一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器的製造方法
2023-04-30 22:37:56 4
一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器的製造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，包括第一介質板、第二介質板、第一金屬片、第二金屬片以及上下兩排金屬通孔，所述上下兩排金屬通孔依次貫穿第一金屬片、第一介質板和第二金屬片；所述第二金屬片從左至右依次開有第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線，相鄰兩條槽線之間分別構成第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器和第四諧振器；所述第二介質板的正面設有第一金屬微帶線和第二金屬微帶線，所述第一金屬微帶線和第二金屬微帶線的兩端分別加載有枝節。本實用新型具有結構簡單、性能好的優點，通過設置槽線實現電場耦合，並在電場耦合的基礎上利用微帶線實現交叉耦合，能很好地滿足現代通訊系統的要求。
【專利說明】—種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種基片集成波導濾波器，尤其是一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，屬於無線通訊領域。
【背景技術】
[0002]無線通訊技術在現實社會生活中發揮著越來越重要的作用，作為無線通訊領域的重要組成不跟，帶通濾波器的需求也日益增加。較早的微帶帶通濾波器由於在平面製圖和制板上的方便而被廣泛應用，但是這種濾波器的損耗大，特別在高頻的時候會產生很大的能量輻射。隨著通訊技術的不斷發展，對濾波器的要求也越來越高。採用金屬波導的毫米波濾波器雖然能夠達到較好的技術指標，但是造價昂貴，不能被廣泛地應用；具有EBG(Electromagnetic Band-Gap)結構的毫米波濾波器，能夠很好的滿足現在的技術指標要求，但是這種濾波器體積較大。最近，採用基片集成波導(Substrate IntegratedWaveguide,簡稱SIW)的毫米波濾波器受到很高的重視，它可以實現體積小，成本低的高性能帶通濾波器。它是一種新型波導，具有傳統的金屬波導品質因數高、易於設計的特點，同時也具有體積小、造價低、易加工等傳統波導所沒有的特點。它的這些優點，使得這種結構的濾波器被廣泛應用於無線通訊系統。
[0003]基片集成波導濾波器主要是採用磁場耦合結構，也就是利用金屬通孔窗來實現相鄰腔體之間的耦合，同時也可以實現不相鄰腔體之間的交叉耦合，而目前比較少的基片集成波導濾波器採用電場耦合(即在基片集成波導腔體上開槽實現相鄰諧振器之間的耦合)，在電場耦合的基礎 上實現交叉耦合的基片集成波導濾波器更是非常罕見。
[0004]據調查與了解，已經公開的現有技術如下:
[0005]I) 2010 年，Li Rong-Qiang 等人在 IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters 上發表題為 「「Design of Substrate Integrated Waveguide Transversal FilterWith High Selectivity，」的文章中，提出了一種利用磁場f禹合以及源負載f禹合的濾波器器，結構如圖1a所示，腔體之間的金屬通孔窗是用來實現磁場耦合的，同時在源端和負載端之間引入源負載耦合，能夠在通帶的兩邊各產生一個零點，改善帶外特性。圖1b是它的仿真結果。
[0006]2)2013 年，You Chang Jiang 等人在 IEEE Transact1n on Microwave Theory andTechniques 上發表題為 ^Single-Layered SIff Post-Loaded Electric Coupling-EnhancedStructure and Its Filter Applicat1ns」的文章中，提出了一種在相鄰的腔體中間開槽來實現腔體之間電場耦合，如圖2a所示，這樣，整個濾波器中既有磁場耦合，同時存在電場耦合，使得傳輸零點可以靈活控制，圖2b為其測量和仿真的頻率響應結果。
