CN112670685A - 一种小型化三角腔双层siw带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种小型化三角腔双层SIW带通滤波器，所述上介质板和下介质板均设置金属化通孔，金属化通孔在上介质板和下介质板的相同位置，若干金属化通孔等距排列呈矩形和所呈矩形的一条对角线，在对角线的中间位置设置磁耦合开窗，磁耦合开窗的大小控制滤波器通带的带宽，开窗越大，耦合系数越大，带宽也就越大；通过金属化通孔将上介质板和下介质板均分为两个三角形区域，第一谐振腔和第四谐振腔为上下层结构，第二谐振腔和第三谐振腔为上下层结构。本发明将一个矩形谐振腔分为两个三角腔，以此设计的滤波器更有利于实现小型化，同时具有易集成、可靠性高的优点。
Description
技术领域
本发明属于微波无源器件技术领域，涉及一种小型化三角腔双层SIW带通滤波器。
背景技术
随着频谱资源的越来越拥挤，往更高的频率发展已经成为必然的趋势。传统平面微带滤波器结构存在辐射损耗和高欧姆损耗，导致高插入损耗。波导元件用于高频，具有良好的性能，但它的缺点是昂贵和体积大。故最近兴起的基片集成波导(Substrateintegrated waveguide，SIW)技术引起了各位学者的研究。基片集成波导电路由于其低损耗、高Q值、小型化等优点，近年来受到了广泛的关注。
目前，常见的腔体滤波器体积较大，虽然其性能较好，但不易与电路进行集成。所以设计小型化、易集成、高性能的滤波器十分有必要。为了能使滤波器有更好的带外抑制性能，最有效的方法是在通带附近引入传输零点。双层结构可以非常容易的通过交叉耦合引入传输零点，由此来提高滤波器的性能。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提供了一种SIW双层三角腔滤波器，该SIW滤波器不仅改变了传统腔体滤波器体积大，不易集成的缺点，还使用了三角谐振腔，将一个矩形谐振腔分为两个三角腔，以此设计的滤波器更有利于实现小型化，同时具有易集成、可靠性高的优点。
为达到上述目的，本发明的技术方案为：
一种小型化三角腔双层SIW带通滤波器，包括由上至下设置的上介质板和下介质板，其中，
所述上介质板和下介质板均设置金属化通孔，金属化通孔在上介质板和下介质板的相同位置，若干金属化通孔等距排列呈矩形和所呈矩形的一条对角线，在对角线的中间位置设置磁耦合开窗，磁耦合开窗的大小控制滤波器通带的带宽，开窗越大，耦合系数越大，带宽也就越大；通过金属化通孔将上介质板和下介质板均分为两个三角形区域，共4个三角形区域分别为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔，其中，第一谐振腔和第二谐振腔在上介质板，第三谐振腔和第四谐振腔在下介质板，第一谐振腔和第四谐振腔为上下层结构，第二谐振腔和第三谐振腔为上下层结构；
所述上介质板和下介质板均为双面铺铜，上介质板的上表面设置输入微带线，下介质板的下表面设置输出微带线；
所述第一谐振腔与第四谐振腔设置相同位置的电耦合圆形槽，调整电耦合圆形槽的半径大小能够调整电耦合的大小；所述第二谐振腔与第三谐振腔设置相同位置的磁耦合矩形槽，调整磁耦合矩形槽的长和宽能够调整磁耦合的大小。
优选地，所述上介质板和下介质板均设置螺钉孔，上介质板和下介质板通过螺丝固定。
优选地，所述上介质板的上表面为顶层铜层，下表面为上中间铜层。
优选地，所述下介质板的上表面为下中间铜层，下表面为底层铜层。
优选地，所述电耦合圆形槽设置在第一谐振腔与第四谐振腔的中央位置。
优选地，所述磁耦合矩形槽设置在第二谐振腔与第三谐振腔的边缘位置。
优选地，所述金属化通孔的直径d与相邻金属化通孔的中心距离p的关系为p<d。
优选地，所述输入微带线的特性阻抗为50欧姆。
优选地，所述输出微带线的特性阻抗为50欧姆。
优选地，所述输入微带线与输出微带线为非对称结构。
与现有技术相比，本发明至少包括以下有益效果：
