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新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器

阅读：60发布：2021-07-05

专利汇可以提供新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器。该滤波器包括:以矩形谐振腔作为基本谐振单元，谐振腔间开窗实现磁耦合，开蛇形槽实现电耦合，输入输出采用微带线-共面波导结构。矩形SIW谐振腔是在介质基片上加载周期性的金属化通孔。采用两腔间上下金属面开中心轴对称的蛇形槽结构实现电容性耦合，调试方便，加工简单，适合滤波器的小型化设计；所述输入输出结构采用微带线-共面波导结构形式，此结构使用共面波导与输入输出50欧姆微带线直接相连，这样就无需为端口匹配做额外的过渡设计，简化了复杂度。本滤波器结构紧凑，提高了带外抑制特性，具有更好抑制杂散和分离信号的性能，满足了现代无线通信小型化、高性能的要求。，下面是新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，包括:以矩形基片集成波导谐振腔作为基本谐振单元；每个谐振单元由底层金属层（1）、顶层金属层（3）、中间介质基片（2）和四排周期性排布的金属化通孔（4）围成谐振腔构成，其特征在于：相邻谐振腔间通过感性窗口（8）实现磁耦合，或者通过在腔上下金属层上刻蚀蛇形槽（9）实现电耦合；输入与输出结构采用共面波导（7）与输入、输出50欧姆微带线（5、6）直接相连，便于实现外部Q值。
2.根据权利要求1所述的新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，其特征在于相邻谐振腔和耦合结构是对称的，所述磁耦合的结构和电耦合的结构，均位于相邻两基片集成波导谐振腔的中心，适合滤波器的小型化设计。
3.根据权利要求1所述的新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，其特征在于所述介质基片（2）采用材料F4BM265，各个矩形基片集成波导谐振腔底层金属层（1）与顶层金属层（3）和金属化通孔（4）等金属镀层是导电性能好的金属材料，减少滤波器插入损耗。
4.根据权利要求1所述的新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，其特征在于输入输出的结构是使用输入、输出50欧姆微带线（5、6）与共面波导（7）直接相连，简化复杂度。
5.根据权利要求1所述的新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，其特征在于所述耦合采用四阶交叉耦合结构，由A1、A2、A3、A4四个交叉耦合形成拓扑结构，其中分别连接输入和输出的A1与A4交叉耦合具有电耦合特性，实现带外具有两个传输零点，而其余相邻谐振腔间的交叉耦合为磁耦合结构，大大提高了滤波器的带外抑制特性，满足了滤波器的高性能要求，同时其结构紧凑，调试方便，加工简单，可应用范围广泛于低成本高性能的滤波器设计中。

说明书全文

新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器

技术领域

[0001] 本发明涉及一种新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，属于雷达系统领域,在实现滤波器小型化的同时，具有更好抑制杂散和分离信号的性能。

背景技术

[0002] 随着无线通信技术的发展，微波毫米波通信系统的业务日益繁多，频率资源日渐紧张，微波毫米波电路迫切需要向着高性能、小型化、低成本的方向迅速发展。微波滤波器是雷达系统、无线通信系统的关键组成部分，一般用来组合或者分离不同频段的信号。为满足现代无线电技术发展的需要，现代微波滤波器在具备高性能的同时，还需具备小型化、高集成度的特点。

[0003] 基片集成波导（SIW）是近年来提出的一种新的导波结构，具体结构见说明书附图1，通过周期性金属通孔实现的这种波导结构继承了波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了微带的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点，SIW技术已经被广泛应用于设计各种微波和毫米波器件。目前已经实现了多种无源器件，比如滤波器、天线、耦合器、功分器等，将SIW技术应用到滤波器的设计中，使微波滤波器的实现形式变得更加丰富，结构更加灵活，同时电路性能也得到大幅提升，本发明基于SIW技术，设计了一种新型C波段交叉耦合带通滤波器，该滤波器结构紧揍，通过引入传输零点，提高了带外抑制特性，具有更好抑制杂散和分离信号的性能，满足了现代无线通信小型化、高性能的要求。

