CN105161805A - 一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，它包括两个结构相同、上下反向堆叠的介质集成波导谐振器，两者的金属接地层重合，通过设于金属接地层上的耦合缝隙实现信号的耦合，且两者关于滤波器的中心对称；介质集成波导谐振器包括介质基板和设于介质基板上下表面的金属层与金属接地层，金属层包括位于中间的金属贴片，金属贴片的一边通过介质集成波导与微带线的转换结构连接第一微带线和第二微带线，介质基板中贯穿设有一圈连接金属贴片与金属接地层的金属化过孔，金属贴片、金属化过孔和金属接地层共同围成介质集成波导谐振腔。本发明的滤波器具有Q值高、差模信号滤波性能好、共模信号抑制能力强、尺寸小和成本低等优点。

Description

一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器

技术领域

本发明涉及差分带通滤波器，特别是涉及一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器。

背景技术

严重的噪声干扰是影响电子设备且使之难以发挥最佳性能的因素之一，甚至可能使得整个设备无法正常工作。为了解决这一类问题，很多专家和学者均付出了巨大的努力，并最终将解决这一问题的视点聚焦在了滤波器的身上。滤波器，是通信设备中至关重要和必不可少的器件之一。传统的带通滤波器一般是单端式的，即只有一个信号输入端口和一个信号输出端口，只能对不同频率的信号进行选择滤波，难以抑制共模噪声。而新型的差分带通滤波器则弥补了单端器件在这方面的不足，它具有四个端口，包括两个输入端口和两个输出端口。这样的设计使得差分滤波器可以对差模信号进行正常频率选择的同时，又可以较好地对共模噪声进行抑制。很多研究学者都做了关于差分滤波器的深入研究和设计，以使得这些器件可以满足差模和共模的双重要求。然而，现有技术中的差分滤波器的共模抑制能力并不理想且其尺寸也比较大，不能满足现代通信要求的小型化等条件。

发明内容

发明目的：本发明的目的是提供一种共模抑制能力较强、尺寸较小的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器。

技术方案：为达到此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明所述的一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，包括两个结构相同、上下反向堆叠的介质集成波导谐振器，两者的金属接地层重合，通过设于金属接地层上的耦合缝隙实现信号的耦合，且两者关于滤波器的中心对称；介质集成波导谐振器包括介质基板和设于介质基板上下表面的金属层与金属接地层，金属层包括位于中间的金属贴片，金属贴片的一边通过介质集成波导与微带线的转换结构连接第一微带线和第二微带线，介质基板中贯穿设有一圈连接金属贴片与金属接地层的金属化过孔，金属贴片、金属化过孔和金属接地层共同围成介质集成波导谐振腔。

进一步，所述介质集成波导与微带线的转换结构为微带线导带与金属贴片之间的缝隙。

进一步，所述微带线导带与金属贴片之间缝隙的宽度s为0.15mm，缝隙的长度l_c为3.5mm。

进一步，所述金属贴片的形状为轴对称图形，所述第一微带线与第二微带线关于金属贴片的对称轴对称。

进一步，所述每个介质集成波导谐振器的耦合缝隙的个数为六个，形状均为矩形，其中，第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙为一组，第四耦合缝隙、第五耦合缝隙和第六耦合缝隙为另一组，第一耦合缝隙与第六耦合缝隙、第二耦合缝隙与第五耦合缝隙以及第三耦合缝隙与第四耦合缝隙分别关于金属接地层对称轴对称，且第一耦合缝隙与第三耦合缝隙关于第二耦合缝隙对称，第四耦合缝隙与第六耦合缝隙关于第五耦合缝隙对称；两个介质集成波导谐振器的耦合缝隙上下两两对应、位置吻合。

进一步，所述六个耦合缝隙的宽度w_c均为0.6mm，第二耦合缝隙和第五耦合缝隙的长度l_c1均为2mm，第一耦合缝隙、第三耦合缝隙、第四耦合缝隙和第六耦合缝隙的长度l_c2均为4mm。

进一步，所述金属贴片的形状为矩形。

进一步，所述两个介质集成波导谐振器中，一个介质集成波导谐振器的第一微带线与第二微带线均作为信号的输入端口，另一个介质集成波导谐振器的第一微带线与第二微带线均作为信号的输出端口。

进一步，所述介质基板的相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm，正切损耗角大小为0.0009。

