一种高次模基片集成波导双通带圆形腔滤波器

1.本发明涉及微波无源器件领域，特别是涉及一种基于通孔扰动和开槽结构的高次模基片集成波导双通带圆形腔滤波器。


背景技术：

2.随着现代无线通信系统的高速发展和日臻成熟，作为其重要组成部分的滤波器也引起了广泛的关注和研究。然而多频段传输成为未来移动通信系统的发展趋势，这使得单频微波/射频器件已无法满足需求，因此多频段滤波器开始被广泛的研究。传统的多频段设计中，微带结构多通带滤波器被广泛设计，但在毫米波频段中，微带结构的无源器件存在插入损耗大、加工困难等问题；此外非平面结构的滤波器类似于矩形波导和同轴线等结构具有损耗小、功率容量大等优势，却难以与平面电路集成起来。因此，基片集成波导技术在毫米波频段解决了这些问题，从而得到广泛关注。
3.基片集成波导技术是最近十几年来出现的低插入损耗、高品质因数、高功率容量的一种新型的波导器件，基于pcb和ltcc等工艺实现的各种基片集成波导无源以及有源兼具有传统金属波导和平面电路的优点，且生产成本和设计复杂度在微波毫米波频段具有无可比拟的优势。传统的基片集成波导滤波器或者多通带滤波器为了实现多级传输响应或者多个通带，往往需要进行多个腔体的级联从而导致尺寸过大，采用基于通孔扰动和开槽结构的高次模基片集成波导的结构可以最大程度的利用圆形腔中的固有模式，从而利用单个腔体实现多阶且多通带的响应，可以有效减小面积，使得电路结构十分紧凑。
4.随着通讯系统的迅猛发展，特别是5g微波毫米波通信系统的以及大规模mimo系统，对于射频电路的尺寸具有更高的要求，不仅需要尺寸小还额外提出了多通带的要求。因此小型化、多通带被作为设计滤波器的重要研究依据。然而现有的技术中对于滤波器的小型化和多通带方面很难做到兼顾。