发明内容

[0004] 本发明滤波器的目的在于针对市场上应用的通信系统中的腔体滤波器体积较大，带外抑制特性不好的缺陷，提供一种新型交叉耦合基片集成波导（SIW）带通滤波器，该滤波器的中心频率都为6.16GHz，带宽为280MHz，通过引入交叉耦合使其带外具有很强的抑制能力，并且带内损耗低，结构更加紧揍，同时还有很好的谐波抑制能力。

[0005] 为达到上述目的，本发明的构思是：（1）采用SIW矩形谐振腔结构做基本单元，便于在HFSS中建模与调节。

[0006] （2）SIW矩形谐振器之间通过开窗实现磁耦合，电耦合则通过在谐振器上下金属面上开中心轴对称的蛇形槽来实现。

[0007] （3）采用微带线—共面波导激励，输入输出采用50欧姆微带线，50欧姆同轴探头可直接焊接在微带线上，因为探头与微带线有良好的接触，结构稳定。

[0008] （4）新发明的SIW腔体滤波器采用四阶交叉耦合结构，其中交叉耦合具有电耦合特性，其结构调试方便，加工简单，应用范围更为广泛。

[0009] 根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：一种新型SIW交叉耦合滤波器，包括:以矩形谐振腔作为基本谐振单元，每个谐振单元由底层金属层、顶层金属层、中间介质基片和四排周期性排布的金属化通孔围成谐振腔构成，其特征在于：相邻谐振腔间通过感性窗口实现磁耦合，或者通过在腔上下金属层上刻蚀蛇形槽实现电耦合；输入与输出结构采用共面波导与输入、输出50欧姆微带线直接相连，便于实现外部Q值。

[0010] 所述的矩形SIW谐振腔是在介质基片上加载周期性的金属化通孔，从而形成的一种矩形类波导结构，采用两腔间上下金属面开中心轴对称的蛇形槽结构实现电容性耦合，适合滤波器的小型化设计。

[0011] 所述输入输出结构采用微带线-共面波导结构形式，此结构使用共面波导与输入输出50欧姆微带线直接相连，这样就无需为端口匹配做额外的过渡设计，简化了复杂度。

[0012] 所述各个谐振腔表面和金属化通孔等金属镀层可以是导电性能较好的金属材料，如金、或银、或铜，减少滤波器插入损耗。

[0013] 所述的相邻腔体间的耦合结构和谐振器是对称结构，可用奇偶模理论进行分析。

[0014] 本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：??本发明滤波器采用新型的交叉耦合结构，较传统的交叉耦合结构，简化了结构复杂度，调试方便，通过引入传输零点，提高了带外抑制能力，满足了现代滤波器设计高性能的要求。

[0015] ??输入输出结构是共面波导与输入输出50欧姆微带线直接相连，这样就无需为端口匹配做额外的过渡设计，简化了复杂度，缩小了滤波器的体积，满足了现代滤波器设计小型化的要求。

