一种磁可调双模带通滤波器的制作方法

本发明属于微波毫米波领域，具体涉及一种磁可调双模带通滤波器。
背景技术：
：可调滤波器作为未来智能化无线通信和雷达系统的关键组成器件，不仅担负着控制有用信号、抑制有害干扰频率的作用，还能够支持多信道通信，有效地解决频谱拥挤问题。而未来智能化无线通信和雷达系统的多频段、小型化和集成化的应用需求，对可调滤波器的发展在性能和体积等方面又提出来越来越高的要求。可调滤波器是一种能够实现滤波器的结构重组和频率调谐的新型滤波器，一般是通过在滤波器结构中加载可调谐元件来改变滤波器的器件特性与阻抗效应，获得不同的谐振频率和工作带宽。可调微波滤波器不仅能够满足自适应预选频和多信道传输要求，有效解决多设备间的相互干扰和电磁兼容问题，并且大大降低了系统的尺寸和复杂性，是实现无线通信系统多频段、小型化和智能化的一种理想器件。与传统的单频滤波器不同，可调滤波器可以通过改变调谐元件的偏置来实现滤波器中心频率和通带带宽的独立调节，甚至可以灵活控制滤波器的波形系数和传输零点位置。因此，可调滤波器不仅在频谱资源的利用率和频段的兼容性方面具有很大优势，而且满足现代通信系统对设备灵活多变的需求。长期以来，由于电调谐速度快，插入损耗小等众多优点，电可调滤波器的研究一直备受关注。电可调滤波器是通过可调节偏置电源来改变pin开关的状态或变容二极管的容值，从而改变滤波器的元件特性与阻抗效应等电特性，获得不同的谐振频率和工作带宽，实现滤波器的结构重组和频率调谐。而基于铁磁材料的磁可调滤波器其调谐原理是通过调节外加磁场的大小来改变铁磁材料的磁导率，从而对磁场的分布产生影响，实现rf和微波器件及电路的频率或带宽的可调。与电可调滤波器相比，这种磁可调滤波器具有q值高、工作频率范围宽、高功率容量等众多优点。基片集成波导(substrateintegratedwaveguide，siw)作为一种新型传输线结构同时具有矩形波导和微带线平面结构电路两者的优点。但目前已报道的可调siw滤波器都普遍采用单腔单模的设计方式，这无疑就会造成尺寸和制作成本方面的问题。另外，基于单腔单模的滤波器往往需要引入额外的交叉耦合来实现传输零点，因此在频率选择性和阻带特性方面表现较差。而采用一腔多模的理论实现双模耦合滤波器是缩小波导滤波器的重要途径之一，并且通过控制各个模式的相位来产生传输零点对滤波器的选择特性有很大改善。可见，探索基于双模甚至多模的可调滤波器是目前新型滤波器发展的重要趋势之一。技术实现要素：本发明的主要目的在于提供一种基片集成波导的磁可调双模带通滤波器，该可调带通滤波器可以实现通带频率和带宽的调节，可被用于高数据率通信系统射频前端。本发明通过以下技术方案实现：一种磁可调双模带通滤波器，包括介质基板2、设于介质基板下表面的第一金属层1和上表面的第二金属层3；第一金属层1与第二金属层3之间通过金属化通孔阵列4相连；介质基板2与第一金属层1、第二金属层3和金属化通孔阵列4构成一个双模谐振腔5。在双模谐振腔5内紧贴金属化通孔阵列4的四周设置有四个通孔，所述通孔设置于介质基板2中，在上下两侧的通孔中设置有第一铁氧体6、左右两侧的通孔中设置有第二铁氧体7，所述第一铁氧体6和第二铁氧体7的形状与其所处通孔的形状吻合以便于固定，所述第一铁氧体6和第二铁氧体7的厚度与介质基板2的厚度相同。第二金属层3上设置有两个输入输出端口，所述输入输出端口均采用共面波导8与微带馈线9相连接的结构，所述微带馈线9的特征阻抗为50欧姆；所述输入输出端口呈左右镜像对称的设置在双模谐振腔5的外侧，整个滤波器结构也呈左右镜像对称。所述双模谐振腔5为矩形基片集成波导谐振腔或者圆形基片集成波导谐振腔。