一种小型化基片集成波导全可调滤波器的制作方法

本实用新型属于滤波器技术领域，具体涉及一种小型化基片集成波导全可调滤波器。

背景技术：

无论是军事通信还是民用通信系统，都要求通信设备小型化和通用化。为了提高频谱资源的利用率，扩频、跳频和动态频率分配等技术得到广泛的应用，这些技术的广泛应用满足了滤波器快速可调或可重构的需要，因此可调滤波器的研究越来越受到重视。

全可调滤波器能够融合多种可调功能，灵活地改变其参数，更好地适应复杂变换的通信环境。在如今频谱资源高度紧张，现有通信设备标准参差不齐的情况下，全可调滤波器无疑具有极高的研究意义和应用价值。国内外学者对多波段通信系统中的全可调滤波器进行了大量研究，并在实现滤波器的中心频率、带宽、传输零点、阶数、q值、群时延等参数可调中取得了良好效果，其意义在于能够在复杂多变的频谱环境中实时地选择所需要的信号，灵活抑制各种干扰，实现系统的自适应调控，降低滤波器成本，并且有效适应未来通信系统中宽带技术的发展需求。

然而，全可调作为理想可调滤波器的发展目标，至今还未能真正实现多种可调功能的同时融合，仍存在着可调参数较少、调节范围窄、腔体模式单一、调节不稳定等不足。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其通过控制pin二极管的外置加载电压的大小实现了中心频率的可调；通过调节第一变容二极管的外置加载电压改变交叉耦合控制宽带滤波器传输零点的调节；通过调节第二变容二极管的外置加载电压改变级间耦合控制宽带滤波器带宽的调节；从而将多种参数调节融合在一起，且参数调节互不影响互不干扰，而且在调节频率和传输零点时，保持了带宽的稳定，且采用双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔，其面积比全模谐振腔减少了93.5％，实现了小型化。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：包括从上至下依次层叠的上介质层、上金属层、中间介质层、中间金属层、下介质层和下金属层，金属通孔阵列从上至下贯通中间金属层的边缘形成级联谐振腔，级联谐振腔由两个双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔通过中间金属层的耦合窗口耦合；所述上介质层上设置有多对pin二极管和多个变容二极管，pin二极管的阴极与上金属层相接，pin二极管的阳极与中间金属层相接，多对pin二极管分别沿中间金属层的耦合窗口对称布设；所述变容二极管的阴极与上金属层相接，变容二极管的阳极与中间金属层相接，多个所述变容二极管包括布设在耦合窗口顶部在上介质层对应位置的第一变容二极管和布设在耦合窗口中段在上介质层对应位置的第二变容二极管。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔是将全模谐振腔沿等效磁壁进行两次平分后，再沿长度和宽度方向进行两次折叠得到。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述中间金属层的耦合窗口上方开设有缝隙。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述缝隙的尺寸可调。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述缝隙呈倒u型。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述pin二极管和变容二极管的两端分别通过细微带线引出到上介质层的边缘，所述细微带线接有导线。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述pin二极管通过第一金属化调谐柱与中间金属层相接，所述pin二极管通过第二金属化调谐柱与中间金属层相接，所述上介质层上开设有供所述第一金属化调谐柱和第二金属化调谐柱穿过的通孔，上金属层上开设有供所述第一金属化调谐柱穿过的空隙。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述pin二极管布设在金属通孔阵列与耦合窗口在上介质层对应位置所围设的区域内。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述第二变容二极管的数量为多个。

上述的一种小型化基片集成波导全可调滤波器，其特征在于：所述第一变容二极管的数量为至少一个。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

1、本实用新型的结构简单、设计合理，实现及使用操作方便。

2、本实用新型采用两个双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔dfqmsiw级联，双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔dfqmsiw将面积减小到6.25％，极大地减小了原有全模谐振腔siw的尺寸，且可以等效实现原有全模谐振腔siw的功能，满足全可调滤波器更高功率和更高品质因数。

3、本实用新型中，pin二极管的两端分别与中间金属层和上金属层相接，当pin二极管连通时，中间金属层和上金属层通过相互连通，造成该位置电磁场扰动，从而达到调节频率的作用；同时本实用新型设置有多对pin二极管，通过控制不同对pin二极管的通断组合实现了中心频率的多种变化。

4、本实用新型通过调节第一变容二极管的外置加载电压改变交叉耦合以实现传输零点变化，其中第一变容二极管的外置加载电压越小，传输零点越靠近通带；第一变容二极管的外置加载电压越大，传输零点越远离通带。

5、本实用新型通过调节第二变容二极管的外置加载电压改变级间耦合以实现带宽调节，第二变容二极管的外置加载电压越小，带宽越窄；第二变容二极管的外置加载电压越大，带宽越宽。

