一种可扩展阶数的四分之一模扇形SIW带通滤波器

一种可扩展阶数的四分之一模扇形siw带通滤波器
技术领域
1.本发明涉及电磁场与微波技术领域，尤其涉及一种可扩展阶数的四分之一模扇形siw带通滤波器。


背景技术：

2.目前，电磁学理论与微波毫米波技术广泛的应用于民用与工业等领域。其中，微波毫米波技术在移动通信、雷达、卫星通信、定位系统、遥感系统和电子对抗系统等电子系统中得到了广泛的发展。滤波器作为射频前端的工作器件，能够滤除信道中的噪声和杂散频率，其在整个通信系统中起着至关重要的作用。随着整个通信系统的高速发展，对滤波器的质量、体积、高选择性、高集成度等有着较高的要求。
3.基片集成波导(siw)是一种相较于传统矩形金属波导的新型的平面波导结构，它兼具传统金属波导和平面微带结构的优点，具有更高的q值、损耗较低、尺寸和质量小、更加易于集成、成本较低等优势，被应用于微波器件siw带通滤波器中设计中。东南大学的洪伟教授在2005年首次提出了半模基片集成波导（hmsiw）技术，它是利用siw工作在主模状态时，将波导结构沿着中心线分割成两个相等的半模波导结构，即为siw的半个腔体结构。hmsiw不仅保留了siw理想磁壁的优良特性，尺寸还是siw的一半。四分之一模基片集成波导（qmsiw）谐振器相较于siw谐振器来说，其尺寸更小，相比于siw谐振器减少了四分之三。目前，学者对于矩形结构的qmsiw滤波器已经有很多的研究，但是对圆形结构的qmsiw滤波器的研究很少。由于圆形结构的siw谐振器具有很好的对称性能和较为灵活的耦合方式，其被很好的运用于带通滤波器的设计中。
4.当前对于四分之一模扇形siw带通滤波器的研究，只是考虑了滤波器的宽阻带特性，并未引入零点以实现更高的抑制性能。


