一种具有双层结构的双频基片集成波导带通滤波器

摘要

本发明公开了一种具有双层结构的双频基片集成波导带通滤波器，包括构成基片集成波导的下层结构和上层结构，所述下层结构包括第一金属片、第一介质基板、第二金属片以及多个下层金属通孔；所述下层金属通孔将第二金属片围成第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐振器加载有第一过孔，并蚀刻出第一缝隙，所述第二谐振器加载有第二过孔，并蚀刻出第二缝隙；所述上层金属通孔将第三金属片围成第三谐振器和第四谐振器，所述第三谐振器加载有第三过孔，所述第四谐振器加载有第四过孔；所述第一谐振器通过第一缝隙与第三谐振器耦合，所述第二谐振器通过第二缝隙与第四谐振器耦合。本发明的滤波器品质因数高，具有体积小、设计简单、性能好的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基片集成波导带通滤波器，尤其是一种具有双层结构的双频基片 集成波导带通滤波器，属于无线通讯领域。

背景技术

无线通讯技术在现实社会生活中发挥着越来越重要的作用，作为无线通讯领域的 重要组成不跟，带通滤波器的需求也日益增加。双频带通滤波器(DB-BPF)由于在现 代无线通讯系统中有广泛的应用而受到很大的关注。较早的DB-BPF是直接将两个单 频BPF级联起来，这种方法对设计来说拥有更多的自由度，但是滤波器尺寸太大。另 一种方法是在宽带BPF中间引入一个带阻滤波器(BSP)将通带分为两部分实现双频， 这样不可避免地需要额外的调试和优化。在微带结构上常常采用阶跃阻抗谐振器(SIR) 设计双频滤波器，但这种方法比较难以应用到其它的结构当中。随着双频滤波器通讯 技术的不断发展，对滤波器的要求也越来越高。最近，采用基片集成波导(Substrate  Integrated Waveguide，简称SIW)的毫米波滤波器受到很高的重视，它可以实现体积 小，成本低的高性能带通滤波器。它是一种新型波导，它具有传统的金属波导品质因 数高、易于设计的特点，同时也具有体积小、造价低、易加工等传统波导所没有的特 点。它的这些优点，使得这种结构的滤波器被广泛应用于无线通讯系统。此外，由于 具备更高的自由度，以及节省电路面积成本，多层结构也越来越受到人们的关注。

据调查与了解，已经公开的现有技术如下：

1)2014年，祝雷等人在IEEE Microwave and Wireless Components Letters上发表 题为“Design of a Compact Dual-Band Band pass Filter Using Coupled Stepped-Impedance  Resonators”的文章中，作者提出了一种采用三节阶跃阻抗线的谐振器，通过调节谐振 器之间的耦合，最终获得两个通带以及五个带外的传输零点。

2)随着电路加工技术的发展和LTCC技术的出现，为了提高滤波器的技术水平提 供了进一步改进方案。2010年，Shinpei Oshima等人在IEEE Transaction on Microwave  Theory and Techniques上发表题为“Multilayer dual-band bandpass filter in  low-temperature co-fired ceramic substrate for ultra-wideband applications”的文章中，分 别在低频段(3.168-4.752GHz)和高频段(6.336-9.504GHz)设计了两个含有匹配电路 的宽带滤波器，并且分别在较低和较高的截止频率处产生一个传输零点，从而在通带 之外产生较高的带外抑制，通带间的隔离度也达到了30dB。虽然利用这种方法设计出 的滤波器性能优良，但由于LTCC技术尚未很好的普及，制作成本昂贵。

3)2005年，Mahbubeh Esmaeili等人在IEEE Microwave and Wireless Components  Letters上发表题为“Substrate integrated waveguide triple-passband dual-stopband filter  using six cascaded singlets”提出了在基片集成波导上利用六个级联的单腔体设计出一个 三通带的带通滤波器，不过这种结构尺寸过大。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供了一种结构简单、性能好， 能很好地满足现代通讯系统要求的具有双层结构的双频基片集成波导带通滤波器。

本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种具有双层结构的双频基片集成波导带通滤波器，包括构成基片集成波导的下 层结构和上层结构，所述下层结构包括第一金属片、第一介质基板、第二金属片以及 多个下层金属通孔，所述上层结构包括第二介质基板、第三金属片以及多个上层金属 通孔，从底部至顶部按第一金属片、第一介质基板、第二金属片、第二介质基板和第 三金属片的顺序依次设置，所述第一金属片作为地板；所述下层金属通孔依次贯穿第 一金属片、第一介质基板和第二金属片，并与第二介质基板接触，所述上层金属通孔 依次贯穿第二介质基板和第三金属片，并与第二金属片接触；

所述下层金属通孔将第二金属片围成第一谐振器和第二谐振器，所述第一谐振器 加载有第一过孔，并蚀刻出第一缝隙，所述第二谐振器加载有第二过孔，并蚀刻出第 二缝隙，所述第一过孔和第二过孔依次贯穿第一金属片、第一介质基板和第二金属片， 并与第二介质基板接触；

