CN108987864A - 中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器。本发明由单层介质板构成EMSIW滤波器，中心频率以及带宽的调谐通过加载变容二极管来实现。通过在EMSIW腔上加载短截线，其谐振频率会减小，同时通过在短截线末端加载变容二极管来调谐频率，创新性的实现了SIW结构的频率调谐方式；两个EMSIW腔通过边缘间隙电耦合，其间隙为加载元件提供物理空间，通过在边缘间隙中加载变容二极管来调谐腔间耦合系数，实现SIW结构带宽调谐。通过引入EMSIW迎合现代射频通信系统对于小型化的要求，并解决传统腔体滤波器很难通过外部加载调谐元件来完成可调的问题。

Description

中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器

技术领域

本发明属于电子信息技术领域，具体为一种中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导(EMSIW)滤波器，是一种同时能够实现中心频率以及带宽全可调并且结构紧凑的射频滤波器。

背景技术

在通信技术飞速发展的时代，射频前端应用最广泛的微波器件是滤波器，滤波器可以滤除频带以外的干扰信号，保障接收机的性能。随着通讯行业的不断发展，能够被利用的频谱资源变的越来越稀少，可用的频段也变的越来越拥挤。这种现象恰能凸显出滤波器的重大作用，其能分离出有用信号的能力在频谱资源稀缺的大背景下变的尤为重要，滤波器性能的好坏直接决定着射频前端电路处理微波信号质量的优劣，在无线通信系统中起着不可估量的作用。

在移动通讯中有着几种不同的主流通信制式标准，比如CDMA2000、WCDMA、TDD-LTE、FDD-LTE和未来的5G标准等。通常，一个无线通信系统需要大量的滤波器，每个滤波器都有各自的指标和功能，不同的滤波器负责不同频段的通信工作。因此如果在每个射频前端中都用不同标准的滤波器进行选频，这会极大地增加整个通信系统的体积以及复杂性，并且成本也会很高。多频结构虽然可以工作在多个频点，但是相邻频段的串扰一直是其无法解决的问题。从这角度出发，如果采用的射频滤波器能够实现中心频率和带宽的可重构，那么相邻频段的串扰问题和多频段的覆盖问题都能够有效地解决。除此之外，如果一个射频滤波器能够同时满足不同需求的指标，那么就可以用极少个数的可重构射频滤波器代替原来数目较大的固定不可调滤波器。滤波器数目的急剧减少不仅可以极大地降低无线通信系统的体积和成本，还可以简化整个无线通信系统电路的设计过程。

在过去的10年里，由于传统的腔体谐振器具有低损耗、高功率容量、高性能以及高稳定性等优点，其仍然被常用来设计高性能的滤波器。但是这种腔体谐振器也有其明显的缺点，比如：体积较大、固定不可调等。在今天这种要求设备小型化和提高频谱利用率的环境下，腔体谐振器的劣势被明显地放大。所以传统的腔体谐振器并不适用于我们所提出的可重构射频滤波器的设计。

新兴的衬底集成波导(SIW)技术代表了现代无线通信系统的一个非常有前途的候选者，由于其低成本，低功耗，相对较高Q值，高功率处理能力和高密度集成的优势，为微波和毫米波应用提供了一个有吸引力的平台。与腔体滤波器相比，先进的SIW滤波器的体积明显减小；与微带线滤波器相比，SIW滤波器具有较低的插入损耗和适用于较高频带的优点。SIW技术为可重构射频滤波器提供了一个新的技术选择。此外，SIW结构在滤波器的小型化上也有其独特的优势。目前，根据SIW独特的电磁传播特性已经发展出了半模(HMSIW)、四分之一模(QMSIW)和八分之一模(模)技术。这种小型化技术同时还能保持其与全模SIW具有相同的电磁传播特性，尺寸以对半的形式减小，并且还能保持良好的性能。

