CN1851976B - 双模圆形基片集成波导腔体滤波器 - Google Patents

Abstract

双模圆形基片集成波导腔体滤波器是一种应用于微波毫米波电路的设计和微波毫米波集成电路的设计、微波毫米波无源部件设计的双模圆形基片集成波导腔体滤波器，该滤波器采用圆形基片集成波导腔体，腔体工作于双模模式下，其结构为：在介质基片下表面完全覆盖下表面金属层，在介质基片(8)的上表面设有上表面金属层，双模腔体(1)为介质基片中由上表面金属层、下表面金属层和由多个金属化通孔(7)形成的侧壁共同围成的两个圆形腔体，圆形腔体的圆周上分别设有第一耦合缝隙(21)和第二耦合缝隙(22)，两个相邻的圆形腔体之间的第二耦合缝隙由第二波导段(32)连接，两个相邻的圆形腔体的第一波导段(31)接第一耦合缝隙(21)。

Description

双模圆形基片集成波导腔体滤波器

技术领域

本发明是一种应用于微波毫米波电路的设计和微波毫米波集成电路的设计、微波毫米波无源部件设计的双模圆形基片集成波导腔体滤波器，属于集成波导腔体滤波器设计的技术领域。

背景技术

滤波器是电路系统重要的基本单元电路之一，它的性能对系统整体的选择性、噪声系数、增益、灵敏度等都有重要影响。微波毫米波电路中常用的有基于金属波导的滤波器和基于微带线、共面线等平面电路的滤波器。基于金属波导的滤波器通常具有高Q、低损耗、选择性较好等优点，但其加工精度要求极高、成本高、体积大、与有源电路较难集成。而基于微带线、共面线等平面电路技术的滤波器虽易与有源电路集成，但通常存在较大的辐射，损耗大，Q值低，性能较差。辐射还易引起空间耦合，破坏电路工作稳定性。基片集成波导技术具有平面电路的易集成、制作方便等优点，又具有与金属波导滤波器近似的优良性能。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种双模圆形基片集成波导腔体滤波器，该滤波器具有陟峭的上边带过渡特性和改善的上边带阻带的可用带宽，提高实用性，同时具有易与有源电路集成，损耗较低，体积较小，成本低，容易大批量生产的优点。

技术方案：本发明的双模圆形基片集成波导腔体滤波器采用圆形基片集成波导腔体，腔体工作于双模模式下，其结构为：在介质基片下表面完全覆盖下表面金属层，在介质基片的上表面设有上表面金属层，上表面金属层包括金属层、三角形渐变线、输入和输出微带线；双模腔体为在介质基片中的金属层和下表面金属层上由多个金属化通孔形成的侧壁共同围成的两个圆形腔体，圆形腔体的圆周上分别设有第一耦合缝隙和第二耦合缝隙，两个相邻的圆形腔体之间的第二耦合缝隙由第二波导段连接，两个相邻的圆形腔体的第一波导段接第一耦合缝隙，结构关于中心旋转对称；三角形渐变线的外端接输入和输出微带线，三角形渐变线的内端接金属层并位于第一耦合缝隙外、第一波导段内。第一耦合缝隙和第二耦合缝隙关于腔体中心所张的角度α取值范围在110至于130度之间。

滤波器基于基片集成波导技术，以成圆形状排列的金属化通孔和介质上下表面的金属层围成圆形腔体。腔体为圆形超尺寸腔体，其尺寸选择使腔体二阶本征模频率等于滤波器上边带传输零点。腔体通过级联组成滤波器。

滤波器输入(和输出)为微带线，腔体通过缝隙与一段基片集成波导相耦合，基片集成波导再经一段三角形渐变线过渡到输入(和输出)的微带线。选择基片集成波导段长度远小于1/4波长，具体长度要经仿真优化。三角形线变线则依常规设计。