所述上层金属通孔将第三金属片围成第三谐振器和第四谐振器，所述第三谐振器 加载有第三过孔，所述第四谐振器加载有第四过孔，所述第三过孔和第四过孔依次贯 穿第二介质基板和第三金属片，并与第二金属片接触；

所述第一谐振器通过第一缝隙与第三谐振器耦合，所述第二谐振器通过第二缝隙 与第四谐振器耦合。

作为一种优选方案，所述第一缝隙所在位置靠近第一谐振器左边的下层金属通孔， 所述第二缝隙所在位置靠近第二谐振器右边的下层金属通孔，所述第一缝隙与第二缝 隙关于第二金属片的中心点旋转对称。

作为一种优选方案，所述第一过孔所在位置靠近第一谐振器右上方的下层金属通 孔，所述第二过孔所在位置靠近第二谐振器左下方的下层金属通孔，所述第一过孔与 第二过孔关于第二金属片的中心点旋转对称。

作为一种优选方案，所述第三过孔所在位置靠近第三谐振器的中心处，所述第四 过孔所在位置靠近第四谐振器的中心处，所述第三过孔与第四过孔关于第三金属片的 中心点旋转对称。

作为一种优选方案，所述第一谐振器的右侧设有第一端口，所述第二谐振器的左 侧设有第二端口。

作为一种优选方案，所述第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器的 形状均为矩形。

作为一种优选方案，所述第一缝隙和第二缝隙的形状均为矩形。

本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：

1、本发明的双频基片集成波导带通滤波器通过设计出两层单频带通滤波器，并在 每层滤波器上加载过孔，可以实现独立控制，改变两层滤波器的频率，利用缝隙将两 层滤波器耦合，使得下层可以向上层馈电，能很好地满足现代通讯系统的要求，有良 好的应用前景。

2、本发明的双频基片集成波导带通滤波器品质因数高，具有体积小、设计简单、 性能好的优点，克服了传统微带双频滤波器设计自由度不够大的缺点，并解决了传统 金属波导造价昂贵的问题。

3、本发明的双频基片集成波导带通滤波器经过测量表明，具备优良的通带性能和 带外抑制，同时维持滤波器的小型化特点。

4、本发明的双频基片集成波导带通滤波器将基片集成波导推广到多层结构上，在 维持小型化的基础上实现良好的滤波性能，能够应用于多频通信系统。

附图说明

图1为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器的整体侧面结构示意图。

图2为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器的整体正面结构示意图。

图3为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器中第二金属片的结构示意 图。

图4为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器中第三金属片的结构示意 图。

图5为本发明实施例1提取出的品质因数Q值和耦合系数K值的曲线图。

图6为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器上层与下层的仿真曲线图。

图7为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器等效拓扑结构图。

图8为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器的频率响应仿真曲线图。

图9为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器的频率响应随S₁的变化图。

图10为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器的频率响应随S₃的变化图

图11为本发明实施例1的双频基片集成波导带通滤波器的实物测量结果与仿真结 果比较图。

其中，1-第一金属片，2-第一介质基板，3-第二金属片，4-下层金属通孔，5-第二 介质基板，6-第三金属片，7-上层金属通孔，8-第一谐振器，9-第二谐振器，10-第一端 口，11-第二端口，12-第一过孔，13-第二过孔，14-第三谐振器，15-第四谐振器，16- 第三过孔，17-第四过孔，18-第一缝隙，19-第二缝隙。

具体实施方式

实施例1：

如图1～图4所示，本实施例的双频基片集成波导带通滤波器，包括构成基片集成 波导(SIW)的下层结构和上层结构，所述下层结构包括第一金属片1、第一介质基板 2、第二金属片3以及多个下层金属通孔4，所述上层结构包括第二介质基板5、第三 金属片6以及多个上层金属通孔7，从底部至顶部按第一金属片1、第一介质基板2、 第二金属片3、第二介质基板5和第三金属片6的顺序依次设置，所述第一金属片1 作为地板；所述下层金属通孔4依次贯穿第一金属片1、第一介质基板2和第二金属片 3，并与第二介质基板5接触，所述上层金属通孔7依次贯穿第二介质基板5和第三金 属片6，并与第二金属片3接触；

所述下层金属通孔4将第二金属片3围成第一谐振器8和第二谐振器9，所述第一 谐振器8的右侧设有第一端口10，所述第二谐振器9的左侧设有第二端口11，第一端 口10和第二端口11既可以作为输入端口，也可以作为输出端口；所述第一谐振器8 加载有第一过孔12，所述第二谐振器9加载有第二过孔13，所述第一过孔12和第二 过孔13依次贯穿第一金属片1、第一介质基板2和第二金属片3，并与第二介质基板5 接触；所述第一过孔13所在位置靠近第一谐振器8右上方的下层金属通孔4，所述第 二过孔13所在位置靠近第二谐振器9左下方的下层金属通孔4，所述第一过孔12与第 二过孔13关于第二金属片3的中心点旋转对称；