1、现有技术中SIW滤波器采用矩形谐振腔居多，本发明采用三角谐振腔：双层矩形谐振腔结构要考虑保证带外抑制性能良好，通过抑制TE102模式在谐振腔中激发，故有通过使上下层谐振腔发生些许偏移抑制TE102模式的存在，以达到高带外抑制。而通过仿真发现在三角腔的长边开窗可以有效抑制谐振腔内的TE102模式，并有良好的带外抑制，且本滤波器上下层谐振腔同大小，更方便设计和制作；
2、本发明采用更为简单的槽型以实现交叉耦合：要想使滤波器有良好的带外抑制性通常要在通带两侧加入传输零点，单层SIW滤波器想实现交叉耦合往往比较困难。采用双层结构可以更加方便的为滤波器带来传输零点，根据谐振腔中的电场和磁场分布情况合理进行开槽，槽型复杂对调试优化来说不易，故用了更简单直接的矩形槽，方便设计同时实现了交叉耦合；
3、输入输出馈线并非对称结构：输入输出馈线与中心有些许偏移，增加了传输零点，提高了带外抑制性。。
附图说明
图1为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的上介质板的上表面结构示意图；
图2为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的下介质板下表面结构示意图；
图3为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的立体结构示意图；
图4为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的上介质板结构示意图；
图5为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的下介质板结构示意图；
图6为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的电耦合参数调整S参数仿真曲线图；
图7为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的S参数仿真曲线图。
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，以下结合附图及实施例，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。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
参见图1-5，所示为本发明实施例的小型化三角腔双层SIW带通滤波器的结构示意图，包括由上至下设置的上介质板3和下介质板18，其中，
上介质板3和下介质板18均设置金属化通孔2，金属化通孔2在上介质板3和下介质板18的相同位置，若干金属化通孔2等距排列呈矩形和所呈矩形的一条对角线，在对角线的中间位置设置磁耦合开窗8，磁耦合开窗8的大小控制滤波器通带的带宽，开窗8越大，耦合系数越大，带宽也就越大；通过金属化通孔2将上介质板3和下介质板18均分为两个三角形区域，共4个三角形区域分别为第一谐振腔10、第二谐振腔11、第三谐振腔15和第四谐振腔16，其中，第一谐振腔10和第二谐振腔11在上介质板3，第三谐振腔15和第四谐振腔16在下介质板18，第一谐振腔10和第四谐振腔16为上下层结构，第二谐振腔11和第三谐振腔15为上下层结构；上介质板3和下介质板18均为双面铺铜，上介质板3的上表面设置输入微带线7，下介质板18的下表面设置输出微带线9；
第一谐振腔10与第四谐振腔16设置相同位置的电耦合圆形槽4，调整电耦合圆形槽4的半径大小能够调整电耦合的大小；第二谐振腔11与第三谐振腔15设置相同位置的磁耦合矩形槽5，调整磁耦合矩形槽5的长和宽能够调整磁耦合的大小。
图1中上介质板3的上表面图中有尺寸标识，其含义为：L和W分别为上介质板3和下介质板18的长和宽，L1和W1为矩形谐振腔6的长和宽，Wf为输入微带线7和输出微带线9的宽度，Ls为输入微带线7伸入第一谐振腔10中的长度，L_gap为输入微带线7和输出微带线9与铺铜面之间的缝隙间距，Lo为矩形谐振腔6与顶层铜层12边缘的距离，Ly为实现第二、三谐振腔之间的磁耦合矩形槽5与谐振腔之间的距离，Lm和Ln为磁耦合矩形槽5的长和宽，La和Lb确定了第一、二谐振腔之间开窗8的范围，Rc为实现第一、四谐振腔之间的电耦合圆形槽4的半径，p是相邻金属化通孔2的中心距离，d为金属化通孔2直径，h为上介质板3和下介质板18的厚度。各尺寸的具体大小可设置为表1中的数值，单位为mm。
