CN201178126Y - 基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器 - Google Patents

Abstract

基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器的介质基片(1)上表面和下表面分别敷有上表面金属(7)和下表面金属(8)，金属化通孔阵列(2)贯穿于介质基片(1)、上表面金属(7)和下表面金属(8)；起调节不同模式的本征频率以及模式间的耦合作用的第一感性柱(3)和第二感性柱(4)位于金属化通孔阵列(2)围成的方形腔体内部；方形腔体相邻的两条边上分别设有第一金属柱感性窗(7)、第二金属柱感性窗(8)，腔体通过金属柱感性窗实现能量的输入和输出耦合；第一金属化通孔阵列(5)和第二金属化通孔阵列(6)分别位于第一金属柱感性窗(7)、第二金属柱感性窗(8)，对应于滤波器腔体的输入和输出，它们和外部电路相连接。

Description

基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器

技术领域

本实用新型涉及一种应用于毫米波电路、军用和民用通信系统等领域中的滤波器技术，该类滤波器采用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide SIW)高次模方形腔体并结合了多模技术，特别适合于高频，高性能并要与系统实现平面集成的应用场合。

背景技术

传统的毫米波滤波器通常采用波导或微带线结构，但是它们各有一些难以克服的缺点。对于微带或带状线之类的平面结构滤波器，它们具有体积小，加工简单等优点，但存在功率容量低，损耗大，因结构开放而不便密封等缺点，因而只适用于低频，功率小的电路系统。波导类滤波器功率容量高，损耗低，性能优异，但是加工成本高，且不适合与现代平面电路集成。基片集成波导(SIW)在一定程度上综合了两者的优点，在保持传统波导滤波器高功率容量、低损耗优点的同时，还保留了一般平面传输线滤波器易于集成、轻量化、易加工等优点。基于基片集成波导技术的滤波器可以用普通的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，金属化通孔的一般加工极限是直径0.3mm。这在Ka波段及Ka以下波段没有什么问题，但是当频率很高时，滤波器腔体尺寸将不断减小，直至腔体尺寸和金属化通孔的尺寸可比拟时，滤波器性能将直接受到金属化通孔的影响，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。

发明内容

技术问题：本实用新型的目的是提出一种基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器，它很好的解决了在高频阶段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，同时利用多模技术，减少了腔体个数，提高了选择性，它非常适合用于毫米波通信领域。此类多模滤波器使用单层PCB板实现，具有低插损、功率容量大、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类基于SIW技术，高次模腔体理论以及多模特性的滤波器。采用了方形腔体，所用模式均高于腔体第二个模式，通过设置感性柱来调节模式间的匹配及其本征频率，对于单个的腔体，采用正交的输入输出，以产生所需的传输零点。

滤波器的介质基片上表面和下表面分别敷有上表面金属和下表面金属，金属化通孔阵列贯穿于介质基片、上表面金属和下表面金属；起调节不同模式的本征频率以及模式间的耦合作用的第一感性柱和第二感性柱位于金属化通孔阵列围成的方形腔体内部；方形腔体相邻的两条边上分别设有第一金属柱感性窗、第二金属柱感性窗，腔体通过金属柱感性窗实现能量的输入和输出耦合；第一金属化通孔阵列和第二金属化通孔阵列分别位于第一金属柱感性窗、第二金属柱感性窗，对应于滤波器腔体的输入和输出，它们和外部电路相连接。通过调节第一金属化通孔阵列和第二金属化通孔阵列，可以利用波导截止频率理论，将主模及其它低次模的影响抑制或减弱。构成等效金属壁的金属化通孔的直径vr＝0.4mm，相邻通孔间的间隔为vs＝0.8mm。

各个方形腔体所用的模式均有所不同，其中第一个方形腔体双模滤波器是采用了对边TE₂₀₂模和准TM₀₂₀模，其模式图和传输特性见图1(b)示。图2中的双模方形腔体利用了对角TE₂₀₂模和对边TE₂₀₂模，它的一个特点是利用了是利用了感性金属柱和进行了模式和本征频率调协。图3展示了一个性能优良的基片集成波导三模腔体滤波器，同理，感性金属柱和起调节模式本征频率的作用。模式之间的耦合以及输入输出之间的耦合产生了预期的传输零点，很好的改善了带外选择性。

