CN116885416A - 一种基片集成波导双通带滤波功分器 - Google Patents

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欧祖强
李道通
牛中乾
乔进财
薛婉茹
唐家成
余冬喜
谢晓洁
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Abstract

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基片集成波导双通带滤波功分器，包括：两层介质基板和三层金属层；所述两层介质基板与所述三层金属层通过纵向对齐的方式堆叠形成多层结构；本发明采用金属通孔微扰SIW双层圆腔的方法设计了双通带通滤波器，能够体现优秀的带外抑制性能，同时，具有极高的通带选择性，采用双层基片层叠结构，使得滤波器在相同性能条件下的体积更小。

Description

一种基片集成波导双通带滤波功分器
技术领域
本发明属于通信技术领域，具体涉及一种基片集成波导双通带滤波功分器。
背景技术
随着现代无线通信技术的迅猛发展，全球通信业务日益增加，微波毫米波技术作为一门具有历史沉淀的工程学科，近年来在民用和军事领域得到了广泛的技术推广和发展，其应用已经涉及卫星通信、雷达探测、精确制导、移动通信和医学治疗等多个方面。
在传统的无线通信系统中，功分器和滤波器作为单独的分立器件广泛应用于微波电路中，功分器和滤波器通过一段50ohm的微带传输线进行级联，这不可避免地造成了通信系统的整体尺寸过大，这极大地降低了系统的实用性。因而，国内外工作者们进行了广泛的研究来试图减小器件和系统的尺寸，提出将功分器和滤波器集成为单一器件的想法，即为滤波功分器(Filtering Power Divider,FPD)，滤波功分器避免在功分器的输入或输出端口额外级联滤波器，从而减小了整个射频系统的体积和损耗，因此成为小型化射频前端的重要实现手段。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是一种新型微波毫米波传输线结构，其上下表面均覆有金属导电层的介质基片，且介质基片上沿波导边缘均匀分布有贯穿上下金属导电层的金属通孔。基片集成波导结合了微带线与金属波导的优点，既可以与其它平面结构的电路集成，并且具有传统波导结构质量因数高、损耗低等优点。基片集成波导的上述特点，使其在微波毫米波电路领域中拥有广阔的发展前景。近年来，基于基片集成波导的微波器件的研究也越来越深入。
期刊文献“基于基片集成波导的双通带滤波功分器设计”(期刊名：微波学报，2017年第S1期148-151页)报道了一款基于SIW的双通带滤波功分器。文献给出的滤波功分器电路结构如图1所示，该电路由三个SIW矩形腔体(图中SIRC 1、SIRC 2和SIRC 3)、三条馈入馈出微带线和耦合开窗组成。该滤波功分器利用SIW矩形腔体的多模响应和SIW腔体间的耦合效应实现双通带滤波性能，构造矩形腔体沿着馈入SIW矩形腔体1(图中SIRC 1)的对角线分布，从而实现3dB功率分配。
现有技术结构需要三个完整的SIW矩形腔体，且三个矩形SIW腔体需要分布在同一基片平面上以通过耦合开窗进行耦合级联，利用三个SIW矩形腔体谐振响应的TE101模和TE103模分别产生第一滤波通带和第二滤波通带。这种结构需要在单层基片上构造三个矩形SIW耦合级联腔体，增大了器件尺寸，不利于实现器件的小型化。并且三完整SIW矩形腔体结构的双通带滤波功分器的通带一和通带二间存在较宽的裙边，且第一通带的下阻带和第二通带的上阻带中没有引入传输零点，使得滤波功分器的双通带带外抑制效果有限，滤波性能有待进一步提高。
综上所述，现有技术问题是：现有的三完整SIW矩形腔体结构的双通带滤波功分器的器件尺寸大，不利于实现器件的小型化，同时，其双通带带外抑制效果有限，滤波性能有待进一步提高。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出一种基片集成波导双通带滤波功分器，包括：两层介质基板和三层金属层；
所述两层介质基板与所述三层金属层通过纵向对齐的方式堆叠形成多层结构；
所述介质基板包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板分别设置有两个第一金属通孔和多个第二金属通孔，所述多个第二金属通孔围绕所述第一金属通孔形成圆形金属通孔阵列；所述第一介质基板的圆形金属通孔阵列上设置有两个微带到SIW的共面波导过渡结构，所述第二介质基板的圆形金属通孔阵列上设置有一个微带到SIW的共面波导过渡结构；
所述金属层包括第一金属层、第二金属层以及第三金属层，所述第一金属层与所述第三金属层形状大小为正好覆盖在所述圆形金属通孔阵列与所述微带到SIW的共面波导过渡结构上；所述第二金属层形状大小与所述第一介质基板和所述第二介质基板相同，所述第二金属层上开设有矩形耦合窗口；
所述第一金属层、所述第一介质基板、所述第二金属层和所述第一介质基板中设置的圆形金属通孔阵列共同构成第一圆形SIW谐振腔体；所述第二金属层、所述第二介质基板、所述第三金属层和所述第二介质基板中设置的圆形金属通孔阵列共同构成第二圆形SIW谐振腔体。
本发明的有益效果：