所述金属化通孔阵列4由圆柱体或长方体金属化通孔组成。所述位于介质基板2中的四个通孔与设置于其中的第一铁氧体6和第二铁氧体7可以为长方形、或者方形。进一步的，所述第一铁氧体6和第二铁氧体7的上表面和下表面均覆盖有铜皮，覆盖于第一铁氧体6和第二铁氧体7下表面的铜皮的四周与第一金属层1焊接相连，覆盖于第一铁氧体6和第二铁氧体7上表面的铜皮的四周与第二金属层3焊接相连，由此进一步固定铁氧体材料并减少辐射损耗。本发明的磁可调双模带通滤波器的初始通带中心频率由双模谐振腔5的长和宽决定，滤波器的通带由双模谐振腔5中的te102模和te201模之间的耦合来实现，适当地设计双模谐振腔5的长度与宽度的比值可实现初始通带耦合系数的调节，即可改变滤波器通带的带宽；设置于介质基板2中的第一铁氧体6位于te201模的磁场最强位置，对其外加偏置磁场可调节te201模的谐振频率；第二铁氧体7位于te102模的磁场最强位置，对其外加偏置磁场可调节te102模的谐振频率；因此，滤波器的通带中心频率可由第一铁氧体6和第二铁氧体7来调节，随着第一铁氧体6和第二铁氧体7的外加偏置磁场强度h0和h1的增大，滤波器通带的中心频率往高频方向移动；在滤波器通带中心频率的调谐过程中，通带带宽也会发生变化。更进一步的，可以通过给第一铁氧体6和第二铁氧体7设置不同的外加偏置磁场强度来调节te201模和te102模之间的耦合强度，从而改变通带带宽。另外，由于通带由双模谐振腔实现，因此在通带两侧各有一个传输零点，调节设置于第二金属层3的输入输出馈线的参数可调节传输零点的位置。本发明与现有技术相比，其优点和有益效果是：1、与单模滤波器相比，本发明采用双模谐振腔实现的滤波器将所需谐振器的数量可减少一半，从而减少了滤波器的电路面积。并且还具有插入损耗低、选择性好谐波抑制特性好等优点。而采用对双模谐振器进行可调节设计，在缩减了电路尺寸的同时还可采用分别调节每个模式的谐振频率而改变滤波器的耦合强度，从而调节滤波器的带宽，节省了耦合强度调节元件的加载。2、该可调滤波器应用铁氧体材料的等效磁导率随外加偏置磁场强度而改变的特点实现，不仅可以改变基片集成波导双模谐振腔的谐振频率，同时还能控制谐振腔内两个简并模之间的耦合强度。与传统的电可调基片集成波导滤波器相比，磁可调滤波器的工作频率是随着外加偏置磁场强度增大而往高频方向移动，动态可调范围较宽，并且可以实现对带宽的灵活设计，滤波器波形保持程度提高，在未来多频段、小型化和智能化无线通信设备和系统中具有广阔的应用潜力。附图说明图1为一种磁可调双模带通滤波器三维示意图；图2为一种磁可调双模带通滤波器俯视图；图3为一种磁可调双模带通滤波器当外加偏置磁场h0＝h1＝0.1t时的电场分布图；图4为一种磁可调双模带通滤波器当外加偏置磁场h0＝h1＝0.1t时的磁场分布图；图5为一种磁可调双模带通滤波器中心频率随外加偏置磁场强度调节的传输特性曲线；图6为一种磁可调双模带通滤波器te102模调节时带宽变化的传输特性曲线；图7为一种磁可调双模带通滤波器te201模调节时带宽变化的传输特性曲线；图8为一种磁可调双模带通滤波器双模调节时带宽变化的传输特性曲线；具体实施方式下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案。实施例本实施例中磁可调双模带通滤波器结构如图1所示，介质基板2采用厚度为0.726mm的rogersduroid6202基板，其相对介电常数εr＝2.9，损耗角正切tanδ＝0.0015。