CN114927841B - 一种基于互补开口环与siw结构的可重构滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波传感器技术领域一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层以及用于向SIW馈电的50欧姆微带馈线，顶层金属层中心设置有两个方向相反且边靠边并列排列的CSRRs结构，底层金属层中心位置设置有两个并列排列的环形槽，每个环形槽上加载有一个变容二极管；介质层上下两边分别设置有多个金属化过孔，通过金属化过孔连接顶层金属层和底层金属层；本发明滤波器具有较小的体积和优良的性能，并且可以采用电路板印刷技术来进行制作，工艺成熟且价格低廉。

Description

一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器
技术领域
本发明属于微波传感器技术领域，特别涉及一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器。
背景技术
可重构滤波器是用于取代原本射频电路中的滤波器组而被提出的新型滤波器件，可重构滤波器能够通过控制可调谐元件的方式实现对滤波器的工作性能进行重构，以达到对不同频段的信号进行选取的目的，因此能够显著的减小射频电路的面积。相比于传统意义上的滤波器，除了需要满足基本的参数指标，如工作中心频率、相对带宽以及可用的回波损耗和插入损耗外，还要达到调谐速度快、可调范围大且又不影响本身尺寸体积等要求。
当前被广泛应用于可重构滤波器设计的可重构方式大致可以分为机械调谐和电可调谐两类。其中机械调谐的调谐速度较慢，机械调谐元件的控制系统还要再额外的占用大量的空间不利于小型化和集成化，因此应用范围有限。相比于机械调谐的方式，电可调谐的控制方式更加简单体积也更小，便于集成。常见的电可调滤波器的物理结构为微带形式，在微带结构的末端或者耦合处添加相应的电可调元件，这种滤波器的设计较为灵活。但是微带型的可重构滤波器需要面临的一个问题是损耗较大，射频信号在微带结构上传输的过程中会伴有大量的辐射损耗，在经加载有可调谐元件的路径时，器件的损耗又会进一步地削弱信号的强度，而且这种损耗与信号的频率成正相关，通过滤波器的射频信号的频率越高损耗就越大。在SIW结构被提出之后，其兼具腔体滤波器和微带滤波器的优势受到研究人员的广泛关注，因此大量的基于SIW结构的可重构滤波器被设计出来。与腔体滤波器相比基于SIW结构设计的滤波器具有更小的体积，能够加载电可调元件，控制系统简单，与微带结构的可重构滤波器相比，拥有更低的损耗和更大的功率容量。
在当前，腔体加机械调谐元件的可重构方式仍旧具有较大的体积，且控制复杂、调谐速度慢。微带形式的滤波器加电可调谐元件的可重构方式，在处理频率较高的信号的时候，辐射损耗会大大增加，且微带形式的滤波器功率容量较低。相比于以上两种形式的可重构滤波器，基于SIW结构的可重构滤波器，既具有腔体低插损、高功率容量的特点，同时又具有微带形式易加工、体积小的特点。本发明所提出的基于SIW结构的可重构滤波器不同于SIW的传统工作模式，传统的SIW滤波器工作在特定的传输模式下，而SIW的传输模式所在的频段都要大于其截止频率，这与其物理尺寸有着直接的关联。
发明内容
为了使可重构滤波器工作在SIW的截止频率以下，不会受到截止频率所需要的特定物理尺寸的约束，本发明提出一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层以及用于向SIW馈电的50欧姆微带馈线，顶层金属层中心设置有两个方向相反且边靠边并列排列的CSRRs结构，底层金属层中心位置设置有两个并列排列的环形槽，每个环形槽上加载有一个变容二极管；介质层上下两边分别设置有多个金属化过孔，通过金属化过孔连接顶层金属层和底层金属层；在本实施例中，除了设置在中心区域的CSRRs结构和环形槽，在其他部分底层金属层的金属部分的投影完全覆盖顶层金属层的金属部分的投影，如图2所示，本领域技术人员可以根据实际需要设置金属层的具体覆盖面积。
作为一种优选实施方式，环形槽尺寸一般小于CSRRs的尺寸。
进一步的，CSRRs结构由两个大小不同的开口槽环构成，较小的开口环槽内嵌在较大的开口环槽内，且两个开口环槽的开口相反，如图2右侧图所示，两个开口槽中较小的一个内嵌于较大一个的内部，两个CSRRs结构并列设置，并且较大的开口槽的朝向相反，即如图2中所示，上侧CSRRs结构的外侧开口槽的位置在左侧、下侧CSRRs结构的外侧开口槽的位置在右侧。
进一步的，CSRRs结构中两个开口槽的开口距与两个开口槽之间的间距一致。
进一步的，CSRRs结构中两个开口槽的槽宽一致。
进一步的，所述介质层为PCB板。
进一步的，底层金属层中两个环形槽上分别加载的二极管均位于环形槽靠近金属化过孔一侧的中心位置。
进一步的，设置在环形槽的二极管的正极与环形槽内侧连接、负极与环形槽外侧连接。
本发明提出的可重构滤波器具有较小的体积(0.2λg*0.3λg,λg是波导波长)和优良的性能，在结构方面可以采用电路板印刷技术(PCB)来进行制作，工艺成熟且价格低廉。
