CN114597616B - 一种具有高共模抑制的siw平衡滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，包括：三层介质基板、SIW定向耦合器和微带‑探针馈电结构。本发明采用基片集成波导的固有特性进行设计平衡定向耦合器，同时结合微带‑探针结构实现了良好的共模抑制效果，能在较高频段实现共模抑制；(2)根据传输线模型，设计了锥形SIW定向耦合器，通过改变锥形结构的高度以及耦合窗的大小，可以自由地调节耦合强弱；(3)改进了馈电端口的设计，在SIW平衡定向耦合器的馈电端口处引入的两个感应通孔，通过调整感应通孔距探针的位置，以获得良好的阻抗匹配性能；(4)采用微带‑探针结构馈电方式，馈电结构简单，易设计。这样的馈电结构实现了平面集成和更好的阻抗匹配。

Description

一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器
技术领域
本发明涉及领域，尤其是一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器。
背景技术
在现代无线通信系统中，由于通信系统对内部器件的小型化和集成度要求越来越高，导致了系统的复杂度明显上升，使得器件之间的间距越来越小，各个器件之间的信号串扰现象变得十分严重。同时耦合外部环境带来的干扰，会在很大程度上影响通信系统的性能，平衡器件可以有效抑制环境噪声和系统内部的噪声。
平衡定向耦合器具有分配差分信号的幅度和相位功能，是通信系统设备中必不可少的器件。目前利用基于微带的枝节线和耦合线结构设计的平衡耦合器只能用在比较低的频段，工作在高频时辐射损耗很大。此外，还有学者利用高强度的硅纳米管设计了定向耦合器，为了提高共模抑制的效果，还加入了人工表面激元，但这样设计的整体结构复杂。
基片集成波导(SIW)由于具有较高的品质因数Q、易于集成、在微波高频段辐射损耗低等优点，是微波和毫米波电路的理想选择。SIW是一项可以将无源波导组件以高质量，易于制造并以低成本的方式集成到平面电路中的技术。此外，基片集成波导可以被认为是一个自然的平衡结构。当沿基片集成波导的水平对称差分激励时，CM噪声能够从本质上得到抑制。将SIW与平衡定向耦合器结合，得到一种高共模抑制的SIW平衡定向耦合器，结构简单，能在微波高频段正常工作。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，有效地简化了平衡定向耦合器的设计，提高了共模抑制的性能，满足了差分通信系统的实际需求。
为解决上述技术问题，本发明提供一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，包括：三层介质基板、SIW定向耦合器和微带-探针馈电结构；
三层介质基板包括从上至下依次同轴叠置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板；
在第二介质基板上布设有“X”型的金属通孔阵列和八个金属感应通孔，“X”型的金属通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成SIW定向耦合器，八个金属感应通孔中每两个分别布设在SIW耦合器的四个端口处，上金属层为印刷在第一介质基板和第二介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在第二介质基板和第三介质基板之间的共用金属面；
八个微带-探针馈电结构包括四个上微带馈电平衡端口、四个下微带馈电平衡端口和四根金属探针；四个上微带馈电平衡端口印刷在第一介质基板的上表面、四个下微带馈电平衡端口印刷在第三介质基板的下表面；每个上微带馈电平衡端口均通过一根金属探针与正下方的微带馈电平衡端口相连接，形成一个差分馈电端口；其中，四根金属探针均竖直贯穿三层介质基板和两层金属层，且均穿过SIW定向耦合器。
优选的，第一介质基板和第三介质基板均为大小相等的类“H”型基板，第二介质基板为方形板，第一介质基板和第三介质基板的放置水平方向上相互垂直。
优选的，上金属层和下金属层的形状大小与第一介质基板和第三介质基板的形状大小相同，上金属层与第一介质基板的放置方式相同，下金属层与第三介质基板的放置方式相同。
优选的，第二介质基板中的“X”型的金属通孔阵列形成的SIW定向耦合器在中心部分是两侧对称分布的十个等间距的镀铜通孔，十个等间距的镀铜通孔的直径d＝0.8mm，镀铜通孔的间距p＝1.2mm。
优选的，SIW定向耦合器中心部分的上下侧壁进行弯曲，形成锥形渐进结构。锥形结构的设计有利于拓展带宽，通过改变锥形结构的高度以及耦合窗的大小，可以自由的调节耦合的强弱。
