三通带交叉耦合基片集成波导滤波器拓扑结构及滤波器的制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波无源器件技术领域，具体涉及一种三通带交叉耦合基片集成波导 滤波器拓扑结构及滤波器。
【背景技术】
[0002] 高Q值的滤波器是微波毫米波电路的重要组成部分，传统的金属波导、微带线等 技术设计的滤波器在某些方面存在问题，例如，金属波导价格较为昂贵，微带线Q值较低， 难以达到某些所要求的技术指标。基片集成波导（SIW:Substrate Integrated Waveguide) 由多层微波集成电路中的周期性金属通孔构成，具有传统波导滤波器品质因数高、功率容 量大的优点，且易于加工、集成，造价低。由于基片集成波导谐振单元（组成滤波器的基本 单元）多为方形或圆形谐振腔，因此设计合理的滤波器拓扑结构，优化基片集成波导谐振 单元排布，可以实现基片集成波导滤波器小型化设计的目的，为整体系统设计节省宝贵空 间。
[0003] 相对于单通带滤波器，多通带滤波器频率响应具有多个通带，能满足无线通信向 多频段、多模式方向发展的需求，能够降低微波电路设计复杂程度，简化多频段通信系统的 结构，降低成本，有利于实现整体系统的小型化。
[0004] 滤波器交叉耦合，可以控制通带带宽，引入可控传输零点（即通带带宽、传输零点 位置可以根据交叉耦合理论计算的耦合系数调整），从而改善滤波器带外特性。但是现有的 滤波器交叉耦合理论，只能分析单通带滤波器，不适用于多通带。这就导致多通带滤波器设 计缺乏综合理论指导，多通带滤波器的通带特性（通带频率、带宽）、带外传输零点位置不 能自由设计，滤波器结构与频率相关，如果频率变化，结构就不再适用。
[0005] 现有多通带滤波器或者没有传输零点，带外抑制较差，或者受限于拓扑结构，无法 应用交叉耦合理论去分析传输零点，不能实现带外传输零点的可控（即结构一旦固定，零 点位置也基本固定）。
【发明内容】
[0006] 本发明设计了一种三通带交叉耦合基片集成波导滤波器拓扑结构，能够实现三通 带响应，并可根据交叉耦合理论引入可控的传输零点，极大地改善了带外特性，且适用于所 有频率。
[0007] 本发明的三通带交叉耦合基片集成波导滤波器拓扑结构，包括12个谐振腔，其 中，谐振腔①中设有输入端口 S，谐振腔④中设有输出端口 L，谐振腔①分别与谐振腔?、 谐振腔②耦合，谐振腔?与谐振腔?耦合；谐振腔②分别与谐振腔③、谐振腔@耦合， 谐振腔?与谐振腔耦合；谐振腔③分别与谐振腔④、谐振腔(J)耦合，谐振腔@与谐 振腔@耦合；谐振腔@分别与谐振腔④、谐振腔耦合；谐振腔④与谐振腔①交叉耦 合，产生传输零点；其中，谐振腔①与谐振腔?、谐振腔②与谐振腔@、谐振腔③与谐振 腔@、谐振腔④与谐振腔@之间的耦合系数相同，为I/^;所述谐振腔@与谐振 腔0、谐振腔@与谐振腔(?、谐振腔@与谐振腔@、谐振腔@与谐振腔之间的耦 合系数相同，为1/^ i所述谐振腔①与谐振腔②、谐振腔②与谐振腔③、谐振腔③与谐 振腔④、谐振腔①与谐振腔④之间的耦合系数由K = MA1计算获得；其中，M为单通道滤 波器交叉耦合矩阵；谐振腔①、谐振腔②、谐振腔③、谐振腔④的谐振频率为谐振 IM 腔:?、谐振腔@、谐振腔@、谐振腔@的谐振频率为#，谐振腔?、谐振腔@、谐 振腔@、谐振腔@的谐振频率为'^;其中，131、132、133、《。 1、《。2、0。3是频率映射公式
