CN114389002B - 加载互补阶梯折叠开口环的siw滤波功分器及设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及滤波功分器设计技术领域，具体而言，加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器及设计方法，包括介质基板、上表面金属层、下表面金属层以及连接上下表面金属层的金属化通孔阵列；介质基板上表面金属层设置有第一自谐振结构、一对对称设置的第二自谐振结构、输入输出微带线，第一自谐振结构及第二自谐振结构通过设置在二者之间的第一耦合槽线耦合，第一自谐振结构由一对交叉耦合的第一开口环构成，对称设置的第二自谐振结构均由一个第二开口环构成，且对称设置的第二自谐振结构之间设置有隔离电阻。本发明提出的SIW滤波功分器，在保持选择性和隔离度的优势下，拥有低插损、宽通带且高集成度的特性，可同时兼顾小型化和带宽扩展。
Description
技术领域
本发明涉及滤波功分器设计技术领域，具体而言，加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器及设计方法。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术作为一种新型导波结构，它既保持了传统金属波导的高Q值、低损耗、高功率容量等优点，又易于与微带线、共面波导等各种平面结构相集成。随着印刷电路板等电路加工工艺的发展，SIW剖面低、尺寸小、易加工等传统矩形金属波导不具备的优势更加凸显。因此，SIW已广泛地运用于微波毫米波电路系统及微波元器件的设计。
随着现代无线通信的快速发展，微波系统中对低成本、高集成度器件的需求也日益增长。因此，小型化多功能微波器件已成为研究的热点。例如，公开号为CN113644394A的中国发明公开了以下技术方案：一种基片集成波导双通带功分滤波器，包括介质基板、接线板和接地板，接线板、介质基板和接地板形成的多层结构设有第一通孔和多个第二通孔，多个第二通孔围绕第一通孔设置以形成谐振腔；接地板设有互补开口谐振环；第一通孔和第二通孔使TE101谐振模式向TE102谐振模式偏移以形成第一通带，互补开口谐振环形成第二通带。虽有良好的频率选择性和滤波响应，以及实现了小型化，但其带宽较窄，无法保证宽带需求。
基于此，本发明提供一种可同时兼顾小型化和带宽扩展的SIW滤波功分器，以解决上述问题。
发明内容
本发明的目的在于提供加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器及设计方法，旨在解决背景技术中所指出的现有滤波功分器无法同时兼顾小型化和带宽扩展的问题。
本发明的实施例通过以下技术方案实现：加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，包括介质基板、上表面金属层、下表面金属层以及连接上下表面金属层的金属化通孔阵列；
介质基板上表面金属层设置有第一自谐振结构、一对对称设置的第二自谐振结构、输入微带线、第一输出微带线和第二输出微带线，所述第一自谐振结构及第二自谐振结构通过设置在二者之间的第一耦合槽线耦合，所述输入微带线与第一自谐振结构连接，对称设置的第二自谐振结构分别与第一输出微带线和第二输出微带线连接，所述第一自谐振结构由一对交叉耦合的第一开口环构成，对称设置的第二自谐振结构均由一个第二开口环构成，且二者之间设置有隔离电阻。
根据一种优选实施方式，所述一对交叉耦合的第一开口环通过关于输入微带线垂直设置的第二耦合槽线交叉耦合，且一对交叉耦合的第一开口环关于第二耦合槽线的中心点中心对称，用于产生双模谐振通带。
根据一种优选实施方式，所述隔离电阻包括隔离电阻R1以及隔离电阻R2。
根据一种优选实施方式，所述隔离电阻R1阻值为500Ω，隔离电阻R2阻值为4700Ω。
根据一种优选实施方式，所述第一开口环的开口向内折叠，且外围环槽线宽小于向内折叠部分的环槽线宽，称为交叉耦合互补阶梯折叠开口环；
所述第二开口环的开口向内折叠，且外围环槽线宽小于向内折叠部分的环槽线宽，称为互补阶梯折叠开口环。
根据一种优选实施方式，所述第一开口环外围环槽线宽为0.4mm，向内折叠部分的环槽线宽为0.65mm；