优选的，SIW定向耦合器中心部分的上下侧壁用长度Ltap和高度htap进行弯曲，长度Ltap＝7.8mm,高度htap＝1.65mm；耦合窗的宽度Lc＝13.8mm。
优选的，SIW定向耦合器中心部分的左右侧壁用长度x3和y3进行弯曲，长度x3＝5.0mm，高度y3＝6.4mm。
优选的，探针馈电的四个端口处分别增加了两个感应通孔，感应通孔离馈电位置为xv＝4.6mm，yv＝1.5mm。
优选的，三层介质基板均采用R05880型号，相对介电常数为2.2，上下两层介质基板厚度为0.5mm，中间层为1mm。
本发明的有益效果为：(1)采用基片集成波导的固有特性进行设计平衡定向耦合器，同时结合微带-探针结构实现了良好的共模抑制效果，由于采用了基片集成波导，故而能够避免现有平衡定向耦合器中辐射损耗高、功率处理能力低、品质因数Qe低等问题，从而能在较高频段实现共模抑制；(2)根据传输线模型，设计了锥形SIW定向耦合器，锥形结构有利于拓展3-dB耦合带宽，通过改变锥形结构的高度以及耦合窗的大小，可以自由地调节耦合强弱；(3)改进了馈电端口的设计，在SIW平衡定向耦合器的馈电端口处引入的两个感应通孔，通过调整感应通孔距探针的位置，以获得良好的阻抗匹配性能；(4)采用微带-探针结构馈电方式，馈电结构简单，易设计，这样的馈电结构实现了平面集成和更好的阻抗匹配。
附图说明
图1为本发明一种单层基片集成波导的高共模抑制平衡定向耦合器的三维结构图。
图2为本发明一种单层基片集成波导的高共模抑制平衡定向耦合器的俯视图。
图3(a)为本发明的锥形窄壁基片集成波导定向耦合器的结构示意图。
图3(b)为本发明在耦合区域有无锥形过渡配置的频率响应图。
图4(a)为本发明在15GHz下差模信号激励下的电场分布示意图。
图4(b)为本发明在15GHz下共模信号激励下的电场分布示意图。
图5(a)为本发明的差模散射参数仿真和实测结果图。
图5(b)为本发明的共模散射参数仿真和实测结果图。
其中，10、第一介质基板；11、上表面馈电微带线；20、上金属层；30、第二介质基板；31、“X”型通孔阵列；32、感应通孔；33、耦合区域锥形过渡结构；34、耦合区域窗口宽度；40、下金属层；50、第三介质基板；51、下表面馈电微带线；61、与上下表面微带线连接且贯穿SIW定向耦合器的馈电探针。
具体实施方式
如图1所示，一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，包括：三层介质基板、SIW定向耦合器和微带-探针结构。
三层介质基板均优选采用R05880型号，相对介电常数为2.2，上下两层介质基板厚度为0.5mm，中间层为1mm。三层介质基板从上至下依次为第一介质基板10、第二介质基板30和第三介质基板50。作为替换，上述第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板也可以采用其他规格的微波板。第二介质基板为方形板，第一介质基板和第三介质基板均为大小相等的类“H”型基板，并形成叠置。第一介质基板和第三介质基板的放置水平方向上相互垂直。
第二介质基板的上表面印刷有上金属层20，第二介质基板的下表面印刷有下金属层40。上金属层的放置方向与第一介质基板放置方向相同，下金属层的放置方向与第三介质基板放置方向相同。第二介质基板中设置有“X”型通孔31和八个位于馈电端口的感应通孔32。其中，“X”型通孔阵列与上金属层和下金属层共同构成SIW定向耦合器。第二介质基板中的“X”型的金属通孔阵列形成的SIW定向耦合器在中心部分是两侧对称分布的十个等间距的镀铜通孔，用来实现定向耦合器各个端口之间的耦合。
微带-探针馈电结构包括上微带馈电平衡端口11、下微带馈电平衡端口51和探针61；上微带馈电平衡端口印刷在第一介质基板的叠置端的上表面，下微带馈电平衡端口印刷在第三介质基板的叠置端的下表面；上微带馈电平衡端口和下微带馈电平衡端通过探针相连接；探针竖直贯穿三层介质基板，且穿过SIW定向耦合器。上表面微带馈线与下表面微带馈电以馈电探针为中心，水平方向上相互垂直90°。这样设计的原因是为了测试时，便于焊接SMA头。
如图2所示，探针馈电的四个端口处分别增加了两个感应通孔32，感应通孔离馈电位置xv＝4.6mm，yv＝1.5mm。本实施例中，十个等间距的镀铜通孔的直径d＝0.8mm，镀铜通孔的间距p＝1.2mm。
耦合器中心部分的上下侧壁进行弯曲，形成锥形渐进结构，锥形结构33的设计有利于拓展带宽。通过改变锥形结构的高度以及耦合窗34的大小，可以自由的调节耦合的强弱。
耦合器中心部分的上下侧壁用长度Ltap和高度htap进行弯曲，长度Ltap＝7.8mm,高度htap＝1.65mm；耦合窗的宽度34Lc＝13.8mm。耦合中心部分的左右侧壁用长度x3和y3进行弯曲，长度x3＝5.0mm,高度y3＝6.4mm。
