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CN106450608A - 开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器 - Google Patents

开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器 Download PDF

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CN106450608A
CN106450608A CN201610835612.1A CN201610835612A CN106450608A CN 106450608 A CN106450608 A CN 106450608A CN 201610835612 A CN201610835612 A CN 201610835612A CN 106450608 A CN106450608 A CN 106450608A
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CN
China
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open
integrated waveguide
dielectric substrate
bandpass filter
substrate integrated
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Application number
CN201610835612.1A
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English (en)
Inventor
周春霞
郭培培
吴文
施雁佳
赵艳飞
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Nanjing University of Science and Technology
Original Assignee
Nanjing University of Science and Technology
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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P1/00—Auxiliary devices
    • H01P1/20—Frequency-selective devices, e.g. filters
    • H01P1/201—Filters for transverse electromagnetic waves
    • H01P1/203—Strip line filters

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Abstract

本发明公开一种开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器，包括下表面设有金属接地板(2)的矩形介质基板(1)，在所述介质基板(1)的上表面设有半模基片集成波导(3)及多个通过所述半模基片集成波导(3)耦合的开路枝节线谐振器(41、42、43、44)，所述开路枝节线谐振器(41)的一侧接输入馈线(5)，所述开路枝节线谐振器(44)的一侧接输出馈线(6)，所述半模基片集成波导(3)与金属接地板(2)通过多个金属化孔(7)相连。本发明公开的带通滤波器，结构简单、尺寸小、易于加工。