可重构射频滤波器是今后射频滤波器的发展方向。SIW结构具有诸多优点，并且在可重构滤波器设计中得到越来越广泛的关注和应用。目前无论是实现中心频率可调带宽可预置，带宽可重构中心频率固定，乃至双通带频率独立可调的射频滤波器都已经有比较多的研究成果，但是目前能同时实现中心频率和带宽全可调的研究成果相对还是比较少，中心频率和带宽全可调滤波器能够实现对各种制式的通信业务的“量身定制”，是可调滤波器的终极设计目标。在频谱日益拥挤的当今,很多实际应用中对带宽有一定的要求,带宽未经控制的调谐滤波器很难进入使用。研究性能优良的中心频率和带宽全可调滤波器具有迫切需求。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种结构紧凑的八分之一模基片集成波导(EMSIW)结构的中心频率及带宽全可调的带通滤波器。

本发明根据基片集成波导(SIW)腔体的磁对称性，沿SIW腔体中心呈“米”字型切开，取其中的八分之一，由两个EMSIW腔体形成耦合设计滤波器。EMSIW拥有和SIW相似的性能，却只有其尺寸的八分之一，符合现代无线通信系统对于小型化的要求。本滤波器主要包括两个EMSIW谐振腔，短截线，输入输出馈线，耦合间隙，以及用于调谐中心频率、带宽和外部Q值的变容二极管。

所述的滤波器主要由一块介质板构成，介质板的顶层铺设有顶层金属面、输入输出馈线和变容二极管；介质板的底层铺设有底层金属面。

所述的滤波器的顶层金属面包括两块结构相同的第一、二金属面；

第一金属面的电壁边沿贯穿有一排周期性分布的若干第一金属柱，同时该第一金属柱贯穿介质板、底层金属面；由第一金属面、第一金属柱和底层金属面构成第一个EMSIW结构；

第一金属面的电场最强位置设置第一短截线，第一短截线的末端连接变容二极管C1和第一金属贴片，第一金属贴片的中心贯穿一个第三金属柱，且第三金属柱贯穿介质板、底层金属面；

输入馈线设置在第一EMSIW谐振腔的虚拟磁壁上，输入馈线中间加载有变容二极管C2；

第一短截线的长度影响第一个EMSIW腔的谐振频率，第一短截线越长，第一个EMSIW腔的谐振频率越小；

变容二极管C1的大小用于调节中心频率；变容二极管C2的大小用于调整外部Q值。

输入馈线与第一金属面的电壁间的最短距离t1影响外部Q值。

第二个EMSIW结构与第一个EMSIW结构相同，两EMSIW谐振腔间留有间隙，两EMSIW结构中心对称设置且电耦合。间隙内加载有连接两EMSIW谐振腔的变容二极管C5；

第二个EMSIW结构具体由第二金属面、第二金属柱和底层金属面构成。第二金属面的电壁贯穿有一排周期性分布的若干第二金属柱，同时该第二金属柱贯穿介质板、底层金属面；

第二金属面的电场最强位置设置第二短截线，第二短截线的末端连接变容二极管C3和第二金属贴片，第二金属贴片的中心贯穿一个第四金属柱，且第四金属柱贯穿介质板、底层金属面；

输出馈线设置在第二EMSIW谐振腔的虚拟磁壁上，输出馈线中间加载有变容二极管C4；

第二短截线的长度影响第二个EMSIW腔的谐振频率，第二短截线越长，第二个EMSIW腔的谐振频率越小；

变容二极管C3的大小用于调节中心频率，变容二极管C4的大小用于调整外部Q值。

变容二极管C5的大小用于调整两EMSIW谐振腔间的耦合系数。

输出馈线与第二金属面的电壁间的最短距离t3影响外部Q值。

所述的滤波器采用PCB板工艺。

所述的带通滤波器的两个EMSIW腔是一样的，用于调节中心频率的变容二极管C1和C3可以用同一个电压控制，通过给变容二极管C1和C3施加电压，可以调节滤波器的中心频率；通过给变容二极管C5施加电压，可以调节滤波器的耦合系数，改变滤波器的带宽大小；用于调整外部耦合的变容二极管C2和C4可以用同一电压控制，通过给变容二极管C2和C4施加电压，可以调节滤波器的外部Q值。