[0016] ??采用SIW矩形腔结构，滤波器结构紧凑，降低了调试、加工的复杂度，缩短了滤波器设计周期。

附图说明

[0017] 图1 是SIW结构示意图。

[0018] 图2 是图1的3维剖析示意图。

[0019] 图3 是本发明的矩形SIW谐振腔单元的3维结构示意图。

[0020] 图4 是图3的顶视平面结构示意图。

[0021] 图5 是图3的侧视平面结构示意图。

[0022] 图6 是本发明的终端外界Q 值求解的3维结构示意图。

[0023] 图7 是图6的剖析示意图。

[0024] 图8 是图6的顶视平面结构示意图。

[0025] 图9 是本发明的相邻矩形SIW谐振腔间磁耦合3维结构示意图。

[0026] 图10 是图9的剖析示意图。

[0027] 图11 是图10的俯视平面结构示意图。

[0028] 图12 是本发明的相邻矩形SIW谐振腔间电耦合3维结构示意图。

[0029] 图13 是图12的剖析示意图。

[0030] 图14 是图12的顶视平面结构示意图。

[0031] 图15 是本发明的新型交叉耦合SIW带通滤波器电路拓扑结构图。

[0032] 图16 是本发明的新型交叉耦合SIW带通滤波器HFSS模型图。

[0033] 图17 是图16的顶视平面结构示意图。

[0034] 图18 是本发明的新型交叉耦合SIW带通滤波器仿真频率响应图。

具体实施方式

[0035] 下面结合附图对本发明的一个优选实施例作详细说明：实施例一：
参见图1~17本新型交叉耦合基片集成波导带通滤波器，包括:以矩形基片集成波导谐振腔作为基本谐振单元；每个谐振单元由底层金属层（1）、顶层金属层（3）、中间介质基片（2）和四排周期性排布的金属化通孔（4）围成谐振腔构成，其特征在于：相邻谐振腔间通过感性窗口（8）实现磁耦合，或者通过在腔上下金属层上刻蚀蛇形槽（9）实现电耦合；输入与输出结构采用共面波导（7）与输入、输出50欧姆微带线（5、6）直接相连，便于实现外部Q值。

[0036] 实施例二：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述相邻谐振腔和耦合结构是对称的；
所述磁耦合的结构和电耦合的结构，均位于相邻两基片集成波导谐振腔的中心；所述介质基片（2）采用材料F4BM265，各个矩形基片集成波导谐振腔底层金属层（1）与顶层金属层（3）和金属化通孔（4）等金属镀层是导电性能好的金属材料，减少滤波器插入损耗；所述的输入输出的结构是使用输入、输出50欧姆微带线（5、6）与共面波导（7）直接相连，简化复杂度；所述耦合采用四阶交叉耦合结构，由A1、A2、A3、A4四个交叉耦合形成拓扑结够，其中分别连接输入和输出的A1与A4交叉耦合具有电耦合特性，实现带外具有两个传输零点，而其余相邻谐振腔间的交叉耦合为磁耦合结构，大大提高了滤波器的带外抑制特性，满足了滤波器的高性能要求，同时其结构紧凑，调试方便，加工简单，可应用范围广泛于低成本高性能的滤波器设计中。

[0037] 实施例三：本实施例是基于SIW技术，图1给出了SIW结构及尺寸关系示意图，SIW结构是由是由介质基片2、底层金属1、顶层金属3和金属化通孔4组成的类波导结构，同时还兼有体积小、造价低、易于加工和集成的优异特性，文中所用的矩形SIW谐振腔单元仿真模型如图3所示，通过调谐矩形腔的长度来控制滤波器的中心频率，调试方便。

[0038] 根据基片集成波导理论和滤波器综合理论，本发明的滤波器设计指标要求为：中心频率 =6.16GHz，带宽BW=280MHz，带内回波损耗为20dB，在偏离中心频率300MHz处，衰减大于30dB；根据广义切比雪夫滤波器综合理论，可在带外设置两个传输零点，最终可得：
⒈终端外界Q值：[ ] = [20.863，20.863]
⒉耦合系数：[ ， ]=[0.0402，0.0399，0.0402，-0.0053]
参见图3~5，本文选择模作为谐振腔的谐振模式，由于SIW的场分布及传播特性与传统的金属波导相似,因此,其谐振腔的初始尺寸可由金属波导的谐振频率方程公式（1）求得：
(1)
其中和分别是腔体的宽和长修正值，
(2)
式中: d为金属通孔4的直径，p为通孔的间距，为光速，为介质基片2的相对介电常数。在这里选用的介质基片为F4BM265，相对介电常数??r=2.65，介质基片厚度h=1mm，底层金属1和顶层金属3均采用铜箔，d取2mm，p 取3mm，在单腔模型仿真4中，先固定宽度a=21mm，通过调节SIW腔体的长度可使谐振腔谐振在中心频率处。