有益效果：这类滤波器很好的解决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，可接受容差也改善很多。

高次模腔体具有更高的无载Q值，特别是对于圆形和方形腔体，因此该类滤波器具有较小的插损。

双模和三模滤波器的传输零点很好地改善了带外衰减特性。由一个腔体所贡献的多个极点使通带更加平坦，由此避免了使用单个模式设计滤波器时不同腔体之间的级联，由此减小了插损和滤波器体积。尽管此类滤波器工作于高次模式，通过结构的折叠和腔体数目的减少，它们仍显得非常紧凑。

这类滤波器的制作非常简单，全部利用成熟的标准工业工艺，成本低而精度高，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。比如，仅用单层PCB板(如图3和图4示)便实现了三模滤波器，调查显示目前这在世界范围内还是首例。

附图说明

图1基于对边TE₂₀₂模和准TM₀₂₀模的方形腔体基片集成波导双模滤波器，其中图(a)为腔体结构图，图(b)为传输特性及模式电场图，width＝10.4mm，vr＝0.4mm，vs＝0.8mm，a＝3.29mm。

图2基于对边TE₂₀₂模和对角TE₂₀₂模的方形腔体基片集成波导双模滤波器，其中图(a)为腔体结构图，图(b)为传输特性及模式电场图，vr＝0.4mm，vs＝0.8mm，r₁＝0.3mm，r₂＝0.8mm，shift＝0.61mm，width＝10.2mm，a＝3.13mm，dis₁＝0.25mm，dis₂＝3.1mm。

图3基于对边TE₂₀₂模，对角TE₂₀₂模以及准TM₀₂₀模(如图1和图2示)的方形腔体基片集成波导三模滤波器，图(a)为腔体结构图，图(b)为传输特性图，vr＝0.4mm，vs＝0.8mm，v₁＝0.6mm，v₂＝0.6mm，shift₁＝0.52mm，shift₂＝0.48mm，width＝10.23mm，length＝10.26mm，a＝3.66mm，b＝3.72mm，d₁＝4.09mm，d₂＝3.68mm，c₁＝3.74mm，c₂＝3.8mm。

图4侧视结构图，ε_r＝2.2，h＝0.5mm。

图5实施例1结构图。

图6实施例1中的传输响应图，其中实线为测试结果，虚线为仿真结果。

图7实施例2结构图。

图8实施例2单腔三模滤波器传输特性图，实线为测试结果，虚线为仿真结果。

图9实施例3结构图。

图10实施例3滤波器的传输响应图。(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、第一感性柱3、第二感性柱4、第一金属化通孔阵列5、第二金属化通孔阵列6上表面金属7、下表面金属8。

具体实施方式

基片集成波导高次模方形腔体多模滤波器(如图1-4所示)包括一块介质基片1，在介质基片1上表面和下表面所敷的上表面金属7、下表面金属8，一般为铜，以及贯穿于上表面金属7、下表面金属8的金属化通孔阵列2。图2和图3中腔体内部的感性柱3和感性柱4是起调节不同模式的本征频率以及模式间的耦合作用的。腔体通过金属柱感性窗实现能量的输入和输出耦合。金属化通孔阵列5和金属化通孔阵列6分别对应于滤波器腔体的输入和输出，它们和外部电路相连接.通过调节第一金属化通孔阵列5、第二金属化通孔阵列6，可以利用波导截止频率理论，将主模及其它低次模的影响抑制或减弱。各个方形腔体所用的模式均有所不同，其中第一个方形腔体双模滤波器是采用了对边TE₂₀₂模和准TM₀₂₀模，其模式图和传输特性见图1(b)示。图2中的双模方形腔体利用了对角TE₂₀₂模和对边TE₂₀₂模，它的一个特点是利用了是利用了第一感性柱3、第二感性柱4进行了模式和本征频率调协。图3展示了一个性能优良的基片集成波导三模腔体滤波器，同理，第一感性柱3、第二感性柱4起调节模式本征频率的作用。模式之间的耦合以及输入输出之间的耦合产生了预期的传输零点，很好的改善了带外选择性。

