CN115425378A - 一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及微波毫米波滤波器领域，具体涉及一种可产生带外零点的交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器。本发明通过在传统空腔基片集成波导带通滤波器中引入交叉耦合微带线，在原有带通滤波器通带两边引入了两个带外传输零点，提高了滤波器的通带选择性和带外抑制能力。发明中的空腔基片集成波导带通滤波器由若干级联的空气谐振腔组成；引入的交叉耦合微带线连接首尾两个空气谐振腔，使之相互耦合，结合空气谐振腔原有的耦合路径，形成交叉耦合结构。本发明给出了设计结构的详细描述、说明图、耦合拓扑结构和滤波器电参数效果等。
Description
技术领域
本发明涉及微波毫米波滤波器领域，具体涉及一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器。
背景技术
作为微波系统中的核心滤波元件，微波滤波器始终追求高选择性、深带外抑制、通带内低损耗、小型化和易于集成。基片集成波导技术利用金属化过孔进一步缩小电磁波在介质层中的传输范围，有效减小了滤波器的尺寸、降低了通带传输损耗。传统的基片集成波导技术由于电磁波全在高损耗介质层中传播，传输损耗相对较大；而且没有在介质层内引入零极点耦合结构，对传输零极点的控制度不强。空腔基片集成波导通过在介质层中引入若干空气腔体，既能通过空气替换介质层减小电磁波的传输损耗，又能通过间隔的空气腔体在基片集成波导中实现零极点耦合，提高了基片集成波导的零极点控制自由度和传统基片集成波导滤波器的性能。多个零极点间相互耦合是滤波器拓展通带带宽、减小带内反射系数、增强带外抑制的重要途径。交叉耦合技术可以在滤波器通带外引入零点有效提高滤波器的通带选择性，是改善滤波器通态特性的一种主要方式。
发明内容
鉴于上文所述，本发明的目的是提供一种具备交叉耦合特性的空腔基片集成波导带通滤波器。通过在空腔基片集成波导首尾空气谐振腔两端引入一条弯折的微带交叉耦合线，连接第一个谐振腔和最后一个谐振腔未被封闭的区域，实现了第一个谐振腔和最后一个谐振腔之间的交叉耦合。在低损耗空腔基片集成波导带通滤波器的基础上引入了交叉耦合技术，在通带外引入了额外的传输零点，提高了滤波器的通带选择性和带外抑制水平。
为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：
一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，从上至下包括顶层金属板1、中间介质层2、底层金属板3；
顶层金属板1包括：交叉耦合微带线4、输入端口7、输出端口8、顶层金属化过孔5、槽线6，交叉耦合微带线4位于顶层金属板1上边缘，交叉耦合微带线4的水平段覆盖在中间介质层2的表面且平行于顶层金属板1的长度方向，顶部交叉耦合微带线4的垂直段深入顶层金属板1内部，输入端口7、输出端口8分别位于顶层金属板1的左、右两端，输入端口7和输出端口8由微带线构成，沿顶层金属板1的轮廓边缘内部设有一圈顶层金属化过孔5；顶层金属化过孔5在交叉耦合微带线4的垂直段、及输入端口7、输出端口8对应的位置被断开；输入端口7微带线通过槽线6与中间介质层的第一谐振腔11相连，输出端口8的微带线通过槽线6与中间介质层的第四谐振腔14相连，槽线6位于顶层金属化过孔5所围的范围内；
中间介质层2包括：四个谐振腔11-14，谐振腔11-14沿中间介质层2长度方向分布，谐振腔内部为空气，中间介质层2的轮廓边缘内部设有一圈中间介质层金属化过孔15，中间介质层金属化过孔15与顶层金属化过孔5的位置对应；中间介质层金属化过孔15在第一谐振腔11、第四谐振腔14上方的交叉耦合微带线4的垂直段、及输入端口7、输出端口8对应的位置被中间介质层2断开；中间介质层2由可传播电磁波的介质材料组成；
底层金属板3上设有底层金属化过孔16，底层金属化过孔16与顶层金属化过孔5的位置对应。
作为优选方式，金属过孔的位置与谐振频率有关；槽线的位置和宽度决定输入输出端口和谐振腔的耦合强度。
作为优选方式，输入端口7、输出端口8的阻抗为50欧姆或75欧姆。
作为优选方式，交叉耦合微带线4的垂直段连接第一个谐振腔和第四个谐振腔上方的金属化过孔被中间介质16断开的区域，通过槽线调节交叉耦合线与第一个谐振腔和第四个谐振腔的耦合系数。
作为优选方式，谐振腔为矩形。
作为优选方式，空气谐振腔11-14通过在中间介质2中挖空实现，挖空的大小受谐振频率和损耗调整。
作为优选方式，谐振腔的谐振频率由基片集成波导谐振腔的频率计算公式计算。