[0007]3) 2005 年，X.Chen,ff.Hong 等人在 IEEE Eletronic Letters 發表題為「Substrateintegrated waveguide elliptic filter with transmiss1n line inserted inverter，，的文章提出了利用微帶線實現非相鄰諧振腔之間的耦合，該結構如圖3a所示，在諧振腔I和4之間用微帶線實現交叉耦合，從圖3b所示的仿真結果可以看出該濾波器能夠產生兩個傳輸零點。
[0008]4)2013 年，Shenffei 等人在 IEEE Transact1n on Components, Packaging andManufacturing Technology 上發表題為 「Substrate-1ntegrated Waveguide BandpassFilters With Planar Resonators for System-on-Package」 提出了 由微帶線構成的諧振器與諧振腔之間實現耦合，它們之間是電場耦合，而諧振腔之間仍然是磁場耦合，如圖4a所示，這種結構的優勢是用微帶線構成的諧振器來代替諧振腔，在達到同樣的效果的基礎上減少了濾波器的尺寸，仿真結果如圖4b所示。
[0009]上述四種基片集成波導濾波器都是基於磁場耦合的基礎上實現電場耦合和交叉耦合，而磁場耦合是通過相鄰腔體之間的電感窗口進行調節的，當磁場耦合變化比較大時，通過電感窗口進行調節就會顯得相當複雜。
實用新型內容
[0010]本實用新型的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種結構簡單、性能好，能很好地滿足現代通訊系統要求的利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器。
[0011]本實用新型的目的可以通過採取如下技術方案達到:
[0012]一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:包括構成基片集成波導的第一介質板、第二介質板、第一金屬片、第二金屬片以及上下兩排金屬通孔，從底部至頂部按第一金屬片、第一介質板、第二金屬片和第二介質板的順序依次設置，所述第一金屬片作為地板，所述上下兩排金屬通孔依次貫穿第一金屬片、第一介質板和第二金屬片；所述第二金屬片從左至右依次開有第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線，相鄰兩條槽線之間分別構成第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器和第四諧振器，所述第一諧振器與第二諧振器之間通過第二槽線實現電場耦合，所述第二諧振器和第三諧振器之間通過第三槽線實現電場耦合，所述第三諧振器與第四諧振器之間通過第四槽線實現電場耦合；所述第二介質板的正面設有第一金屬微帶線和第二金屬微帶線，所述第一金屬微帶線和第二金屬微帶線的兩端分別加載有枝節，所述第一諧振器與第三諧振器之間通過第一金屬微帶線實現交叉耦合，所述第二諧振器與第四諧振器之間通過第二金屬微帶線實現交叉耦合。
[0013]作為一種優選方案，所述第一金屬微帶線的一端設置在與第一諧振器對應的位置上且加載有第一枝節，另一端設置在與第三諧振器對應的位置上且加載有第二枝節；所述第二金屬微帶線的一端設置在與第二諧振器對應的位置上且加載有第三枝節，另一端設置在與第四諧振器對應的位置上且加載有第四枝節。
[0014]作為一種優選方案，所述第一枝節、第二枝節、第三枝節和第四枝節均為1/4波導波長的枝節。
[0015]作為一種優選方案，所述第一枝節、第二枝節、第三枝節和第四枝節均為1/2波導波長的枝節。
