CN115911797B - 一种上下耦合可调带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及射频微波技术领域，具体涉及是一种上下耦合可调带通滤波器，包括滤波器本体，滤波器本体内设置有滤波器工作部，其中滤波器工作部内设置有至少一个谐振腔，且谐振腔通过耦合带线传递微波信号，每个谐振腔内均设置有YIG薄膜结构，YIG薄膜结构正面设置有正面耦合带线组，YIG薄膜结构背面设置有背面耦合带线组，YIG薄膜结构包括YIG薄膜和基片，通过在基板上设置正面耦合带线组和背面耦合带线组，形成带线上下耦合型结构，进一步提升了滤波器的输入输出端之间的隔离度，增加了滤波器的带外抑制，同时输入端和输出端被隔板进行分开在很大程度上能够保障输入谐振和输出谐振间的隔离度。

Description

一种上下耦合可调带通滤波器

技术领域

本发明涉及射频微波技术领域，具体涉及是一种上下耦合可调带通滤波器。

背景技术

YTF是基于YIG旋磁材料的可调谐器件，由YIG谐振电路以及磁路构成，其特点是窄带宽，高带外抑制，可电调谐。其工作原理是由YIG材料构成的谐振电路在外加磁场的激励下，产生谐振频率，从而实现该频点的滤波功能，通过改变磁场强度来改变谐振器的谐振频率，实现调谐功能。

从二十世纪六十年代至今，国外对 YTF工作原理、微波电路设计、磁路设计、耦合设计、YIG 材料配方、制作工艺等进行了深入的研究。同时以美国为代表的西方国家在这个技术领域开展了大量的研究工作，并且已经形成了系列化产品广泛应用于军事电子装备如EW 的侦察接收、ECM 和 ECCM等系统中，其YTF技术已达到了一个相当高的水平。美国已相继研制出从 L 波段到 K 波段的一系列旋磁滤波器，并已广泛应用于军事装备系统与高端测量仪器中。在这个研究领域，目前已有Watkins-Johnson 公司、Avantek公司、MicroLambda 公司、Omni YIG公司等数家公司从事这方面的研究、开发和生产。

如公开号为CN103346752A的中国专利公开了一种实时修正YIG调谐滤波器扫描调谐非线性的装置，其中使用的YIG调谐滤波器采用的YIG小球作为谐振子，同时目前绝大部分YTF都是采用YIG小球作为谐振子，耦合结构采用耦合环方式，YIG 小球谐振子是通过YIG单晶生长、定向切割、机械化学磨抛工艺制作。由于YIG小球加工和装配工艺复杂，对装配误差要求苛刻，控制不当会造成YTF性能的恶化。并且YIG小球需要手动调节其晶向，以达到最好的微波性能和温度稳定性，但是在实际调试中，YIG小球晶向定向相当困难，不易把握。

发明内容

本发明针对以上问题，提供一种上下耦合可调带通滤波器。

采用的技术方案是，一种上下耦合可调带通滤波器，包括滤波器本体，滤波器本体内设置有滤波器工作部，其中滤波器工作部内设置有至少两个谐振腔，且谐振腔通过耦合带线传递微波信号，每个谐振腔内均设置有YIG薄膜结构，YIG薄膜结构正面设置有正面耦合带线组，YIG薄膜结构背面设置有背面耦合带线组，YIG薄膜结构包括YIG薄膜。

进一步的，滤波器工作部内设置有四个谐振腔，每个所述谐振腔内均设置有基板，所述YIG薄膜结构固定于基板上，四个所述谐振腔分别为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔，且第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔相互隔离，并呈田字排布。

进一步的，第一谐振腔用于接收微波信号，第四谐振腔用于输出微波信号，第一谐振腔和第四谐振腔位于滤波器工作部同一侧，第二谐振腔和第三谐振腔位于滤波器工作部同一侧。

可选的，第一谐振腔内设置有第一YIG薄膜结构，第二谐振腔内设置有第二YIG薄膜结构，第三谐振腔内设置有第三YIG薄膜结构，第四谐振腔内设置有第四YIG薄膜结构，所述基板包括第一基板和第二基板，所述第一基板设于第一谐振腔和第二谐振腔内，且第一YIG薄膜结构和第二YIG薄膜结构均位于第一基板上，所述第二基板设于第三谐振腔和第四谐振腔内，且第三YIG薄膜结构和第四YIG薄膜结构均位于第二基板上。