作为优选方式，中间介质16选自聚四氟乙烯、聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料、编织玻璃布增强材料。
作为优选方式，层金属板1、底层金属板3为铜、铝、金其中一种。
进一步的是，本发明中交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器具有额外的带外传输零点。
进一步的是，本发明中交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器具有更陡的边带抑制特性。
本发明的有益效果为：相比于之前的空腔基片集成波导带通滤波器，交叉耦合结构可以在通态外引入额外的传输零点，提高滤波器的通带选择性和带外抑制能力。
附图说明
图1是本发明提供的交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器的三层结构图。
图2是本发明交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器的顶层金属板的结构示意图。
图3是本发明交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器的中间介质层的结构示意图。
图4是本发明交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器的底层金属板的结构示意图
图5是本发明提供的带通滤波器耦合拓扑结构。
图6是本发明提供的带通滤波器性能图。
1为顶层金属板，2为中间介质层，3为底层金属板，4为交叉耦合微带线，5为顶层金属化过孔，6为槽线，7为输入端口，8为输出端口，11为第一谐振腔，12为第二谐振腔，13为第三谐振腔，14为第四谐振腔，15为中间介质层金属化过孔，16为底层金属化过孔。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
实施例1
本实施例提供一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，从上至下包括顶层金属板1、中间介质层2、底层金属板3，顶层金属板1和底层金属板3分别覆盖在中间介质层2的顶面和底面；
顶层金属板1包括：交叉耦合微带线4、输入端口7、输出端口8、顶层金属化过孔5、槽线6，交叉耦合微带线4位于顶层金属板1上边缘，交叉耦合微带线4的水平段覆盖在中间介质层2的表面且平行于顶层金属板1的长度方向，顶部交叉耦合微带线4的垂直段深入顶层金属板1内部，输入端口7、输出端口8分别位于顶层金属板1的左、右两端，输入端口7和输出端口8由微带线构成，沿顶层金属板1的轮廓边缘内部设有一圈顶层金属化过孔5；顶层金属化过孔5在交叉耦合微带线4的垂直段、及输入端口7、输出端口8对应的位置被断开；输入端口7微带线通过槽线6与中间介质层的第一谐振腔11相连，输出端口8的微带线通过槽线6与中间介质层的第四谐振腔14相连，槽线6位于顶层金属化过孔5所围的范围内；
中间介质层2包括：四个谐振腔11-14，谐振腔11-14沿中间介质层2长度方向分布，谐振腔内部为空气，中间介质层2的轮廓边缘内部设有一圈中间介质层金属化过孔15，中间介质层金属化过孔15与顶层金属化过孔5的位置对应；中间介质层金属化过孔15在第一谐振腔11、第四谐振腔14上方的交叉耦合微带线4的垂直段、及输入端口7、输出端口8对应的位置被中间介质层2断开；中间介质层2由可传播电磁波的介质材料组成；
底层金属板3上设有底层金属化过孔16，底层金属化过孔16与顶层金属化过孔5的位置对应。
金属过孔的位置与谐振频率有关；槽线的位置和宽度决定输入输出端口和谐振腔的耦合强度。
输入端口7、输出端口8由50欧姆微带线构成。
交叉耦合微带线4的垂直段连接第一个谐振腔和第四个谐振腔上方的金属化过孔被中间介质16断开的区域，通过槽线调节交叉耦合线与第一个谐振腔和第四个谐振腔的耦合系数。
谐振腔为矩形。
空气谐振腔11-14通过在中间介质2中挖空实现，挖空的大小受谐振频率调整。
谐振腔的谐振频率由基片集成波导谐振腔的频率计算公式计算。
中间介质16选自聚四氟乙烯、聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料、编织玻璃布增强材料。
顶层金属板1、底层金属板3为铜、铝、金其中一种。
本发明在第一和最后一个耦合结构之间引入了额外的耦合路径，实现了交叉耦合。
图中，关键参数包括：第一谐振腔11、第四谐振腔14的大小，及其与交叉耦合微带线4、输入端口7、输出端口8的耦合强度；第一谐振腔11、第二谐振腔12、第三谐振腔13、第四谐振腔14的大小及相互的耦合强度。
