CN201174412Y - 基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器 - Google Patents

Abstract

基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器涉及一种毫米波滤波器，该滤波器使用基片集成波导高次模圆形腔体实现，可以应用于通信系统等领域中，特别适用于高频，低损耗以及集成度高的应用场合。该双模圆形腔体滤波器采用基片集成波导技术，在介质基片(1)上、下表面敷有上表面金属铜(7)和下表面金属铜(8)，金属化通孔阵列(2)贯穿于介质基片(1)和上表面金属铜(7)、下表面金属铜(8)；由金属化通孔阵列围成一个圆形腔体(3)的结构，在圆形腔体的圆周上设有第一感性耦合孔(61)、第二感性耦合孔(62)，该两个感性耦合孔的中心线相垂直，在第一感性耦合孔外设有第一金属化通孔(4)，在第二感性耦合孔外设有第二金属化通孔(5)。

Description

基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种毫米波滤波器，该滤波器使用基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide SIW)高次模圆形腔体实现，可以应用于通信系统等领域中，特别适用于高频，低损耗以及集成度高的应用场合。

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值、低损耗、选择性较好等优点，但其加工精度要求高、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。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。基片集成波导腔体滤波器可以用普通PCB工艺实现，加工成本低，制作周期短，其原理是以金属化的周期性通孔替代金属壁来实现的。当频率很高时，金属化通孔的实现会受到加工工艺的限制，无法制作出很小，精度足够高的通孔，另外，滤波器性能会因腔体尺寸过小而受金属化通孔的影响过大，导致无法在高频波段利用PCB工艺设计加工出可靠，性能稳定的滤波器，使基片集成波导技术在高频范围的使用上受到限制。此外，普通基片集成波导滤波器更适合高品质因素的窄带滤波器，设计宽带滤波器需要更多的腔体进行级联，给设计带来了复杂性。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提出一种基片集成波导高次双模圆形腔体滤，波器它一方面用于解决在高频领域SIW主模滤波器因腔体过小而性能受到金属化通孔影响过大，导致无法设计加工的矛盾，另一方面提供了一种设计简单易行，工作带宽较大的毫米波滤波器设计思路。该滤波器使用单层PCB板实现，具有插损小、容差大、成本低、便于集成和批量生产等优点。

技术方案：本实用新型提供了一种具有平坦的带通特性，较好的选择性，非常适合于毫米波领域的基于基片集成波导技术和高次模理论的双模圆形腔体滤波器。它采用了正交的输入和输出，不需要复杂的调试。

本实用新型的基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器采用基片集成波导技术，在介质基片上、下表面敷有上表面金属铜和下表面金属铜，金属化通孔阵列贯穿于介质基片和上表面金属铜、下表面金属铜；由金属化通孔阵列围成一个圆形腔体的结构，在圆形腔体的圆周上设有第一感性耦合孔、第二感性耦合孔，该两个感性耦合孔的中心线相垂直，在第一感性耦合孔外设有第一金属化通孔，在第二感性耦合孔外设有第二金属化通孔；感性耦合孔将能量引入和导出腔体，第一金属化通孔和第二金属化通孔分别对应于滤波器腔体的输入和输出端。

第一感性耦合孔、第二感性耦合孔的宽度a为4.0mm。

圆形腔体的半径width为5.46mm。

金属化通孔的直径vr为0.8mm。

有益效果：该滤波器克服了由于频率过高导致腔体过小而无法用基片集成波导技术实现高性能滤波器的矛盾。用基片集成波导在Ka以上波段设计制作主模滤波器时，由于腔体过小，与金属化通孔尺寸在一个数量级上，设计所允许的容差将大大减小，加工也变得极其困难。通过采用高次模而增大腔体尺寸，使设计、制作都变得可实现。

高次模腔体具有更高的无载Q值，而圆形腔体又是所有腔体中Q值最高的，因此该滤波器具有极小的插损。

圆形腔体的另一个优点是具有非常高的可接受容差，较其它腔体，它受加工误差的影响最小，因此设计和仿真的结果最接近。

该圆形腔体滤波器传输特性的的一个显著特点是两边均具有传输零点，传输零点距离通带较远，并且上下边带比较对称，这带来的好处是通带比较平坦，带宽比较大，上下近似于对称的响应特性给腔体级联带来了方便，可以使用两个完全对称的双模圆形腔体实现四个极点，两个零点的宽带滤波器，设计实现非常简单。

该滤波器的制作全部利用成熟的标准工业工艺，成本低，容易批量生产，封闭结构因而辐射小，隔离和抗干扰能力强，容易与有源平面电路集成。

附图说明

图1为基片集成波导圆形腔体高次双模滤波器结构图，其中图1(a)为正面视图，图1(b)为金属化通孔阵列2的结构示意图。

图2为基片集成波导圆形腔体高次双模滤波器单腔传输特性及模式电场图，腔体参数为width＝5.46mm，vr＝0.8mm，a＝4.0mm.，ε_r＝2.2，h＝0.5mm。