技术实现要素：

5.为了提高四分之一模扇形siw带通滤波器的抑制性能，本发明提供一种四分之一模扇形siw谐振腔以及一种可扩展阶数的四分之一模扇形siw带通滤波器，不仅通过引入零点的个数实现宽阻带特性，还通过引入矩形缝隙的个数来实现阶数的扩展。
6.第一方面，本发明提供一种四分之一模扇形siw谐振腔，其特征在于，包括一个四分之一模扇形siw腔体，在所述四分之一模扇形siw腔体的圆心处设置有一个金属通孔以形成电壁，在所述四分之一模扇形siw腔体上沿圆周排列分布有金属通孔阵列，在所述四分之一模扇形siw腔体上沿圆周还刻蚀有环形缝隙以形成磁壁；其中，所述四分之一模扇形siw腔体为沿互为垂直的等效磁壁切割圆形siw谐振腔得到。
7.进一步地，所述环形缝隙位于所述金属通孔阵列靠近圆心的一侧。
8.第二方面，本发明提供一种可扩展阶数的四分之一模扇形siw带通滤波器，包括如上述的一种四分之一模扇形siw谐振腔，在所述四分之一模扇形siw谐振腔上沿径向刻蚀有矩形缝隙，所述矩形缝隙的一端与所述环形缝隙相连通；在所述四分之一模扇形siw谐振腔
的两条直角边上分别设置有微带馈线。
9.进一步地，在所述四分之一模扇形siw谐振腔上沿径向刻蚀有一条矩形缝隙，所述矩形缝隙位于所述四分之一模扇形siw谐振腔的对称轴上。
10.进一步地，在所述四分之一模扇形siw谐振腔上沿径向刻蚀有两条矩形缝隙，两条所述矩形缝隙与其中一条所述直角边之间的夹角分别为35
°
和60
°
。
11.进一步地，所述微带馈线为共面波导馈线。
12.进一步地，通过调节所述微带馈线与圆心之间的距离来引入零点以及调节零点的位置。
13.进一步地，通过调节所述矩形缝隙的宽度来调节通带带宽；进一步地，通过调节所述矩形缝隙的长度来调节回波损耗。
14.本发明的有益效果：本发明提供一种四分之一模扇形siw谐振腔以及可扩展阶数的四分之一模扇形siw带通滤波器，相比于传统基于siw所设计的滤波器，本发明使用四分之一模扇形siw谐振腔减少了滤波器的体积，可以通过引入更多的径向矩形缝隙来增加滤波器的阶数。并且，本发明所提出滤波器最终实现的技术指标是在通带右侧引入了额外的传输零点，由于传输零点的引入，在1.46 ~ 4.59 ghz范围内，具有超过-30 db的高抑制的极宽阻带，谐波频率在4.97ghz。
附图说明
15.图1为本发明实施例提供的一种四分之一模扇形siw谐振腔的结构示意图；图2为本发明实施例提供的一种二阶的四分之一模扇形siw带通滤波器的结构示意图；图3为本发明实施例提供的二阶的四分之一模扇形siw带通滤波器的s参数图；图4为本发明实施例提供的一种三阶的四分之一模扇形siw带通滤波器的结构示意图；图5为本发明实施例提供的三阶的四分之一模扇形siw带通滤波器的s参数图。
具体实施方式
16.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
17.实施例1如图1所示，本发明实施例提供一种四分之一模扇形siw谐振腔（称为qmfssiw谐振腔），包括一个四分之一模扇形siw腔体，在所述四分之一模扇形siw腔体的圆心处设置有一个金属通孔以形成电壁，在所述四分之一模扇形siw腔体上沿圆周排列分布有金属通孔阵列，在所述四分之一模扇形siw腔体上沿圆周还刻蚀有环形缝隙以形成磁壁；其中，所述四分之一模扇形siw腔体为沿互为垂直的等效磁壁切割圆形siw谐振腔得到。
18.作为一种可实施方式，所述环形缝隙位于所述金属通孔阵列靠近圆心的一侧。
19.本发明实施例提供的qmfssiw谐振腔，该谐振腔是基于一个具有沿圆周排列的金属化通孔阵列的四分之一模扇形siw腔体，位于圆心的金属通孔形成了聚焦的电壁(ew)，沿圆周蚀刻的四分之一圆形环形缝隙（简称四分之一圆环缝隙）形成了谐振腔的磁壁(mw)，实现了四分之一模谐振。其中，金属通孔不仅可以防止电磁泄漏，还可以提高谐振腔的品质因数。由于四分之一模扇形siw腔体是由圆形siw谐振腔沿着竖直和水平的等效磁壁切割形成的，其面积相比于传统的圆形siw谐振腔减少了75%，结构较紧凑，适合于小型化滤波器的研究设计。
20.实施例2本发明实施例提供一种二阶的四分之一模扇形siw带通滤波器（也称二阶切比雪夫带通滤波器），如图2所示，所述滤波器具体包括一个四分之一模扇形siw谐振腔，在所述四分之一模扇形siw谐振腔上沿径向刻蚀有一条矩形缝隙，所述矩形缝隙的一端与所述环形缝隙相连通以形成磁壁；在所述四分之一模扇形siw谐振腔的两条直角边上分别设置有微带馈线。
21.作为一种可实施方式，所述矩形缝隙位于所述四分之一模扇形siw谐振腔的对称轴上。
22.本发明实施例中，该二阶滤波器总共包括三层，顶层与底层是金属板（铜），中间为介质层，材质是taconic rf-35a2。将全模圆形siw谐振腔沿着竖直和水平等效磁壁切割，使得全模圆形siw谐振腔的体积减少75%，形成四分之一模扇形siw腔体，沿圆周刻蚀的四分之一圆环缝隙相当于谐振腔的磁壁，在θ=45