腔体之间由缝隙经一段基片集成波导相互耦合，基片集成波导宽度与缝隙宽度相等。加入的波导段用于调整腔体间耦合系数的幅度和相位，以实现双模滤波器的全部传输极点，其宽度与长度要优化产生。

任一腔体的两耦合缝隙关于腔体中心所张的角度一般在120度附近优化调整。它主要是用于在上边带阻带中再产生一个传输零点，以抵消腔体间加入基片集成波导段后在滤波器特性曲线的上阻带中产生的尖峰，从而展宽上阻带可用带宽，并增加阻带衰减。角度增加，零点频率增加，反之则减小。

一般合理设计的基片集成波导腔体与介质填充的金属腔体等效。级联的腔体经耦合缝隙相互耦合而形成滤波器。输入输出腔体通过耦合缝隙、基片集成波导、渐变线过渡至微带线，并通过微带线与外部电路连接。激励波经微带在腔体内激发振荡，由耦合腔体滤波后从输出端微带输出选频后的信号，完成滤波作用。本滤波器可视作一类新型的耦合谐振电路滤波器，因此设计可参考有关理论。

每个谐振单元(即腔体)形状、尺寸和耦合方式经适当选择工作在双模谐振方式下，其特性不仅具有等效于两级主模腔体的滤波特性，更由于其特有的零点安排，使滤波器上边带过渡更为陡峭，可用阻带也具有较宽的带宽。

有益效果：本发明的双模圆形基片集成波导腔体滤波器，每个腔体为滤波器贡献两个极点，在通带上边带紧邻通带处贡献一个传输零点，从而使上边带过渡特性陡峭，选择性变好。

由适当选择的腔体两个耦合缝隙之间的夹角再产生第二个传输零点，可展宽上边带的阻带宽度，并可提高上边带阻带衰减量。

圆形腔体的更高阶本征频率与双模滤波器通带频率之间间距高于其它形状腔体，因而上边带阻带的可用带宽更高。

输入的耦合方式过渡中加入了波导段，其截止频率高于腔体的主模，因此可抑制腔体的主模响应，改善了滤波器的下边带特性。其长度经优化后远小于以往此类过渡段长度但却不影响性能，滤波器总长度因此而缩小。

还具有有源电路集成方便的优点，腔体消除了辐射损耗，具有较高的Q值，上下表面均由金属化孔相连，接地和隔离方便，利用成熟的标准工业工艺，成本低。

附图说明

图1是本发明的总体结构示意图。图中有：双模腔体1，第一耦合缝隙21、第二耦合缝隙22，第一波导段31、第二波导段32，金属层4，渐变线5，输入和输出微带线6，金属化通孔7，介质基片8。

图2是本发明实施例的几何参数示意图。α为腔体的两耦合缝隙关于腔体中心所张的角度。各部分的外形尺寸W1～W6、L1～L6，腔体半径R。

图3为采集的数据绘制而成的图形，显示了较宽范围内包括阻带和通带的频率响应特性。

具体实施方式

本发明的双模圆形基片集成波导腔体滤波器采用圆形基片集成波导腔体，腔体工作于双模模式下，其结构为：在介质基片8下表面完全覆盖下表面金属层，在介质基片8的上表面设有金属层4、三角形渐变线5、输入和输出微带线6；双模腔体1为在介质基片8中的金属层4和下表面金属层上由多个金属化通孔7形成的侧壁共同围成的两个圆形腔体，圆形腔体的圆周上分别设有第一耦合缝隙21和第二耦合缝隙22，两个相邻的圆形腔体之间的第二耦合缝隙22由第二波导段32连接，两个相邻的圆形腔体的第一波导段31接第一耦合缝隙21，结构关于中心旋转对称；三角形渐变线5的外端接输入和输出微带线6，三角形渐变线5的内端接金属4并位于第一耦合缝隙21外、第一波导段31内.第一耦合缝隙21和第二耦合缝隙22关于腔体中心所张的角度α取值范围在110至于130度之间.