表1
| 参数 | W | L | W1 | L1 | Wf | Ls |
| 数值 | 14 | 14 | 8.56 | 8.56 | 0.75 | 1.8 |
| 参数 | L_gap | Lo | Ly | La | Lb | Lm |
| 数值 | 0.38 | 0.72 | 0.92 | 1.64 | 0.19 | 1.56 |
| 参数 | Ln | Rc | d | p | h | |
| 数值 | 0.84 | 0.42 | 0.6 | 0.85 | 0.254 |
上介质板3和下介质板18均设置螺钉孔1，上介质板3和下介质板18通过螺丝固定。
参见图4，上介质板3的上表面为顶层铜层12，下表面为上中间铜层14。
参见图5，下介质板18的上表面为下中间铜层17，下表面为底层铜层19。
有效的谐振腔是上下两个矩形谐振腔6通过金属化通孔2分割成四个三角形谐振腔，各谐振腔均设置在介质基板中。上介质板3和下介质板18均双面铺铜，并采用螺丝将两块介质板进行固定，连接上介质板3和下介质板18铺铜层的是周期排列的金属化通孔2。
一般的SIW双层结构通常是将第一谐振腔10与第四谐振腔16并排设置在上层谐振腔，第二谐振腔11和第三谐振腔15设置在下层，而本发明的SIW滤波器是将第一谐振腔10和第四谐振腔16设置为上下层结构，第二谐振腔11和第三谐振腔15设置为上下层结构。这样设计可以更方便的实现电耦合，引入传输零点。
输入微带线7和输出微带线9的特性阻抗为50欧姆。
第一谐振腔10与第二谐振腔11、第三谐振腔15与第四谐振腔16之间通过开窗8实现磁耦合，第一谐振腔10与第四谐振腔16之间由于中间位置电场最强，故在上中间铜层14和下中间铜层17的中间位置开电耦合圆形槽4实现电耦合。第二谐振腔11与第三谐振腔15之间由于边缘位置磁场最强，故在上中间铜层14和下中间铜层17的边缘位置开磁耦合矩形槽5实现磁耦合。
本发明滤波器的矩形谐振腔6的大小决定了谐振频率，金属化通孔2直径与相邻通孔中心距离满足p<d，以防止谐振腔中的电磁能量泄露。
在上介质板3和下介质板18上均设置按周期排列的金属化通孔2，上介质板3和下介质板18的大小都是14*14mm，厚度均为0.254mm。第一谐振腔10、第二谐振腔11、第三谐振腔15和第四谐振腔16开设于上介质板3和下介质板18中，其中，第一谐振腔10与第二谐振腔11构成上层谐振腔，第三谐振腔15与第四谐振腔16构成下层谐振腔。首先矩形谐振腔6可以确保电磁能量不会泄露，同时，矩形谐振腔6的大小决定了谐振频率，调节矩形谐振腔6的大小可以改变中心频率的位置，然后在矩形谐振腔6的对角线上再加入金属化通孔2，将矩形谐振腔6一分为二成两个三角谐振腔，对角线上中间的开窗8是控制第一谐振腔10和第二谐振腔11、第三谐振腔15和第四谐振腔16的磁耦合大小，同时，开窗8的窗口的大小也控制着滤波器通带的带宽，窗口越大，耦合系数越大，带宽也就越大，由此可以对滤波器的带宽进行调整。
从图4、5中可以清楚的看到上介质板3和下介质板18的两个PCB板的拆分结构，每一层PCB板都是双面铺铜，在图4中，顶层铜层12设置输入微带线7，即为输入端。上中间铜层14和下中间铜层17开槽(电耦合圆形槽4和磁耦合矩形槽5)的目的是为第二谐振腔11和第三谐振腔15之间、第一谐振腔10和第四谐振腔16之间实现耦合。磁耦合矩形槽5实现第二谐振腔11和第三谐振腔15之间的磁耦合，因为在三角腔的边缘位置磁场最强，通过在上中间铜层14和下中间铜层17开磁耦合矩形槽5达到耦合的目的，磁耦合矩形槽5的长宽控制磁耦合的大小。同理电耦合圆形槽4实现第一谐振腔10和第四谐振腔16之间的电耦合，在三角腔的中心位置电场最强，电耦合圆形槽4可以实现耦合，电耦合圆形槽4的半径控制电耦合的大小，同时电耦合的大小也决定了滤波器通带附近的传输零点的位置。图5与上述同理，图4的下层和图5的上层形状、开槽和开窗8均相同，两者重叠在一起实现滤波器的交叉耦合。