6、本实用新型在调节频率和传输零点时，通过调节第二变容二极管的外置加载电压来动态改变耦合系数，保持了带宽的稳定，使用效果好。

7、本实用新型中pin二极管和变容二极管数量可调，避免了过多元件造成的庞大的体积和较大插入损耗，使用效果好。

综上所述，本实用新型通过控制pin二极管的外置加载电压的大小实现了中心频率的可调；通过调节第一变容二极管的外置加载电压改变交叉耦合控制宽带滤波器传输零点的调节；通过调节第二变容二极管的外置加载电压改变级间耦合控制宽带滤波器带宽的调节；从而将多种参数调节融合在一起，且参数调节互不影响互不干扰，而且在调节频率和传输零点时，保持了带宽的稳定，且采用双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔，其面积比全模谐振腔减少了93.5％，实现了小型化。

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为图1的俯视图。

图3为本实用新型中间金属层的结构示意图。

图4为图1的侧视图。

图5为本实用新型缝隙长度的变化对与级间耦合效果影响的仿真图。

图6为本实用新型变容二极管外置加载电压的变化对传输零点影响的仿真图。

图7为本实用新型第二变容二极管外置加载电压的变化对带宽影响的仿真图。

图8为本实用新型pin二极管外置加载电压的变化对中心频率影响的仿真图。

附图标记说明:

1—上介质层；2—上金属层；3—中间介质层；

4—中间金属层；41—耦合窗口；5—下介质层；

6—下金属层；7—金属通孔阵列；8—通孔；

91—第一变容二极管；92—第二变容二极管；10—pin二极管；

11—缝隙；12—细微带线；13—第一金属化调谐柱；

14—第二金属化调谐柱。

具体实施方式

下面结合附图及本实用新型的实施例对本实用新型的方法作进一步详细的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

需要说明的是，本申请的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施方式例如能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其他器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

如图1至图4所示，本实用新型包括从上至下依次层叠的上介质层1、上金属层2、中间介质层3、中间金属层4、下介质层5和下金属层6。

实际使用时，上金属层2镀刻在上介质层1的下表面，中间金属层4镀刻在中间介质层3的下表面，下金属层6镀刻在下介质层5的下表面。上介质层1、中间介质层3和下介质层5的厚度均为1mm。金属通孔阵列7从顶部的上介质层1到底部的下金属层6贯通。金属通孔阵列7沿中间金属层4的边缘布设，金属通孔阵列7呈倒u型，其开口朝向中间金属层4的耦合窗口41。

金属通孔阵列7从上至下贯通中间金属层4的边缘形成级联谐振腔，级联谐振腔由两个双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔通过中间金属层4的耦合窗口41耦合。

实际使用时，根据全模谐振腔siw内部的电磁场分布，沿其电场的对称位置将全模谐振腔siw分割成两部分，得到半模基片集成波导谐振腔hmsiw，将半模基片集成波导谐振腔hmsiw沿等效磁壁再次平分得到四分之一模基片集成波导谐振腔qmsiw，再对四分之一模基片集成波导谐振腔qmsiw沿长度和宽度方向进行两次折叠得到双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔dfqmsiw。与全模谐振腔siw相比，双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔dfqmsiw将面积减小到6.25％，极大地减小了原有全模谐振腔siw的尺寸，且可以等效实现原有全模谐振腔siw的功能，使用效果好。

所述上介质层1上设置有多对pin二极管10和多个变容二极管，pin二极管10的阴极与上金属层2相接，pin二极管10的阳极与中间金属层4相接，多对pin二极管10分别沿中间金属层4的耦合窗口41对称布设。

实际使用时，pin二极管10布设在上介质层1上金属通孔阵列7与耦合窗口41在上介质层1对应位置所围设的区域内。且多对pin二极管10分别沿中间金属层4的耦合窗口41对称布设。耦合窗口41呈规则长方形缺口，且其长度方向与金属通孔阵列7的开口方向相平行，耦合窗口41的开口方向与金属通孔阵列7的开口方向相同。

实际使用时，当pin二极管10连通时，上金属层2和中间金属层4通过通孔8相互连通，造成该位置电磁场扰动，从而达到调节频率的作用。假设pin二极管10有n对，n对pin二极管10不同时通断，那么通过控制n对pin二极管10的通断组合，可实现2ⁿ种频率变化。

如图1所示，本实施例中，pin二极管10有五对，包括由二极管a1和二极管a2组成的第一对、由二极管b1和二极管b2组成的第二对、由二极管c1和二极管c2组成的第三对、由二极管d1和二极管d2组成的第四对，以及由二极管e1和二极管e2组成的第五对。五对pin二极管10分别布设在上介质层1的不同位置，但每对pin二极管10都沿耦合窗口41的纵轴对称，其中，二极管a1和二极管a2分别布设在金属通孔阵列7的两个弯角位置处，二极管b1和二极管b2分别布设在耦合窗口41顶部的两侧，二极管c1和二极管c2分别布设在金属通孔阵列7开口内部的两侧，二极管d1和二极管d2分别布设在耦合窗口41中段的两侧，二极管e1和二极管e2分别布设在耦合窗口41底部的两侧。本实施例中，由于五对pin二极管10可通过导线分别控制通断，五对pin二极管10不同时通断，因此通过五对pin二极管10的通断组合，可实现2⁵种频率变化，起到调节频率的效果。