的系数，可由三个通带的上、下边 0LlJ qHU QL2j QH2? QL3? QH 3求出，ω为滤波器的频率；
[0008]
[0009] -种三通带交叉耦合基片集成波导滤波器，采用上述拓扑结构，并将12个谐振腔 排布为3X4阵列，其中，阵列第一行从左至右分别为@、第二行从左至 右分别为?、②、③、?，第三行分别为0、①、④、@;各谐振腔的尺寸由其谐振频率确 定。
[0010] 有益效果：
[0011] (1)本发明三通带交叉耦合基片集成波导滤波器拓扑结构适用于交叉耦合理论， 可以利用交叉耦合理论引入可控的传输零点，改善了带外特性，实现三通带频率响应的同 时，提高了带外抑制度；该拓扑结构与频率无关，即不同频率下均可使用该拓扑结构，而不 用重新设计滤波器结构，适用广泛。
[0012] (2)根据本发明拓扑结构设计的类似九宫格结构的三通带基片集成波导滤波器， 其结构极为紧凑，有助于实现设备整体的小型化，同时具有较高的品质因数，功率容量大， 易于加工、集成，成本低，从而使微波毫米波电路的封装及单片化成为可能。
【附图说明】
[0013] 图1为从ω域的三通带频率响应到Ω域低通原型频率响应的映射变换。
[0014] 图2为从Ω域低通原型电路中的并联电容到ω域的三通带谐振单元的映射变 换。
[0015] 图3为四阶单通道交叉耦合滤波器拓扑结构示意图。
[0016] 图4为四阶交叉耦合三通带滤波器拓扑结构。
[0017] 图5为交叉耦合三通带基片集成波导滤波器结构图。
[0018] 图6为提取的外部品质因数随物理结构参数变化趋势图。
[0019] 图7为三通带交叉耦合基片集成波导滤波器实物图。
[0020] 图8为仿真与测量结果对比图。
【具体实施方式】
[0021] 本发明基于频率映射法提供了一种三通带交叉耦合基片集成波导滤波器拓扑结 构。
[0022] 图1给出了从ω域的三通带频率响应到Ω域低通原型频率响应的频率映射示意 图，滤波三个通带分别位于在ω域的（co u，ωΗ1)、（ο^2, coH2)、（cou，ωΗ3)，其传输特性的频 率响应曲线如图1箭头左边部分所示，而归一化低通原型滤波器的通带在Ω域为（-1，1)， 其传输特性的频率响应曲线如图1箭头右边部分所示。图2给出了低通原型电路中的并联 电容从Ω域映射到ω域的三通带滤波器谐振单元的变换。从图中可以看到，三个并联LC 谐振腔分别谐振于ω Μ、ω。2、ω。3，级联谐振腔与并联谐振腔之间的耦合用J变换器表示，并 联谐振腔与并联谐振腔之间的耦合用J'变换器表示。
[0023] 式⑴是从ω域的三通带频率响应到Ω域低通原型频率响应的映射变换，将三 频滤波器的频率响应经过类似于从ω域到Ω域的映射，转化为归一化低通原型滤波器的 频率响应，相对于双通带的映射变换，式（1)分母上多出了一个分式，正是由于这个分式的 存在，从ω域到Ω域的映射才多实现了一个通带。
[0024] (1)
[0025] 式中，匕、b2、b3、ωΜ、（〇。 2、〇。3定义为频率映射中的六个未知变量。通过频率变 换，ω域中三个通带的下边频率co u、ω?2、ω?3被映射到了 Ω域中值为-1的点，三个通带 的上边频率ωΗ1、ωΗ2、ωΗ3被映射到了值为1的点上，因为频率变换Τ(ω)是一个奇函数， 可得如下映射关系式
[0026] T ( ω H1) = T ( ω H2) = T ( ω H3) = T (_ ω L1) = T (_ ω L2) = T (_ ω L3) = 1 (2)
[0027] 令 υ(ω) = Τ(ω)-1，由公式⑵可知，-coL1, ωΗ1