CN115275547A - 一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器 - Google Patents
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Abstract
一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，包括由上至下依次设置的上金属层、介质基板以及下金属层；介质基板上竖直贯穿开设有金属化通孔阵列，通过金属化通孔阵列形成直线型排列的多个谐振腔，每个谐振腔的中心均设置有一个微扰金属化通孔，相邻两个谐振腔之间通过感性耦合槽相互耦合，金属化通孔阵列以及微扰金属化通孔均与上金属层以及下金属层相连通；上金属层对应每个谐振腔中心的位置设置有环形槽，环形槽上均设置有可调变容管组；下金属层上设置有输入输出馈电端口，下金属层对应环形槽的位置设置有环形石墨烯层。本发明可以保证可调变容管的电容值和石墨烯的片电阻值独立调谐，从而实现了频率和传输幅度的独立调控，互不影响。
Description
技术领域
本发明属于基片集成波导领域，具体涉及一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器。
背景技术
带通滤波器和衰减器分别是雷达和无线通信系统中实现频率选择和幅度控制的关键部件。带通滤波器和衰减器通常级联以实现系统中的带通滤波和衰减响应，然而目前并没器件提供同时可重构的滤波和衰减功能。专利CN108808190A公开了“一种频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器”，通过在基片集成波导谐振腔中加载可调电容来调节各个谐振腔的工作频率，通过在基片集成波导滤波器耦合窗口处加载铁氧体材料来直观控制基片集成波导谐振腔之间的耦合强度，实现了滤波器可重构的中心频率和带宽，但传输幅度无法进行可重构。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，实现滤波器的中心频率和传输幅度均能够调谐，且调谐方式互相独立。
为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，包括由上至下依次设置的上金属层、介质基板以及下金属层；所述介质基板上竖直贯穿开设有若干个金属化通孔形成金属化通孔阵列，通过金属化通孔阵列形成直线型排列的多个谐振腔，每个谐振腔的中心均设置有一个微扰金属化通孔，相邻两个谐振腔之间通过感性耦合槽相互耦合，金属化通孔阵列以及微扰金属化通孔均与上金属层以及下金属层相连通；所述上金属层对应每个谐振腔中心的位置设置有环形槽，环形槽上均设置有可调变容管组，可调变容管组中每个变容管的一端均与环形槽外侧的上金属层相连接，另一端和环形槽内侧的上金属层连接并通过微扰金属化通孔连接到下金属层；所述下金属层上设置有输入输出馈电端口，下金属层对应环形槽的位置设置有环形石墨烯层。
作为一种优选方案，所述谐振腔的数量为三个，三个谐振腔为相同大小的圆形，三个谐振腔的圆心在一条直线上，相邻两个谐振腔相交，三个谐振腔关于中间一个谐振腔的中心线呈镜像对称。
作为一种优选方案，所述的输入输出馈电端口沿一条直线设置有两个，分别连接在两端的两个谐振腔上；
输入输出馈电端口包括接地共面波导以及相连的弧形短路槽线；
两个输入输出馈电端口的弧形短路槽线分别包围在两个环形石墨烯层的外部，两个输入输出馈电端口的接地共面波导将弧形短路槽线引至下金属层的两侧边缘；所述介质基板在谐振腔对应通过接地共面波导的位置打开，并在接地共面波导的两侧布置金属化通孔与所述金属化通孔阵列相接。
作为一种优选方案，所述的两个输入输出馈电端口由两个谐振腔的腔体侧壁中点引出，且所述两个输入输出馈电端口的结构镜像对称；所述弧形短路槽线由连续曲线组成或者多段直线拼接组成。
作为一种优选方案，所述感性耦合槽分别设置在相邻两个谐振腔相交位置，所述感性耦合槽由延伸至相邻两个谐振腔的两段弧形槽以及连接在两段弧形槽之间的一段矩形槽组成。
作为一种优选方案，所述的弧形槽由连续曲线组成或者多段直线拼接组成。
作为一种优选方案，每个谐振腔中心的环形槽与每个谐振腔中心的微扰金属化通孔同心设置。
作为一种优选方案，所述的可调变容管组由型号相同的若干个变容管组成。