进一步，所述第一微带线与第二微带线的线宽w₀均为0.8mm，金属化过孔的直径d为1mm，金属化过孔的间距g为0.8mm，介质集成波导谐振腔的长度l为18mm，介质集成波导谐振腔的宽度w为14mm。

有益效果：本发明具有以下的有益效果：

1、本发明采用介质集成波导腔体结构，相对于微带线等具有更高的Q值和更高的功率承载能力；

2、本发明具有较小的差模通带插入损耗，较大的回波损耗，陡峭的边缘选择特性，较高的共模抑制特性；

3、本发明采用介质集成波导堆叠的设计方案，能够实现滤波器的小型化，使得滤波器尺寸减小了50％；

4、本发明结构简单，仅需要两个耦合的介质集成波导谐振器；

5、本发明相对于高温共烧陶瓷等多层技术，加工和测试简便，成本低。

附图说明

图1为本发明的滤波器的立体图；

图2为本发明的滤波器的侧视图；

图3为本发明的上介质集成波导谐振器的俯视图；

图4为本发明的上介质集成波导谐振器的仰视图；

图5为本发明的滤波器在共模信号激励下的场分布；

图6为本发明的滤波器在差模信号激励下的场分布；

图7为本发明的滤波器的带宽随耦合缝隙宽度的变化曲线；

图8为本发明的滤波器在差模及共模激励下的响应曲线。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步的介绍。

本发明公开了一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，如图1所示，滤波器包括两个结构相同、上下反向堆叠的介质集成波导谐振器，即上介质集成波导谐振器4和下介质集成波导谐振器5。如图1、图2所示，上介质集成波导谐振器4和下介质集成波导谐振器5通过金属接地层3重合实现“背靠背”的堆叠，并通过设于金属接地层3上的耦合缝隙实现信号的耦合，且上介质集成波导谐振器4和下介质集成波导谐振器5关于滤波器的中心对称。

上介质集成波导谐振器4和下介质集成波导谐振器5的结构相同，下面以上介质集成波导谐振器4为例对其结构进行详细介绍。图3和图4分别给出了上介质集成波导谐振器4的俯视图和仰视图。如图2、图3和图4所示，上介质集成波导谐振器4包括介质基板2和设于介质基板2上下表面的金属层1与金属接地层3，金属层1包括位于中间的金属贴片11，金属贴片11的一边通过介质集成波导与微带线的转换结构12连接第一微带线13和第二微带线14，介质基板2中贯穿设有一圈连接金属贴片11与金属接地层3的金属化过孔21，金属贴片11、金属化过孔21和金属接地层3共同围成介质集成波导谐振腔。

本实施例中，介质集成波导与微带线的转换结构12为微带线导带与金属贴片11之间的缝隙，如图3所示。金属贴片11的形状为矩形，第一微带线13和第二微带线14关于金属贴片11的对称轴对称。如图1所示，在由两个介质集成波导谐振器组成的滤波器中，上介质集成波导谐振器4的第一微带线13与第二微带线14均作为信号的输入端口，即端口1和端口2；下介质集成波导谐振器5的第一微带线15与第二微带线16均作为信号的输出端口，即端口1’和端口2’。如图4所示，每个介质集成波导谐振器的耦合缝隙的个数为六个，形状均为矩形；其中，上介质集成波导谐振器4的耦合缝隙为第一耦合缝隙31、第二耦合缝隙32、第三耦合缝隙33、第四耦合缝隙34、第五耦合缝隙35和第六耦合缝隙36，第一耦合缝隙31、第二耦合缝隙32和第三耦合缝隙33为一组，第四耦合缝隙34、第五耦合缝隙35和第六耦合缝隙36为另一组，两组关于金属接地层3的对称轴对称，即第一耦合缝隙31与第六耦合缝隙36、第二耦合缝隙32与第五耦合缝隙35、第三耦合缝隙33与第四耦合缝隙34分别关于金属接地层3的对称轴对称，且第一耦合缝隙31与第三耦合缝隙33关于第二耦合缝隙32对称，第四耦合缝隙34与第六耦合缝隙36关于第五耦合缝隙35对称；下介质集成波导谐振器5的耦合缝隙为第一耦合缝隙、第二耦合缝隙、第三耦合缝隙、第四耦合缝隙、第五耦合缝隙和第六耦合缝隙，第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙为一组，第四耦合缝隙、第五耦合缝隙和第六耦合缝隙为另一组，两组关于金属接地层的对称轴对称，即第一耦合缝隙与第六耦合缝隙、第二耦合缝隙与第五耦合缝隙、第三耦合缝隙与第四耦合缝隙分别关于金属接地层的对称轴对称，且第一耦合缝隙与第三耦合缝隙关于第二耦合缝隙对称，第四耦合缝隙与第六耦合缝隙关于第五耦合缝隙对称。如图2所示，在滤波器中，上介质集成波导谐振器4的第一耦合缝隙31与下介质集成波导谐振器5的第一耦合缝隙上下对应、位置吻合，共同组成第一完整耦合缝隙317；上介质集成波导谐振器4的第二耦合缝隙32与下介质集成波导谐振器5的第二耦合缝隙上下对应、位置吻合，共同组成第二完整耦合缝隙328；上介质集成波导谐振器4的第三耦合缝隙33与下介质集成波导谐振器5的第三耦合缝隙上下对应、位置吻合，共同组成第三完整耦合缝隙339；上介质集成波导谐振器4的第四耦合缝隙34与下介质集成波导谐振器5的第四耦合缝隙上下对应、位置吻合，共同组成第四完整耦合缝隙344；上介质集成波导谐振器4的第五耦合缝隙35与下介质集成波导谐振器5的第五耦合缝隙上下对应、位置吻合，共同组成第五完整耦合缝隙345；上介质集成波导谐振器4的第六耦合缝隙36与下介质集成波导谐振器5的第六耦合缝隙上下对应、位置吻合，共同组成第六完整耦合缝隙346。