附图说明
图1为本发明一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器的三维模型示意图；
图2为本发明一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器中顶层金属层和底层金属层的平面示意图；
图3为本发明一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器在不同容值下的S参数图；
图4为本发明一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器的宽频带S参数图；
图5为现有技术中一种可重构带通滤波器结构的S参数测试图；
其中，1、50欧姆微带馈线；2、SIW腔体；3、互补开口环型谐振器；4、环形槽；5、变容二极管；6、金属化过孔。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提出一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层以及用于向SIW馈电的50欧姆微带馈线，顶层金属层中心设置有两个方向相反且边靠边并列排列的CSRRs结构，底层金属层中心位置设置有两个并列排列的环形槽，每个环形槽上加载有一个变容二极管；介质层上下两边分别设置有多个金属化过孔，通过金属化过孔连接顶层金属层和底层金属层。
本发明所提出的基于SIW结构的可重构滤波器不同于SIW的传统工作模式，传统的SIW滤波器工作在特定的传输模式下，而SIW的传输模式所在的频段都要大于其截止频率，这与其物理尺寸有着直接的关联。本发明所设计出的可重构滤波器工作在SIW的截止频率以下，因此不会受到截止频率所需要的特定物理尺寸的约束，相比传统工作方式能够做到体积更小。如图1～2，本发明结构包括50欧姆微带馈线1、SIW腔体2、CSRRs结构3、环形槽4和变容二极管5，其整体结构以SIW为基础，通过连接在上表面中心处的50欧姆微带馈线向SIW馈电；在上表面的横向中轴线的两侧刻蚀两个边靠边放置的CSRRs结构，在受到垂直电场激励时CSRRs会表现出电偶极子的性质，根据消逝模传输理论，在SIW中会在截止频率以下产生一个前向波通带，因此能够达到滤波的效果。下表面刻蚀的环形槽会改变腔体内的场分布，从而使得滤波器的通带频率发生改变，调谐加载在环形槽上的变容二极管两端的电压大小，能够改变环形槽中间金属片与下表面金属层的耦合系数，通过这种方式能够达到对滤波器通带频率的重构。
可重构滤波器是射频电路中用于取代滤波器组的可重构器件，能够通过对可调谐元件进行控制来改变滤波器的工作特性。作为一种可选实施方式，本实施例采用的滤波器构造方式是在SIW结构的上表面刻蚀一对边靠边排列的CSRRs，在下表面刻蚀一个环形槽，并在环形槽上加载变容二极管,通过二极管调节滤波器的工作频率。射频信号通过50欧姆的微带馈线输入到SIW，刻蚀在SIW上下表面的槽型结构使滤波器产生了前向波通带。在商用电磁仿真软件High Frequency Structure Simulator(HFSS)中进行电磁仿真，在变容管容值为1pF时，滤波器的通带中心频率为5.57GHz，插入损耗为0.26dB，带宽为390MHz，在带外抑制优于15dB时阻带宽度达到2.3f0(f0是通带的中心频率)。在变容二极管容值变换范围为0.2pF-1pF时，可重构滤波器的中心频率变化范围为5.57-5.93GHz，在进行频率调谐的过程中，滤波器的插入损耗始终低于0.35dB，通带宽度为420±40MHz，同时带外抑制能够达到2.3f0(f0是通带的中心频率)。本发明提出的可重构滤波器具有较小的体积(0.2λg*0.3λg,λg是波导波长)和优良的性能，在结构方面可以采用电路板印刷技术(PCB)来进行制作，工艺成熟且价格低廉。
本发明在电子科技大学学者Yuan Dan Dong发表的文章“Substrate IntegratedWaveguide Loaded by Complementary Split-Ring Resonators and Its Applicationsto Miniaturized Waveguide Filters”的滤波器的基础上进行改进，添加了可重构结构，相比于参考文章中的结构，本发明具有通带频率可重构的能力。在相近频段与Tae-Hak Lee发表的文章“Frequency-Tunable Tri-Function Filter”的可重构滤波器仿真结果相比，带宽更宽，插损更低，带外抑制更优秀，体积更小。
作为一种可选实施方式，本实施例中给出滤波器的具体尺寸，可重构滤波器采用Rogers RT/Duroid 5880基板，基板厚度为0.508mm，在本实施例中，选择顶层金属的大小为12.4mm×16mm，上下两边过孔的圆心之间的距离为12mm，50欧姆微带馈线的宽度设置为1.52mm。另外，本申请结构中要求底层金属层完全覆盖顶层金属层，包括顶层金属层的输入输出微带线部分，并且保证底层金属层的环形槽中心与顶层金属层CSRRs的中心对应，并且顶层金属层和底层金属层的金属化过孔位置一致。作为一种可选择的实施方式，在本实施例中不含输入输出微带线部分顶层金属层的尺寸为8.4mm×16mm，上下两排金属过孔的中心间距w1＝12mm，圆形金属过孔的直径D为0.6mm，两圆柱中心之间的间距b为1mm，需要满足b/D小于3，D小于十分之一工作波长。
