一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，包括第一介质板、第二介质板、第一金属片、第二金属片以及上下两排金属通孔，所述上下两排金属通孔依次贯穿第一金属片、第一介质板和第二金属片；所述第二金属片从左至右依次开有第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线，相邻两条槽线之间分别构成第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器；所述第二介质板的正面设有第一金属微带线和第二金属微带线，所述第一金属微带线和第二金属微带线的两端分别加载有枝节。本发明具有结构简单、性能好的优点，通过设置槽线实现电场耦合，并在电场耦合的基础上利用微带线实现交叉耦合，能很好地满足现代通讯系统的要求。
【专利说明】—种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基片集成波导滤波器，尤其是一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，属于无线通讯领域。
【背景技术】
[0002]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。较早的微带带通滤波器由于在平面制图和制板上的方便而被广泛应用，但是这种滤波器的损耗大，特别在高频的时候会产生很大的能量辐射。随着通讯技术的不断发展，对滤波器的要求也越来越高。采用金属波导的毫米波滤波器虽然能够达到较好的技术指标，但是造价昂贵，不能被广泛地应用；具有EBG(Electromagnetic Band-Gap)结构的毫米波滤波器，能够很好的满足现在的技术指标要求，但是这种滤波器体积较大。最近，采用基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide，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，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。
[0003]基片集成波导滤波器主要是采用磁场耦合结构，也就是利用金属通孔窗来实现相邻腔体之间的耦合，同时也可以实现不相邻腔体之间的交叉耦合，而目前比较少的基片集成波导滤波器采用电场耦合(即在基片集成波导腔体上开槽实现相邻谐振器之间的耦合)，在电场耦合的基础上实现交叉耦合的基片集成波导滤波器更是非常罕见。
[0004]据调查与了解，已经公开的现有技术如下:
[0005]I) 2OlO 年，Li Rong-Qiang 等人在 IEEE Microwave and Wireless ComponentsLetters上发表题为““Design of Substrate Integrated Waveguide Transversal FilterWith High Selectivity, ”的文章中，提出了一种利用磁场f禹合以及源负载f禹合的滤波器器，结构如图1a所示，腔体之间的金属通孔窗是用来实现磁场耦合的，同时在源端和负载端之间引入源负载耦合，能够在通带的两边各产生一个零点，改善带外特性。图1b是它的仿真结果。
[0006]2)2013 年，You Chang Jiang 等人在 IEEE Transaction on MicrowaveTheory and Techniques 上发表题为“Single-Layered SIff Post-Loaded ElectricCoupling-Enhanced Structure and Its Filter Applications，，的文章中，提出了一种在相邻的腔体中间开槽来实现腔体之间电场耦合，如图2a所示，这样，整个滤波器中既有磁场耦合，同时存在电场耦合，使得传输零点可以灵活控制，图2b为其测量和仿真的频率响应结果。
[0007]3) 2005 年，X.Chen, W.Hong等人在 IEEE Eletronic Letters 发表题为“Substrateintegrated waveguide elliptic filter with transmission line inserted inverter，，的文章提出了利用微带线实现非相邻谐振腔之间的耦合，该结构如图3a所示，在谐振腔I和4之间用微带线实现交叉耦合，从图3b所示的仿真结果可以看出该滤波器能够产生两个传输零点。
[0008]4) 2013 年，ShenWei 等人在 IEEE Transaction on Components, Packaging andManufacturing Technology 上发表题为 “Substrate-1ntegrated Waveguide BandpassFilters With Planar Resonators for System-on-Package” 提出了 由微带线构成的谐振器与谐振腔之间实现耦合，它们之间是电场耦合，而谐振腔之间仍然是磁场耦合，如图4a所示，这种结构的优势是用微带线构成的谐振器来代替谐振腔，在达到同样的效果的基础上减少了滤波器的尺寸，仿真结果如图4b所示。