在上述结构中，介质集成波导与微带线的转换结构12的长度、介质集成波导谐振腔的大小以及耦合缝隙的尺寸均可以调节，其调节值根据不同频率、不同响应带宽和不同介质板等具体参数来确定。

图5展示了本发明的滤波器在共模信号激励下的电场分布图，可以清楚地看到，由于共模信号激励时该滤波器的对称线等效为磁壁，介质集成波导谐振腔的一侧等效为开路，无法形成谐振，因此输入端(即端口1和端口1’)输入的共模信号无法通过该滤波器传输至输出端(即端口2和端口2’)，对共模信号起到了较好的抑制。图6则展示了本发明的滤波器在差模信号激励下的电场分布图，可以清楚地看到，由于差模信号激励时该滤波器的对称线等效为电壁，介质集成波导谐振器的四周均短接到地，可以形成谐振，并将由输入端(即端口1和端口1’)输入的差分信号传输至输出端(即端口2和端口2’)，实现对差模信号的传输和滤波。

在差模信号激励下的谐振频率可以由下式计算得到：

$f_{m0n}=\frac{1}{2\sqrt{\mathrm{\μ}\mathrm{\ϵ}}}\sqrt{{\left(\frac{m}{w}\right)}^2+{\left(\frac{2n}{l}\right)}^2}---\left(1\right)$

其中μ为真空中的磁常数，ε为真空中的电常数，，m和n为正整数，w为介质集成波导谐振腔的宽度，l为介质集成波导谐振腔的长度。

图7中绘出了本发明的滤波器在差模信号激励下的响应带宽随耦合缝隙w_c的变化曲线。可以看到，随着w_c的增大，滤波器的带宽逐渐减小。同时，可以从图中看出，由于本发明采用的堆叠式介质集成波导谐振器具有非常高的Q值，根据公式(2)可以很容易地设计出带宽非常窄的窄带滤波器。

$Q=\frac{g_0{g}_1{f}_0}{BW}---\left(2\right)$

其中g₀和g₁为滤波器原型的元器件值，f₀和BW则分别是滤波器差模响应通带的中心频率和带宽。

同时，由于本发明采用的新型堆叠式结构，使得滤波器各谐振腔之间的耦合不再是平面化的耦合方式，而是通过上下两个谐振腔之间的耦合缝隙实现的，很大程度上减小了滤波器的尺寸，实现了小型化的设计目标。