所述第二开口环外围环槽线宽为0.4mm，向内折叠部分的环槽线宽为0.8mm。
根据一种优选实施方式，所述第二耦合槽线宽为0.4mm，线长为1.6mm。
根据一种优选实施方式，所述第一耦合槽线的长度约为上表面金属层宽度的四分之三。
本发明还提供上述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器的设计方法，包括：
步骤1、确定滤波功分器的包括工作频率范围和通带带宽在内的设计要求；
步骤2、根据设计要求加载具有较小电尺寸的互补阶梯折叠开口环，并确定交叉耦合互补阶梯折叠开口环以及互补阶梯折叠开口环的线宽；
步骤3、根据耦合程度要求确定第一耦合槽线的长度，第二耦合槽线宽及线长，以及根据隔离度要求确定隔离电阻个数及阻值；
步骤4、根据上述步骤1至3中的滤波功分器参数，利用电磁仿真软件进行仿真建模，并对其参数进行优化，当前仿真输出结果满足设计要求、耦合程度要求及隔离度要求时，完成滤波功分器的设计。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提出的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器与传统形式的基片集成波导功分滤波器相比，在保持选择性和隔离度的优势下，拥有低插损、宽通带且高集成度的特性，可同时兼顾小型化和带宽扩展，解决传统的SIW功分器设计无法兼顾小型化和带宽扩展的问题。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的SIW滤波功分器上表面的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的SIW滤波功分器下表面的结构示意图；
图3为本发明实施例1提供的SIW滤波功分器的交叉耦合互补阶梯折叠开口环的结构示意图；
图4为本发明实施例1提供的SIW滤波功分器的互补阶梯折叠开口环的结构示意图；
图5和图6为本发明实施例1提供的S参数与频率的仿真曲线；
图7为本发明实施例1提供的幅度抖动与频率的仿真曲线；
图标：1-上表面金属层，2-金属化通孔阵列，3-交叉耦合互补阶梯折叠开口环，4-互补阶梯折叠开口环，5-第一耦合槽线，6-隔离电阻R1，7-隔离电阻R2，8-输入微带线，9-第一输出微带线，10-第二输出微带线，11-第二耦合槽线。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
实施例1
经申请人研究发现，随着现代无线通信的快速发展，微波系统中对低成本、高集成度器件的需求也日益增长。因此，小型化多功能微波器件已成为研究的热点。例如，公开号为CN113644394A的中国发明公开了以下技术方案：一种基片集成波导双通带功分滤波器，包括介质基板、接线板和接地板，接线板、介质基板和接地板形成的多层结构设有第一通孔和多个第二通孔，多个第二通孔围绕第一通孔设置以形成谐振腔；接地板设有互补开口谐振环；第一通孔和第二通孔使TE101谐振模式向TE102谐振模式偏移以形成第一通带，互补开口谐振环形成第二通带。虽有良好的频率选择性和滤波响应，以及实现了小型化，但其带宽较窄，无法保证宽带需求。
基于此，本发明实施例提供一种可同时兼顾小型化和带宽扩展的SIW滤波功分器，其通过加载具有电小尺寸的互补阶梯折叠开口环，产生倏逝模谐振来形成位于截止频率以下的通带；另外结合SIW和威尔金森(Wilkinson)功率合成/分配思想，在实现良好功率分配性能的同时，满足微波器件小型化的需求，以解决背景技术中所指出的问题。
所采用的技术方案如下：
加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，参考图1和图2，包括矩形介质基板、上表面金属层1、下表面金属层以及连接上下表面金属层的金属化通孔阵列2，整体结构是由一个基片集成波导来实现。在本实施例的一种实施方式中，上述设计的参数如下：矩形介质基板采用FR-4材料，相对介电常数为4.4，介质损耗角正切为0.02，厚度为1.016mm，上下表面金属层均为铜，厚度均为0.035mm。此外，矩形介质基板纵向两侧为微带直接过渡结构，将矩形加载区域与输入、输出端的50Ω微带线连接。
