CN112310581A - 一种基于基片集成波导5g高选择性ltcc带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明属于滤波器技术领域，公开了一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，包括共面波导(CPW)馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器；六腔SIW谐振器设置有六个相邻的SIW谐振器电容隔板。本发明采用一种新颖的基于低温共烧陶瓷的三维结构，实现了输入和输出之间的正、负耦合和交叉耦合，该结构实现了高耦合系数、宽3dB带宽和低损耗，通过设计一个六阶交叉耦合滤波器，验证了该结构的有效性，改进后的圆SIW腔体体积减小幅度较大，具有较高的频率选择性、较宽的带宽和优异的性能。由于这些独特的性能，所提出的小型化BPF在现代无线通信系统，特别是在第五代(5G)移动通信系统中具有广阔的应用前景。

Description

一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器

技术领域

本发明属于滤波器技术领域，尤其涉及一种基于基片集成波导5G高选择性 LTCC带通滤波器。

背景技术

目前：随着卫星通信和雷达技术的飞速发展，人们对微波毫米波系统的小 型化提出了更高的要求。矩形波导滤波器在高频下性能优良，但其具有体积大、 成本高、难以与其他平面器件集成等缺点。众所周知，SIW滤波器的传统结构 主要是基于矩形腔体。基片集成波导(SIW)技术成为比矩形波导更有吸引力的替 代品。SIW继承了矩形波导屏蔽结构的高品质因数、低批量生产成本、易制作 的优点。众所周知，在有限频率下，为了增加带通滤波器的选择性，需要磁耦 合和电耦合来产生传输零点(TZs)。LTCC技术被认为是最适合用于毫米波微波 多芯片组件的工艺，也是各种工艺中最有前途的技术之一。

在过去的几十年里，人们对各种SIW滤波器都给予了很大的关注。最近， 为了实现滤波器的小型化，人们开发了许多SIW滤波器拓扑，包括二模SIW滤 波器、五极切比雪夫SIW带通滤波器、双层SIW滤波器。然而，这些结构的设 计具有辐射损耗并且设计复杂。而不适合实现低调、简化包装和轻量化设计。 为了提高滤波器的频率选择性，经常引入有限传输零点以获得清晰的边带性能， 而不是增加谐振子的数量。具有三维多层结构和优异选择性的SIW滤波器还有 待改进。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有的SIW滤波器的拓扑 结构，具有辐射损耗并且设计复杂。而不适合实现低调、简化包装和轻量化设 计。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于基片集成波导5G高选择 性LTCC带通滤波器。

本发明是这样实现的，一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波 器包括共面波导(CPW)馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器；

所述六腔SIW谐振器设置有六个相邻的SIW谐振器电容隔板。

进一步，将谐振频率设为滤波器的中心频率，确定基于TE₁₀₁模的SIW腔 的初始尺寸，公式如下：

式中，a和l分别为基于TE₁₀₁模的SIW腔的宽度和长度。d和p是金属化 孔的直径和相邻孔之间的中心距。c₀为真空中的光速，而ε_r为衬底的介电常数。

进一步，所述六腔SIW谐振器中的R1与R6、R2与R5、R3与R4的耦合 是通过共享谐振器间金属通孔壁上的感应窗实现的。

进一步，在中间金属层上引入一个方形槽，在R2和R3之间、R5和R6之 间产生+90度的电耦合。

进一步，在R1,R2和R4,R5在不同的层之间产生-90度的磁耦合，使用一 对矩形槽在两个空腔的中心来实现，腔内装有间隔的相移随频率的变化而变化。

进一步，矩形槽和感应窗位于谐振腔磁场最强的位置。

进一步，当输入信号的频率低于谐振频率时，谐振腔表现为电容性(+90度)， 反之，谐振腔表现为电感性(-90度)。

进一步，六阶BPF的结构有三层，以A6铁质陶瓷为基础，厚度为0.394mm， 相对介电常数为5.76。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：

本发明提出了一种基于三层SIW和LTCC技术的新型带通滤波器，采用一 种新颖的基于低温共烧陶瓷的三维结构，实现了输入和输出之间的正、负耦合 和交叉耦合，该结构实现了高耦合系数、宽3dB带宽和低损耗。通过设计一个 六阶交叉耦合滤波器，验证了该结构的有效性。设计的滤波器显示带通中心为 28.0GHz,3dB带宽为6.5％，高于现有的解决方案。改进后的圆SIW腔体体积减 小幅度较大，缩小幅度为7.0×3.8×1.2mm³(0.65λ₀×0.35λ₀×0.11λ₀)。实验结果表明， 该方法具有较高的频率选择性、较宽的带宽和优异的性能。由于这些独特的性 能，所提出的小型化BPF在现代无线通信系统，特别是在第五代(5G)移动通信 系统中具有广阔的应用前景。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所 需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请 的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下 还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波 器的结构示意图。

图2是本发明实施例提供的六阶SIW滤波器的耦合矩阵的结构示意图。

图3是本发明实施例提供的六阶BPF的结构示意图。

图4是本发明实施例提供的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波 器的的仿真结果曲线图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于基片集成波导5G高选择 性LTCC带通滤波器，下面结合附图对本发明作详细的描述。