图3(a)和图3(b)给出了有无锥形窄壁结构时定向耦合器的频率响应。可以看出当加载有锥形过渡结构的SIW定向耦合器在14-16GHz获得了20dB以上的回波损耗，耦合端与传输端输出电场幅度几乎相等，相位差严格保持90°，性能优于传统的定向耦合器。
图4(a)和图4(b)分别显示了在15GHz的工作频率下，差模信号和共模信号激励起的电场分布。可以看出在差模信号下，电场能被成功激励，定向耦合器能正常工作；在共模信号下，电场无法激励，实现了共模信号的本征抑制。
图5(a)和图5(b)给出了定向耦合器的仿真和测试图。实测的最小插入损耗为1.8dB，差模信号的回波损耗优于14dB。在14-16GHz时，耦合传输不平衡在±0.8dB，相位差在90±8°以内。所有输出端口(Scc21、Scc31、Scc41)的共模抑制高于35dB。
由上可知，本发明将基片集成波导技术引入平衡定向耦合器的设计中，当沿基片集成波导对称H面差分激励时，共模信号能够从根本上被抑制，大大简化了平衡的设计方法。本发明在耦合区域设计了锥形渐进结构，拓宽了3dB的耦合带宽。此外，通过调节锥形结构的高度，可以自由的调节耦合的强度。本发明在SIW平衡定向耦合器的馈电端口处引入了感应通孔，通过调节感应通孔的距离，以获得良好的阻抗匹配。

Claims (8)

1.一种具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，包括：三层介质基板、SIW定向耦合器和微带-探针馈电结构；
三层介质基板包括从上至下依次同轴叠置的第一介质基板、第二介质基板和第三介质基板；
在第二介质基板上布设有“X”型的金属通孔阵列和八个金属感应通孔，“X”型的金属通孔阵列与上金属层和下金属层围合形成SIW定向耦合器，八个金属感应通孔中每两个分别布设在SIW定向耦合器的四个端口处，上金属层为印刷在第一介质基板和第二介质基板之间的共用金属面，下金属层为印刷在第二介质基板和第三介质基板之间的共用金属面；第二介质基板中的“X”型的金属通孔阵列形成的SIW定向耦合器在中心部分是上下两侧对称分布的十个等间距的镀铜通孔，十个等间距的镀铜通孔的直径d＝0.8mm，镀铜通孔的间距p＝1.2mm；
八个微带-探针馈电结构包括四个上微带馈电平衡端口、四个下微带馈电平衡端口和四根金属探针；四个上微带馈电平衡端口印刷在第一介质基板的上表面、四个下微带馈电平衡端口印刷在第三介质基板的下表面；每个上微带馈电平衡端口均通过一根金属探针与正下方的微带馈电平衡端口相连接，形成一个差分馈电端口；其中，四根金属探针均竖直贯穿三层介质基板和两层金属层，且均穿过SIW定向耦合器。
2.如权利要求1所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，第一介质基板和第三介质基板均为大小相等的类“H”型基板，第二介质基板为方形板，第一介质基板和第三介质基板的放置水平方向上相互垂直。
3.如权利要求1所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，上金属层和下金属层的形状大小与第一介质基板和第三介质基板的形状大小相同，上金属层与第一介质基板的放置方式相同，下金属层与第三介质基板的放置方式相同。
4.如权利要求1所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，SIW定向耦合器中心部分的上下侧壁进行弯曲，形成锥形渐进结构。
5.如权利要求4所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，SIW定向耦合器中心部分的上下侧壁用长度Ltap和高度htap进行弯曲，长度Ltap＝7.8mm,高度htap＝1.65mm；耦合窗的宽度Lc＝13.8mm。
6.如权利要求4所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，SIW定向耦合器中心部分的左右侧壁用长度x3和y3进行弯曲，长度x3＝5.0mm，高度y3＝6.4mm。
7.如权利要求1所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，探针馈电的四个端口处分别增加了两个感应通孔，感应通孔离馈电位置为xv＝4.6mm，yv＝1.5mm。
8.如权利要求1所述的具有高共模抑制的SIW平衡滤波器，其特征在于，三层介质基板均采用R05880型号，相对介电常数为2.2，上下两层介质基板厚度为0.5mm，中间层为1mm。
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