一种多层基片集成的波导带通滤波器

1.本发明涉及一种多层基片集成的波导带通滤波器，属于滤波器领域。


背景技术：

2.由于基片集成波导技术具有体积小、重量轻、品质因数高、插入损耗低、集成度高、功率容量大等特点，因此，基片集成波导技术使得微波器件有了更广阔的发展。由于现如今无线环境中无线电频谱的拥挤，微波元器件与系统之间隔离的要求变得越来越高。特别是由于其他电子设备产生的噪声、干扰、杂波和干扰信号的存在，无线通信系统的有效性和可靠性将会变差。以电磁频谱为例，3~50ghz频段内分布着各种各样的无线信号和卫星通信频率信号且伴随着其他通信业务。多种信号频率相互交织甚至交叉重叠，毫无疑问会严重影响到信号的接收效果、降低通信信号质量甚至使得通信系统无法正常工作。另一方面，射频前端内部的很多非线性有源器件，如混频器、倍频器等，同样会存在各种信号交织在一起的情况，这严重影响收发机性能。
3.为了解决以上问题，这就需要滤波器不仅要有很好的通带传输特性，而且还要有足够宽的阻带来抑制不需要的谐波信号，从而能够使收发机接收到高质量的信号，因此，急需研究宽阻带的波导带通滤波器。