°
刻蚀沿径向的矩形缝隙以产生谐振频率。其中，r为四分之一模扇形siw谐振腔的半径，l1表示矩形缝隙的长度，s1为矩形缝隙的宽度，s为沿圆周刻蚀的四分之一圆环缝隙的宽度，l2、l3分别为两个微带馈线距圆心的距离，r0为金属通孔阵列中每个金属通孔的半径，r1表示位于圆心处金属通孔的半径，w0表示微带馈线的宽度。通过调节l2、l3的大小可以调控零点的位置，为滤波器引入零点；微带馈线的宽度w0可由介质基片的厚度、介电常数和谐振频率大致得到，通过调节参数w0可以更好的进行50
ω
阻抗匹配。非正交方式的馈电结构使得腔体内高次模的信号相位产生一定的偏差，从而可以相互抵消，这种方法使滤波器在有限频率处引入传输零点，进而提高滤波器的高选择性，产生宽阻带。
23.作为一种可实施方式，该二阶带通滤波器采用厚度h=0.508mm，相对介电常数=3.5，损耗角正切tanδ=0.003的单层taconic rf-35a2介质基片。
24.图3为该二阶带通滤波器s参数图。此二阶带通滤波器实现指标为：工作频率在1.08ghz处，3db相对带宽为25%，滤波器的带内插入损耗为-0.38db，通带内的回波损耗优于-19.1db，该滤波器在通带的右两侧产生了一个传输零点tz，在2.32ghz处。其中，二阶带通滤波器的尺寸参数如表1所示：表 1 二阶qmfssiw带通滤波器尺寸参数(单位：mm)
本发明实施例在qmfssiw谐振腔的基础上，通过引入一个径向的矩形缝隙来控制四分之一模谐振频率以及引入额外的传输零极点，从而形成高选择性、宽阻带的二阶带通滤波器。其中，通过调节所述微带馈线与圆心之间的距离来引入零点以及调节零点的位置。通过调节所述矩形缝隙的宽度来调节通带带宽。通过调节所述矩形缝隙的长度来调节回波损耗。
25.实施例3本发明实施例提供一种三阶的四分之一模扇形siw带通滤波器，如图4所示，所述滤波器具体包括一个四分之一模扇形siw谐振腔，在所述四分之一模扇形siw谐振腔上沿径向刻蚀有两条矩形缝隙，两条所述矩形缝隙的一端均与所述环形缝隙相连通以形成磁壁；在所述四分之一模扇形siw谐振腔的两条直角边上分别设置有微带馈线。
26.作为一种可实施方式，两条所述矩形缝隙与其中一条所述直角边之间的夹角分别为35
°
和60
°
；需要说明的是，两条矩形缝隙的长度是相互独立调节的，可以相同也可以不同；通过调节调节矩形缝隙的长度来调节滤波器的回波损耗s11，随着矩形缝隙长度的增加，回波损耗s11的值逐渐减小。在表2所示的参数值下，当l1=21.5mm时，回波损耗s11达到最优。
27.作为一种可实施方式，所述微带馈线为共面波导馈线。
28.本发明实施例中，该三阶带通滤波器是在四分之一模扇形siw谐振腔中引入两个径向的矩形缝隙，分别位于θ=35
°
和θ=60
°
，其中两端口由微带线连接的共面波导馈电。该三阶带通滤波器与二阶带通滤波器大部分参数相同，除此之外，还包括关于共面波导的参数g为共面波导的宽度。表2是三阶带通滤波器的尺寸参数。图5三阶带通滤波器的s参数图。该三阶带通滤波器的实现指标为：中心频率为1.14ghz，3db相对带宽为35.7%，滤波器的带内插入损耗为-0.34db，通带内的回波损耗优于-17db，该滤波器在通带的右侧引入了两个传输零点，分别在1.49ghz和2.98ghz处。
29.表 2 三阶qmfssiw带通滤波器尺寸参数(单位：mm)本发明实施例中，通过引入两个径向的矩形缝隙来控制四分之一模谐振频率以及引入额外的传输零极点，从而形成高选择性、宽阻带的三阶带通滤波器。其中，通过调节所述共面波导馈线与圆心之间的距离l2、l3来引入零点以及调节零点的位置。通过调节所述矩
形缝隙的宽度s1来调节通带带宽。由于采用的是qmfssiw谐振腔，该滤波器的结构更加紧凑，带通滤波器不含微带馈线的平面尺寸为25 mm，等于0.095λ0，其中λ0为中心频率处的自由空间波长。根据s参数结果可知，由于传输零点的引入，在1.46 ~ 4.59 ghz范围内，具有超过-30 db的高抑制的极宽阻带；谐波频率在4.97 ghz左右。因此，本发明实施例提出的三阶qmfssiw带通滤波器具有宽阻带、高选择性的优点，并且扩展阶数时模型尺寸的不会增加，在无线通信系统中具有很好的应用前景。
30.本发明通过表面开缝隙的技术，在不增加尺寸的情况下形成不同阶次的带通滤波器。可以理解的是，在qmfssiw谐振腔的基础上，类似地，还可以通过引入三条以上径向的矩形缝隙来独立控制四分之一模谐振频率以及引入额外的传输零极点，从而增加滤波器的阶数，形成高选择性、宽阻带的可扩展阶数的带通滤波器。
31.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。