围绕在介质周围的金属化过孔，无馈电信号经过的路径由金属化过孔封闭，有馈电信号经过的路径由介质断开，过孔围成的面积与谐振频率等有关。
本发明在带通滤波器通带两端引入了额外传输零点，增强滤波器的通带选择能力和带外抑制水平。
采取4个谐振腔实现该滤波器对应的耦合拓扑结构如图4所示。从左到右的圆环依次为输入端口(S)、第一空气谐振腔(R1)、第二空气谐振腔(R2)、第三空气谐振腔(R3)、第四空气谐振腔(R4)、输出端口(L)和连接第一第四空气谐振腔的交叉耦合线(虚线)。图5的拓扑结构来源于图1的三维电路结构，可见图1的电路实现了图5的交叉耦合，即第一第四(首尾)两个空气谐振腔可通过所提交叉耦合微带线耦合。实现的交叉耦合效果可通过图6验证，在带通滤波器两端引入了两个传输零点，提高了滤波器的带外抑制水平和通带选择能力。
本发明与传统结构相比，具有相似的通带内损耗，但交叉耦合结构在通带两侧引入的传输零点可以改善滤波器的带外抑制水平和通带选择能力。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。
Claims (8)
1.一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：从上至下包括顶层金属板(1)、中间介质层(2)、底层金属板(3)，顶层金属板(1)和底层金属板(3)分别覆盖在中间介质层(2)的顶面和底面；
顶层金属板(1)包括：交叉耦合微带线(4)、输入端口(7)、输出端口(8)、顶层金属化过孔(5)、槽线(6)，交叉耦合微带线(4)位于顶层金属板(1)上边缘，交叉耦合微带线(4)的水平段覆盖在中间介质层(2)的表面且平行于顶层金属板(1)的长度方向，顶部交叉耦合微带线(4)的垂直段深入顶层金属板(1)内部，输入端口(7)、输出端口(8)分别位于顶层金属板(1)的左、右两端，输入端口(7)和输出端口(8)由微带线构成，沿顶层金属板(1)的轮廓边缘内部设有一圈顶层金属化过孔(5)；顶层金属化过孔(5)在交叉耦合微带线(4)的垂直段、及输入端口(7)、输出端口(8)对应的位置被断开；输入端口(7)微带线通过槽线(6)与中间介质层的第一谐振腔(11)相连，输出端口(8)的微带线通过槽线(6)与中间介质层的第四谐振腔(14)相连，槽线(6)位于顶层金属化过孔(5)所围的范围内；
中间介质层(2)包括：四个谐振腔(11-14)，谐振腔(11-14)沿中间介质层(2)长度方向分布，谐振腔内部为空气，中间介质层(2)的轮廓边缘内部设有一圈中间介质层金属化过孔(15)，中间介质层金属化过孔(15)与顶层金属化过孔(5)的位置对应；中间介质层金属化过孔(15)在第一谐振腔(11)、第四谐振腔(14)上方的交叉耦合微带线(4)的垂直段、及输入端口(7)、输出端口(8)对应的位置被中间介质层(2)断开；中间介质层(2)由可传播电磁波的介质材料组成；
底层金属板(3)上设有底层金属化过孔(16)，底层金属化过孔(16)与顶层金属化过孔(5)的位置对应。
2.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：输入端口(7)、输出端口(8)的阻抗为50欧姆或75欧姆。
3.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：交叉耦合微带线(4)的垂直段连接第一个谐振腔和第四个谐振腔上方的金属化过孔被中间介质(16)断开的区域，通过槽线调节交叉耦合线与第一个谐振腔和第四个谐振腔的耦合系数。
4.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：谐振腔为矩形。
5.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：空气谐振腔(11-14)通过在中间介质层(2)中挖空实现，挖空的大小受谐振频率调整。
6.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：谐振腔的谐振频率由基片集成波导谐振腔的频率计算公式计算。
7.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：中间介质(16)选自聚四氟乙烯、聚四氟乙烯玻璃纤维增强材料、编织玻璃布增强材料。
8.根据权利要求1所述的一种交叉耦合空腔基片集成波导带通滤波器，其特征在于：层金属板(1)、底层金属板(3)为铜、铝、金其中一种。
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