CN114335966A

CN114335966A - 一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔t

Info

Publication number: CN114335966A
Application number: CN202111637978.5A
Authority: CN
Inventors: 朱舫; 吴云飞; 韦焕杰; 罗国清
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Hangzhou Dianzi University
Priority date: 2021-12-29
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，包括两个背对背放置的基片集成波导圆形腔、输入耦合结构、输出耦合结构、第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口和十字耦合槽。本发明采用层叠结构来实现，利用基片集成波导圆形腔的TE₂₀₁模和TE₁₀₂模设计等功率反相输出和同相输出，并且这两个输出均具有带通滤波响应，利用层叠结构减小魔T的整体尺寸，面积与单个SIWCC的面积相当；通过上下两个背对背放置的基片集成波导圆形腔间的十字耦合槽耦合，整个结构为全封闭结构，避免了不必要的辐射损耗以及对其他电路的辐射干扰，调节十字耦合槽的横向和纵向长度可以方便的调节两种输出状态下的工作带宽。

Description

一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，尤其涉及一种由基片集成波导圆形腔(SIWCC)层叠而成的小型化基片集成波导魔T。

背景技术

基片集成波导(SIW)由于低损耗、低剖面、全封闭、易加工、易于和其他平面电路集成等优点在近年来获得了微波领域广泛的研究和应用。目前，人们基于SIW技术对魔T和滤波器等单功能电路进行了广泛的研究。随着无线通信技术的发展，无线通信设备正朝着小型化，低损耗，多功能化等方向发展，滤波巴伦，滤波天线，滤波耦合器等集成多种功能的电路逐渐成为近年来的研究热点。但目前仅有少量集成滤波功能的SIW魔T报道。

第一版兼具滤波功能的SIW魔T是在单层PCB结构上实现的，由三个完全相同的双模SIWCC构成，该结构根据双模腔中的电场分布定位其功率分配端口，在滤波的同时实现了同相以及反相等功率输出，但是该结构中SIW腔体数量m与滤波器阶数n之间的关系为m＝2n-1，因此电路面积过大。针对这一问题，一种由双模SIWCC级联构建的SIW魔T被提出，其SIW腔体数量m与滤波器阶数n之间的关系为m＝n，但该结构还是在单层结构上实现的，其面积是单个SIWCC的n倍，而且相邻两个SIWCC之间需要通过两个共面波导(CPW)以及微带线进行耦合，这种半开放的耦合结构，不仅损耗较大(尤其是辐射损耗)，而且还容易受到外部设备的电磁干扰。

针对上述问题，本发明提出了一种由SIWCC层叠而成的兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，同时还具有小尺寸、宽阻带、低损耗、输出相位差稳定、易于设计等优点。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提出一种由SIWCC层叠而成的兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，利用SIWCC的两个简并模式的来设计等功率反相输出和同相输出，这两种输出均具有带通滤波功能，本发明利用层叠结构减小了魔T的整体尺寸，其面积与单个SIWCC的面积相当，上下两个SIWCC之间通过十字耦合槽进行耦合，整个结构为全封闭结构，避免了不必要的辐射损耗以及对其他电路的辐射干扰；此外，通过调节十字耦合槽的横向以及纵向长度可以方便的调节两种输出状态下的工作带宽，设计简单，同时，还兼有宽阻带，低损耗等优势。

本发明采用如下技术方案：

本发明提供的一种具有滤波功能的小型化基片集成波导魔T包括第一圆形谐振腔SIWCC、第二圆形谐振腔SIWCC、输入耦合结构、输出耦合结构、第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口以及十字耦合槽；

整个结构从上到下依次包括顶层金属层、第一介质层、中间金属层、第二介质层、底层金属层；所述中间金属层中心刻蚀有十字耦合槽；

所述第一圆形谐振腔SIWCC由顶层金属层、中间金属层通过贯穿第一介质层的第一金属化通孔阵列连接构成；所述第一金属化通孔阵列呈圆环状；

所述第二圆形谐振腔SIWCC由底层金属层、中间金属层通过贯穿第二介质层的第二金属化通孔阵列连接构成；所述第二金属化通孔阵列呈圆环状；

第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC背对背设置，且共用中间金属层作为其公共的金属地；第一谐振腔SIWCC与第二谐振腔SIWCC之间通过在中间金属层中十字耦合槽进行能量耦合；

作为优选，第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC尺寸相同，即半径均为r。

所述第一、第二输入端口与顶层金属层连接，且第一、第二输入端口与顶层金属层连接处均设有输入耦合缝隙；所述第一金属化通孔阵列的位于第一、第二输入端口下方位置设有第一耦合窗；此第一耦合窗处无第一金属化通孔设置；