进一步的，正面耦合带线组包括输入带线、输出带线和第一耦合带线，背面耦合带线组包含第二耦合带线和第三耦合带线。

可选的，输入带线位于第一YIG薄膜结构的上方，输入带线一端与设于滤波器本体内的输入同轴线连接，输入带线另一端插入第一谐振腔和第四谐振腔间的第一凹槽内并接地。

可选的，输出带线位于第四YIG薄膜结构的上方，输出带线一端与设于滤波器本体内的输出同轴线连接，输出带线另一端插入第一谐振腔和第四谐振腔间的凹槽内并接地，输出带线位于输入带线的延长线上。

可选的，滤波器工作部内设置有第一圆槽和第二圆槽，第一圆槽靠近第二谐振腔，第二圆槽靠近第三谐振腔，第一耦合带线位于第二YIG薄膜结构和第三YIG薄膜结构的上方，第一耦合带线两端接地，并分别位于第一圆槽和第二圆槽内，第一耦合带线依次从第一圆槽与第二谐振腔间的第一方槽、第二谐振腔和第三谐振腔间的第二凹槽、第三谐振腔与第二圆槽间的第二方槽穿过。

可选的，第二耦合带线位于第一YIG薄膜结构和第二YIG薄膜结构的下方，第二耦合带线电镀在第一基板的背面。

可选的，第三耦合带线位于第三YIG薄膜结构和第四YIG薄膜结构的下方，第三耦合带线电镀在第二基板的背面。

本发明的有益效果至少包括以下之一；

1、通过使用YIG薄膜作为可调带通滤波器的谐振器，不需要进行谐振器晶向的调节与定位，同时YIG薄膜的制备相对于YIG小球的制备更加容易，降低了对工艺的要求，提升了滤波器的调试效率。

2、通过在YIG薄膜结构上方和下方设置正面耦合带线组和背面耦合带线组，形成带线上下耦合型结构，进一步提升了滤波器的输入输出端之间的隔离度，增加了滤波器的带外抑制。

3、通过在用于接收输入微波信号的YIG薄膜结构与用于输出微波信号的YIG薄膜结构间设置有隔板，使得输入端和输出端被隔板进行分开在很大程度上能够保障输入谐振和输出谐振间的隔离度。

4、利用带线激励YIG薄膜的方式形成了可调带通滤波器，实现了5-50GHz可调谐滤波器，不需要加工和焊接精细结构及小尺寸的金属环，工艺人员在组装滤波器效率更高，更容易实现滤波器的批量化生产。

5、通过在基板上进行电镀耦合带线的方式，使得滤波器装配更简单，装配误差小并且实现更容易。

6、通过设置相互隔离的谐振腔，提高了输入输出端之间的隔离度，进而提高了滤波器的带外抑制。

附图说明

图1为滤波器本体结构示意图；

图2为滤波器工作部结构示意图；

图3为滤波器本体背面透视结构示意图；

图4为基片和YIG薄膜结构示意图；

图5为一种滤波器在磁场下的测试图；

其中附图标记1为滤波器本体、2为滤波器工作部、3为第一谐振腔、4为第二谐振腔、5为第三谐振腔、6为第四谐振腔、7为第一YIG薄膜结构、8为第二YIG薄膜结构、9为第三YIG薄膜结构、10为第四YIG薄膜结构、11为第一基板、14为第二基板、15为输入同轴线、16为输出同轴线、17为第一凹槽、18为第一圆槽、19为第二圆槽、20为第二凹槽、21为第一方槽、22为第二方槽、23为输入带线、24为输出带线、25为第一耦合带线、26为第二耦合带线、27为第三耦合带线、28为YIG薄膜、29为基片。

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。需说明的是,在不冲突的情况下,以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

需要说明的是,以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想,遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制,其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变,且其组件布局型态也可能更为复杂。

如图1至图4所示，一种上下耦合可调带通滤波器，包括滤波器本体1，滤波器本体1内设置有滤波器工作部2，其中滤波器工作部2内设置有至少两个谐振腔，且谐振腔通过耦合带线传递微波信号，每个谐振腔内均设置有YIG薄膜结构，YIG薄膜结构正面设置有正面耦合带线组，YIG薄膜结构背面设置有背面耦合带线组，YIG薄膜结构包括YIG薄膜28。