进一步地，参考图3和图4，介质基板上表面金属层1设置有第一自谐振结构、一对对称设置的第二自谐振结构、输入微带线8、第一输出微带线9和第二输出微带线10；其中，所述第一自谐振结构及第二自谐振结构通过设置在二者之间的第一耦合槽线5耦合，本实施例中所述第一耦合槽线5的长度约为上表面金属层1宽度的四分之三，整体结构是由一个基片集成波导和一对半模基片集成波导来实现；此外，所述输入微带线8与第一自谐振结构连接，对称设置的第二自谐振结构分别与第一输出微带线9和第二输出微带线10连接，由此所述第一自谐振结构及第二自谐振结构构成本实施例SIW滤波功分器的功率分配/合成功能部分，可实现有效的功率分配/合成功能。
需要说明的是，本实施例通过加载具有电小尺寸的互补阶梯折叠开口环4，产生倏逝模谐振来形成位于截止频率以下的通带，满足宽带的需求；具体地说：所述第一自谐振结构由一对交叉耦合的第一开口环构成，所述第一开口环的开口向内折叠，且外围环槽线宽小于向内折叠部分的环槽线宽，称为交叉耦合互补阶梯折叠开口环3，在本实施例的一种实施方式中，所述第一开口环外围环槽线宽w1为0.4mm，向内折叠部分的环槽线宽w2为0.65mm，需要说明的是，交叉耦合互补阶梯折叠开口环3采用阶梯阻抗的形式，能够起到良好的小型化作用；此外，比起传统互补开口谐振环产生的滤波效果，本发明实施例提供的上述结构能有效降低工作频率。
所述一对交叉耦合互补阶梯折叠开口环3通过关于输入微带线8垂直设置的第二耦合槽线11交叉耦合，且一对交叉耦合互补阶梯折叠开口环3关于第二耦合槽线11的中心对称。在互补阶梯折叠开口环4的基础上，用交叉耦合的槽线将两个互补阶梯折叠开口环4连接起来，相较于传统双模通带，本发明提供的上述结构，能够在低频阻带侧产生一个全新的零点，使选择性得到大大提升。其中，所述第二耦合槽线11宽wc为0.4mm，线长1c为1.6mm，以此满足耦合程度设计要求；综上，通过上述设计以产生具有低频阻带侧零点的双模谐振通带，以此实现低损耗的功率分配/合成功能，并最终实现良好的小型化性能和选择性。
进一步地，对称设置的第二自谐振结构均由一个第二开口环构成，且二者之间设置有隔离电阻，所述第二开口环的开口向内折叠，且外围环槽线宽小于向内折叠部分的环槽线宽，称为互补阶梯折叠开口环4，在本实施例的一种实施方式中，所述第二开口环外围环槽线宽w3为0.4mm，向内折叠部分的环槽线宽w4为0.8mm，与交叉耦合互补阶梯折叠开口环3线宽的设计同理，皆为采用阶梯阻抗的形式，起到一定程度的小型化作用，在此不再赘述；此外，所述隔离电阻包括隔离电阻R1以及隔离电阻R2，所述隔离电阻R1阻值为500Ω，隔离电阻R2阻值为4700Ω，通过将两个输出端口之间的能量进行吸收，实现两端口之间的有效隔离。
为了验证加载互补阶梯折叠开口环4的SIW滤波功分器性能，本实施例对所提出的SIW滤波功分器结构进行了仿真模拟和实验测量，仿真和测量结果参考图5至图7所示。由图中可以看出，看出互补阶梯折叠开口环4加载型SIW滤波功分器的工作频率范围约为3.3～3.9GHz，通带带宽为600MHz。
在通带范围内，带内插损小于3.7dB，回波损耗优于13.6dB；通带内隔离度大于20dB(|S23|或|S32|<-20dB)，选择性优于45dB(通带两侧零点分别低于60dB和45dB)。
另外，通带内幅度抖动约为-0.4～0.5dB，相位抖动约为1～3°。
综上所述，比起传统形式的基片集成波导功分滤波器，互补阶梯折叠开口环加载型衬底集成波导滤波功分器在保持选择性和隔离度的优势下，拥有低插损、宽通带且高集成度的特性。
本实施例还提供如上述所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器的设计方法，包括：
步骤1、确定滤波功分器的包括工作频率范围和通带带宽在内的设计要求；
步骤2、根据设计要求加载具有电小尺寸的互补阶梯折叠开口环，并确定交叉耦合互补阶梯折叠开口环以及互补阶梯折叠开口环的线宽；
步骤3、根据耦合程度要求确定第一耦合槽线的长度，第二耦合槽线宽及线长，以及根据隔离度要求确定隔离电阻个数及阻值；
步骤5、根据上述步骤1至3中的滤波功分器参数，利用电磁仿真软件进行仿真建模，并对其参数进行优化，同时还进行了加工制备和实验测量，当前仿真和测量结果满足设计要求、耦合程度要求及隔离度要求时，完成滤波功分器的设计与实现。