具体的，在本实施例中，所述双模谐振腔5为矩形基片集成波导谐振腔；所述金属化通孔阵列4由长方体金属化通孔组成，金属化通孔阵列4的金属化通孔长度为0.9mm，相邻金属化通孔之间的间距为0.4mm；所述位于双模谐振腔5内紧贴边界通孔阵列4的通孔和位于通孔中的铁氧体的形状为长方体；所述第一铁氧体6和第二铁氧体7均采用微波钇铁石榴石(yig)铁氧体；所述铁氧体的上表面和下表面均覆盖有铜皮，位于铁氧体下表面的铜皮的四周与所述第一金属层1焊接相连，位于铁氧体上表面的铜皮的四周与所述第二金属层3焊接相连，由此进一步固定铁氧体材料并减少辐射损耗；所述第一铁氧体6和第二铁氧体7的形状与尺寸可不相同，但在本实施例中，均采用尺寸相同的长方体。所述输入输出端口均采用共面波导8与微带馈线9相连接的结构并且对称的位于双模谐振腔5的两侧。该磁可调双模带通滤波器的具体结构尺寸标记如图2所示，具体对应参数如下表所示：符号值(mm)符号值(mm)符号值(mm)w16.6l15.5wf1lf10lx1.3lp4.7ws3wp1.3该磁可调双模带通滤波器的工作方式为：第一铁氧体6和第二铁氧体7控制双模谐振腔5中的简并模te102和te201模的谐振频率；随着外加偏置磁场强度h0和h1的增大，其谐振频率会往高频方向移动；如果对第一铁氧体6和第二铁氧体7外加不同的偏置磁场强度时，te102模和te201模的谐振频率的调谐程度就不同，两个简并模之间的耦合强度也会发生改变，从而调谐滤波器带宽。经电磁仿真，该磁可调双模带通滤波器在外加偏置磁场强度h0和h1均设置为0.1t时的电场分布图如图3所示，其相应的磁场分布如图4所示。从电磁场分布图可见，te102模和te201模的最大磁场强度分别集中在第一铁氧体6和第二铁氧体7所在的谐振腔的周边位置，而这些位置正好是电场强度最弱区域。因此，对te102模式进行调谐不会影响te201模式的电磁场分布，反之亦然。在确定了图2中的各相关参数的情况下，图5所示为经电磁仿真获得的该磁可调双模带通滤波器的频率调谐时的传输特性，由图可见，当外加偏置磁场强度从0t调节到0.425t时，滤波器的通带中心频率调谐范围为12ghz到15.5ghz，频率调节范围达到29.2％，插入损耗的变化范围为0.63db到3.03db，随着中心频率的调谐，通带带宽的变化范围为0.7ghz到0.83ghz，对应的相对带宽变化范围为1.47％-3.82％。图6所示为调节te102模的谐振频率，滤波器通带带宽变化时的传输特性曲线，当h0设置为0.2t，h1从0.1875t调节到0.275t时，通带带宽的变化范围为0.47ghz到0.95ghz，对应的相对带宽变化范围为3.7％-7.32％。图7所示为调节te201模的谐振频率，滤波器通带带宽变化时的传输特性曲线，当h0从0.075t调节到0.2t，h1设置为0.2t时，通带带宽的变化范围为0.97ghz到0.52ghz，对应的相对带宽变化范围为7.8％-4％。图8所示为同时调节双模的谐振频率，滤波器通带带宽变化时的传输特性曲线，当外加偏置磁场从h0＝0.2125t，h1＝0.1875t调节到h0＝0.15t，h1＝0.25t时，通带带宽的变化范围为0.41ghz到1.0ghz，对应的相对带宽变化范围为3.2％-7.84％。可以看出，本发明所述的一种磁可调的双模带通滤波器不仅可以在较宽的频率范围内实现滤波器中心频率的调谐，还可以对滤波器的带宽进行调节，而且还具有滤波性能稳定、通带性能可控、插入损耗低等优点。通过调节加载于铁氧体材料的外加偏置磁场强度参数，该发明可实现各种频率、带宽和滤波性能要求的可调滤波器。以上所述仅为本发明的较佳实例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。当前第1页12