[0016]作為一種優選方案，所述第一枝節和第四枝節均為1/4波導波長的枝節，所述第二枝節和第三枝節均為1/2波導波長的枝節。
[0017]作為一種優選方案，所述上排金屬通孔設置在靠近第一金屬片和第二金屬片的上邊緣處，所述下排金屬通孔設置在靠近第一金屬片和第二金屬片的下邊緣處。[0018]作為一種優選方案,所述第二金屬片上設有輸出埠和輸入埠，所述輸出埠和輸入埠分別設置在第二金屬片的左右兩端。
[0019]作為一種優選方案，所述第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線均位於上排金屬通孔與下排金屬通孔之間。
[0020]作為一種優選方案，所述第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線是形狀為矩形的槽線。
[0021]本實用新型相對於現有技術具有如下的有益效果:
[0022]1、本實用新型的基片集成波導濾波器具有結構簡單、性能好的優點，通過設置多條槽線實現電場耦合，並在電場耦合的基礎上利用微帶線實現交叉耦合，能很好地滿足現代通訊系統的要求，有良好的應用前景。
[0023]2、本實用新型的基片集成波導濾波器是基於電場耦合而設計的，而電場耦合大小可以通過槽線的高度和寬度來調節，相比現有技術需要通過電感窗口大小來調節更容易。
[0024]3、本實用新型的基片集成波導濾波器在電場耦合的基礎上利用微帶線實現交叉耦合中，可以在微帶線的兩端加載不同長度的枝節(如一端加載1/4波導波長，另一端加載1/2波導波長)，這樣能產生更好的匹配，且降低了帶內的回波損耗，使得濾波器的帶內性能得到改善。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]圖1a為第一種現有技術的結構示意圖。
[0026]圖1b為第一種現有技術的仿真結果圖。
[0027]圖2a為第二種現有技術的結構示意圖。
[0028]圖2b為第二種現有技術的仿真結果圖。
[0029]圖3a為第三種現有技術的結構示意圖。
[0030]圖3b為第三種現有技術的仿真結果圖。
[0031]圖4a為第四種現有技術的結構示意圖。
[0032]圖4b為第四種現有技術的仿真結果圖。
[0033]圖5為本實用新型實施例1的基片集成波導濾波器的側面結構示意圖。
[0034]圖6為本實用新型實施例1的基片集成波導濾波器中第二金屬片的結構示意圖。
[0035]圖7為本實用新型實施例1的基片集成波導濾波器中第二介質板的正面結構示意圖。
[0036]圖8為本實用新型實施例1的基片集成波導濾波器中第一諧振器與第三諧振器的交叉耦合產生機理示意圖。
[0037]圖9為本實用新型實施例1加載1/4 λ g枝節的電磁波傳播特性示意圖。
[0038]圖10為本實用新型實施例1的基片集成波導濾波器拓撲結構示意圖。
[0039]圖11為本實用新型實施例1的耦合矩陣⑴的理論頻率響應圖。
[0040]圖12為本實用新型實施例1的耦合係數K12的變化曲線圖。
[0041]圖13為本實用新型實施例1的耦合係數K23的變化曲線圖。
[0042]圖14為本實用新型實施例1的耦合係數K13的變化曲線圖。
[0043]圖15為本實用新型實施例1的品質因數Qe的曲線圖。[0044]圖16為本實用新型實施例1的基片集成波導濾波器優化後的S參數仿真結果圖。
[0045]圖17為本實用新型實施例2的基片集成波導濾波器中第二介質板的正面結構示意圖。
[0046]圖18為本實用新型實施例2加載1/2 λ g枝節的電磁波傳播特性示意圖。
[0047]圖19為本實用新型實施例2的基片集成波導濾波器拓撲結構示意圖。
[0048]圖20為本實用新型實施例2的耦合矩陣(5)所得的理論頻率響應圖。
[0049]圖21為本實用新型實施例2的耦合係數K13的變化曲線圖。
[0050]圖22為本實用新型實施例2的基片集成波導濾波器優化後的S參數仿真結果圖。
[0051]圖23為本實用新型實施例3的基片集成波導濾波器中第二介質板的正面結構示意圖。
[0052]圖24為本實用新型實施例3加載1/4 λ g枝節和1/2 λ g枝節的電磁波傳播特性示意圖。