技术实现要素：

4.本发明提供了一种多层基片集成的波导带通滤波器，解决了背景技术中披露的问题。
5.为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种多层基片集成的波导带通滤波器，包括堆叠的顶层金属基片和底层金属基片，顶层金属基片和底层金属基片之间堆叠有多个中间金属基片，相邻金属基片之间堆叠有介质基片；介质基片上贯穿有金属化通孔阵列，介质基片上贯穿的金属化通孔阵列、上层的金属基片和下层的金属基片共同构成谐振腔；相邻两谐振腔之间的金属基片上开有若干连接相邻两谐振腔的耦合缝隙，耦合缝隙位于部分高次模的磁场最弱处、且与另外一部分高次模的磁场相垂直，耦合缝隙与主模的磁场平行。
6.顶层金属基片上设置有输入端口，底层金属基片上设置有输出端口。
7.输入端口为与顶层谐振腔连接的微带线，输出端口为与底层谐振腔连接的微带线。
8.输入端口和输出端口沿所述波导带通滤波器的中心对称。
9.金属基片上开有若干组耦合缝隙，每组耦合缝隙包括两相对的耦合缝隙，所有耦合缝隙排成两列，并且沿谐振腔中心对称。
10.相邻两金属基片中，一上金属基片的耦合缝隙列与谐振腔的两个对边平行，另一
金属基片的耦合缝隙列与谐振腔的另外两个对边平行。
11.本发明所达到的有益效果：本发明采用多层基片堆叠的方式，相邻金属基片和相邻金属基片之间的金属化通孔阵列构成谐振腔，相邻谐振腔通过耦合缝隙连接，使滤波器结构更加紧凑，更适合应用到现代微波毫米波集成电路系统中，并且本发明的耦合缝隙设置，可以使主模能够完成磁耦合，抑制高次模，从而达到宽阻带的效果。
附图说明
12.图1为三阶基片集成波导带通滤波器的三维结构图；图2为三阶基片集成波导带通滤波器的俯视图；图3为图1所示滤波器通带的s参数图；图4为图1所示滤波器的带外s参数图；图5为四阶基片集成波导带通滤波器的三维结构图；图6为四阶基片集成波导带通滤波器的俯视图；图7为图5所示滤波器通带的s参数图；图8为图5所示滤波器的带外s参数图；图9为五阶基片集成波导带通滤波器的三维结构图；图10为五阶基片集成波导带通滤波器的俯视图；图11为图9所示滤波器通带的s参数图；图12为图9所示滤波器的带外s参数图。
具体实施方式
13.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
14.一种多层基片集成的波导带通滤波器，包括堆叠的顶层金属基片3和底层金属基片4，顶层金属基片3上设置输入端口1，底层金属基片4上设置输出端口2，顶层金属基片3和底层金属基片4之间堆叠有多个中间金属基片，相邻金属基片之间堆叠有介质基片。
15.输入端口1为与顶层谐振腔连接的微带线，输出端口2为与底层谐振腔连接的微带线，输入端口1和输出端口2沿所述波导带通滤波器的中心对称。
16.介质基片上贯穿有金属化通孔阵列5，介质基片上贯穿的金属化通孔阵列5、上层的金属基片和下层的金属基片共同构成谐振腔。
17.相邻两谐振腔之间的金属基片上刻蚀出若干连接相邻两谐振腔的耦合缝隙6，耦合缝隙6为矩形缝隙，耦合缝隙6分成若干组，每组包括两相对的耦合缝隙6，所有耦合缝隙6排成两列，并且沿谐振腔中心对称。
18.相邻两金属基片中，一上金属基片的耦合缝隙6列与谐振腔的两个对边平行，另一金属基片的耦合缝隙6列与谐振腔的另外两个对边平行。
19.耦合缝隙6的位置和方向具有以下要求：耦合缝隙6位于部分高次模的磁场最弱处、且与另外一部分高次模的磁场相垂直，耦合缝隙6与主模的磁场平行。
20.采用耦合缝隙6进行主模磁耦合，模式间的电偶合可以被忽略，因此只需考虑抑制高次模的磁耦合。
21.与部分高次模磁场相垂直的耦合缝隙6沿着高次模的磁场方向进行平移，模式的抑制几乎不受影响，当平移到另外一部分高次模磁场最弱的区域，带外抑制的效果可以达到最优。
22.由于最弱磁场是一个区域，在合适的区域延长耦合缝隙6的长度，或者平移耦合缝隙6，模式的抑制几乎不会影响，这样有利于优化或者增加主模的耦合。
23.对于每一对正交分布的高次模而言，通过将耦合缝隙6安排在其中一个模式的磁场最弱处，恰好耦合缝隙6又与另外一个高次模的磁场相垂直，因此，这样的设置可同时抑制多个高次模。这些耦合缝隙6还平行于主模的磁场，使主模能够完成磁耦合，这样便可以做到主模耦合的同时达到宽阻带的效果。
24.介质基片均为rogers 5880介质板，其中，介电常数为2.2，厚度为0.508mm。
25.上述波导带通滤波器采用多层基片堆叠的方式，相邻金属基片和相邻金属基片之间的金属化通孔阵列5构成谐振腔，相邻谐振腔通过耦合缝隙6连接，使滤波器结构更加紧凑，更适合应用到现代微波毫米波集成电路系统中，并且该波导带通滤波器的耦合缝隙6设置，可以使主模能够完成磁耦合，抑制高次模，从而达到宽阻带的效果。
26.为了体现多层基片集成的波导带通滤波器的效果，构建三阶、四阶、五阶基片集成波导带通滤波器，滤波器的中心频率均为5.8ghz。
27.图1为三阶基片集成波导带通滤波器，包括依次堆叠的顶层金属基片3、第一介质基片7、中间第一金属基片8、第二介质基片9、中间第二金属基片10、第三介质基片11、底层金属基片4。滤波器的所有金属化通孔阵列5中所有通孔的尺寸均一致。
28.顶层金属基片3、中间第一金属基片8以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第一谐振腔，中间第一金属基片8、中间第二金属基片10以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第二谐振腔，中间第二金属基片10、底层金属基片4以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第三谐振腔。
29.如图1和2所示，中间第一金属基片8上刻蚀一组耦合缝隙6，中间第一金属基片8上的耦合缝隙6距离谐振腔中心7.9mm，关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙6垂直于te
m0n
（n为偶数）模式的磁场，因此这些高次模可以被抑制。中间第二金属基片10上刻蚀二组耦合缝隙6，中间第二金属基片10的耦合缝隙6列与中间第一金属基片8上的耦合缝隙6列垂直，中间第二金属基片10上的耦合缝隙6距离谐振腔中心8.1mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
30n
模的磁场同时又位于te
m03
模的磁场最弱处，因此这些高次模也可以被抑制；此外，由于采用中心处馈电te
m0n
（m为偶数）模将不会被激励。
30.顶层金属基片3和底层金属基片4上分别设置输入端口1和输出端口2，输入端口1和输出端口2都采用尺寸相同的微带线，且两个端口关于滤波器中心对称。