Description

开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器
技术领域
本发明属于微波器件技术领域，特别是一种结构简单、尺寸小、易于加工的开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器。
背景技术
带通滤波器广泛应用于微波中继通信、微波卫星通信以及电子对抗领域。随着微波毫米波通信系统的高集成、小型化，要求带通滤波器也要同步实现高集成、小型化。然而，使用传统技术(如用金属波导和微带线设计出的滤波器)设计的滤波器很难满足要求。基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)结构用金属通孔替代矩形波导的金属侧壁，并在介质基板的上下两个表面覆盖金属层构成谐振腔，可以将电磁场限制在这个区域中传播，此时电磁场的传输特性与在传统的金属波导中的传输特性相同。基片集成波导继承了矩形波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也集合了微带的低剖面、尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点。半模基片集成波导(Half-mode SubstrateIntegrated Waveguide,HMSIW)结构在基片集成波导结构的基础上发展而来，有着相似的传输特性，更是将尺寸减小一半，符合微波毫米波发展的趋势，应用前景更广阔。
中国发明专利“半模基片集成波导滤波器”(申请号：200610096373.9，公开日：2007.03.07)公开了一种半模基片集成波导滤波器，利用金属表面的槽缝控制级联的半模基片集成波导谐振器之间的耦合来形成滤波功能，其运用半模基片集成波导结构，使滤波器的尺寸缩减了一半。但是金属表层蚀刻的槽线较窄，加工难度大。
中国发明专利“一种介质加载半模基片集成带通滤波器”(申请号：201610158996.8，公开日：2016.06.08)采用在半模基片集成波导中加载介质柱的方法来实现滤波响应，其面积小且上阻带较宽，但是在半模基片集成波导中加载的金属柱以及在半模基片集成波导单元之间蚀刻的阶梯阻抗槽线仍旧增加了加工难度，结构也较为复杂。
现有技术存在的问题是：带通滤波器结构复杂、整体尺寸大、加工精度要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器，其结构简单、尺寸小、易于加工。
实现本发明目的技术解决方案为：
一种开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器，包括下表面设有金属接地板的矩形介质基板，在所述介质基板的上表面设有半模基片集成波导及多个通过所述半模基片集成波导耦合的开路枝节线谐振器，所述开路枝节线谐振器的一侧接输入馈线，所述开路枝节线谐振器的一侧接输出馈线，所述半模基片集成波导与金属接地板通过多个金属化孔相连。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1、结构简单：该滤波器采用开路枝节加载的半模基片集成波导结构，馈线采用抽头式，整个滤波器呈中心轴镜像对称，仿真建模相对简单。
2、易于加工：该滤波器采用平面结构，大大降低了加工难度。
3、整体尺寸小：该滤波器采用半模基片集成波导结构，相比于使用传统技术或者基片集成波导结构设计出的滤波器，在尺寸上面大大减小。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
附图说明
图1是本发明开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器的结构示意图；
图2是图1中上层电路结构示意图；
图3是图1中下层接地板结构示意图；
图4是半模基片集成波导四阶带通滤波器的几何尺寸示意图；
图5是实施例一：带宽为40％的半模基片集成波导四阶带通滤波器的仿真与测试频率响应特性曲线图；
图6是实施例二：带宽为15％的半模基片集成波导四阶带通滤波器的仿真与测试频率响应特性曲线图。
具体实施方式
如图1、3所示，本发明开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器，包括下表面设有金属接地板2的矩形介质基板1，在所述介质基板1的上表面设有半模基片集成波导3及多个通过所述半模基片集成波导3耦合的开路枝节线谐振器41、42、43、44，所述开路枝节线谐振器41的一侧接输入馈线5，所述开路枝节线谐振器44的一侧接输出馈线6，所述半模基片集成波导3与金属接地板2通过多个金属化孔7相连。
如图2所示，所述半模基片集成波导3为矩形，其长边与介质基板1的长边平行，其周边与介质基板1的周边均保持距离，所述多个开路枝节线谐振器41、42、43、44平行排列在半模基片集成波导3的一侧，一端与所述半模基片集成波导3垂直连接，所述输入馈线5与介质基板1的长边平行，其一端设于介质基板1的短边长，另一端与相邻的开路枝节线谐振器41重直相连，所述输出馈线6与介质基板1的长边平行，其一端设于介质基板1的另一短边长，另一端与相邻的开路枝节线谐振器44重直相连，所述多个金属化孔7与半模基片集成波导3远离所述开路枝节线谐振器41、42、43、44的一侧相连。
优选地，所述多个金属化孔7的中心连线与介质基板1的长边平行，相邻金属化孔7之间的距离相等。
所述金属化孔7的直径为0.3mm，相邻金属化孔7之间的距离为1mm。
优选地，所述开路枝节线谐振器41、42、43、44的个数为4个，即形成四阶带通滤波器。
所述多个开路枝节线谐振器41、42、43、44的长度相当，对应于所述带通滤波器中心频率处的λ/4波长。
结合滤波器设计理论，采用开路枝节加载的HMSIW结构进行带通滤波器设计，开路枝节线的长度对应于中心频率的λ/4波长，通过控制其长度可以方便的调节中心频率的位置；半模基片集成波导结构的尺寸对应于耦合强度的大小，抽头位置控制外部Q值的大小，可以方便的调节滤波器的带宽。
所述输入馈线(5)、接输出馈线(6)均为50欧姆微带线。
介质基板1的介电常数εr通常为2～10，高度通常为0.2～1mm，介质基板1上层的50欧姆微带线4和5为激励的输入/输出端口，宽度通常为0.3～2mm。
如图4所示，实施例一是相对带宽为40％的四阶带通滤波器，滤波器尺寸为42.15mm×45.3mm×0.508mm，介质基板为Rogers RO4003(tm)，相对介电常数为3.55。滤波器的中心频率为2.45GHz，带宽为0.98GHz。w0、l0分别为介质基板1的宽度和长度，w1、l1分别为开路枝节线41、44的线宽和线长，w2、l2分别为开路枝节线42、43的线宽和线长，w3、l3分别为输入馈线5和输出馈线6线宽和线长，l4为馈线5、6距离开路枝节线41、44开路端的长度，a、b分别为半模基片集成波导结构3的宽度和长度，c1为开路枝节线41和42之间的距离、43和44之间的距离，c2为开路枝节线42、43之间的距离，d为金属化通孔7的直径，v为金属化通孔7孔间的距离。通过仿真优化得到各参数值具体如下：
w0＝45.3mm，l0＝42.16mm，w1＝1.5mm，l1＝12.4mm，w2＝1.5mm，l2＝12.6mm，w3＝1.15mm，l3＝7mm，l4＝9.75mm，a＝16mm，b＝31.3mm，c1＝8mm，c2＝9.3mm d＝0.3mm，v＝1mm。
本实例使用ANSYS公司的全波电磁仿真软件HFSS进行仿真，经过加工测试，频率响应曲线如图5所示，其中虚线为仿真结果，实线为测试结果。仿真滤波器中心频率2.45GHz，3dB带宽为1.04GHz，回波损耗优于-15.1dB，插入损耗为0.45dB；实测滤波器的中心频率2.45GHz，3dB带宽为1.09GHz，回波损耗优于-13.2dB，插入损耗为0.8dB。仿真结果与测试结果吻合良好，满足设计指标，符合实际应用要求。
从上述分析可知，开路枝节线的长度控制着带通滤波器的中心频率；半模基片集成波导结构实现了开路枝节谐振器之间的耦合，其长度和宽度可以控制耦合强度；抽头位置控制外部Q值的大小。因此，此开路枝节加载的半模基片集成波导结构能够实现较大相对带宽范围的滤波器。
如图4所示，实施例二是带宽为15％的带通滤波器，滤波器尺寸为26.15mm×26.4mm×0.508mm，介质基板为Rogers RO4003(tm)，相对介电常数为3.55。通过仿真优化得到各参数值具体如下：
w0＝26.4mm，l0＝31.75mm，w1＝1.5mm，l1＝15.4mm，w2＝1.5mm，l2＝15.9mm，w3＝1.15mm，l3＝7mm，l4＝12.85mm，a＝4.9mm，b＝12.4mm，c1＝2.1mm，c2＝2.2mm d＝0.3mm，v＝1mm。
经过仿真和加工测试，频率响应曲线如图6所示，其中虚线为仿真结果，实线为测试结果。仿真滤波器中心频率2.45GHz，3dB带宽为0.42GHz，回波损耗优于-18.7dB，插入损耗为0.9dB；实测带通滤波器中心频率2.43GHz，3dB带宽为0.39GHz，回波损耗优于-16.8dB，插入损耗为1.4dB，可以看出仿真结果与实测结果吻合良好。

