的长度较长时，对实施例1中所述的带通滤波器进行第二类S参数幅度的仿真测试，结果如图5所示，带通滤波器第二种响应的3-dB工作带宽为8.72 GHz-9.26 GHz,中心频率为8.98 GHz,相对带宽为5.99%，输入端口与输出端口的回波损耗均大于17dB。通带两边7.87GHz,8.56GHz,9.55GHz和11.36GHz处分别有一个传输零点提高了带通滤波器的选择特性和带外抑制特性。

综合测试例1和测试例2的结果，在第一类S参数仿真结果中可以看到，滤波器的上阻带9.23GHz处存在一个传输零点，当沿着对角线蚀刻的第二矩形槽12变长后，从第二类S参数可以看到，原先第一类S参数中上阻带9.23GHz处的传输零点会转移到带通滤波器的下阻带8.56GHz处。因此，仅仅通过调节中间金属层3上沿着正方形折叠腔的对角线蚀刻的矩形槽的大小可以获得两种不同的频率响应。

本发明可实现在一个较窄的频段上顺利实现输入信号功率的选择，相比较同等技术的基片集成波导电路下的带通滤波器，本发明使用混合的折叠谐振腔结合盒型拓扑结构，在减小滤波电路尺寸的同时提高了电路性能，制作工艺简单，成本低廉。同时，通过调节中间金属层3上沿着正方形折叠基片集成波导谐振腔的一条对角线蚀刻的矩形槽的大小能够获得两种不同的频率响应。此外，在输入输出端口，通过两段耦合的四分之一圆环微带线能够引入源与负载的耦合，在不增加谐振器个数的情况下增加一个额外的可控传输零点，从而进一步提高带通滤波器的选择特性和带外抑制。另外，由于折叠基片集成波导谐振腔固有的封闭式结构，所设计的带通滤波器具有自封装特性，减少了额外的辐射损耗，便于与其他平面电路混合集成。

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，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，包括顶层介质基片、底层介质基片及设置在二者之间的中间层金属层，顶层介质基片的上表面设置有顶层金属层，底层介质基片的下表面设置有底层金属层；其特征在于，所述顶层介质基片与底层介质基片上均设置有六组金属化通孔，六组金属化通孔与顶层金属层、顶层介质基片、中间金属层、底层金属层、底层介质基片相连接；六组金属化通孔形成依次连接的四边形的第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔，第一谐振腔和第二谐振腔之间以及第二谐振腔与第三谐振腔之间通过公共金属化通孔壁连接，并在公共金属化通孔壁上缺少一部分金属化通孔以形成磁耦合窗；

2.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，过渡结构包括第一微带线、与第一微带线一端连接的带状线以及与第一微带线另一端连接的第二微带线，过渡结构通过带状线连接在第一谐振腔和第三谐振腔上。

3.根据权利要求2所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，所述第一微带线为圆环，弧度为90°。

4.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔和第三谐振腔均为矩形，第二谐振腔为正方形，且第一谐振腔和第三谐振腔关于第二谐振腔的L形槽拐点处的对角线对称。

5.根据权利要求4所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔和第三谐振腔上的两个第一矩形槽相互垂直，且关于第二谐振腔的L形槽拐点处的对角线对称。

6.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，所述第二微带线的阻抗为50Ω。

7.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，所述顶层介质基片与底层介质基片均为Rogers 5880介质板，其中顶层介质基片与底层介质基片的介电常数均为2.2，顶层介质基片与底层介质基片的厚度均为0.508mm。

8.根据权利要求1所述的基于混合折叠基片集成波导谐振腔的高选择性带通滤波器，其特征在于，所述L形槽和第一矩形槽的最外侧距离两边的金属通孔壁的圆心的距离为1mm。