技术实现要素：

5.技术问题：本发明的目的是提供一种兼顾实现小型化和多通带需求的基于通孔扰动和开槽结构的高次模基片集成波导双通带圆形腔滤波器。本发明的封闭结构具有品质因数高，损耗小的特点，可以应用到更高的频率。
6.技术方案：本发明的一种高次模基片集成波导双通带圆形腔滤波器的层间结构顺序为下金属层、介质基片、上金属层：该滤波器的平面结构以基片集成波导圆形腔为主体，沿基片集成波导圆形腔周向均匀分布有贯穿上金属层、介质基片和下金属层的金属通孔；在基片集成波导圆形腔的中间设有第二类开槽线，在金属通孔与第二类开槽线之间设有第一类开槽线，在基片集成波导圆形腔中对称设有第一共面波导和第二共面波导，在第一共面波导和第二共面波导之间还设有一对贯穿上金属层、介质基片和下金属层的金属微扰通孔。
7.其中，
8.所述金属扰动通孔包括位于基片集成波导圆形腔左侧的第一金属扰动通孔和位于基片集成波导圆形腔右侧的第二金属扰动通孔，该两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔的半径镜像对称，且位于基片集成波导圆形腔左侧的第一共面波导与右侧的第二共面波导所在半径所形成的钝角内。
9.所述第一类开槽结构包括位于基片集成波导圆形腔左侧的左开槽结构和位于基片集成波导圆形腔右侧的右开槽结构，该两开槽结构呈弧形结构且开口方向沿基片集成波导圆形腔的半径指向其圆心，同时左开槽结构和右开槽结构沿基片集成波导圆形腔的半径镜像对称。
10.所述所述第二类开槽结构位于基片集成波导圆形腔的中心处，该开槽结构呈弧形结构，其圆心位于基片集成波导圆形腔的圆心处，且开口方向指向基片集成波导圆形腔的金属微扰通孔方向。
11.所述基片集成波导圆形腔左下侧通过第一共面波导通过输入微带线接输入端口，右下侧通过第二共面波导通过输出微带线接输出端口，且输入微带线与输出微带线沿基片集成波导圆形腔的半径镜像对称并呈现钝角。
12.所述输入微带线和输出微带线均为50欧姆。
13.有益效果：本发明公布了一种基于通孔扰动和开槽结构的高次模基片集成波导双通带圆形腔滤波器，相比于传统的基片集成波导滤波器，无需通过多阶级联即可实现多阶响应，同时相比于传统的双通带滤波器，仅通过一个腔体就实现了双通带滤波器，大大减少了所需腔体的数量，有效的实现了小型化。同时相比于多层结构和半模、四分之一模、八分之一模等技术，本发明无需多层结构，仅通过普通的pcb工艺即可实现，同时为封闭结构具有品质因数高，损耗小的特点，可以应用到更高的频率。
附图说明
14.图1为本发明具体实施方式中滤波器的结构图；
15.图2为本发明具体实施方式中滤波器的频率响应曲线图。
16.图中有：输入端口1，输出端口2，基片集成波导圆形腔3，金属通孔4，输入微带线5，输出微带线6，第一共面波导7，第二共面波导8，金属微扰通孔9，第一金属扰动通孔91，第二金属扰动通孔92，第一类开槽线10，左开槽结构101，右开槽结构102，第二类开槽线11。
具体实施方式
17.下面结合具体实施方式和附图对本发明的技术方案作进一步的介绍。
18.本发明的高次模基片集成波导双通带圆形腔滤波器基于通孔扰动和开槽结构，该滤波器的层间结构顺序为下金属层、介质基片、上金属层：该滤波器的平面结构以基片集成波导圆形腔3为主体，沿基片集成波导圆形腔3周向均匀分布有贯穿上金属层、介质基片和下金属层的金属通孔4；在基片集成波导圆形腔3的中间设有第二类开槽线11，在金属通孔4与第二类开槽线11之间设有第一类开槽线10，在基片集成波导圆形腔3中对称设有第一共面波导7和第二共面波导8，在第一共面波导7和第二共面波导8之间还设有一对贯穿上金属层、介质基片和下金属层的金属微扰通孔9。
19.所述金属扰动通孔9包括位于基片集成波导圆形腔左侧的第一金属扰动通孔91和
位于基片集成波导圆形腔右侧的第二金属扰动通孔92，两金属扰动通孔沿基片集成波导圆形腔的直径镜像对称，且位于基片集成波导圆形腔左侧的第一共面波导与右侧的第二共面波导所在半径所形成夹角的内侧，这样可以将一对相互正交的简并模tm110和一对相互正交的简并模tm210的频率分别区分开来，同时交换相互正交的简并模tm210的两个模式的频率次序，从而使得tm210和tm020之间的传输零点转移到低频，从而形成第二通带。
20.所述第一类开槽结构10包括位于基片集成波导圆形腔左侧的左开槽结构和位于基片集成波导圆形腔右侧的右开槽结构，两开槽结构呈弧形结构且开口方向沿基片集成波导圆形腔的半径指向其圆心，同时两开槽结构沿基片集成波导圆形腔的半径镜像对称，这样可以分别调节相互正交的简并模tm110和相互正交的简并模tm210的低频模式，从而调节两个通带的带宽。
21.所述第二类开槽结构11位于基片集成波导圆形腔的中心处，该开槽结构呈弧形结构，其圆心位于基片集成波导圆形腔的圆心处，且开口方向指向基片集成波导圆形腔的下方，这样可以同时调节相互正交的简并模tm110的高频模式以及tm020模式，使得两个通带带宽的调整更加灵活。
22.所述基片集成波导圆形腔左下侧通过第一共面波导接有输入微带线，右下侧通过第二共面波导接有输出微带线，且两微带线沿基片集成波导圆形腔的直径镜像对称并呈现钝角。
23.所述输入微带线和输出微带线均为50欧姆，输入微带线端部为输入端口，输出微带线端部为输出端口。
24.介质基片的相对介电常数为2.2，介质厚度为0.254mm。滤波器的总体平面尺寸为6.5mm*6.5mm。
25.本具体实施方式中，通过输入端口1输入信号，从输入微带线5输入到加载有金属扰动通孔9、第一类开槽结构10和第二类开槽结构11的基片集成波导圆形腔3，经过滤波后的信号传输至输出微带线6，再经过输出端口2输出。
26.图2为本具体实施方式中双通带滤波器的频率响应曲线，其中两条实线为仿真结果曲线，两条虚线曲线为测试结果曲线，本具体实施方式的双通带滤波器的中心频率为42/60ghz，带宽为3.3/5.2ghz，通带内插入损耗优于1.1/2.1db，通带内回波损耗优于17/11.5db，仿真和测试结果具有良好的一致性。