综上所述，本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提出的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器与传统形式的基片集成波导功分滤波器相比，在保持选择性和隔离度的优势下，拥有低插损、宽通带且高集成度的特性，可同时兼顾小型化和带宽扩展，解决传统的SIW功分器设计无法兼顾小型化和带宽扩展的问题。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，包括介质基板、上表面金属层(1)、下表面金属层以及连接上下表面金属层的金属化通孔阵列(2)；
介质基板上表面金属层(1)设置有第一自谐振结构、一对对称设置的第二自谐振结构、输入微带线(8)、第一输出微带线(9)和第二输出微带线(10)，所述第一自谐振结构及第二自谐振结构通过设置在二者之间的第一耦合槽线(5)耦合，所述输入微带线(8)与第一自谐振结构连接，对称设置的第二自谐振结构分别与第一输出微带线(9)和第二输出微带线(10)连接，所述第一自谐振结构由一对交叉耦合的第一开口环构成，对称设置的第二自谐振结构均由一个第二开口环构成，且对称设置的第二自谐振结构之间设置有隔离电阻；所述一对交叉耦合的第一开口环关于输入微带线(8)对称，且二者通过第二耦合槽线(11)交叉耦合，且一对交叉耦合的第一开口环关于第二耦合槽线(11)的中心点中心对称，用于产生双模谐振通带。
2.如权利要求1所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，所述隔离电阻包括第一隔离电阻R1(6)以及第二隔离电阻R2(7)。
3.如权利要求2所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，所述第一隔离电阻R1(6)阻值为500Ω，第二隔离电阻R2(7)阻值为4700Ω。
4.如权利要求1所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，所述第一开口环的开口向内折叠，且外围环槽线宽小于向内折叠部分的环槽线宽，称为交叉耦合互补阶梯折叠开口环(3)；
所述第二开口环的开口向内折叠，且外围环槽线宽小于向内折叠部分的环槽线宽，称为互补阶梯折叠开口环(4)。
5.如权利要求4所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，所述第一开口环外围环槽线宽为0.4mm，向内折叠部分的环槽线宽为0.65mm；
所述第二开口环外围环槽线宽为0.4mm，向内折叠部分的环槽线宽为0.8mm。
6.如权利要求5所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，所述第二耦合槽线(11)宽为0.4mm，线长为1.6mm。
7.如权利要求1所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器，其特征在于，所述第一耦合槽线(5)的长度约为上表面金属层(1)宽度的四分之三。
8.如权利要求1至7任一项所述的加载互补阶梯折叠开口环的SIW滤波功分器的设计方法，其特征在于，包括：
步骤1、确定滤波功分器的包括工作频率范围和通带带宽在内的设计要求；
步骤2、根据设计要求加载具有较小电尺寸的交叉耦合互补阶梯折叠开口环以及互补阶梯折叠开口环，并确定交叉耦合互补阶梯折叠开口环以及互补阶梯折叠开口环的线宽；
步骤3、根据耦合程度要求确定第一耦合槽线的长度，第二耦合槽线宽及线长，以及根据隔离度要求确定隔离电阻个数及阻值；
步骤4、根据上述步骤1至3中的滤波功分器参数，利用电磁仿真软件进行仿真建模，并对其参数进行优化，当前仿真输出结果满足设计要求、耦合程度要求及隔离度要求时，完成滤波功分器的设计。
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2022
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