这样设计的目的在于，通过使用YIG薄膜作为可调带通滤波器的谐振器，不需要进行谐振器晶向的调节与定位，同时YIG薄膜的制备相对于YIG小球的制备更加容易，降低了对工艺的要求，提升了滤波器的调试效率。通过在YIG薄膜结构上方和下方设置正面耦合带线组和背面耦合带线组，形成带线上下耦合型结构，进一步提升了滤波器的输入输出端之间的隔离度，增加了滤波器的带外抑制。利用带线激励YIG薄膜的方式形成了可调带通滤波器，实现了超宽带可调谐滤波器，不需要加工和焊接精细结构及小尺寸的金属环，工艺人员在组装滤波器效率更高，更容易实现滤波器的批量化生产。

同时，在具体实施时，滤波器工作部2内设置有四个谐振腔，每个所述谐振腔内均设置有基板，所述YIG薄膜结构固定于基板上，四个所述谐振腔分别为第一谐振腔3、第二谐振腔4、第三谐振腔5和第四谐振腔6，且第一谐振腔3、第二谐振腔4、第三谐振腔5和第四谐振腔6相互隔离，并呈田字排布。

在安装时，基板是放置在滤波器工作部内，与谐振腔的腔体内壁相连并接地。

需要指出的是，本实施例中所使用的滤波器本体是由导电金属或涂镀有导电金属的绝缘材料构成，通常情况下YIG薄膜结构包括YIG薄膜28，YIG薄膜则是运用液相外延技术制成在基片29上形成YIG薄膜结构，而基片为钆镓石榴石基片其简称通常为“GGG”，使用时切割成方块使用。基板则做为YIG薄膜结构的一种载体，而针对液相外延技术为一种现有技术，如公开号为CN105887201A的中国专利即公开了一种类似的技术，因此本实施例中不再对如何通过液相外延技术制得YIG薄膜结构进行赘述，针对在实际使用中基片与YIG薄膜的厚度，通常是通过仿真进行确定，一般情况下基片所在面与基板进行连接，当然本领域技术人员在实施方案时可以采用其他的形式来实现将YIG薄膜设置在谐振腔中。

需要指出的是，在大部分使用场景中，为了降低加工难度，谐振腔内部进行倒角，同时谐振腔的内部倒角尺寸基于仿真确定。

同时，第一谐振腔3用于接收微波信号，第四谐振腔6用于输出微波信号，第一谐振腔3和第四谐振腔6位于滤波器工作部2同一侧，第二谐振腔4和第三谐振腔5位于滤波器工作部2同一侧。

其中，第一谐振腔3内设置有第一YIG薄膜结构7，第二谐振腔4内设置有第二YIG薄膜结构8，第三谐振腔5内设置有第三YIG薄膜结构9，第四谐振腔6内设置有第四YIG薄膜结构10，所述基板包括第一基板11和第二基板14，所述第一基板11设于第一谐振腔3和第二谐振腔4内，且第一YIG薄膜结构7和第二YIG薄膜结构8均位于第一基板11上，所述第二基板14设于第三谐振腔5和第四谐振腔6内，且第三YIG薄膜结构9和第四YIG薄膜结构10均位于第二基板14上。

还需要指出的是，图4仅用基片和YIG薄膜连接关系并不用于展示其实际大小比例。

同时，第一基板11将第一谐振腔3底部和第二谐振腔4底部连通，第二基板14将第三谐振腔5底部和第四谐振腔6底部连通。

正面耦合带线组包括输入带线23、输出带线24和第一耦合带线25，背面耦合带线组包含第二耦合带线26和第三耦合带线27。

需要指出的是，输入带线23、输出带线24、第一耦合带线25、第二耦合带线26和第三耦合带线27由导电金属材料制成，以上五个带线的宽度、带线与带线距离、与YIG薄膜结构的间隙根据滤波器设计要求仿真确定。

在具体连接关系中，输入带线23位于第一YIG薄膜结构7的上方，输入带线23一端与设于滤波器本体1内的输入同轴线15连接，输入带线23另一端插入第一谐振腔3和第四谐振腔6间的第一凹槽17内并接地，输出带线24位于第四YIG薄膜结构10的上方，输出带线24一端与设于滤波器本体1内的输出同轴线16连接，输出带线24另一端插入第一谐振腔3和第四谐振腔6间的第一凹槽17内并接地，输出带线24位于输入带线23的延长线上，滤波器工作部2内设置有第一圆槽18和第二圆槽19，第一圆槽18靠近第二谐振腔4，第二圆槽19靠近第三谐振腔5，第一耦合带线25位于第二YIG薄膜结构8和第三YIG薄膜结构9的上方，第一耦合带线25两端接地，并分别位于第一圆槽18和第二圆槽19内，第一耦合带线25依次从第一圆槽18与第二谐振腔4间的第一方槽21、第二谐振腔4和第三谐振腔5间的第二凹槽20、第三谐振腔5与第二圆槽19间的第二方槽22穿过，第二耦合带线26位于第一YIG薄膜结构7和第二YIG薄膜结构8的下方，第二耦合带线26电镀在第一基板11的背面，第三耦合带线27位于第三YIG薄膜结构9和第四YIG薄膜结构10的下方，第三耦合带线27电镀在第二基板14的背面。