所述上层金属通孔7将第三金属片6围成第三谐振器14和第四谐振器15，所述第 三谐振器14加载有第三过孔16，所述第四谐振器15加载有第四过孔17，所述第三过 孔16和第四过孔17依次贯穿第二介质基板5和第三金属片6，并与第二金属片3接触； 所述第三过孔16所在位置靠近第三谐振器14的中心处，所述第四过孔17所在位置靠 近第四谐振器15的中心处，所述第三过孔16与第四过孔17关于第三金属片6的中心 点旋转对称。

所述第一谐振器8、第二谐振器9、第三谐振器14和第四谐振器15的形状均为矩 形，所述第一谐振器8和第二谐振器9经加载过孔后构成下层的单频带通滤波器，第 三谐振器14和第四谐振器15经加载过孔同样构成上层的单频带通滤波器，两个滤波 器的中心频率不同，为了设计实现预定义的性能参数，两层滤波器形成的第一通带 (PB1)和第二通带(PB2)的耦合系数K和品质因数Q被提取出来，绘制出对应曲 线如图5所示，按照理论Q值和K值的计算公式(1)：

$Q=\frac{g_0{g}_1}{\mathrm{FBW}},K=\frac{\mathrm{FBW}}{\sqrt{g_1{g}_2}}---\left(1\right)$

两个通带的相对带宽分别为2.0％和1.5％，g₀，g₁和g₂是二阶低通原型滤波器的归 一化元件参数，查表得到g₀＝1，g₁＝1.8219，g₂＝0.6850，g₃＝2.6599。由此可算出第一通 带(PB1)和第二通带(PB2)的理论Q值分别91.1和121.5，理论K值分别为0.018 和0.013。两层滤波器的频率相应如图6所示，其中实线表示下层的滤波器，虚线表示 上层的滤波器，S₁₁是输入端口的回波损耗；S₂₁是输入端口到输出端口的正向传输系数。

然后在第一谐振器8和第二谐振器9上分别蚀刻出第一缝隙18和第二缝隙19，第 一缝隙18和第二缝隙19均为矩形，所述第一缝隙18所在位置靠近第一谐振器8左边 的下层金属通孔4，所述第二缝隙19所在位置靠近第二谐振器9右边的下层金属通孔 4，所述第一缝隙18与第二缝隙19关于第二金属片3的中心点旋转对称；所述第一谐 振器8通过第一缝隙18与第三谐振器14耦合，所述第二谐振器9通过第二缝隙19与 第四谐振器15耦合，使得下层可以向上层馈电，用以激励上层的滤波器。

本实施例的双频基片集成波导带通滤波器等效拓扑结构如图7所示，图中1、2、3 和4分别为第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，S表示源端，L表示 负载端，第一谐振器和第二谐振器形成第一通带(PB1)，第三谐振器和第四谐振器形 成第二通带(PB2)。

滤波器整体的频率响应曲线如图8所示，共有6个传输零点(TZ)。其中TZ1和 TZ3由两个通带的TE₁₀₂模产生，TZ2、TZ4和TZ6分别由第二介质基板5，第一介质 基板2以及两层介质基板的高次模作用下产生的，TZ5也是由第一介质基板2的高次 模作用的。

接下来通过改变下层结构的过孔(第一过孔12和第二过孔13)和上层结构的过孔 (第三过孔16和第四过孔17)加载的水平位置，可以得到频率响应随之变化的曲线， 从图9中可以看到，随着S₁增加(27.8mm、28.8mm、29.8mm和30.8mm)，第一通 带(PB1)的中心频率逐渐往低频处移动，与此同时第二通带(PB2)基本不变。从图 10中可以看出，随着S₃的减小(25.6mm、25mm、24.4mm和23.8mm)，第二通带(PB2) 的中心频率逐渐往高频处移动，而第一通带(PB1)基本不变，由此可以通过调整过孔 的位置来使得通带频率落在所需要的范围。频率改变之后，还需要适当调节每层过孔 的竖直高度(H₁和H₂的值)和耦合缝隙(S₅的值)的参数，以匹配理论的Q值和K 值，以获得更好的性能。

为了验证上述滤波器结构的正确性和实际效果，通过加工设计出这个滤波器的实 物，它的仿真结果与测量结果的曲线如图11所示，虚线表示仿真结果，实线表示测量 结果，可以看到仿真结果和测量结果具有较好的一致性，滤波器工作在4.56～4.65GHz 和5.24～5.33GHz两个频段，两者的插损和相对带宽分别为1.95dB和2％，以及2.75dB 和1.7％。带外抑制保持在23dB以上直到6.6GHz，通带间的两个传输零点使得隔离度 达到了46.0dB，具备优良的通带性能和带外抑制，同时维持滤波器的小型化特点。

综上所述，本发明的双频基片集成波导带通滤波器品质因数高，具有体积小、设 计简单、性能好的优点，克服了传统微带双频滤波器设计自由度不够大的缺点，并解 决了传统金属波导造价昂贵的问题。

以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利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专利所公开的范围内，根据本发明专利 的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。