1、本发明提出一种基片集成波导双通带滤波功分器，采用金属通孔微扰SIW双层圆腔的方法设计了双通带通滤波器，能够体现优秀的带外抑制性能，同时，具有极高的通带选择性。
2、本发明采用双层基片层叠结构，使得滤波器在相同性能条件下的体积更小。
附图说明
图1现有的一种基于SIW的双通带滤波功分器结构示意图；
图2为本发明的一种基片集成波导双通带滤波功分器整体结构爆炸效果示意图；
图3为本发明的滤波功分器的第一金属层和第一介质基板堆叠结构俯视图；
图4为本发明的滤波功分器的第三金属层和第二介质基板堆叠结构仰视图；
图5为本发明的一种基片集成波导双通带滤波功分器整体堆叠结构顶部透视图；
图6为本发明的一种基片集成波导双通带滤波功分器的滤波效果仿真图。
图中：1：第一金属层；2：第一介质基板；3：第二金属层；4：第二介质基板；5：第三金属层；6：第一金属层的第一、第二端口；7：第二金属通孔；8：第一金属通孔；9：第三金属层的端口；10：矩形耦合窗口。
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。
一种基片集成波导双通带滤波功分器，如图2、图3、图4、图5所示，包括：两层介质基板和三层金属层；
所述两层介质基板与所述三层金属层通过纵向对齐的方式堆叠形成多层结构；
所述介质基板包括第一介质基板2和第二介质基板4，所述第一介质基板2和第二介质基板4分别设置有两个第一金属通孔8和多个第二金属通孔7，所述多个第二金属通孔7围绕所述第一金属通孔8形成圆形金属通孔阵列；所述第一介质基板的圆形金属通孔阵列上设置有两个微带到SIW的共面波导过渡结构，所述第二介质基板的圆形金属通孔阵列上设置有一个微带到SIW的共面波导过渡结构；
所述金属层包括第一金属层1、第二金属层3以及第三金属层5，所述第一金属层1与所述第三金属层5形状大小为正好覆盖在所述圆形金属通孔阵列与所述微带到SIW的共面波导过渡结构上；所述第二金属层3形状大小与所述第一介质基板2和所述第二介质基板4相同，所述第二金属层3上开设有矩形耦合窗口10，矩形耦合窗口所在位置的电场强度较大，用于双腔的电耦合；
所述第一金属层1、所述第一介质基板2、所述第二金属层3和所述第一介质基板2中设置的圆形金属通孔阵列共同构成第一圆形SIW谐振腔体；所述第二金属层3、所述第二介质基板4、所述第三金属层5和所述第二介质基板4中设置的圆形金属通孔阵列共同构成第二圆形SIW谐振腔体。
所述两层介质基板与所述三层金属层通过相互隔离的方式堆叠形成的多层结构，整体以输入端口为轴呈对称结构。
所述第一金属层1上设置有第一、第二端口作为本滤波功分器的第一、第二输出端口；所述第三金属层5上设置有一个端口作为本滤波功分器的输入端口。
所述输入、输出端口分布在圆形SIW谐振腔体的同一侧，输入、输出端口分布在圆形SIW谐振腔体的同一侧才能使得输入波和输出波形成180°相位差，进而在频率响应中引入带外传输零点，增强带外抑制，进而提升频率选择特性。
所述两个圆形SIW谐振腔体大小一致，且中心点在同一条轴上。
所述微带到SIW的共面波导过渡结构处用于放置本滤波功分器的输入、输出端口；
所述矩形耦合窗口10位于圆形SIW谐振腔体正中央。
该滤波功分器的工作原理：输入信号经第三金属层的端口9(即输入端)由微带TEM模式波转换为TM模式波馈入滤波功分器，在第一介质基板2的圆形SIW谐振腔内谐振产生TM10、TM11和高次模式波，谐振波经矩形耦合窗口10与第二介质基板4的圆形SIW谐振腔耦合谐振，同样谐振产生TM10、TM11和高次模式波，谐振波最后经由第一金属层的第一、第二端口6(即两个输出端口)实现3dB功分输出。
第一圆形SIW谐振腔体中的TM010模和第二圆形SIW谐振腔体中的TM010模耦合谐振产生第一通带；第一圆形SIW谐振腔体中的TM110模和第二圆形SIW谐振腔体中的TM110模耦合谐振产生第二通带。
所述第一输出端与第二输出端之间的角度设置为大于0度小于180度，这样设置可以得到良好的双通带带通滤波功分频率响应，并且能够在阻带引入传输零点以提高频率选择能力。
利用第一金属层上的第一金属通孔8和第三金属层上的第一金属通孔8干扰两个圆形SIW谐振腔体中的TM21电场分布，在第一通带和第二通带间引入传输零点以实现更高的选择性；第一通带的中心频率可以通过金属通孔间距的扰动来调节，而第二通带的中心频率基本不变。
采用金属通孔微扰SIW双层圆腔的方法设计了双通带通滤波器，分别使用TM10模式和TM11模式实现双通带。利用金属通孔扰动TM21模式引入传输零点，使阻带之间具有高选择性，滤波性能更加良好。通过调节电耦合窗的尺寸，可以得到理想的通带插入损耗和通带带宽。仿真结果如图6所示，由仿真结果可以看出第一滤波通带为26.08-26.51GHz、第二滤波通带为33.22-33.86GHz，且在第一通带下阻带、第一通带和第二通带之间和第二通带上阻带分别引入了一个传输零点，在两个通带内输入回波损耗(|S11|)优于20dB，插入损耗(|S21|和|S31|)优于3.6dB。可以看出本发明的仿真实例具有优秀带外抑制性能和较小的电路尺寸，双通带带外抑制效果更好且尺寸更小。
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 (8)

