专利名称：一种多层1/4模基片集成波导滤波器的制作方法
技术领域：
本实用新型属于微波技术领域，涉及一种基于PCB工艺的多层1/4模基片集成波 导(Quarter-mode Substrate Integrated Waveguide, QMS Iff)滤波器。
背景技术：
基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide, SIff)是一种采用 PCB 或 LTCC 工艺在介质基板上实现的新型微波毫米波导波结构，由两排金属化通孔、上下两层金属面 以及中间的填充介质构成，其实质是一种介质填充波导结构，具有与传统金属波导相似的 传播特性，传输损耗小、Q值高等同时又易于平面集成，可以用来设计各种高Q值的无源和 有源器件，如利用SIW谐振腔设计滤波器等。在工作频率较低时，实际的SIW结构及其功能模块电路的尺寸还是比较大，影响 了电路的集成度和实际应用，为了克服这个缺点，有学者提出了半模基片集成波导(HMSIW) 结构。将半模基片集成波导的思想应用于SIW谐振腔便可以得到1/4模基片集成波导 (QMSIff)谐振腔，将工作在TEltll模式下的SIW谐振腔沿虚拟磁壁一分为四，即可得到QMSIW 谐振腔，体积约为原SIW谐振腔的1/4，此时TEltll模的电场最大值位于QMSIW谐振腔的拐角 处。目前国内外SIW谐振腔滤波器设计主要是基于普通SIW谐振腔和HMSIW谐振腔， 在较低的频段时，SIff或HMSIW谐振腔滤波器仍有较大的体积。
实用新型内容本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供一种多层1/4模基片集成波导 滤波器，该滤波器采用QMSIW谐振腔可以将体积减小到SIW谐振腔的1/4，同时利用多层设 计可以将2η个QMSIW谐振腔分布在η层介质基板上，而只占用两个QMSIW谐振腔平面尺寸， 很大程度上减小了滤波器的平面尺寸。本实用新型的上述目的是通过如下技术方案予以实现的—种多层1/4模基片集成波导滤波器，包括η个介质基板、η+1个金属层、输入端 口、输出端口，其中η个介质基板与η+1个金属层交替排列，使得每个介质基板位于相邻两 个金属层之间，每个介质基板上设有垂直排列的两排金属化通孔，相邻两个介质基板之间 的金属层上开有耦合窗口，输入端口、输出端口分别位于最外层的一个金属层的两端，由η 个介质基板、η+1个金属层和金属化通孔围成的半开放式结构构成2η个QMSIW谐振腔，相 邻介质基板之间的两个谐振腔通过位于谐振腔之间的耦合窗口实现电耦合或磁耦合，同一 介质基板的两个谐振腔之间可以通过将介质基板中金属化通孔去除若干个形成缺损分布 而产生的耦合通道实现磁耦合。在上述多层1/4模基片集成波导滤波器中，输入端口和输出端口通过微带线分别 与最邻近的介质基板上的两个谐振腔实现耦合，并通过调整微带线与所述两个谐振腔的耦 合位置调节输入输出谐振腔的有效Q值。[0009]在上述多层1/4模基片集成波导滤波器中，耦合窗口的位置实现电耦合或磁耦 合，根据耦合窗口的大小不同调整耦合量的大小。在上述多层1/4模基片集成波导滤波器中，各层金属层及介质基板均可以根据设 计需要确定其尺寸，其中靠近连接有输入端和输出端的最外层金属层的第一层介质基板d 及其底面金属层b向两端延伸以支持输入端和输出端的微带线，其横向尺寸大于继续依次 向下排列的其余金属层和介质基板。在上述多层1/4模基片集成波导滤波器中，当同一介质基板的两个谐振腔之间通 过耦合通道实现磁耦合时，耦合量的大小由耦合通道的尺寸决定。