作为一种优选方案，所述的下金属层对应环形槽的位置开设有环形开槽缝隙，环形石墨烯层放置在环形开槽缝隙中，环形石墨烯层的形状与环形开槽缝隙的形状吻合，所述环形石墨烯层的厚度与下金属层的厚度相同；所述环形开槽缝隙的形状为正方形、矩形或圆环形，上金属层的环形槽对应与下金属层的环形开槽缝隙的形状相同。
作为一种优选方案，所述环形石墨烯层的片电阻值保持不变，单一改变所述可调变容管组的电容值，控制所述滤波器的传输幅度不变，则中心频率连续变化；
所述可调变容管组的电容值保持不变，单一改变所述环形石墨烯层的片电阻值，控制所述滤波器的中心频率不变，则传输幅度动态变化；
所述可调变容管组的电容值与环形石墨烯层的片电阻值同时改变，控制所述滤波器的中心频率连续变化，传输幅度动态变化，且中心频率和传输幅度的变化彼此独立。
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
通过在介质基板上竖直贯穿开设若干个金属化通孔形成金属化通孔阵列，通过金属化通孔阵列形成直线型排列的多个谐振腔，在上金属层对应每个谐振腔中心的位置设置环形槽，环形槽上均设置有可调变容管组，下金属层对应环形槽的位置设置有环形石墨烯层。本发明通过在基片集成波导滤波器中采用两种电可重构器件，应用可调变容管的电容值可调以及石墨烯材料的全向电阻、片电阻随外加偏置电压强度而改变的特点实现了频率和传输幅度均可调控的滤波器。通过使用两种独立的控制电路，本发明可以保证可调变容管的电容值和石墨烯的片电阻值独立调谐，从而实现了频率和传输幅度的独立调控，互不影响。本发明将两种频率可调谐滤波功能和幅度可调谐衰减功能集成成于一个器件，实现了器件的高集成度和小型化。本发明适用于PCB平面加工工艺，便于高选择性可调滤波器的平面化、集成化。
附图说明
图1本发明实施例频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器的三维结构示意图；
图2本发明实施例频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器的上金属层俯视图；
图3本发明实施例频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器的下金属层俯视图；
图4本发明实施例石墨烯片电阻不变，中心频率调节的回波损耗|S11|仿真曲线；
图5本发明实施例石墨烯片电阻不变，中心频率调节的传输特性|S21|仿真曲线；
图6本发明实施例三种中心频率下，传输幅度调节的传输特性|S21|仿真曲线；
附图中：1-上金属层；2-介质基板；3-下金属层；4-可调变容管组；5-环形石墨烯层；6-金属化通孔阵列；7-第一谐振腔；8-第二谐振腔；9-第三谐振腔；10-微扰金属化通孔；11-环形槽；12-第一感性耦合槽；13-第二感性耦合槽；14-矩形槽；15-弧形槽；16-输入输出馈电端口；17-接地共面波导；18-弧形短路槽线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明做进一步的详细说明。
为了满足日益发展的现代无线通信要求，可调谐射频前端越来越受到人们的关注，由于需要高集成度，它可以取代众多的固定设备，从而显著节省安装和空间。频率可调基片集成波导谐振器因其结构紧凑、频率可调，在滤波器设计中得到了广泛应用，通过在基片集成波导谐振腔的中心引入微扰金属化通孔来实现更紧凑、便于加载可调集总元件的结构。加载微扰金属化通孔的基片集成波导谐振腔的主要优点是调谐元件可以组装在基片集成波导的表面金属层。石墨烯由于其宝贵的特性，尤其是可调谐的电导率，对可调谐微波衰减器做出了杰出的贡献。然而，关于频率和幅度独立调制的多调谐滤波器/衰减器的研究很少。
本发明实施例提出的一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，结构如图1所示，主要包括由上至下依次设置的上金属层1、介质基板2以及下金属层3。
在介质基板2上竖直贯穿开设有若干个金属化通孔形成金属化通孔阵列6，通过金属化通孔阵列6形成直线型排列的多个谐振腔。本实施例谐振腔的数量为三个，分别为第一谐振腔7、第二谐振腔8和第三谐振腔9，三个谐振腔为相同大小的圆形，三个谐振腔的圆心在一条直线上，相邻两个谐振腔相交，三个谐振腔关于中间一个谐振腔的中心线呈镜像对称。每个谐振腔的中心均设置有一个微扰金属化通孔10，金属化通孔阵列6以及微扰金属化通孔10均与上金属层1以及下金属层3相连通。更进一步的，相邻两个谐振腔之间均通过感性耦合槽相互耦合，具体的，本实施例中的第一谐振腔7和第二谐振腔8通过第一感性耦合槽12相互耦合，而第二谐振腔8和第三谐振腔9通过第二感性耦合槽13相互耦合。