所述第一、第二输出端口与底层金属层连接，且第一、第二输出端口与底层金属层连接处设有输出耦合缝隙；所述第二金属化通孔阵列的位于第一、第二输出端口上方位置设有第二耦合窗；此第二耦合窗处无第二金属化通孔设置；

所述第一、第二输入端口和第一圆形谐振腔SIWCC之间通过输入端耦合结构进行耦合，其中输入端耦合结构包括第一耦合窗、输入耦合缝隙；

所述第一、第二输出端口和第二圆形谐振腔SIWCC之间通过输出端耦合结构进行耦合，其中输出端耦合结构包括第二耦合窗、输出耦合缝隙；

作为优选，中间金属层在四个端口对应位置设置外接矩形金属地，便于微带线馈电；

作为优选，输入耦合结构和输出耦合结构的尺寸不相同；

作为优选，第一、第二输入端口、第一、第二输出端口均由50欧姆微带线构成；

作为优选，所述第一、第二输入端口垂直设置；所述第一、第二输出端口垂直设置；

作为优选，所述十字耦合槽包括两正交的第一直线槽和第二直线槽；第一输入端与第一直线槽位于同一直线，第二输入端口与第二直线槽位于同一直线；第一、第二输出端口与第一直线槽和第二直线槽间的夹角均为45°；

作为优选，所述输入耦合缝隙包括位于输入端口两侧的第一直线型缝隙；所述输出耦合缝隙包括位于输出端口两侧的第二直线型缝隙；

作为优选，十字耦合槽的大小可控制第一谐振腔SIWCC、第二谐振腔SIWCC中TE₁₀₂模以及TE₂₀₁模的耦合度。

作为优选，当信号从第一输入端口输入时，在第一圆形谐振腔SIWCC中激励起TE₂₀₁模，而不会激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₁₀₂模，这是由于TE₁₀₂模在第一输入端口处的电场为0，而且由于TE₂₀₁模的电场在第二输入端口处也为0，因此没有信号泄漏到第二输入端口；第一圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模将通过十字耦合槽中与第一输入端口垂直的直线槽进行能量耦合，激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₂₀₁模，第一、第二输出端口的相位相同，幅度相同，从而实现同相输出的功能；

当信号从第二输入端口输入时，激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₁₀₂模，而不会激励起第一圆形谐振腔SIWCC中TE₂₀₁模，且没有信号泄漏到第一输入端口；第一圆形谐振腔SIWCC的TE₁₀₂模将通过十字耦合槽中与第二输入端口垂直的直线槽进行能量的耦合，激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₁₀₂模，第一、第二输出端口的相位相反，幅度相同，从而实现反相输出的功能。

第一圆形谐振腔SIWCC和第二圆形谐振腔SIWCC均为完整的SIW圆形腔体，通过中间金属层上的十字耦合槽进行耦合，保证了整个结构的封闭性。

本发明利用SIWCC的两个高次简并模式(TE₂₀₁和TE₁₀₂模)来实现具有滤波功能的等功率同相输出和反相输出，通过调节SIWCC的半径r来控制魔T的工作频率。第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC之间通过在中间金属层中的十字耦合槽进行能量耦合，十字耦合槽位于整个结构的中心，十字槽中第一直线槽和第二直线槽的长度分别控制第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC中TE₂₀₁模和TE₁₀₂模的耦合度。

本发明具有以下优点：

(1)采用SIWCC层叠结构，减小了魔T的尺寸，面积与单个SIWCC的面积相当，其三阶结构仅为现有的平面三阶SIW魔T的29.3％；

(2)具有完全封闭的结构，避免了辐射损耗以及与其他电路之间的干扰；

(3)具有较宽的阻带带宽，其中下阻带寄生通带的幅度小于-60dB，而上阻带寄生通带位于17.74GHz处，为中心频率的1.77倍；

(4)两输出端口的相位差在两个功能的工作频段内均表现为良好的稳定性。

附图说明

图1是本发明的三维结构示意图；

图2(a)、(b)、(c)分别是本发明的上层金属层结构示意图、底层金属层结构示意图以及中间金属层结构示意图。

图3(a)、(b)分别是SIWCC中TE₂₀₁模和TE₁₀₂模的电场分布图。

图4是本发明所设计的新型SIW魔T的拓扑结构。

图5(a)、(b)、(c)、(d)分别是本发明第一输入端口输入时的频率响应曲线、第一输入端口输入时的两输出端口相位差响应曲线、第二输入端口输入时的频率响应曲线、第二输入端口输入时的两输出端口相位差响应曲线。