这样设计的目的在于，交叉的耦合带线结构，减小了耦合带线之间的由于射频磁场而产生的杂散耦合，提高了滤波器的隔离性能。通常情况下输出带线24和输入带线23位于同一平面，且延长线重合，第二耦合带线26和第三耦合带线27是平行设置，但是在具体使用场景中可以进行角度调整。输入带线23、输出带线24、第一耦合带线25、第二耦合带线26和第三耦合带线27的竖直投影呈交叉，交叉的角度在45°-90°，一般为90°，仅需要保障带线交叉点投影位于YIG薄膜结构上即可。能够减少带线之间的微波能量耦合。避免了输入微波能量通过带线之间的耦合传到输出端，提高了整个滤波器的隔离度。

其中各种槽的宽度和深度可以根据滤波器的设计要求来仿真确定。

整个上下耦合宽带宽可调带通滤波器内部具体工作原理如下：

当输入微波信号从输入同轴线15输送至输入带线23时，输入微波信号频率与YIG薄膜结构共振频率相同时，则用于接收输入微波信号的YIG薄膜结构受到激励产生磁场并与位于第一基板11背面的第二耦合带线26相耦合，第二耦合带线26将微波能量耦合给第二YIG薄膜结构8，第二YIG薄膜结构8受到激励后，将微波能量耦合到第一耦合带线25，同时第一耦合带线25将微波能量耦合给第三YIG薄膜结构9，第三YIG薄膜结构9受到激励后，将微波能量耦合到位于第二基板14背部的第三耦合带线27，最后第三耦合带线27将微波能量耦合给第四YIG薄膜结构10，第四YIG薄膜结构10受到激励后，将微波能量耦合到输出带线24，整个过程基于带线-薄膜激励耦合的方式，最终将微波信号通过输出带线24和输出同轴线16传递出去。

需要指出的是，当输入微波信号频率与YIG薄膜结构共振频率不同时，YIG薄膜结构没有受到激励，因此无能量传递。

如图5所示，将上下耦合宽带宽可调带通滤波器放置于电磁铁磁场两个磁极头中间位置，磁场大小范围为3600 Oe到20000 Oe，其中S11为回波损耗，S21为插入损耗，在测试时，当磁场大小为3600Oe到20000 Oe，对应的滤波器中心频率为5GHz到50GHz, 3dB带宽为60MHz左右，带外抑制大于90dBc，典型的，图中给出了当磁场为7100 Oe时，滤波器调谐频率为15GHz的回波损耗与插入损耗曲线。随着磁场逐渐增大，滤波器的中心频率逐渐向高频移动，但可以基本保持滤波器的3dB带宽和带外抑制不变。

本上下耦合宽带宽可调带通滤波器与普通滤波器相比，带外没有寄生通带，并且带外抑制达到90dBc以上，同时在调谐范围内3dB带宽可以基本保持不变，插入损耗较小，带内驻波较好，并且通过使用YIG薄膜作为可调带通滤波器的谐振器，不需要进行谐振器晶向的调节与定位，同时YIG薄膜的制备相对于YIG小球的制备更加容易，降低了对工艺的要求，提升了滤波器的调试效率。通过在基板上设置正面耦合带线组和背面耦合带线组，形成带线上下耦合型结构，进一步降低了带线之间的射频磁场耦合，提升了滤波器的输入输出端之间的隔离度，增加了滤波器的带外抑制。利用带线激励YIG薄膜的方式形成了可调带通滤波器，实现了超宽带可调谐滤波器，不需要加工和焊接精细结构及小尺寸的金属环，工艺人员在组装滤波器效率更高，更容易实现滤波器的批量化生产。通过在基板上进行电镀耦合带线的方式，使得滤波器装配更简单，装配误差小并且实现更容易。

最后应说明的是：以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，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，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 (10)