如图2所示，感性耦合槽开设在上金属层1上，感性耦合槽分别设置在相邻两个谐振腔相交位置，感性耦合槽由延伸至相邻两个谐振腔的两段弧形槽15以及连接在两段弧形槽15之间的一段矩形槽14组成。可选的，弧形槽15由连续曲线组成或者多段直线拼接组成。本实施例感性耦合槽的两段弧形槽15的形状选择角度为θ1的弧形，0°≤θ1≤180°。
上金属层1对应每个谐振腔中心的位置设置有环形槽11，环形槽11上均设置有可调变容管组4，本实施例的可调变容管组4由型号相同的若干个变容管组成，变容管的型号均为SMV1405。可调变容管组4中每个变容管的一端均与环形槽11外侧的上金属层1相连接，另一端和环形槽11内侧的上金属层1连接并通过微扰金属化通孔10连接到下金属层3。本实施例的每个谐振腔中心的环形槽11与每个谐振腔中心的微扰金属化通孔10同心设置。
下金属层3上设置有输入输出馈电端口16，下金属层3对应环形槽11的位置设置有环形石墨烯层5。如图3所示，本实施例的输入输出馈电端口16沿一条直线设置有两个，分别连接在两端的两个谐振腔上。输入输出馈电端口16包括接地共面波导17以及相连的弧形短路槽线18，两个输入输出馈电端口16的弧形短路槽线18分别包围在两个环形石墨烯层5的外部，两个输入输出馈电端口16的接地共面波导17将弧形短路槽线18引至下金属层3的两侧边缘；介质基板2在谐振腔对应通过接地共面波导17的位置打开，并在接地共面波导17的两侧布置金属化通孔与所述金属化通孔阵列4相接。在一种可选的实施方式中，两个输入输出馈电端口16由两个谐振腔的腔体侧壁中点引出，且两个输入输出馈电端口16的结构关于中间一个谐振腔的中心线镜像对称。本实施例的弧形短路槽线18由连续曲线组成或者由多段直线拼接组成，弧形短路槽线18选择角度为θ2的扇形，0°≤θ2≤180°。
本实施例的下金属层3对应环形槽11的位置开设有环形开槽缝隙，环形石墨烯层5放置在环形开槽缝隙中，环形石墨烯层5的形状与环形开槽缝隙的形状吻合，环形石墨烯层5的厚度与下金属层3的厚度相同。在一种可能的实施方式中，环形开槽缝隙的形状为正方形、矩形或圆环形，上金属层1的环形槽11对应与下金属层3的环形开槽缝隙的形状相同。
在本发明的实施例中，介质基板2采用厚度为5mm的F4bME基板，其相对介电常数εr＝3.55，损耗角正切tanδ＝0.0002。金属化通孔阵列6的金属通孔直径为1mm，微扰金属化通孔10的直径为0.6mm。图2和图3中的几何参数分别为(单位为mm)：
R＝13.5，d1＝3，d2＝3.5，d3＝2.5，d4＝3.5，l1＝17，l2＝19，Rcpw＝5.3，D＝1.8，lCPW＝15，ws＝0.2，wcpw＝0.3，θ1＝10°，θ2＝85°。
如图4与5所示，图中示出了本发明实施例频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器的频率调谐仿真结果，环形石墨烯层5的片电阻值Rg保持不变，单一改变所述可调变容管组4中单个变容管的电容值Cv1，控制所述滤波器的传输幅度不变，中心频率连续变化。
除此之外，可调变容管组4中单个变容管的电容值Cv1保持不变，单一改变所述环形石墨烯层5的片电阻值Rg，控制所述滤波器的中心频率不变，传输幅度动态变化。
如图6所示，图中示出了本发明实施例频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器的传输幅度调谐仿真结果，通过将可调变容管组4中单个变容管的电容值Cv1分别设置为三个值，改变所述环形石墨烯层5的片电阻值Rg，控制滤波器的中心频率连续变化，传输幅度动态变化，且中心频率和传输幅度的变化彼此独立，互不影响。
