申请/专利权人：南京航空航天大学

申请日：2018-10-29

公开（公告）日：2020-07-24

公开（公告）号：CN109326859B

主分类号：H01P1/212(20060101)

分类号：H01P1/212(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.07.24#授权;2019.03.08#实质审查的生效;2019.02.12#公开

摘要：本发明公开了一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三。介质基板一和介质基板三上均设有微带线，金属板一上开设沿逆时针旋转38℃的矩形缝隙一；介质基板二上设有金属通孔阵列和两个微扰金属孔；金属板二上开设沿顺时针旋转38℃的矩形缝隙二。本发明不仅在通带内产生两个极点，且在通带两侧各产生一个传输零点，具有高选择性。此外，通过对耦合缝隙的位置及尺寸的设计，TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制，实现良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下，由于微带线中间形成了磁壁，磁流无法通过耦合缝隙进入谐振腔，从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。

主权项：1.一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三；假设以每块介质基板或金属板的中心为原点，以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴，以过原点且垂直于x轴的方向为y轴，建立坐标系；介质基板一上设置微带线一，该微带线一位于y轴上且关于x轴对称，微带线一的两端位于介质基板一的两边沿处；金属板一上开设有矩形缝隙一，该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合，且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ；介质基板二上设置有金属通孔阵列和两个微扰金属孔；金属通孔阵列关于x轴和y轴对称；两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称；金属板二上开设有矩形缝隙二，该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合，且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为-θ；矩形缝隙二与矩形缝隙一的几何尺寸相同；介质基板三上设置微带线二，该微带线二位于x轴上且关于y轴对称，微带线二的两端位于介质基板二的两边沿处；微带线一和微带线二的中部均设置有凸起；谐振腔的尺寸决定了滤波器的谐振频率；SIW谐振腔的初始尺寸由中心频率f0决定；在微波毫米波波段内，通过调整SIW腔的尺寸、耦合缝隙的旋转角度和尺寸以及微带线中间凸起的宽度，使平衡带通滤波器工作在不同的中心频率；通过确定耦合缝隙的旋转角度θ，形成滤波器的通带；耦合缝隙长度lS的改变会影响零点的位置，通过选择合适的ls，提高宽阻带性能；通过调节微扰金属通孔在x轴上的位置g改变耦合系数，进而控制滤波器的带宽；通过改变耦合缝隙的宽度ws和微带线中间凸起的宽度w2来获得理想的外部品质因数；金属板一、介质基板二和金属板二是作为谐振器的SIW腔，介质基板一和介质基板二是作为馈电的微带—SIW换结构；通过引入微带—槽线转换结构，在共模信号激励下，微带线中间形成磁壁，磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔，从而在0-9.3GHz内实现高共模抑制。