本发明创新性的利用EMSIW结构设计可调滤波器，解决了腔体滤波器较难加载调谐元件实现中心频率及带宽调谐的问题，引入EMSIW结构，极大地实现了滤波器的小型化。本发明在EMSIW腔加载短截线及变容二极管，创新性的实现了SIW结构的频率调谐方式；两个EMSIW腔通过边缘电耦合，在EMSIW腔的耦合间隙之间加载变容二极管调谐腔间耦合系数，创新性的实现了SIW结构的带宽调谐方式；同时通过在输入输出馈线上加载变容二极管可以实现滤波器的外部Q值的调谐。

本发明EMSIW腔的电场最强位置加载短截线，与未加载短截线相比，能够明显得降低谐振频率，进一步实现滤波器的小型化。

本发明滤波器结构紧凑，为可调腔体滤波器的小型化提供了新思路，中心频率、带宽调谐方式新颖，带宽调谐范围大，调谐元件较少，制作工艺要求较低。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2(a)、(b)分别为本发明的顶层示意图和底层示意图；

图3(a)、(b)为该可调滤波器在各频点带宽调谐的S参数仿真图；

其中1为第一块三角形金属面，2为第二块三角形金属面，3为输入馈线，4为输出馈线，5为第一短截线，6为第二短截线，7为第一金属贴片，8为第二金属贴片，9为第一金属柱，10为第二金属柱，11为第三金属柱，12为第四金属柱，13为底层金属面，d是金属柱的直径，P是相邻金属柱之间的距离，h是介质板的厚度。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明

如图1、2所示，该发明EMSIW可调滤波器由一块厚度为h的介电常数为10.2的Rogers

6010介质板构成，介质板的顶层主要包括第一、第二块三角形金属面1、2，输入输出馈线3、4，第一、第二短截线5、6，第一、第二金属贴片7、8和变容二极管C1-C5。第一块三角形金属面1的第一直角边14边沿贯穿有一排周期性分布的若干第一金属柱9，同时该第一金属柱9贯穿介质板、底层金属面，第一块三角形金属面1、第一金属柱9和底层金属面13构成第一个EMSIW结构，第一块三角形金属面1的第二个直角边15末端连接一段第一短截线5，第一短截线5的长度会影响第一个EMSIW腔的谐振频率，第一短截线5越长，第一个EMSIW腔的谐振频率越低，第一短截线5的末端连接变容二极管C1和第一金属贴片7，第一金属贴片7的中心贯穿一个第三金属柱11，且第三金属柱11贯穿介质板、底层金属面13，调节变容二极管C1的大小用于调节第一个EMSIW腔的的谐振频率，实现中心频率的电可调，输入馈线3放置在这第二直角边15一侧，输入馈线3与第一块三角形金属面1的第一直角边14的最短距离t1的大小可以调整外部Q值，输入馈线3的中间加载有变容二极管C2，调节变容二极管C2的大小用于调谐外部Q值，实现外部Q值的电可调；第二块三角形金属面2的第一直角边16边沿贯穿有一排周期性分布的若干第二金属柱10，同时该第二金属柱10贯穿介质板、底层金属面13，第二块三角形金属面2、第二金属柱10和底层金属面13构成第二个EMSIW结构，第二块三角形金属面2的第二个直角边17末端连接一段第二短截线6，第二短截线6的长度会影响第二个EMSIW腔的谐振频率，第二短截线6越长，第二个EMSIW腔的谐振频率越低，第二短截线6的末端连接变容二极管C3和第二金属贴片8，第二金属贴片8中心贯穿一个第四金属柱12，且第四金属柱12贯穿介质板、底层金属面13，调节变容二极管C3的大小用于调节第二个EMSIW腔的的谐振频率，实现中心频率的电可调，输出馈线放置在这第二直角边17一侧，输出馈线4与第二块三角形金属面2的第一直角边16的最短距离t3的大小可以调整外部Q值，输出馈线4的中间加载有变容二极管C4，调节变容二极管C4的大小用于调谐外部Q值，实现外部Q值的电可调。

如图1、2所示，第一、第二块三角形金属面1、2沿其斜边具有间隙g相对放置，其间隙g的大小影响滤波器的耦合系数，同时间隙g为加载元件提供了物理空间。第一、第二块三角形金属面1、2的斜边中间加载有变容二极管C5，调节变容二极管C5的大小用于调谐滤波器的耦合系数，实现耦合系数的电可调。