[0053]圖25為本實用新型實施例3的基片集成波導濾波器拓撲結構示意圖。
[0054]圖26為本實用新型實施例3的基片集成波導濾波器優化後的S參數仿真結果圖。
[0055]圖27為本實用新型實施例3的基片集成波導濾波器設計完成的整體正面結構示意圖。
[0056]圖28為本實用新型實施例3的基片集成波導濾波器的仿真結果和測量結果比較圖。
[0057]其中，1-第一介質板，2-第二介質板,3-第一金屬片,4-第二金屬片,5-金屬通孔，6-輸出埠，7-輸入埠，8-第一槽線，9-第二槽線，10-第三槽線，11-第四槽線，12-第五槽線，13-第一金屬微帶線，14-第二金屬微帶線，15-第一枝節，16-第二枝節，17-第三枝節，18-第四枝節，Rl-第一諧振器，R2-第二諧振器，R3-第三諧振器，R4-第四諧振器。
【具體實施方式】
[0058]實施例1:
[0059]如圖5、圖6和圖7所示，本實施例的基片集成波導濾波器，包括構成基片集成波導(SIW)的第一介質板1、第二介質板2、第一金屬片3、第二金屬片4以及上下兩排金屬通孔5，從底部至頂部按第一金屬片3、第一介質板1、第二金屬片4和第二介質板2的順序依次設置，所述第一金屬片3作為地板，所述上下兩排金屬通孔5構成波導的側壁，並依次貫穿第一金屬片3、第一介質板I和第二金屬片4，其中上排金屬通孔5設置在靠近第一金屬片3和第二金屬片4的上邊緣處，所述下排金屬通孔5設置在靠近第一金屬片3和第二金屬片4的下邊緣處；
[0060]所述第二金屬片4上設有輸出埠 6和輸入埠 7，所述第二金屬片4從左至右依次開有第一槽線8、第二槽線9、第三槽線10、第四槽線11和第五槽線12 ;所述輸出埠6和輸入埠 7分別設置在第二金屬片4的左右兩端，所述第一槽線8、第二槽線9、第三槽線10、第四槽線11和第五槽線12的形狀為矩形，均位於上排金屬通孔5與下排金屬通孔5之間，相鄰兩條槽線之間分別構成第一諧振器R1、第二諧振器R2、第三諧振器R3和第四諧振器R4 (即為四階諧振器)，所述第一諧振器Rl與第二諧振器R2之間通過第二槽線9實現電場耦合，所述第二諧振器R2和第三諧振器R3之間通過第三槽線10實現電場耦合，所述第三諧振器R3與第四諧振器R4之間通過第四槽線11實現電場耦合；
[0061]所述第二介質板2的正面設有第一金屬微帶線13和第二金屬微帶線14(圖5中可以看到第二金屬微帶線14的一部分被第一金屬微帶線13遮擋了)，所述第一金屬微帶線13的一端設置在與第一諧振器Rl對應的位置上且加載有第一枝節15，另一端設置在與第三諧振器R3對應的位置上且加載有第二枝節16 ;所述第二金屬微帶線14的一端設置在與第二諧振器R2對應的位置上且加載有第三枝節17，另一端設置在與第四諧振器R4對應的位置上且加載有第四枝節18 ;所述第一枝節15、第二枝節16、第三枝節17和第四枝節18均為1/4波導波長(波導波長用λ g表示，即為1/4 λ g)的枝節；所述第一諧振器Rl與第三諧振器R3之間通過第一金屬微帶線13實現交叉耦合，所述第二諧振器R2與第四諧振器R4之間通過第二金屬微帶線14實現交叉耦合；
[0062]以第一諧振器Rl與第三諧振器R3的交叉耦合為例，其交叉耦合產生機理如圖8所示，圖中箭頭線是電場分布以及傳播途徑，K12為第一諧振器Rl與第二諧振器R2之間的耦合係數，K23為第二諧振器R2與第三諧振器R3之間的耦合係數，K13為第一諧振器Rl與第三諧振器R3之間的耦合係數，結合圖6和圖7，所述第一諧振器Rl的能量通過第二槽線9傳送到第一金屬微 帶線13，再由第一金屬微帶線13經第三槽線10傳送到第三諧振器R3，實現了第一諧振器Rl與第三諧振器R3之間的交叉耦合；同理，所述第二諧振器R2的能量通過第三槽線10傳送到第二金屬微帶線14，再由第二金屬微帶線14經第四槽線11傳送到第四諧振器R4，實現了第二諧振器R2與第四諧振器R4之間的交叉耦合；
[0063]本實施例的基片集成波導濾波器在微帶線的兩端加載了 l/4Xg枝節，加載1/4 Ag枝節的電磁波傳播特性如圖9所示，圖中實線箭頭表示入射波，虛線箭頭表示反射波，電磁波傳播時有180度的相位延時，所產生的交叉耦合的符號為負。