[0039] 参见图6~8，在设计滤波器时，首先会给出滤波器的设计指标。由这些设计指标我们可以综合出滤波器的低通原型，并可由此确定滤波器的外部品质因数。特别之处是：在所述单腔模型基础上，输入5和输出6是50欧姆微带线，使用共面波导7激励，采用双端加载的方式，利用电磁仿真软件HFSS进行S 参数仿真，其仿真模型如图6所示，外部品质因素Q的计算公式如下所示：(3)
其中f0是谐振器的中心频率，f-3dB为模型对应的仿真参数S21下降至3dB时所对应的带宽，参见图8，这种结构影响外部品质因数的参数有两个：Lsot和gap，为了便于调节，本发明采用固定参量gap=0.5mm，通过调节参量Lsot，利用公式（3）分别拟合出外部品质因数Q, 从而可得到理论求得的外部Q 对应的输入输出初始尺寸，共面波导激励方式一个突出的优点，就是此结构使用共面波导与输入输出50微带线直接相连，这样就无需为端口匹配做额外的过渡设计，简化了复杂度。

[0040] 参见图9~14，本滤波器谐振腔之间属于弱耦合，相邻两腔的耦合系数K 可由下式求得：上式中f1、f2 分别为S21中的高低两个谐振峰频率，它们略低于单个腔体主模频率。在交叉耦合的情况下必须考虑耦合系数的正负号问题。在这里不妨定义磁耦合为正，本实施例涉及两种耦合方式：磁耦合，电耦合；在电磁仿真软件HFSS中，利用本征模仿真，相邻两个谐振腔尺寸相同，它们之间的磁耦合系数K 的求解模型如图9~11。其中影响耦合量大小的是感性窗口8的宽度W；它们之间的电耦合系数-K的求解模型如图12~14，其中影响耦合量大小的是上下金属面上腐蚀出的蛇形槽线9的长度。

[0041] 图15是本实施例的新型交叉耦合SIW带通滤波器电路拓扑结构图，A1、A2、A3、A4是四个矩形SIW谐振腔，A1、A2、A3、A4均对应图3，Input（Output）代表信号的输入（输出）结构分别对应图6中的5和6，K表示两谐振腔间存在磁耦合对应图9~11中的8，-K表示两谐振腔间存在电耦合对应图12~14中的9，图17是图15中电路拓扑结构相对应新型交叉耦合SIW带通滤波器的顶视平面结构图，在本实例中，滤波器具有对称结构，其中A1与A2、A3与A4具有相同的耦合结构且耦合尺寸相同，谐振腔A1与A4、A2与A3具有相同的尺寸，结合图6的50欧姆微带线-共面波导的输入输出馈电结构、图9的双腔磁耦合结构、图12的双腔电耦合结构、图3的单个SIW谐振腔结构在电磁仿真软件HFSS中建立滤波器的整体模型图，所选用的介质板材料为F4BM265，底层金属1与顶层金属3及金属化通孔4均采用金属铜箔，介质基片的厚度为h取1mm,金属化通孔的直径d取2mm，相邻两孔的间距p取3mm，经过设计、仿真及优化，最终可以确定该新型交叉耦合SIW带通滤波器的具体尺寸如下：10mm = 47.5mm， = 58mm， 21mm， =21.36mm，
=2.73mm, =0.2mm， =22.14mm， =9.9mm， =9.27mm， 1.4mm，
7.1mm, =0.5mm, =6.68mm,
图16是本滤波器的整体3D模型图，图18是本新型交叉耦合SIW带通滤波器的仿真结果。

[0042] 以上仿真结果表明：（1）通带带宽约为280MHz，带内插入损耗小于0.1dB；回波损耗大于20dB；
（2）通带截止边沿陡峭，在时，带外衰减>30dB；
在实现带内外良好性能的同时，新型SIW交叉耦合滤波器结构紧凑，易于调试和加工，应用范围更为广泛。

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