以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，包括由上至下依次设置的上金属层(1)、介质基板(2)以及下金属层(3)；所述介质基板(2)上竖直贯穿开设有若干个金属化通孔形成金属化通孔阵列(6)，通过金属化通孔阵列(6)形成直线型排列的多个谐振腔，每个谐振腔的中心均设置有一个微扰金属化通孔(10)，相邻两个谐振腔之间通过感性耦合槽相互耦合，金属化通孔阵列(6)以及微扰金属化通孔(10)均与上金属层(1)以及下金属层(3)相连通；所述上金属层(1)对应每个谐振腔中心的位置设置有环形槽(11)，环形槽(11)上均设置有可调变容管组(4)，可调变容管组(4)中每个变容管的一端均与环形槽(11)外侧的上金属层(1)相连接，另一端和环形槽(11)内侧的上金属层(1)连接并通过微扰金属化通孔(10)连接到下金属层(3)；所述下金属层(3)上设置有输入输出馈电端口(16)，下金属层(3)对应环形槽(11)的位置设置有环形石墨烯层(5)。
2.根据权利要求1所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述谐振腔的数量为三个，三个谐振腔为相同大小的圆形，三个谐振腔的圆心在一条直线上，相邻两个谐振腔相交，三个谐振腔关于中间一个谐振腔的中心线呈镜像对称。
3.根据权利要求2所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述的输入输出馈电端口(16)沿一条直线设置有两个，分别连接在两端的两个谐振腔上；
输入输出馈电端口(16)包括接地共面波导(17)以及相连的弧形短路槽线(18)；
两个输入输出馈电端口(16)的弧形短路槽线(18)分别包围在两个环形石墨烯层(5)的外部，两个输入输出馈电端口(16)的接地共面波导(17)将弧形短路槽线(18)引至下金属层(3)的两侧边缘；所述介质基板(2)在谐振腔对应通过接地共面波导(17)的位置打开，并在接地共面波导(17)的两侧布置金属化通孔与所述金属化通孔阵列(4)相接。
4.根据权利要求3所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述的两个输入输出馈电端口(16)由两个谐振腔的腔体侧壁中点引出，且两个输入输出馈电端口(16)的结构镜像对称；所述弧形短路槽线(18)由连续曲线组成或者多段直线拼接组成。
5.根据权利要求2所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述感性耦合槽分别设置在相邻两个谐振腔相交位置，所述感性耦合槽由延伸至相邻两个谐振腔的两段弧形槽(15)以及连接在两段弧形槽(15)之间的一段矩形槽(14)组成。
6.根据权利要求5所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述的弧形槽(15)由连续曲线组成或者多段直线拼接组成。
7.根据权利要求1所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，每个谐振腔中心的环形槽(11)与每个谐振腔中心的微扰金属化通孔(10)同心设置。
8.根据权利要求1所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述的可调变容管组(4)由型号相同的若干个变容管组成。
9.根据权利要求1所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，所述的下金属层(3)对应环形槽(11)的位置开设有环形开槽缝隙，环形石墨烯层(5)放置在环形开槽缝隙中，环形石墨烯层(5)的形状与环形开槽缝隙的形状吻合，所述环形石墨烯层(5)的厚度与下金属层(3)的厚度相同；所述环形开槽缝隙的形状为正方形、矩形或圆环形，上金属层(1)的环形槽(11)对应与下金属层(3)的环形开槽缝隙的形状相同。
10.根据权利要求1所述的频率和幅度独立可调基片集成波导滤波器，其特征在于，
所述环形石墨烯层(5)的片电阻值保持不变，单一改变所述可调变容管组(4)的电容值，控制所述滤波器的传输幅度不变，则中心频率连续变化；
所述可调变容管组(4)的电容值保持不变，单一改变所述环形石墨烯层(5)的片电阻值，控制所述滤波器的中心频率不变，则传输幅度动态变化；
所述可调变容管组(4)的电容值与环形石墨烯层(5)的片电阻值同时改变，控制所述滤波器的中心频率连续变化，传输幅度动态变化，且中心频率和传输幅度的变化彼此独立。
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