图中标记：顶层金属层1、第一介质层2、中间金属层3、第二介质层4、底层金属层5、圆形排列的金属化通孔阵列6、7、第一输入端口8、第二输入端口9、第一输出端口10、第二输出端口11、输入端耦合结构12、输出端耦合结构13、十字耦合槽14。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-2所示，本发明提供的一种具有滤波功能的小型化基片集成波导魔T，包括顶层金属层1、第一介质层2、中间金属层3、第二介质层4、底层金属层5、圆形排列的金属化通孔阵列6、7、第一输入端口8、第二输入端口9、第一输出端口10、第二输出端口11、输入端耦合结构12、输出端耦合结构13、十字耦合槽14。

其中，第一输入端口8、第二输入端口9、第一输出端口10、第二输出端口11均由50欧姆微带线构成；圆形排列的金属化通孔阵列6贯穿第一介质层2，与顶层金属层1和中间金属层3相连，共同构成了第一圆形谐振腔SIWCC；圆形排列的金属化通孔阵列7贯穿第二介质层4，与底层金属层5和中间金属层3相连，共同构成了第二圆形谐振腔SIWCC。第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC背对背放置，共用中间金属层3。

第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC均为完整的SIW圆形腔体，通过中间金属层3上的十字耦合槽14进行耦合，保证了整个结构的封闭性，第一圆形谐振腔SIWCC和第二圆形谐振腔SIWCC完全相同，半径均为r。

本发明利用SIWCC的两个高次简并模式(TE₂₀₁和TE₁₀₂模)来实现具有滤波功能的同相输出和反相输出，通过调节SIWCC的半径r来控制魔T的工作频率。第一圆形谐振腔SIWCC和第二圆形谐振腔SIWCC之间通过中间金属层3中的十字耦合槽14进行能量的耦合，十字耦合槽14位于整个结构的中心；其中，十字耦合槽由两个相互正交的第一直线槽和第二直线槽组成，槽线的宽度为w₃，长度分别为l₃、l₄。通过改变l₃的长度，可以控制TE₂₀₁模式的耦合度，而TE₁₀₂模式不受影响；通过改变l₄的长度，可以控制TE₁₀₂模式的耦合度，而TE₂₀₁模式不受影响。

第一输入端口8和第二输入端口9与第一圆形谐振腔SIWCC之间通过输入端耦合结构12进行耦合，第一输出端口10和第二输出端口11与第二圆形谐振腔SIWCC之间通过输出端耦合结构13进行耦合。其中输入端耦合结构12主要由宽度为s₁的耦合窗以及分布于50欧姆微带线两侧的长宽分别为l₁、w₁的两段耦合缝隙组成；输出端耦合结构13主要由宽度为s₂的耦合窗以及分布于50欧姆微带线两侧的长宽分别为l₂、w₂的两段耦合缝隙组成。

本发明所采用的两个腔体均为SIW圆形腔体，所有金属化通孔的半径均为r，相邻两通孔间距为d；第一介质层2和第二介质层4均采用的是0.508mm厚度的Rogers RT/dueoid5880(tm)介质基板，其相对介电常数为2.2。

图3(a)-(b)是SIWCC中TE₂₀₁模和TE₁₀₂模的电场分布图。由图可见，TE₂₀₁模以XZ面为对称面，其左右两侧电场方向相反(幅度相同，相位相反)；TE₁₀₂模以YZ面为对称面，其上下两侧电场方向相反(幅度相同，相位相反)。因此，将P1端、P4端分别作为本结构的第一输入端口、第二输入端口，将P2端、P3端分别作为本结构的第一输出端口、第二输出端口。当信号从P1端口输入时，将会在第一圆形谐振腔SIWCC中激励起TE₂₀₁模，而不会激励起TE₁₀₂模，这是由于TE₁₀₂模在P1端口处的电场为0，而且由于TE₂₀₁模的电场在P4端口处也为0，因此没有信号泄漏到P4端口；第一圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模将通过X方向上的直线槽进行能量的耦合，由于上下两个腔体完全一致，所以上下两个腔体的电场分布以及其对应的电场模式的谐振频率均完全一致，从而激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₂₀₁模，其输出两端口的相位相同，幅度相同，从而实现同相输出的功能；类似的，当信号从P4端口输入时，将会激励起TE₁₀₂模，而不会激励起TE₂₀₁模，也没有信号泄漏到P1端口；并且，第一圆形谐振腔SIWCC的TE₁₀₂模将通过Y方向上的直线槽进行能量的耦合，同样的由于上下两个腔体的完全一致性，从而激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₁₀₂模，其输出两端口的相位相反，幅度相同，从而实现反相输出的功能。此外，位于P2、P3处端口的设置使本结构不会激励起某些高次模式(如TE₂₀₂)，这将拓宽本结构的上阻带带宽，提高带外抑制能力。