本发明实施例提供的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器主要 由共面波导馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器组成。采用一种新颖的基于 低温共烧陶瓷的三维结构，实现了输入和输出之间的正、负耦合和交叉耦合。 因为三维结构中层叠腔的垂直耦合并且采用低温共烧陶瓷(LTCC)技术，因此大 大减小了滤波器的尺寸。滤光器体积减小到7.0×3.8×1.2mm³(0.65λ₀×0.35λ₀×0.11λ₀)，因此足以实现小型化程度集成。仿真和实测结果表明，设计的BPF 实现了中心频率28.0GHz，分数带宽为6.5％的3dB带宽。该滤波器适用于5G 无线通信中的应用。

如图1所示。该滤波器由CPW馈电结构和六个相邻的SIW谐振器电容隔 板组成。优化得到传输零点在±1.39j，带内返回损失为20dB，这个带通滤波器 广义耦合矩阵。通过将谐振频率设为滤波器的中心频率，可以确定基于TE₁₀₁模 的SIW腔的初始尺寸，公式如下：

式中，a和l分别为基于TE₁₀₁模的SIW腔的宽度和长度。d和p是金属化 孔的直径和相邻孔之间的中心距。c₀为真空中的光速，而ε_r为衬底的介电常数。

六阶BPF的耦合拓扑如图2所示。R1与R6、R2与R5、R3与R4的耦合 是通过共享谐振器间金属通孔壁上的感应窗实现的。在中间金属层上引入一个 方形槽，在R2和R3之间产生+90度的电耦合，R5和R6也是一样。在R1，R2 和R4，R5在不同的层之间产生-90度的磁耦合，是使用一对矩形槽在两个空腔 的中心来实现。耦合方槽的位置是谐振腔电场最强的位置。而矩形槽和感应窗 位于谐振腔磁场最强的位置。腔内装有间隔的相移随频率的变化而变化。当输 入信号的频率低于谐振频率时，谐振腔表现为电容性(+90度)，反之，谐振腔表 现为电感性(-90度)。基于这一特性，提出的SIW滤波器可以在阻带内产生两个 TZs。同时，得到六阶SIW滤波器的耦合矩阵如下：

六阶BPF的结构有三层，以A6铁质陶瓷为基础，厚度为0.394mm，相对 介电常数为5.76。其他相关参数由HFSS优化，如图3所示。表1是SIW滤波 器部分的尺寸。

表1

Symbol	Value(mm)	Symbol	Value(mm)
				L<sub>1</sub>	6.08	a<sub>2</sub>	0.75
L<sub>2</sub>	7.0	W<sub>1</sub>	0.2
				L<sub>3</sub>	1.0	W<sub>2</sub>	0.33
L<sub>4</sub>	0.95	W<sub>3</sub>	0.1
				L<sub>5</sub>	0.8	W<sub>4</sub>	3.8
S<sub>1</sub>	0.7	W<sub>5</sub>	0.2
				S<sub>2</sub>	1.02	W<sub>6</sub>	0.2
S<sub>3</sub>	1.4	r	0.09
				a<sub>1</sub>	0.88	p	0.4

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

为验证所探索的样机，利用安捷伦N5247B二端口PNA-X网络分析仪制作 并测量了上述设计的BPF。仿真得到的滤波器s参数如图4所示。设计的滤波器 1dB带宽为1.5GHz(5.3％)，3dB带宽为1.84GHz(6.5％)。1dB通频带从27.2GHz 到28.7GHz。传输零点在26.5和29.4GHz。滤波器的S参数对SIW腔的厚度很 敏感，因此其尺寸误差会引起谐振频率的偏差。表2显示了提出的带通滤波器 和近年几个SIW滤波器原型结果的一系列对比。由于这些传输零点，通带选择 性大大提高。

表2

实验结果表明，该方法具有较高的频率选择性、较宽的带宽和优异的性能。 由于这些独特的性能，所提出的小型化BPF在现代无线通信系统，特别是在第 五代(5G)移动通信系统中具有广阔的应用前景。

在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上； 术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、 “头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，所述基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器包括共面波导馈电结构和交叉耦合的六腔SIW谐振器；

所述六腔SIW谐振器设置有六个相邻的SIW谐振器电容隔板。

2.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，将谐振频率设为滤波器的中心频率，确定基于TE₁₀₁模的SIW腔的初始尺寸，公式如下：

式中，a和l分别为基于TE₁₀₁模的SIW腔的宽度和长度。d和p是金属化孔的直径和相邻孔之间的中心距。c₀为真空中的光速，而ε_r为衬底的介电常数。

3.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，所述六腔SIW谐振器中的R1与R6、R2与R5、R3与R4的耦合是通过共享谐振器间金属通孔壁上的感应窗实现的。

4.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，在中间金属层上引入一个方形槽，在R2和R3之间、R5和R6之间产生+90度的电耦合。

5.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，在R1,R2和R4,R5在不同的层之间产生-90度的磁耦合，使用一对矩形槽在两个空腔的中心来实现，腔内装有间隔的相移随频率的变化而变化。

6.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，矩形槽和感应窗位于谐振腔磁场最强的位置。

7.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，当输入信号的频率低于谐振频率时，谐振腔表现为电容性，反之，谐振腔表现为电感性。

8.如权利要求1所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器，其特征在于，六阶BPF的结构有三层，以A6铁质陶瓷为基础，厚度为0.394mm，相对介电常数为5.76。

9.一种微波毫米波系统，其特征在于，所述微波毫米波系统安装有权利要求1～8任意一项所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器。

10.一种5G通信终端，其特征在于，所述5G通信终端安装有权利要求1～8任意一项所述的基于基片集成波导5G高选择性LTCC带通滤波器。

Images