表1显示了所述滤波器的结构参数的具体数值。

表1滤波器结构设计参数，单位：毫米

W1/W2/W3

L1/L2/L3/L4

t1/t2/t3/t4

P

d

g

h

0.58/1.5/0.5

7.4/8.7/1.2/2

3.5/5.35/3.5/5.35

0.8

0.6

1.4

0.635

通过调节变容二极管C1、C3的施加电压的大小，该滤波器实现中心频率从2.17GHz～2.72GHz的选频调谐范围，同时通过调节变容二极管C2、C4、C5的施加电压大小，可以实现在中心频率调谐范围内的各个频点的带宽大小调谐，加工的滤波器利用网络矢量分析仪测得在2.17GHz的140MHz～208MHz的3dB带宽调谐，在2.45GHz的231MHz～355MHz的3dB带宽调谐，在2.72GHz的314MHz～435MHz的3dB带宽调谐。

附图3可以看出，本发明较好地实现了带宽以及中心频率可调，具有较宽的中心频率与带宽调谐范围，在整个调谐范围内，插入损耗(S21)是1.59-4dB，回波损耗(S11)均大于10dB，可调性能较好。

本发明创新性的利用EMSIW结构设计可调滤波器，实现了滤波器的中心频率及带宽的全可调谐，解决了腔体滤波器较难加载调谐元件实现中心频率及带宽调谐的问题。引入EMSIW加载短截线结构，极大地实现了滤波器的小型化，本发明的可调滤波器所需的调谐元件少，并且制作工艺要求较低。

Claims (9)

1.中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于主要包括介质板，两个EMSIW谐振腔，以及介质板顶层铺设的顶层金属面、输入输出馈线和变容二极管；介质板底层铺设的底层金属面；

所述的顶层金属面包括两块结构相同的第一、二金属面；

第一金属面的电壁边沿贯穿有一排周期性分布的若干第一金属柱，同时该第一金属柱贯穿介质板、底层金属面；由第一金属面、第一金属柱和底层金属面构成第一个EMSIW谐振腔结构；

第一金属面的电场最强位置设置第一短截线，第一短截线的末端连接变容二极管C1和第一金属贴片，第一金属贴片的中心贯穿第三金属柱，同时该第三金属柱贯穿介质板、底层金属面；

输入馈线设置在第一个EMSIW谐振腔的虚拟磁壁上，输入馈线中间加载有变容二极管C2；

第二个EMSIW谐振腔结构与第一个EMSIW谐振腔结构相同，两EMSIW谐振腔间留有间隙，且两EMSIW结构电耦合；间隙内加载有连接两EMSIW谐振腔的变容二极管C5；

第二个EMSIW谐振腔结构具体由第二金属面、第二金属柱和底层金属面构成；第二金属面的电壁贯穿有一排周期性分布的若干第二金属柱，同时该第二金属柱贯穿介质板、底层金属面；

第二金属面的电场最强位置设置第二短截线，第二短截线的末端连接变容二极管C3和第二金属贴片，第二金属贴片的中心贯穿第四金属柱，且第四金属柱贯穿介质板、底层金属面；

输出馈线设置在第二EMSIW谐振腔的虚拟磁壁上，输出馈线中间加载有变容二极管C4。

2.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于第一短截线的长度影响第一个EMSIW腔的谐振频率。

3.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于变容二极管C1的大小用于调节中心频率；变容二极管C2的大小用于调整外部Q值。

4.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于输入馈线与第一金属面的电壁间的最短距离t1影响外部Q值。

5.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于第二短截线的长度影响第二个EMSIW腔的谐振频率。

6.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于变容二极管C3的大小用于调节中心频率，变容二极管C4的大小用于调整外部Q值。

7.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于变容二极管C5的大小用于调整两EMSIW谐振腔间的耦合系数。

8.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于输出馈线与第二金属面的电壁间的最短距离t3影响外部Q值。

9.如权利要求1所述的中心频率及带宽全可调的八分之一模基片集成波导滤波器,其特征在于所述的滤波器采用PCB板工艺。