实施例1基于两个方形SIW双模腔体的Q波段滤波器

滤波器设计实物结构如图5所示。图1所示的双模腔体51，图2所示的双模腔体52，用于测试的微带馈电线及其渐变线53，介质基片上的金属铜55。单个基片集成波导双模腔体的尺寸小于7mm×7mm，整个滤波器由两个不同的方形双模腔体折叠组成，显得非常小巧紧凑，基片采用了Rogers5880材料，介电常数为2.2，厚0.254mm，如果使用更高介电常数的基片，腔体尺寸将进一步减小。滤波器的实测传输特性如图6实线所示，实测损耗大约为4.38dB，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，如果扣除这些影响，滤波器的实际损耗应在3dB以内。滤波器设计在Q波段，带内回波损耗优于-13.5dB，根据实用设计指标，中心频率定为46GHz，带宽为2GHz，实测滤波器带宽约为1.75GHz，误差主要来自加工缺陷，这可从实物图发现，有些通孔偏离了位置。

实施例2Q波段单腔三模滤波器

为了验证三模滤波器的特性，设计实现了单个方形腔体的三模滤波器，结构如图7所示。输入输出感性窗耦合71，图3所示的三模腔体72，用于测试的输入输出微带馈电及其渐变线73。腔体尺寸大约为7mm×7mm，基片仍然采用了厚0.254mm，介电常数为2.2的Rogers5880材料。为了便于测试，将微带馈电线进行了90度的偏折，整个三模腔体均由金属通孔实现，加工非常简单。滤波器的仿真和测试响应如图8所示，滤波器的测试插损大约为2.48dB，这已经包括了微带馈电线以及测试接头的影响，实际滤波器损耗在1.1dB左右，滤波器的回波损耗优于-21dB。测试和仿真结果非常吻合，在滤波器的上下边带，可以发现3个很明显的零点，很好的提高了滤波器的选择性，带内有三个极点，使滤波器的通带趋于平整，不足之处是滤波器的上边带效果略差。

实施例3基于方形三模腔体和圆形双模腔体的Q波段滤波器

实施例3将方形三模腔体应用到了一个两腔滤波器中，已期获得更好的性能。该滤波器的实物结构如图9所示。用于测试的微带馈电及其渐变线91，图3所示的三模腔体92，一圆形双模腔体93。圆形双模腔体具有较大的通带带宽以及更好的上边带。该滤波器所用的基片为0.254mm厚，介电常数为2.2的Rogers5880材料。滤波器包括微带线和渐变线，用于测试的50欧姆微带线，用于阻抗匹配的渐变线，以及一个圆形腔体和一个方形三模腔体。测试结果如图9所示，滤波器测试插损大约为3.2dB，如果除去接头和微带的影响，实际损耗应在2dB左右。测得带内回波损耗优于-15.5dB，测得的3dB带宽约为4GHz，从42.8GHz到46.8GHz。可发现实测结果和仿真结果非常吻合。该滤波器的上下边带均表现出优异的性能，很快便下降到-30dB以下，通带非常平整。在Q波段仅用两腔便实现了如此高性能的滤波特性，显示出本类设计方法的优越性。该滤波器的腔体尺寸可以进一步缩小，相信可以应用于更高的频段，实现和加工都非常简单可靠。对于工作于主模的SIW腔体滤波器，如果使用相同的基片，其腔体尺寸大约为3.2mm×3.2mm，这对于加工的要求将非常高，可允许容差将非常小，金属化通孔对整体性能的影响将非常大。

Claims (2)

1.一种基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器，其特征在于该滤波器的介质基片(1)上表面和下表面分别敷有上表面金属(7)和下表面金属(8)，金属化通孔阵列(2)贯穿于介质基片(1)、上表面金属(7)和下表面金属(8)；起调节不同模式的本征频率以及模式间的耦合作用的第一感性柱(3)和第二感性柱(4)位于金属化通孔阵列(2)围成的方形腔体内部；方形腔体相邻的两条边上分别设有第一金属柱感性窗(7)、第二金属柱感性窗(8)，腔体通过金属柱感性窗实现能量的输入和输出耦合；第一金属化通孔阵列(5)和第二金属化通孔阵列(6)分别位于第一金属柱感性窗(7)、第二金属柱感性窗(8)，对应于滤波器腔体的输入和输出，它们和外部电路相连接；通过调节第一金属化通孔阵列(5)和第二金属化通孔阵列(6)，可以利用波导截止频率理论，将主模及其它低次模的影响抑制或减弱。

2.根据权利要求1所述的基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器，其特征在于构成等效金属壁的金属化通孔的直径vr＝0.4mm，相邻通孔间的间隔为vs＝0.8mm。

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