图4为本发明的拓扑结构图，其中谐振模式1(A)以及谐振模式1(B)分别表示第一圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模和TE₁₀₂模，谐振模式2(A)以及谐振模式2(B)分别表示第二圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模和TE₁₀₂模，第一输入端口S1通过M_s1(A)与第一圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模相耦合，第二输入端口S2通过M_s1(B)与第一圆形谐振腔SIWCC的TE₁₀₂模相耦合，第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模和TE₁₀₂模分别通过M_12(A)与M_12(B)进行耦合；最后，对于等功率同相输出功能，两个输出端口L1、L2分别通过M_2L1(A)和M_2L2(A)与第二圆形谐振腔SIWCC相耦合，对于等功率反相输出功能，两个输出端口L1、L2分别通过M_2L1(B)和M_2L2(B)与第二圆形谐振腔SIWCC相耦合。

图5(a)、(b)、(c)、(d)分别是本发明第一输入端口输入时的频率响应曲线、第一输入端口输入时的两输出端口相位差响应曲线、第二输入端口输入时的频率响应曲线、第二输入端口输入时的两输出端口相位差响应曲线。由图5(a)以及图5(c)可知，本发明所提出的两种功能的工作频率相同，其中心频率为10GHz，带宽为0.1GHz；此外，本发明对主模(TE₁₀₁)的激励较小，在其主模的谐振频率处，其S31以及S41为-60dB，故本发明的下阻带带宽较宽，其在中心频率以下的整个低频频段的带外抑制都比较优异，并且，本发明输出端口位置的设置将无法对TE₂₀₂模进行激励，因此，本发明的上阻带的寄生通带位于17.74GHz，达到了工作中心频率的77.4％。由图5(b)可知，本发明的两输出端口的输出相位相同，两端口输出的幅度相同，符合等功率同相输出的要求。由图5(d)可知，本发明的两输出端口的输出相位相反，两端口输出的幅度相同，拥有产生差分输出的能力，符合等功率反相输出的要求。

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

1.一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于包括第一圆形谐振腔SIWCC、第二圆形谐振腔SIWCC、输入耦合结构、输出耦合结构、第一输入端口、第二输入端口、第一输出端口、第二输出端口以及十字耦合槽；

所述第一圆形谐振腔SIWCC由顶层金属层、中间金属层通过贯穿第一介质层的第一金属化通孔阵列连接构成；

所述第二圆形谐振腔SIWCC由底层金属层、中间金属层通过贯穿第二介质层的第二金属化通孔阵列连接构成；

所述第一、第二输入端口和第一圆形谐振腔SIWCC之间通过输入端耦合结构进行耦合，所述第一、第二输出端口和第二圆形谐振腔SIWCC之间通过输出端耦合结构进行耦合。

2.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于第一圆形谐振腔SIWCC与第二圆形谐振腔SIWCC的半径相同。

3.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于所述第一、第二输入端口与顶层金属层连接，且第一、第二输入端口与顶层金属层连接处均设有输入耦合缝隙；所述第一金属化通孔阵列的位于第一、第二输入端口下方位置设有第一耦合窗；

所述第一、第二输出端口与底层金属层连接，且第一、第二输出端口与底层金属层连接处设有输出耦合缝隙；所述第二金属化通孔阵列的位于第一、第二输出端口上方位置设有第二耦合窗。

4.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于所述输入端耦合结构包括第一耦合窗、输入耦合缝隙；输出端耦合结构包括第二耦合窗、输出耦合缝隙。

5.根据权利要求1或4所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于输入耦合结构和输出耦合结构的尺寸不相同。

6.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于所述中间金属层在四个端口对应位置设置外接矩形金属地，便于微带线馈电。

7.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于所述十字耦合槽包括两正交的第一直线槽和第二直线槽；第一输入端与第一直线槽位于同一直线，第二输入端口与第二直线槽位于同一直线；第一、第二输出端口与第一直线槽和第二直线槽间的夹角均为45°。

8.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于所述输入耦合缝隙包括位于输入端口两侧的第一直线型缝隙；所述输出耦合缝隙包括位于输出端口两侧的第二直线型缝隙。

9.根据权利要求1所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于十字耦合槽可调，用于控制第一谐振腔SIWCC、第二谐振腔SIWCC中TE₁₀₂模以及TE₂₀₁模的耦合度。

10.根据权利要求7所述的一种兼具滤波功能的小型化基片集成波导魔T，其特征在于当信号从第一输入端口输入时，在第一圆形谐振腔SIWCC中激励起TE₂₀₁模，而不会激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₁₀₂模，这是由于TE₁₀₂模在第一输入端口处的电场为0，而且由于TE₂₀₁模的电场在第二输入端口处也为0，因此没有信号泄漏到第二输入端口；第一圆形谐振腔SIWCC的TE₂₀₁模将通过十字耦合槽中与第一输入端口垂直的直线槽进行能量耦合，激励起第二圆形谐振腔SIWCC中的TE₂₀₁模，第一、第二输出端口的相位相同，幅度相同，从而实现同相输出的功能；