下面给出本发明滤波器的具体参数：

本发明的滤波器采用的介质基板2为Rogers5880，其相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm，正切损耗角大小为0.0009。第一微带线13、第二微带线14的线宽w₀均为0.8mm，金属化过孔的直径d为1mm，孔间距g为0.8mm，谐振器谐振腔的长度l为18mm，谐振腔宽度w为14mm，作为介质集成波导与微带线的转换结构12的微带线导带与金属贴片11之间的缝隙宽度s为0.15mm，缝隙长度l_c为3.5mm，六个耦合缝隙的宽度w_c均为0.6mm，第二耦合缝隙32和第五耦合缝隙35的长度l_c1均为2mm，第一耦合缝隙31、第三耦合缝隙33、第四耦合缝隙34和第六耦合缝隙36的长度l_c2均为4mm。

本发明的滤波器的频率响应如图8所示。从图中可以看出，差模信号激励下的响应非常优异，中心频率位于13.25GHz处，最小插入损耗为0.3dB，最大回波损耗优于25dB，且其具有非常优异的频率选择特性和带外抑制能力；共模信号激励下的频率响应同样十分的优秀，在10GHz至20GHz的宽带范围带实现了大于35dB的共模噪声抑制，能够较好的满足现代通信、医疗、甚至军用设备的需求。本实例整体尺寸十分小巧紧凑，约为14×18mm²(0.93λ₀ ²)，与未采用本发明中提出的堆叠式耦合谐振方法的基于介质集成波导的模型相比，整体尺寸减小了约50％。

综上所述，本发明提供的一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器具有高Q值、高功率容量、损耗小、匹配优、差模信号滤波性能好、共模信号抑制能力强、尺寸小和成本低等优点，对于各频段雷达、通信设备及未来高速率无线通信均具有广阔的应用前景，特别是对重量、性能、尺寸等有苛刻要求的通信系统而言，是提高信噪比、优化通信质量的首选无源射频器件之一。

Claims (10)

1.一种基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：包括两个结构相同、上下反向堆叠的介质集成波导谐振器，两者的金属接地层重合，通过设于金属接地层上的耦合缝隙实现信号的耦合，且两者关于滤波器的中心对称；介质集成波导谐振器包括介质基板和设于介质基板上下表面的金属层与金属接地层，金属层包括位于中间的金属贴片，金属贴片的一边通过介质集成波导与微带线的转换结构连接第一微带线和第二微带线，介质基板中贯穿设有一圈连接金属贴片与金属接地层的金属化过孔，金属贴片、金属化过孔和金属接地层共同围成介质集成波导谐振腔。

2.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述介质集成波导与微带线的转换结构为微带线导带与金属贴片之间的缝隙。

3.根据权利要求2所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述微带线导带与金属贴片之间缝隙的宽度s为0.15mm，缝隙的长度l_c为3.5mm。

4.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述金属贴片的形状为轴对称图形，所述第一微带线与第二微带线关于金属贴片的对称轴对称。

5.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述每个介质集成波导谐振器的耦合缝隙的个数为六个，形状均为矩形，其中，第一耦合缝隙、第二耦合缝隙和第三耦合缝隙为一组，第四耦合缝隙、第五耦合缝隙和第六耦合缝隙为另一组，第一耦合缝隙与第六耦合缝隙、第二耦合缝隙与第五耦合缝隙以及第三耦合缝隙与第四耦合缝隙分别关于金属接地层对称轴对称，且第一耦合缝隙与第三耦合缝隙关于第二耦合缝隙对称，第四耦合缝隙与第六耦合缝隙关于第五耦合缝隙对称；两个介质集成波导谐振器的耦合缝隙上下两两对应、位置吻合。

6.根据权利要求5所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述六个耦合缝隙的宽度w_c均为0.6mm，第二耦合缝隙和第五耦合缝隙的长度l_c1均为2mm，第一耦合缝隙、第三耦合缝隙、第四耦合缝隙和第六耦合缝隙的长度l_c2均为4mm。

7.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述金属贴片的形状为矩形。

8.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述两个介质集成波导谐振器中，一个介质集成波导谐振器的第一微带线与第二微带线均作为信号的输入端口，另一个介质集成波导谐振器的第一微带线与第二微带线均作为信号的输出端口。

9.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述介质基板的相对介电常数为2.2，厚度为0.254mm，正切损耗角大小为0.0009。

10.根据权利要求1所述的基于堆叠式介质集成波导的小型化差分带通滤波器，其特征在于：所述第一微带线与第二微带线的线宽w₀均为0.8mm，金属化过孔的直径d为1mm，金属化过孔的间距g为0.8mm，介质集成波导谐振腔的长度l为18mm，介质集成波导谐振腔的宽度w为14mm。