图3为实施例1和实施例2中的两腔双模滤波器结构图。

图4为实施例1滤波器传输特性图，实线为测试结果，虚线为仿真结果。

图5为实施例2滤波器传输特性图，实线为测试结果，虚线为仿真结果。以上的图中有：介质基片1，金属化通孔阵列2，圆形腔体3，感性金属耦合窗31，两个对称的圆形双模腔体32，用于测试的输入输出微带线33，第一金属化通孔4，第二金属化通孔5，第一感性耦合孔61，第二感性耦合孔62，上表面金属铜7，下表面金属铜8。

具体实施方式

该双模腔体滤波器的结构如图1所示，它采用了基片集成波导技术，包括介质基片1，在介质基片1上下表面所敷的上表面金属铜7、下表面金属铜8，以及贯穿于上表面金属铜7、下表面金属铜8的金属化通孔阵列2。圆形腔体3内部为标准的圆形结构，第一感性耦合孔61、第二感性耦合孔62将能量引入和导出腔体。第一金属化通孔4、第二金属化通孔5分别对应于滤波器腔体的输入和输出，由它们连向外部电路，可连向微带线或其它基片集成波导器件，它们还可以抑制低次模式的进入。此滤波器所用模式为TM₂₁₀模和准TM₀₂₀模，输入输出夹角为90°，均指向圆心。图2展示了单个腔体的传输特性和以及所用模式的电场图。

实施例1Ka波段两腔双模滤波器

滤波器结构如图3所示。31为感性金属耦合窗，32为两个对称的圆形双模腔体，33为用于测试的输入输出微带线。单个基片集成波导圆形腔体的半径为5.45mm，整个滤波器由两个完全相同的腔体折叠组成，布局比较紧凑，整个滤波器呈中心对称。基片采用了Rogers5880，介电常数为2.2，厚0.5mm，更高介电常数的基片可以减小腔体尺寸。滤波器的实测传输特性如图4实线所示，实测损耗大约为1.7dB，该损耗是包含了测试接头，微带馈电线及渐变线带来的损耗，扣除这些影响，滤波器的实际损耗会更小。滤波器设计在Ka波段，中心频率为30.5GHz，实测带宽约为3.8GHz，可以发现，测试结果和仿真结果高度吻合，滤波器的损耗也非常小。这是圆形腔体的主要优势，Q值高，损耗小，可接受容差也比较大，对加工误差不敏感。此滤波器的带宽较大，达到了12.5％，这也是该圆形高次模腔体的一个特点，可以适用于某些特殊场合。

实施例2Q波段两腔双模滤波器

为了更好地验证出圆形高次双模滤波器的特性，实施例2在Q波段设计了一个同样原理的两腔滤波器，它由两个完全相同的圆形腔体折叠组成，整个滤波器呈中心对称。圆形腔体的半径大小为4mm，基片采用了厚为0.254mm的Rogers5880，介电常数为2.2。滤波器的实测传输特性如图6实线所示，实测损耗大约为2.39dB，包含了测试接头，微带馈电线及渐变线的损耗。滤波器设计在Q波段，3dB通带带宽大约从39.3GHz到44.3GHz，相对带宽为12％。测试结果和仿真结果非常吻合，带内四个极点和带外的零点都非常明显，滤波器的损耗也非常小。通过调节孔径耦合窗的大小，可以很方便的调节滤波器的带宽。此滤波器的参数比较少，设计比较简单。

Claims (4)

1.一种基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器，其特征在于该双模圆形腔体滤波器采用基片集成波导技术，在介质基片(1)上、下表面敷有上表面金属铜(7)和下表面金属铜(8)，金属化通孔阵列(2)贯穿于介质基片(1)和上表面金属铜(7)、下表面金属铜(8)；由金属化通孔阵列(2)围成一个圆形腔体(3)的结构，在圆形腔体(3)的圆周上设有第一感性耦合孔(61)、第二感性耦合孔(62)，该两个感性耦合孔的中心线相垂直，在第一感性耦合孔(61)外设有第一金属化通孔(4)，在第二感性耦合孔(62)外设有第二金属化通孔(5)；感性耦合孔将能量引入和导出腔体，第一金属化通孔(4)和第二金属化通孔(5)分别对应于滤波器腔体的输入和输出端。

2.根据权利要求1所述的基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器，其特征在于第一感性耦合孔(61)、第二感性耦合孔(62)的宽度a为4.0mm。

3.根据权利要求1所述的基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器，其特征在于腔体半径width为5.46mm，它可以控制通带频率位置。

4.根据权利要求1所述的基片集成波导高次双模圆形腔体滤波器，其特征在于金属化通孔的直径vr为0.8mm。

Images