本实用新型与现有技术相比具有如下有益效果(1)本实用新型滤波器由于采用QMSIW谐振腔，可以将滤波器的体积减小到普通 SIff谐振腔滤波器的1/4 ；(2)本实用新型滤波器采用多层设计将2η个QMSIW谐振腔分布在η层介质基板 上，而只占用两个QMSIW谐振腔平面尺寸，且不会因为滤波器阶数的增加而增大平面尺寸， 在很大程度上减小了滤波器的平面尺寸；(3)本实用新型滤波器结构简单、加工难度低、容易与其它电路集成设计，并且可 以通过耦合窗口或耦合通道调节耦合量的大小，具有很强的实用性。
图1为本实用新型多层QMSIW滤波器实施例结构示意图；图2为采用本实用新型结构的多层QMSIW滤波器实施例的拓扑图；图3为采用本实用新型结构的多层QMSIW滤波器实施例的S参数仿真结果。
具体实施方式
以下结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细的描述本实用新型滤波器的原理如下由于SIW工作于主模式TEltl时电场的最大值在沿着传播方向的垂直中心面上，因 此该中心平面可认为是一个等效的磁壁，可沿着该垂直中心面(虚拟的磁壁)将SIW切成 两半，每一半均是一个半模基片集成波导结构，由于其宽高比大，沿对称面切开后的开口面 上辐射非常微弱，接近理想磁壁，因此在半个开放式结构中能支持该半模电磁场模式，保留 了原有的电磁场分布。在实际电路中并不需要有一个实际的磁壁，而且只要介质基片从横 截面往外延伸一点以束缚少量的辐射能量即可。将此方法应用于SIW谐振腔便可以得到 1/4模基片集成波导(QMSIW)谐振腔，将工作在TEltll模式下的SIW谐振腔沿虚拟磁壁一分 为四，即可得到QMSIW谐振腔，体积约为原SIW谐振腔的1/4。将多个QMSIW谐振腔按两列 分层分布，同层的谐振腔之间可通过金属化通孔形成的耦合窗耦合，相邻层的谐振腔之间 可通过在中间金属层上开槽耦合，输入输出端口可与最上层的谐振腔之间耦合，易于实现 各种形式的滤波器。下面以包含两个介质基板3、三个金属层4、形成四个谐振腔的滤波器为例对本实 用新型作详细的描述如图1所示为本实用新型多层QMSIW滤波器实施例结构示意图，该图下方为滤波器结构图，上方为滤波器的结构分解图，滤波器由若干金属层和若干介质基板紧密结合形 成。由图可知该滤波器包括输入端口 1、输出端口 2、两个介质基板3 (d、e)、三个金属层4 (a、 b、c)、互相垂直的两排金属化通孔5、耦合窗口 6和耦合通道7，由两层介质基板3、三层金 属层4以及金属化通孔5所围成的半开放式结构构成四个QMSIW谐振腔8、9、10、11 (图中 虚线圈只是一个示意，并不是对谐振腔范围的限定)，输入端口 1与输出端口 2分别位于金 属板a的两端，分别通过50 Ω微带线直接与QMSIW谐振腔8和9耦合，通过调整微带线与 谐振腔的耦合位置调节输入输出谐振腔的有载Q值。为了使滤波器便于连接使用，最上层 的介质基板d及其底面金属层b应向两端延伸以支持输入端口 1和输出端口 2的微带线， 因此介质基板d和金属层b的横向尺寸大于介质基板e和金属层C。介质基板d与介质基板e之间的金属层b上通过开槽形成两个耦合窗口 6，谐振腔 8和10之间，9和11之间均通过耦合窗口 6实现耦合，根据耦合窗口 6位置的不同进行电 耦合或者磁耦合，根据耦合窗口 6的大小不同调整耦合量的大小。