参见图6，为圆形槽4的大小即电耦合的大小对传输零点位置的影响。由图可以看出改变圆形槽的半径Rc，对应S21参数会随之变化。半径Rc越大，电耦合越大，S21曲线通带两侧的传输零点越靠近中心频率。由此可以方便的控制调节传输零点的位置，以实现不同的需要。
参见图7为SIW双层滤波器插入损耗和回波损耗仿真结果图。由图中可以看出滤波器的中心频率为27.55GHZ，3dB带宽为1.5GHZ，在22.32GHZ、26.14GHZ、28.8GHZ分别产生TZ1、TZ2、TZ3三个传输零点。在整个通带内插损S21小于2dB，回波损耗S11小于-20dB，带外抑制小于-30dB，通过比较发现该结构对高阶模的抑制性良好。
该滤波器的输入微带线7和输出微带线9不是对称结构，这样也是更方便滤波器的设计，不同的谐振腔分布输入微带线7和输出微带线9位置也不同，因为谐振腔之间耦合的设计都是根据耦合矩阵得来的，耦合矩阵中的耦合系数的正负意味着不同的耦合，所以可以灵活的改变输入微带线7和输出微带线9的位置对设计可以带来更多的方便。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，包括由上至下设置的上介质板和下介质板，其中，
所述上介质板和下介质板均设置金属化通孔，金属化通孔在上介质板和下介质板的相同位置，若干金属化通孔等距排列呈矩形和所呈矩形的一条对角线，在对角线的中间位置设置磁耦合开窗，磁耦合开窗的大小控制滤波器通带的带宽，开窗越大，耦合系数越大，带宽也就越大；通过金属化通孔将上介质板和下介质板均分为两个三角形区域，共4个三角形区域分别为第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔，其中，第一谐振腔和第二谐振腔在上介质板，第三谐振腔和第四谐振腔在下介质板，第一谐振腔和第四谐振腔为上下层结构，第二谐振腔和第三谐振腔为上下层结构；
所述上介质板和下介质板均为双面铺铜，上介质板的上表面设置输入微带线，下介质板的下表面设置输出微带线；
所述第一谐振腔与第四谐振腔设置相同位置的电耦合圆形槽，调整电耦合圆形槽的半径大小能够调整电耦合的大小；所述第二谐振腔与第三谐振腔设置相同位置的磁耦合矩形槽，调整磁耦合矩形槽的长和宽能够调整磁耦合的大小。
2.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述上介质板和下介质板均设置螺钉孔，上介质板和下介质板通过螺丝固定。
3.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述上介质板的上表面为顶层铜层，下表面为上中间铜层。
4.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述下介质板的上表面为下中间铜层，下表面为底层铜层。
5.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述电耦合圆形槽设置在第一谐振腔与第四谐振腔的中央位置。
6.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述磁耦合矩形槽设置在第二谐振腔与第三谐振腔的边缘位置。
7.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述金属化通孔的直径d与相邻金属化通孔的中心距离p的关系为p<d。
8.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述输入微带线的特性阻抗为50欧姆。
9.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述输出微带线的特性阻抗为50欧姆。
10.根据权利要求1所述的小型化三角腔双层SIW带通滤波器，其特征在于，所述输入微带线与输出微带线为非对称结构。
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