1.一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，包括：两层介质基板和三层金属层；
所述两层介质基板与所述三层金属层通过纵向对齐的方式堆叠形成多层结构；
所述介质基板包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一介质基板和第二介质基板分别设置有两个第一金属通孔和多个第二金属通孔，所述多个第二金属通孔围绕所述两个第一金属通孔形成圆形金属通孔阵列；所述第一介质基板的圆形金属通孔阵列上设置有两个微带到SIW的共面波导过渡结构，所述第二介质基板的圆形金属通孔阵列上设置有一个微带到SIW的共面波导过渡结构；
所述金属层包括第一金属层、第二金属层以及第三金属层，所述第一金属层与所述第三金属层形状大小为正好覆盖在所述圆形金属通孔阵列与所述微带到SIW的共面波导过渡结构上；所述第二金属层形状大小与所述第一介质基板和所述第二介质基板相同，所述第二金属层上开设有矩形耦合窗口；
所述第一金属层、所述第一介质基板、所述第二金属层和所述第一介质基板中设置的圆形金属通孔阵列共同构成第一圆形SIW谐振腔体；所述第二金属层、所述第二介质基板、所述第三金属层和所述第二介质基板中设置的圆形金属通孔阵列共同构成第二圆形SIW谐振腔体。
2.根据权利要求1所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述两层介质基板与所述三层金属层通过相互隔离的方式堆叠形成的多层结构，且整体以输入端口为轴呈对称结构。
3.根据权利要求1所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述第一金属层上设置有第一、第二端口作为本滤波功分器的第一、第二输出端口；所述第三金属层上设置有一个端口作为本滤波功分器的输入端口。
4.根据所述权利要求3所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述输入、输出端口分布在圆形SIW谐振腔体的同一侧。
5.根据权利要求1所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述微带到SIW的共面波导过渡结构处用于放置本滤波功分器的输入、输出端口。
6.根据权利要求1所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述矩形耦合窗口位于圆形SIW谐振腔体正中央。
7.根据权利要求1所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述第一端口与第二端口之间的角度设置为大于0度小于180度。
8.根据权利要求1所述的一种基片集成波导双通带滤波功分器，其特征在于，所述第一、第二圆形SIW谐振腔体大小一致，且中心点在同一条轴上。
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