本发明提出的可重构滤波器工作在SIW的截止频段，通过在SIW的上表面的金属铜皮上刻蚀互补开口环型谐振器(complementary split-ring resonators，CSRRs)，根据消逝模传输理论，CSRRs在受到特定频率的垂直电场激励时在该频段范围内会在波导中产生前向波。通过这种方式制作的滤波器不会受波导的截止频率影响，因此能够将滤波器的体积控制的很小。本发明在上表面铜皮刻蚀CSRRs的基础上，又在底层的金属铜皮上刻蚀方形的环形槽形成缺陷地结构(DGS)，并在方形槽上加载变容二极管，通过电压控制变容二极管的容值大小，可以调节方形环形槽内部的金属片与底面金属层的耦合强度，以达到对滤波器的通带进行频率调谐的目的。
如图5为现有技术，即Tae-Hak Lee发表的文章“Frequency-Tunable Tri-Function Filter”的可重构滤波器的S参数图，从图5可以看出Tae-Hak Lee所提出的可重构滤波器的插损较大；本发明在变容二极管容值变化范围为0.2-1pF时，如图3给出本发明滤波器在容值为0.2pF、0.4pF、1.0pF的S参数曲线，从图中可以看出可重构滤波器的中心频率变化范围为5.57-5.93GHz，插入损耗低于0.35dB，从图4本发明滤波器的宽频带S参数图可以看出，在频率调谐范围内带宽维持在420±40MHz，带外抑制范围大，达到2.3f0(f0是通带的中心频率)，抑制效果优于15dB。因此本发明同时具有腔体滤波器损耗低和微带滤波器体积小设计灵活的多重优点，相比于Tae-Hak Lee所提出的结构，本发明的结构更加简单，可重构的调谐方式也更容易。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“同轴”、“底部”、“一端”、“顶部”、“中部”、“另一端”、“上”、“一侧”、“顶部”、“内”、“外”、“前部”、“中央”、“两端”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。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置”、“连接”、“固定”、“旋转”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；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或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，包括介质层、位于介质层上表面的顶层金属层、位于介质层下表面的底层金属层以及用于向SIW馈电的50欧姆微带馈线，其特征在于，顶层金属层中心设置有两个方向相反且边靠边并列排列的CSRR结构，底层金属层中心位置设置有两个并列排列的环形槽，底层金属层完全覆盖顶层金属层，包括顶层金属层的输入输出微带线部分，并且保证底层金属层的环形槽中心与顶层金属层 CSRR 的中心对应，每个环形槽上加载有一个变容二极管；介质层上下两边分别设置有多个金属化过孔，通过金属化过孔连接顶层金属层和底层金属层。
2.根据权利要求1所述的一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，其特征在于，底层金属层中两个环形槽上分别加载的二极管均位于环形槽靠近金属化过孔一侧的中心位置。
3.根据权利要求2所述的一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，其特征在于，设置在环形槽的二极管的正极与环形槽内侧连接、负极与环形槽外侧连接。
4.根据权利要求1所述的一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，其特征在于，CSRR结构由两个大小不同的开口环槽构成，较小的开口环槽内嵌在较大的开口环槽内，且两个开口环槽的开口相反。
5.根据权利要求4所述的一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，其特征在于， CSRR结构中两个开口环槽的开口距与两个开口环槽之间的间距一致。
6.根据权利要求4所述的一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，其特征在于，CSRR结构中两个开口环槽的槽宽一致。
7.根据权利要求1所述的一种基于互补开口环与SIW结构的可重构滤波器，其特征在于，所述介质层为PCB板。
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