如图8所示，通过三维电磁仿真软件进行仿真计算得到仿真曲线，通过加工后再进行测量得到测量曲线，仿真曲线和测量曲线两者叠加，得到如图8所示的滤波器传输响应曲线，横坐标表示全可调滤波器的频率，纵坐标表示传输特性，由图8可知，通带的中心频率随pin二极管10的外置加载电压的大小而改变。中心频率由上至下依次改变为1.1ghz、1.29ghz、1.48ghz、1.6ghz、1.9ghz。通过调节pin二极管10的外置加载电压的大小，实现了全可调滤波器在1.1ghz～1.9ghz频率范围的调节。

所述变容二极管的阴极与上金属层2相接，变容二极管的阳极与中间金属层4相接，多个所述变容二极管包括布设在耦合窗口41顶部在上介质层1对应位置的第一变容二极管91和布设在耦合窗口41中段在上介质层1对应位置的第二变容二极管92。

实际使用时，第一变容二极管91用于调节交叉耦合以实现传输零点变化，其中第一变容二极管91的外置加载电压越小，传输零点越靠近通带；第一变容二极管91的外置加载电压越大，传输零点越远离通带。

如图6所示，横坐标表示全可调滤波器的带宽，纵坐标表示回波损耗，v1表示第一变容二极管91的外置加载电压，v2表示第一个第二变容二极管92的外置加载电压，v3表示第二个第二变容二极管92的外置加载电压。如图6所知，电压v1＝3.8v时，传输零点位于1.54ghz；电压v1＝2.8v时，传输零点位于1.45ghz；电压v1＝2.1v时，传输零点位于1.41ghz。概括得知电压v1越小，传输零点越靠近通带，因此通过改变第一变容二极管91的外置加载电压即可调节传输零点。

需要说明的是，在减小第一变容二极管91的外置加载电压的同时，增加第二变容二极管92的外置加载电压值，保持了带宽的稳定，使用效果好。如图6所示，在减小电压v1的同时，增加电压v2和v3，保持了带宽的稳定。

本实施例中，第一变容二极管91的数量为1个，第二变容二极管92的数量为2个。两个第二变容二极管92由上至下分别布设在耦合窗口41的中段部分，用于调节级间耦合以实现带宽调节，第二变容二极管92的外置加载电压越小，带宽越窄；第二变容二极管92的外置加载电压越大，带宽越宽。

对于带宽的调节，则仅依靠调节第二变容二极管92的外置加载电压即可实现，如图7所示，横坐标表示全可调滤波器的带宽，纵坐标表示传输特性，本实施例中，v2和v3大小相同，当外置加载电压v2和v3均从11.5v降到5.6v时，绝对带宽将从200mhz降至120mhz。

本实施例中，所述中间金属层4的耦合窗口41上方开设有缝隙11。所述缝隙11呈倒u型。

实际使用时，级联谐振腔由两个双重折叠四分之一模基片集成波导谐振腔通过中间金属层4的耦合窗口41和缝隙11耦合。耦合窗口41的宽度和缝隙11的长度将共同决定级间耦合，级间耦合随着耦合窗口41的宽度的增加而增加，级间耦合随着缝隙11长度的增加而增加。由于耦合窗口41的部位要加载多个pin二极管10和变容二极管，因此耦合窗口41的宽度调节较为复杂，所以设置缝隙11配合耦合窗口41，起到辅助耦合的作用，使得级间耦合调节灵活。

如图5所示，横坐标表示缝隙11长度w，纵坐标表示级联谐振腔的主耦合k12，级间耦合k12随着缝隙11长度w的增加而增加。呈倒u型的缝隙11的横向长度为w，纵向长度为w1，缝隙11的尺寸可根据实际情况调整，本实施例中，w1＝1mm，缝隙11的宽度为0.1mm。

本实施例中，所述pin二极管10和变容二极管的两端分别通过细微带线12引出到上介质层1的边缘，所述细微带线12接有导线。实际使用时，通过导线对pin二极管10和变容二极管加载外置加载电压，使得控制简便。

本实施例中，所述pin二极管10通过第一金属化调谐柱13与中间金属层4相接，所述pin二极管10通过第二金属化调谐柱14与上金属层2相接，所述上介质层1上开设有供所述第一金属化调谐柱13和第二金属化调谐柱14穿过的通孔8，上金属层2上开设有供所述第一金属化调谐柱13穿过的空隙。

本实施例中，所述上介质层1采用fr4-xpoxy材料层。所述中间介质层3和下介质层5采用rogersrt/duroid588材料层。所述变容二极管采用skyworks公司生产的smv2020-079系列。

以上所述，仅是本实用新型的实施例，并非对本实用新型作任何限制，凡是根据本实用新型技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构变化，均仍属于本实用新型技术方案的保护范围内。