Claims (7)

1.一种开路枝节加载的半模基片集成波导带通滤波器，其特征在于：
包括下表面设有金属接地板(2)的矩形介质基板(1)，在所述介质基板(1)的上表面设有半模基片集成波导(3)及多个通过所述半模基片集成波导(3)耦合的开路枝节线谐振器(41、42、43、44)，所述开路枝节线谐振器(41)的一侧接输入馈线(5)，所述开路枝节线谐振器(44)的一侧接输出馈线(6)，所述半模基片集成波导(3)与金属接地板(2)通过多个金属化孔(7)相连。
2.根据权利要求1所述的带通滤波器，其特征在于：
所述半模基片集成波导(3)为矩形，其长边与介质基板(1)的长边平行，其周边与介质基板(1)的周边均保持距离，所述多个开路枝节线谐振器(41、42、43、44)平行排列在半模基片集成波导(3)的一侧，一端与所述半模基片集成波导(3)垂直连接，所述输入馈线(5)与介质基板(1)的长边平行，其一端设于介质基板(1)的短边长，另一端与相邻的开路枝节线谐振器(41)重直相连，所述输出馈线(6)与介质基板(1)的长边平行，其一端设于介质基板(1)的另一短边长，另一端与相邻的开路枝节线谐振器(44)重直相连，所述多个金属化孔(7)与半模基片集成波导(3)远离所述开路枝节线谐振器(41、42、43、44)的一侧相连。
3.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：所述多个金属化孔(7)的中心连线与介质基板(1)的长边平行，相邻金属化孔(7)之间的距离相等。
4.根据权利要求3所述的带通滤波器，其特征在于：所述金属化孔(7)的直径为0.3mm，相邻金属化孔(7)之间的距离为1mm。
5.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：所述开路枝节线谐振器(41、42、43、44)的个数为4个。
6.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：所述多个开路枝节线谐振器(41、42、43、44)的长度相当，对应于所述带通滤波器中心频率处的λ/4波长。
7.根据权利要求2所述的带通滤波器，其特征在于：所述输入馈线(5)、接输出馈线(6)均为50欧姆微带线。
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