在中心频率约25GHz处实现双模圆形基片集成波导腔体滤波器实例，利用标准的印刷电路版(PCB)工艺制作，并测试了其整体性能。基片选用Rogers Duroid5880，其介质常数为2.2，厚度0.5mm。图2为实例真实结构，其中各几何参数分别取值如下(如果标注的端为孔，则以孔的中心为端点)，单位mm：

L1＝3.404，L2＝4.500，L3＝4.412，L4＝0.668，L5＝1.318，L6＝4.250，L7＝15.619，

W1＝4.080，W2＝3.930，W3＝1.920，W4＝1.500，W5＝5.500，W6＝24，角度α＝110°，金属化通孔的直径都为0.5mm，腔体半径R＝4.830mm。

标注为L1和L6的一段分别沿线有5和6个孔(含端点)，均匀分布。构成腔体的两段沿圆弧分布的孔分别有21和7个(含端点)，沿弧均匀分布。孔的直径是指孔的金属层的外径，在所用孔为非实心孔时尤其应注意这一点。孔径的准确性对性能有较大影响，一般加工程序中会有一个补偿处理，即在标称值上增加约0.1mm钻孔，这将带来显著误差，在制作样本时必须明确要求金属化孔不能作补偿。构造滤波器时首先固定各耦合缝隙两侧的金属化孔位置和孔的数量，其余孔按均匀分布原则复制而成。滤波器样本在自制测试夹具上测试，下述所有测试数据中的S21都包含两个2.4mm同轴接头和同轴向微带的过渡引入的共约0.75dB插入损耗。测试设备为安捷伦(Agilent)矢量网络分析仪E8363B。

图3为采集的数据绘制而成的图形，显示了较宽范围内包括阻带和通带的频率响应特性。从测试结果中可以发现，滤波器插入损耗2.46dB(扣除接头等的损耗，滤波器的实际插入损耗为1.71dB)。3dB频带为24.36-25.59GHz，带宽为1.23GHz。若阻带定义为S21＜-40dB，则上边带从-3dB过渡到-40dB的过渡带为0.41GHz，阻带范围为26.00GHz-31.57GHz，宽5.57GHz。实际上，阻带的绝大部分频率范围内阻带衰减超过47dB.结果显示，滤波器具有优良性能。

Claims (2)

1.一种双模圆形基片集成波导腔体滤波器，其特征在于采用圆形基片集成波导腔体，腔体工作于双模模式下，其结构为：在介质基片(8)下表面完全覆盖下表面金属层，在介质基片(8)的上表面设有金属层(4)、三角形渐变线(5)、输入微带线和输出微带线(6)；双模腔体(1)为在介质基片(8)中的金属层(4)和下表面金属层上由多个金属化通孔(7)形成的侧壁共同围成的两个圆形腔体，在两个圆形腔体的圆周上分别都设有第一耦合缝隙(21)和第二耦合缝隙(22)，两个相邻的圆形腔体之间的第二耦合缝隙(22)由两个相邻的圆形腔体之间的第二波导段(32)连接，两个相邻的圆形腔体的第一耦合缝隙(21)接第一耦合缝隙(21)与三角形渐变线(5)之间的第一波导段(31)；三角形渐变线(5)的外端接输入微带线和输出微带线(6)，三角形渐变线(5)的内端接金属层(4)并位于第一耦合缝隙(21)外、第一波导段(31)内；该双模圆形基片集成波导腔体滤波器的整个结构是关于中心旋转对称的；其中，第一波导段(31)和第二波导段(32)是在介质基片上由上下表面的金属层及连接上由上下表面金属层的金属化通孔围成的基片集成波导构成的。

2.根据权利要求1所述的双模圆形基片集成波导腔体滤波器，其特征在于同一个圆形腔体上的第一耦合缝隙(21)和第二耦合缝隙(22)关于腔体中心所张的角度α取值范围在110至130度之间。

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