介质基板d上的两个谐 振腔8和9之间纵向排列的金属化通孔5，在谐振腔8和谐振腔9之间将二者完全隔开，使 得谐振腔8和9之间没有耦合发生，介质基板e上的两个谐振腔10和11之间同样有纵向 排列的金属化通孔5，但在末端去除若干个金属化通孔形成缺损分布，使得谐振腔10和11 并没有被完全隔开，在没有金属化通孔5的地方形成耦合通道7，谐振腔10和11之间通过 耦合通道7实现磁耦合，耦合量的大小由耦合通道7的尺寸决定。同一介质基板上的两个 谐振腔之间可以通过开设金属化通孔5的长度决定是否实现耦合，即通过是否形成耦合通 道7来决定是否实现谐振腔之间的耦合。利用图1所示的滤波器，设计一个4阶切比雪夫函数响应的QMSIW滤波器，滤波器 拓扑见图2。选择介电常数为2. 2，厚度为0.254mm的Rogers 5880介质基板，优化各设计 参数，得到C频段多层QMSIW滤波器仿真结果如图3所示，图3为采用本实用新型结构的多 层QMSIW滤波器实施例的S参数仿真结果，由图3可知，中心频率为5. 8GHz，带宽700MHz， 带内插损小于3dB，带内S11 < -20dB，偏离中心频率IGHz处带外抑制大于33dB，滤波器体 禾只为 30mmX 16mmX0. 51mm。本实用新型说明书未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。
权利要求1.一种多层1/4模基片集成波导滤波器，其特征在于包括η个介质基板C3)、η+1个 金属层G)、输入端口(1)、输出端口 O)，其中η个介质基板(3)与η+1个金属层(4)交替 排列，使得每个介质基板C3)位于相邻两个金属层(4)之间，每个介质基板C3)上设有垂 直排列的两排金属化通孔(5)，相邻两个介质基板(3)之间的金属层⑷上开有耦合窗口 (6)，输入端口(1)、输出端口( 分别位于最外层的一个金属层的两端，由所述η个介质基 板(3)、η+1个金属层(4)和金属化通孔(5)围成的半开放式结构构成2η个QMSIW谐振腔， 相邻介质基板( 之间的两个谐振腔通过位于谐振腔之间的耦合窗口(6)实现电耦合或磁 耦合，同一介质基板(3)的两个谐振腔之间可以通过将所述介质基板(3)中的金属化通孔 (5)去除若干个形成缺损分布而产生的耦合通道(7)实现磁耦合。
2.根据权利要求1所述的一种多层1/4模基片集成波导滤波器，其特征在于所述输 入端口(1)和输出端口( 通过微带线分别与最邻近的介质基板C3)上的两个谐振腔实现 耦合，并通过调整微带线与所述两个谐振腔的耦合位置调节输入输出谐振腔的有效Q值。
3.根据权利要求1所述的一种多层1/4模基片集成波导滤波器，其特征在于靠近连 接有输入端和输出端的最外层金属层的第一层介质基板(d)及其底面金属层(b)向两端延 伸以支持输入端⑴和输出端⑵的微带线。
专利摘要本实用新型涉及一种多层1/4模基片集成波导滤波器，该滤波器由n层介质基板、n+1层金属层以及金属化通孔构成2n个QMSIW谐振腔，同一层的QMSIW谐振腔之间通过金属化通孔的缺损分布形成耦合通道实现耦合，不同层的QMSIW谐振腔之间通过层间的金属层开槽实现耦合，输入、输出端口通过微带线直接与QMSIW谐振腔耦合，该滤波器采用QMSIW谐振腔可以将体积减小到SIW谐振腔的1/4，同时利用多层设计可以将2n个QMSIW谐振腔分布在n层介质基板上，而只占用两个QMSIW谐振腔平面尺寸，很大程度上减小了滤波器的平面尺寸，且滤波器结构简单、加工难度低、具有很强的实用性。
文档编号H01P1/208GK201898182SQ201020593018
公开日2011年7月13日 申请日期2010年11月1日 优先权日2010年11月1日
发明者朱忠博, 王颖, 董亚洲, 董士伟 申请人:西安空间无线电技术研究所