[0009]上述四种基片集成波导滤波器都是基于磁场耦合的基础上实现电场耦合和交叉耦合，而磁场耦合是通过相邻腔体之间的电感窗口进行调节的，当磁场耦合变化比较大时，通过电感窗口进行调节就会显得相当复杂。
【发明内容】
[0010]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利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器。
[0011]本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到:
[0012]一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:包括构成基片集成波导的第一介质板、第二介质板、第一金属片、第二金属片以及上下两排金属通孔，从底部至顶部按第一金属片、第一介质板、第二金属片和第二介质板的顺序依次设置，所述第一金属片作为地板，所述上下两排金属通孔依次贯穿第一金属片、第一介质板和第二金属片；所述第二金属片从左至右依次开有第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线，相邻两条槽线之间分别构成第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述第一谐振器与第二谐振器之间通过第二槽线实现电场耦合，所述第二谐振器和第三谐振器之间通过第三槽线实现电场耦合，所述第三谐振器与第四谐振器之间通过第四槽线实现电场耦合；所述第二介质板的正面设有第一金属微带线和第二金属微带线，所述第一金属微带线和第二金属微带线的两端分别加载有枝节，所述第一谐振器与第三谐振器之间通过第一金属微带线实现交叉耦合，所述第二谐振器与第四谐振器之间通过第二金属微带线实现交叉耦合。
[0013]作为一种优选方案，所述第一金属微带线的一端设置在与第一谐振器对应的位置上且加载有第一枝节，另一端设置在与第三谐振器对应的位置上且加载有第二枝节；所述第二金属微带线的一端设置在与第二谐振器对应的位置上且加载有第三枝节，另一端设置在与第四谐振器对应的位置上且加载有第四枝节。
[0014]作为一种优选方案，所述第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节均为1/4波导波长的枝节。
[0015]作为一种优选方案，所述第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节均为1/2波导波长的枝节。
[0016]作为一种优选方案，所述第一枝节和第四枝节均为1/4波导波长的枝节，所述第二枝节和第三枝节均为1/2波导波长的枝节。
[0017]作为一种优选方案，所述上排金属通孔设置在靠近第一金属片和第二金属片的上边缘处，所述下排金属通孔设置在靠近第一金属片和第二金属片的下边缘处。
[0018]作为一种优选方案,所述第二金属片上设有输出端口和输入端口，所述输出端口和输入端口分别设置在第二金属片的左右两端。
[0019]作为一种优选方案，所述第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线均位于上排金属通孔与下排金属通孔之间。
[0020]作为一种优选方案，所述第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线是形状为矩形的槽线。
[0021]本发明相对于现有技术具有如下的有益效果:
[0022]1、本发明的基片集成波导滤波器具有结构简单、性能好的优点，通过设置多条槽线实现电场耦合，并在电场耦合的基础上利用微带线实现交叉耦合，能很好地满足现代通讯系统的要求，有良好的应用前景。
[0023]2、本发明的基片集成波导滤波器是基于电场耦合而设计的，而电场耦合大小可以通过槽线的高度和宽度来调节,相比现有技术需要通过电感窗口大小来调节更容易。
[0024]3、本发明的基片集成波导滤波器在电场耦合的基础上利用微带线实现交叉耦合中，可以在微带线的两端加载不同长度的枝节(如一端加载1/4波导波长，另一端加载1/2波导波长)，这样能产生更好的匹配，且降低了带内的回波损耗，使得滤波器的带内性能得到改善。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]图1a为第一种现有技术的结构示意图。
[0026]图1b为第一种现有技术的仿真结果图。
[0027]图2a为第二种现有技术的结构示意图。
[0028]图2b为第二种现有技术的仿真结果图。
[0029]图3a为第三种现有技术的结构示意图。
[0030]图3b为第三种现有技术的仿真结果图。
[0031]图4a为第四种现有技术的结构示意图。
[0032]图4b为第四种现有技术的仿真结果图。
[0033]图5为本发明实施例1的基片集成波导滤波器的侧面结构示意图。
[0034]图6为本发明实施例1的基片集成波导滤波器中第二金属片的结构示意图。
[0035]图7为本发明实施例1的基片集成波导滤波器中第二介质板的正面结构示意图。
[0036]图8为本发明实施例1的基片集成波导滤波器中第一谐振器与第三谐振器的交叉耦合产生机理示意图。
[0037]图9为本发明实施例1加载1/4 λ g枝节的电磁波传播特性示意图。
[0038]图10为本发明实施例1的基片集成波导滤波器拓扑结构示意图。