1.一种上下耦合可调带通滤波器，包括滤波器本体（1），所述滤波器本体（1）内设置有滤波器工作部（2），其特征在于，所述滤波器工作部（2）内设置有至少两个谐振腔，且每个谐振腔相互隔离，所述谐振腔通过耦合带线传递微波信号，每个所述谐振腔内均设置有YIG薄膜结构和基板，所述YIG薄膜结构固定于基板上，YIG薄膜结构正面设置有正面耦合带线组，YIG薄膜结构背面设置有背面耦合带线组，且通过YIG薄膜结构正面设置的正面耦合带线组、背面设置的背面耦合带线组，形成带线上下耦合型结构，正面耦合带线组中带线与背面耦合带线组中带线交叉点投影位于YIG薄膜结构上，YIG薄膜结构包括YIG薄膜（28），YIG薄膜（28）通过液相外延技术制成在基片（29）上形成YIG薄膜结构。

2.根据权利要求1所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述滤波器工作部（2）内设置有四个谐振腔，每个所述谐振腔内均设置有基板，所述YIG薄膜结构固定于基板上，四个所述谐振腔分别为第一谐振腔（3）、第二谐振腔（4）、第三谐振腔（5）和第四谐振腔（6），且第一谐振腔（3）、第二谐振腔（4）、第三谐振腔（5）和第四谐振腔（6）相互隔离，并呈田字排布。

3.根据权利要求2所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔（3）用于接收微波信号，第四谐振腔（6）用于输出微波信号，第一谐振腔（3）和第四谐振腔（6）位于滤波器工作部（2）同一侧，第二谐振腔（4）和第三谐振腔（5）位于滤波器工作部（2）同一侧。

4.根据权利要求2或3所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述第一谐振腔（3）内设置有第一YIG薄膜结构（7），第二谐振腔（4）内设置有第二YIG薄膜结构（8），第三谐振腔（5）内设置有第三YIG薄膜结构（9），第四谐振腔（6）内设置有第四YIG薄膜结构（10），所述基板包括第一基板（11）和第二基板（14），所述第一基板（11）设于第一谐振腔（3）和第二谐振腔（4）内，且第一YIG薄膜结构（7）和第二YIG薄膜结构（8）均位于第一基板（11）上，所述第二基板（14）设于第三谐振腔（5）和第四谐振腔（6）内，且第三YIG薄膜结构（9）和第四YIG薄膜结构（10）均位于第二基板（14）上。

5.根据权利要求4所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述正面耦合带线组包括输入带线（23）、输出带线（24）和第一耦合带线（25），所述背面耦合带线组包含第二耦合带线（26）和第三耦合带线（27）。

6.根据权利要求5所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述输入带线（23）位于第一YIG薄膜结构（7）的上方，输入带线（23）一端与设于滤波器本体（1）内的输入同轴线（15）连接，输入带线（23）另一端插入第一谐振腔（3）和第四谐振腔（6）间的第一凹槽（17）内并接地。

7.根据权利要求5所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述输出带线（24）位于第四YIG薄膜结构（10）的上方，输出带线（24）一端与设于滤波器本体（1）内的输出同轴线（16）连接，输出带线（24）另一端插入第一谐振腔（3）和第四谐振腔（6）间的第一凹槽（17）内并接地，输出带线（24）位于输入带线（23）的延长线上。

8.根据权利要求5所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述滤波器工作部（2）内设置有第一圆槽（18）和第二圆槽（19），所述第一圆槽（18）靠近第二谐振腔（4），所述第二圆槽（19）靠近第三谐振腔（5），所述第一耦合带线（25）位于第二YIG薄膜结构（8）和第三YIG薄膜结构（9）的上方，第一耦合带线（25）两端接地，并分别位于第一圆槽（18）和第二圆槽（19）内，第一耦合带线（25）依次从第一圆槽（18）与第二谐振腔（4）间的第一方槽（21）、第二谐振腔（4）和第三谐振腔（5）间的第二凹槽（20）、第三谐振腔（5）与第二圆槽（19）间的第二方槽（22）穿过。

9.根据权利要求5所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述第二耦合带线（26）位于第一YIG薄膜结构（7）和第二YIG薄膜结构（8）的下方，第二耦合带线（26）电镀在第一基板（11）的背面。

10.根据权利要求5所述的一种上下耦合可调带通滤波器，其特征在于，所述第三耦合带线（27）位于第三YIG薄膜结构（9）和第四YIG薄膜结构（10）的下方，第三耦合带线（27）电镀第二基板（14）的背面。