31.图3是三阶基片集成波导带通滤波器的通带s参数曲线，很明显可以看出主模的耦合很好，带内回波损耗s11均位于-20db以下。
32.图4是三阶基片集成波导带通滤波器的带外s参数曲线，-30db的阻带抑制可以延伸到4.64f0。
33.图5为四阶基片集成波导带通滤波器，包括依次堆叠的顶层金属基片3、第一介质基片7、中间第一金属基片8、第二介质基片9、中间第二金属基片10、第三介质基片11、中间第三金属基片12、第四介质基片13、底层金属基片4。
34.顶层金属基片3、中间第一金属基片8以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第一谐振腔，中间第一金属基片8、中间第二金属基片10以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第二谐振腔，中间第二金属基片10、中间第三金属基片12以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第三谐振腔，中间第三金属基片12、底层金属基片4以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第三谐振腔。
35.如图5和6所示，中间第一金属基片8上刻蚀一组耦合缝隙6，中间第一金属基片8上组耦合缝隙6距离谐振腔中心7.9mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
m0n
（n为偶数）模式的磁场，因此这些高次模可以被抑制。中间第二金属基片10上刻蚀四组耦合缝隙6，中间第二金属基片10的耦合缝隙6列与中间第一金属基片8上的耦合缝隙6列垂直，中间第二金属基片10上的耦合缝隙6距离谐振腔中心9.6mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
50n 的磁场同时又位于te
m05
模的最弱磁场处，因此，这些高次模都可以被抑制。中间第三金属基片12上刻蚀二组耦合缝隙6，中间第三金属基片12的耦合缝隙6列与中间第二金属基片10上的耦合缝隙6列垂直、且与中间第一金属基片8上的耦合缝隙6列平行，中间第三金属基片12上的耦合缝隙6距离谐振腔中心8.1mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
m03
模的磁场同时又位于te
30n
模的磁场最弱处，因此这些高次模也可以被抑制；此外，由于采用中心处馈电te
m0n
（m为偶数）模将不会被激励。
36.顶层金属基片3和底层金属基片4上分别设置输入端口1和输出端口2，输入端口1和输出端口2都采用尺寸相同的微带线，且两个端口关于滤波器中心对称。
37.图7是四阶基片集成波导带通滤波器的通带s参数曲线，图8是四阶基片集成波导带通滤波器的带外s参数曲线，在仅增加一阶的情况下，可以将-30db的阻带抑制从4.64 f0拓展到7.05 f0。
38.图9为五阶基片集成波导带通滤波器，包括依次堆叠的顶层金属基片3、第一介质基片7、中间第一金属基片8、第二介质基片9、中间第二金属基片10、第三介质基片11、中间第三金属基片12、第四介质基片13、中间第四金属基片14、第五介质基片15、底层金属基片4。
39.顶层金属基片3、中间第一金属基片8以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第一谐振腔，中间第一金属基片8、中间第二金属基片10以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第二谐振腔，中间第二金属基片10、中间第三金属基片12以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第三谐振腔，中间第三金属基片12、中间第四金属基片14以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第三谐振腔，中间第四金属基片14、底层金属基片4以及两者之间的金属化通孔阵列5构成第四谐振腔。
40.如图9和10所示，中间第一金属基片8上刻蚀一组耦合缝隙6，中间第一金属基片8上组耦合缝隙6距离谐振腔中心7.7mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
m0n
（n为偶数）模式的磁场，因此这些高次模可以被抑制。中间第二金属基片10上刻蚀六组耦合缝隙6，中间第二金属基片10的耦合缝隙6列与中间第一金属基片8上的耦合缝隙6列垂直，中间第二金属基片10上的耦合缝隙6距离谐振腔中心10.4mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
70n
的磁场同时又位于te
m07
模的最弱磁场处，因此这些高次模也可以被抑制。中间第三金属基片12上刻蚀四组耦合缝隙6，中间第三金属基片12的耦合缝隙6列与中间第二金属基片10上的耦合缝隙6列垂直、且与中间第一金属基片8上的耦合缝隙6
列平行，中间第三金属基片12上的耦合缝隙6距离谐振腔中心9.5mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
m05
的磁场同时又位于te
50n
模的最弱磁场处，因此这些高次模也可以被抑制。中间第四金属基片14上刻蚀二组耦合缝隙6，中间第四金属基片14的耦合缝隙6列与中间第三金属基片12上的耦合缝隙6列垂直、且与中间第二金属基片10上的耦合缝隙6列平行，中间第四金属基片14上的耦合缝隙6距离谐振腔中心8.1mm，并且关于谐振腔中心对称，由于耦合缝隙垂直于te
30n
的磁场同时又位于te
m03
模的最弱磁场处，因此这些高次模也可以被抑制。此外，由于采用中心处馈电te
m0n
（m为偶数）模将不会被激励。
41.顶层金属基片3和底层金属基片4上分别设置输入端口1和输出端口2，输入端口1和输出端口2都采用尺寸相同的微带线，且两个端口关于滤波器中心对称。
42.图11是五阶基片集成波导带通滤波器的通带s参数曲线，图12是五阶基片集成波导带通滤波器的带外s参数曲线，此时可以看出五阶的在带外抑制更好，阻带宽度的延伸也更远。
43.本发明的波导带通滤波器采用多层的结构，相较于传统的单层结构，尺寸更小，结构紧凑，更适合应用到现代微波毫米波集成电路系统中；同时采用垂直堆叠的磁耦合方式，可以根据需要灵活调节滤波器的耦合水平，在保证基片集成波导性能不变的前提下，更具有以往其他基片集成波导滤波器所没有的超宽阻带，同时也能保持很好的带外抑制水平。
44.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。