[0064]本實施例的基片集成波導濾波器拓撲結構如圖10所示，圖中實線表示正耦合，虛線表不負稱合，S表不源端，L表不負載端，K12表不第一諧振器Rl與第二諧振器R2之間的率禹合係數，K23表不第二諧振器R2與第三諧振器R3之間的稱合係數,K34表不第三諧振器R3與第四諧振器R4之間的耦合係數，K13表示第一諧振器Rl與第三諧振器R3之間的耦合係數，K24表示第二諧振器R2與第四諧振器R4之間的耦合係數，Qe表示品質因數，耦合矩陣如下:
【權利要求】
1.一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:包括構成基片集成波導的第一介質板、第二介質板、第一金屬片、第二金屬片以及上下兩排金屬通孔，從底部至頂部按第一金屬片、第一介質板、第二金屬片和第二介質板的順序依次設置，所述第一金屬片作為地板，所述上下兩排金屬通孔依次貫穿第一金屬片、第一介質板和第二金屬片；所述第二金屬片從左至右依次開有第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線，相鄰兩條槽線之間分別構成第一諧振器、第二諧振器、第三諧振器和第四諧振器，所述第一諧振器與第二諧振器之間通過第二槽線實現電場耦合，所述第二諧振器和第三諧振器之間通過第三槽線實現電場耦合，所述第三諧振器與第四諧振器之間通過第四槽線實現電場耦合；所述第二介質板的正面設有第一金屬微帶線和第二金屬微帶線，所述第一金屬微帶線和第二金屬微帶線的兩端分別加載有枝節，所述第一諧振器與第三諧振器之間通過第一金屬微帶線實現交叉耦合，所述第二諧振器與第四諧振器之間通過第二金屬微帶線實現交叉耦合。
2.根據權利要求1所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第一金屬微帶線的一端設置在與第一諧振器對應的位置上且加載有第一枝節，另一端設置在與第三諧振器對應的位置上且加載有第二枝節；所述第二金屬微帶線的一端設置在與第二諧振器對應的位置上且加載有第三枝節，另一端設置在與第四諧振器對應的位置上且加載有第四枝節。
3.根據權利要求2所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第一枝節、第二枝節、第三枝節和第四枝節均為1/4波導波長的枝節。
4.根據權利要求2所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第一枝節、第二枝節、第三枝節和第四枝節均為1/2波導波長的枝節。
5.根據權利要求2所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第一枝節和第四枝節均為1/4波導波長的枝節，所述第二枝節和第三枝節均為1/2波導波長的枝節。
6.根據權利要求1所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述上排金屬通孔設置在靠近第一金屬片和第二金屬片的上邊緣處，所述下排金屬通孔設置在靠近第一金屬片和第二金屬片的下邊緣處。
7.根據權利要求1所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第二金屬片上設有輸出埠和輸入埠，所述輸出埠和輸入埠分別設置在第二金屬片的左右兩端。
8.根據權利要求1所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線均位於上排金屬通孔與下排金屬通孔之間。
9.根據權利要求1所述的一種利用微帶線實現交叉耦合的基片集成波導濾波器，其特徵在於:所述第一槽線、第二槽線、第三槽線、第四槽線和第五槽線是形狀為矩形的槽線。
【文檔編號】H01P1/203GK203826521SQ201420191346
【公開日】2014年9月10日 申請日期:2014年4月18日 優先權日:2014年4月18日
【發明者】王世偉, 陳瑞森, 汪凱, 郭在成, 林景裕, 褚慶昕 申請人:華南理工大學