[0039]图11为本发明实施例1的耦合矩阵(I)的理论频率响应图。
[0040]图12为本发明实施例1的耦合系数K12的变化曲线图。
[0041]图13为本发明实施例1的耦合系数K23的变化曲线图。
[0042]图14为本发明实施例1的耦合系数K13的变化曲线图。
[0043]图15为本发明实施例1的品质因数Qe的曲线图。[0044]图16为本发明实施例1的基片集成波导滤波器优化后的S参数仿真结果图。
[0045]图17为本发明实施例2的基片集成波导滤波器中第二介质板的正面结构示意图。
[0046]图18为本发明实施例2加载1/2 λ g枝节的电磁波传播特性示意图。
[0047]图19为本发明实施例2的基片集成波导滤波器拓扑结构示意图。
[0048]图20为本发明实施例2的耦合矩阵(5)所得的理论频率响应图。
[0049]图21为本发明实施例2的耦合系数K13的变化曲线图。
[0050]图22为本发明实施例2的基片集成波导滤波器优化后的S参数仿真结果图。
[0051]图23为本发明实施例3的基片集成波导滤波器中第二介质板的正面结构示意图。
[0052]图24为本发明实施例3加载1/4 λ g枝节和1/2 λ g枝节的电磁波传播特性示意图。
[0053]图25为本发明实施例3的基片集成波导滤波器拓扑结构示意图。
[0054]图26为本发明实施例3的基片集成波导滤波器优化后的S参数仿真结果图。
[0055]图27为本发明实施例3的基片集成波导滤波器设计完成的整体正面结构示意图。
[0056]图28为本发明实施例3的基片集成波导滤波器的仿真结果和测量结果比较图。
[0057]其中，1-第一介质板，2-第二介质板,3-第一金属片,4-第二金属片,5-金属通孔，6-输出端口，7-输入端口，8-第一槽线，9-第二槽线，10-第三槽线，11-第四槽线，12-第五槽线，13-第一金属微带线，14-第二金属微带线，15-第一枝节，16-第二枝节，17-第三枝节，18-第四枝节，Rl-第一谐振器，R2-第二谐振器，R3-第三谐振器，R4-第四谐振器。
【具体实施方式】
[0058]实施例1:
[0059]如图5、图6和图7所示，本实施例的基片集成波导滤波器，包括构成基片集成波导(SIW)的第一介质板1、第二介质板2、第一金属片3、第二金属片4以及上下两排金属通孔5，从底部至顶部按第一金属片3、第一介质板1、第二金属片4和第二介质板2的顺序依次设置，所述第一金属片3作为地板，所述上下两排金属通孔5构成波导的侧壁，并依次贯穿第一金属片3、第一介质板I和第二金属片4，其中上排金属通孔5设置在靠近第一金属片3和第二金属片4的上边缘处，所述下排金属通孔5设置在靠近第一金属片3和第二金属片4的下边缘处；
[0060]所述第二金属片4上设有输出端口 6和输入端口 7，所述第二金属片4从左至右依次开有第一槽线8、第二槽线9、第三槽线10、第四槽线11和第五槽线12 ;所述输出端口6和输入端口 7分别设置在第二金属片4的左右两端，所述第一槽线8、第二槽线9、第三槽线10、第四槽线11和第五槽线12的形状为矩形，均位于上排金属通孔5与下排金属通孔5之间，相邻两条槽线之间分别构成第一谐振器R1、第二谐振器R2、第三谐振器R3和第四谐振器R4 (即为四阶谐振器)，所述第一谐振器Rl与第二谐振器R2之间通过第二槽线9实现电场耦合，所述第二谐振器R2和第三谐振器R3之间通过第三槽线10实现电场耦合，所述第三谐振器R3与第四谐振器R4之间通过第四槽线11实现电场耦合；
[0061]所述第二介质板2的正面设有第一金属微带线13和第二金属微带线14(图5中可以看到第二金属微带线14的一部分被第一金属微带线13遮挡了)，所述第一金属微带线13的一端设置在与第一谐振器Rl对应的位置上且加载有第一枝节15，另一端设置在与第三谐振器R3对应的位置上且加载有第二枝节16 ;所述第二金属微带线14的一端设置在与第二谐振器R2对应的位置上且加载有第三枝节17，另一端设置在与第四谐振器R4对应的位置上且加载有第四枝节18 ;所述第一枝节15、第二枝节16、第三枝节17和第四枝节18均为1/4波导波长(波导波长用λ g表示，即为1/4 λ g)的枝节；所述第一谐振器Rl与第三谐振器R3之间通过第一金属微带线13实现交叉耦合，所述第二谐振器R2与第四谐振器R4之间通过第二金属微带线14实现交叉耦合；
[0062]以第一谐振器Rl与第三谐振器R3的交叉耦合为例，其交叉耦合产生机理如图8所示，图中箭头线是电场分布以及传播途径，K12为第一谐振器Rl与第二谐振器R2之间的耦合系数，K23为第二谐振器R2与第三谐振器R3之间的耦合系数，K13为第一谐振器Rl与第三谐振器R3之间的耦合系数，结合图6和图7，所述第一谐振器Rl的能量通过第二槽线9传送到第一金属微带线13，再由第一金属微带线13经第三槽线10传送到第三谐振器R3，实现了第一谐振器Rl与第三谐振器R3之间的交叉耦合；同理，所述第二谐振器R2的能量通过第三槽线10传送到第二金属微带线14，再由第二金属微带线14经第四槽线11传送到第四谐振器R4，实现了第二谐振器R2与第四谐振器R4之间的交叉耦合；
[0063]本实施例的基片集成波导滤波器在微带线的两端加载了 l/4Xg枝节，加载1/4 Ag枝节的电磁波传播特性如图9所示，图中实线箭头表示入射波，虚线箭头表示反射波，电磁波传播时有180度的 相位延时，所产生的交叉耦合的符号为负。
[0064]本实施例的基片集成波导滤波器拓扑结构如图10所示，图中实线表示正耦合，虚线表不负稱合，S表不源端，L表不负载端，K12表不第一谐振器Rl与第二谐振器R2之间的率禹合系数，K23表不第二谐振器R2与第三谐振器R3之间的稱合系数,K34表不第三谐振器R3与第四谐振器R4之间的耦合系数，K13表示第一谐振器Rl与第三谐振器R3之间的耦合系数，K24表示第二谐振器R2与第四谐振器R4之间的耦合系数，Qe表示品质因数，耦合矩阵如下:
'O 0.8344 OOOO
0.8344 0.0983 0.6249 -0.2112 OO
O 0.6249 0.3697 0.5008 -0.2112 O
[0065]M1 =Z1N
1 O -0.2112 0.5008 0.3697 0.6249 O(1)
OO -0.2112 0.6249 0.0983 0.8434
OOOO 0.8434 O
[0066]图11是耦合矩阵(I)所得的理论频率响应(图中虚线表示IS11I,是输入端口的回波损耗；实线表示IS211，是输入端口到输出端口的正向传输系数)，在低频有一个传输零点，这个传输零点是由交叉耦合理论得出的，根据耦合矩阵元素的值和实际电路中耦合值的关系式⑵:
IBW
[0067]K..=FBW Mu Qr=-r FBW =——(2)
L 」”"沿 FBW M2sif0⑵
[0068]其中，Kij表示第i个谐振器与第j个谐振器之间的耦合系数，Qe表示品质因数，FBW表示相对带宽，MU表示耦合矩阵(I)第i+Ι行第j+Ι列的值，即第i个和第j个谐振器之间的耦合值，Msi表示耦合矩阵(1)第I行第2列的值，即源端和第一个谐振器之间的耦合值，BW表示带宽，f0表示中心频率；1≤i≤4，1≤j≤4。
[0069]选取中心频率 3.8GHz，可以求出 K12=K23=0.075，K13=0.0275，Qe = 12.7 ;接下来，用下式⑶和⑷提取它们的值:
【权利要求】
1.一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:包括构成基片集成波导的第一介质板、第二介质板、第一金属片、第二金属片以及上下两排金属通孔，从底部至顶部按第一金属片、第一介质板、第二金属片和第二介质板的顺序依次设置，所述第一金属片作为地板，所述上下两排金属通孔依次贯穿第一金属片、第一介质板和第二金属片；所述第二金属片从左至右依次开有第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线，相邻两条槽线之间分别构成第一谐振器、第二谐振器、第三谐振器和第四谐振器，所述第一谐振器与第二谐振器之间通过第二槽线实现电场耦合，所述第二谐振器和第三谐振器之间通过第三槽线实现电场耦合，所述第三谐振器与第四谐振器之间通过第四槽线实现电场耦合；所述第二介质板的正面设有第一金属微带线和第二金属微带线，所述第一金属微带线和第二金属微带线的两端分别加载有枝节，所述第一谐振器与第三谐振器之间通过第一金属微带线实现交叉耦合，所述第二谐振器与第四谐振器之间通过第二金属微带线实现交叉耦合。
2.根据权利要求1所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第一金属微带线的一端设置在与第一谐振器对应的位置上且加载有第一枝节，另一端设置在与第三谐振器对应的位置上且加载有第二枝节；所述第二金属微带线的一端设置在与第二谐振器对应的位置上且加载有第三枝节，另一端设置在与第四谐振器对应的位置上且加载有第四枝节。
3.根据权利要求2所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节均为1/4波导波长的枝节。
4.根据权利要求2所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第一枝节、第二枝节、第三枝节和第四枝节均为1/2波导波长的枝节。
5.根据权利要求2所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第一枝节和第四枝节均为1/4波导波长的枝节，所述第二枝节和第三枝节均为1/2波导波长的枝节。
6.根据权利要求1所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述上排金属通孔设置在靠近第一金属片和第二金属片的上边缘处，所述下排金属通孔设置在靠近第一金属片和第二金属片的下边缘处。
7.根据权利要求1所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第二金属片上设有输出端口和输入端口，所述输出端口和输入端口分别设置在第二金属片的左右两端。
8.根据权利要求1所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线均位于上排金属通孔与下排金属通孔之间。
9.根据权利要求1所述的一种利用微带线实现交叉耦合的基片集成波导滤波器，其特征在于:所述第一槽线、第二槽线、第三槽线、第四槽线和第五槽线是形状为矩形的槽线。
【文档编号】H01P1/203GK103956541SQ201410159286
【公开日】2014年7月30日 申请日期:2014年4月18日 优先权日:2014年4月18日
【发明者】王世伟, 陈瑞森, 汪凯, 郭在成, 林景裕, 褚庆昕 申请人:华南理工大学