全文数据：基于SIW的TM双模平衡带通滤波器技术领域本发明涉及一种滤波器，特别是一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器。背景技术在现代无线通信系统中，平衡器件受到了越来越多的关注，因为平衡器件可以有效抑制环境噪声和系统内部的噪声。而滤波器是通信系统设备必不可少的器件。平衡带通滤波器可以有效抑制环境和系统内部产生的噪声，因而广泛应用于现代无线通信电路。高选择性、小型化、高共模抑制的新型平衡带通滤波器是市场的迫切需求，也是平衡带通滤波器发展的必然趋势。基片集成波导SIW技术因其小型化、易集成、高Ｑ值的优点，受到越来越多的关注。使用双模或多模理念设计滤波器时，可以实现在不增加谐振器数目的同时提高单个腔体的选择性，从而可以有效减小滤波器的尺寸。利用TM模式可以使N阶滤波器产生N个传输零点，提高滤波器的选择性。但是由于使用TM双模或多模设计滤波器时不可避免的会有高次模的产生，从而在通带不远处出现一个或多个寄生通带，如何减小寄生通带或让寄生通带远离中心频率是一个重要的问题。本设计通过对耦合缝隙的位置以及尺寸进行合理设计，TM120和TM210模附近的六个模式被有效抑制，实现了良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下，由于微带线中间形成了磁壁，磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔，从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。发明内容本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，而提供一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，该基于SIW的TM双模平衡带通滤波器能在差模激励下，通过矩形缝隙激励起谐振腔内的TM120和TM210模谐振模式以及TE10和TE01模非谐振模式，不仅在通带内产生了两个极点，而且在通带两侧分别产生了一个传输零点，有效地提高了滤波器的选择性。此外，通过对矩形缝隙的位置以及尺寸进行合理设计，TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制，实现了良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下，由于微带线中间的凸起部位形成了磁壁，磁流无法通过矩形缝隙进入SIW谐振腔，从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三。假设以每块介质基板或金属板的中心为原点，以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴，以过原点且垂直于x轴的方向为y轴，建立坐标系。介质基板一上设置微带线一，该微带线一位于y轴上且关于x轴对称。金属板一上开设有矩形缝隙一，该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合，且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ。介质基板二上设置有金属通孔阵列和两个微扰金属孔；金属通孔阵列关于x轴和y轴对称；两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称。金属板二上开设有矩形缝隙二，该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合，且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为-θ。介质基板三上设置微带线二，该微带线二位于x轴上且关于y轴对称。微带线一和微带线二的中部均设置有凸起。金属通孔阵列的长度为34.1mm，宽度为33.8mm；金属通孔阵列中每个金属通孔的直径均为1mm，相邻两个金属通孔之间的间距为1.5mm。每个微扰金属孔的直径均为0.6mm。微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距为0.8mm。矩形缝隙一和矩形缝隙二的长度均为10mm，宽度均为0.3mm。θ=38°。微带线一和微带线二的宽度为1.58mm。本发明具有如下有益效果：1.具有高选择性良好的矩形系数和带外抑制。在差模激励下，通过耦合缝隙激励起谐振腔内的TM120和TM210模谐振模式以及TE10和TE01模非谐振模式，不仅在通带内产生了两个极点，而且在通带两侧分别产生了一个传输零点，有效地提高了滤波器的选择性。2.具有高共模抑制能力。通过对耦合缝隙（也即矩形缝隙）的位置以及尺寸进行合理设计，TM120和TM210模式附近的六个模式被有效抑制，实现了良好的宽阻带抑制性能。在共模激励下，由于微带线中间的凸起部位形成了磁壁，磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔，从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。3.首次提出采用TM双模腔来设计平衡滤波器。利用单个谐振腔可以产生两个极点和两个传输零点；通过合理地设计耦合缝隙的位置和尺寸，有效地抑制了通带附近的六个模式，实现了宽阻带性能。引入了微带—槽线转换结构对SIW腔进行馈电，实现了在较宽频带范围内的高共模抑制。由于使用了双模腔和多层结构，平衡滤波器的尺寸更加紧凑。附图说明图1显示了本发明基于SIW的TM双模平衡带通滤波器的结构示意图。图2显示了介质基板的一个优选实施例。图3显示了本发明基于SIW的TM双模平衡带通滤波器在差模激励下的拓扑结构示意图。图4显示了本发明基于SIW的TM双模平衡带通滤波器的散射参数仿真和测试结果。其中有：10.介质基板一；11.微带线一；12.凸起；20．金属板一；21.矩形缝隙一；30.介质基板二；31.金属通孔阵列；32.金属通孔；33.微扰金属孔；40.金属板二；41.矩形缝隙二；50.介质基板三；51.微带线二。另外：w1：微带线宽度；w2：凸起宽度；port1、port1’：第一平衡端口；ws：矩形缝隙宽度；ls：矩形缝隙长度；θ：耦合缝隙旋转角度；w：金属通孔阵列宽度；l：金属通孔阵列长度；p：相邻金属通孔之间的间距；d：金属通孔直径；g：微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距；port2、port2’：第二平衡端口；S：源；L：负载；MS1：源与TM120之间的耦合系数；MS2：源与TM210之间的耦合系数；MSL：源与负载之间的耦合系数。具体实施方式下面结合附图和具体较佳实施方式对本发明作进一步详细的说明。本发明的平衡带通滤波器以工作在中心频率为5.2GHz的WLAN系统为例说明，其3dB相对带宽为4％。如图1所示，一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，包括从上至下依次同轴设置的介质基板一10、金属板一20、介质基板二30、金属板二40和介质基板三50。假设以每块介质基板或金属板的中心为原点，以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴，以过原点且垂直于x轴的方向为y轴，建立坐标系，此时为二维坐标系。也即每块介质基板或金属板均具有一个二维坐标系，另外，以过原点且沿带通滤波器的厚度方向为z轴，建立三维坐标。介质基板一上设置微带线一11，该微带线一位于y轴上且关于x轴对称，其开路端连接第一平衡端口Port1、Port1’。介质基板三上设置微带线二51，该微带线二位于x轴上且关于y轴对称，其开路端连接第二平衡端口Port2、Port2’。微带线一和微带线二的中部均设置有凸起12。微带线一和微带线二的宽度，也即微带线宽度w1优选为1.58mm。介质基板一和介质基板三的材料优选为：1.相对介电常数为2.2，厚度为0.508mm的RTDuroid5880。2.采用微波板作为基板的材料，如图2所示，包括基板S1以及包覆在其上、下表面的上金属层S2和下金属层S3。金属板一上开设有矩形缝隙一21（也称耦合缝隙一）；该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合，且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ，θ优选为38℃。矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角也可表述为：绕z轴逆时针旋转38°。金属板一既充当微带线一的地，也作为谐振腔的金属壁。金属板二上开设有矩形缝隙二41（也称耦合缝隙二），该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合，且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为-θ，也即-38℃。矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角也可可表述为：绕z轴顺时针旋转38°。矩形缝隙一和矩形缝隙二的长度ls均优选为10mm，宽度ws均优选为0.3mm。金属板二既充当微带线二的地，也作为谐振腔的金属壁。介质基板二上设置有金属通孔阵列31和两个微扰金属孔33。金属通孔阵列关于x轴和y轴对称，金属通孔阵列的长度l优选为34.1mm，宽度w优选为33.8mm；金属通孔阵列中每个金属通孔的直径d均优选为1mm，相邻两个金属通孔之间的间距p优选为1.5mm。两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称。每个微扰金属孔的直径均优选为0.6mm。微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距g优选为0.8mm。金属通孔阵列构成谐振腔，介质基板二的规格优选为：相对介电常数为3.38，厚度为0.813mm的RogersRO4003C。由金属通孔阵列围成的谐振腔的尺寸l,w决定了滤波器的谐振频率。SIW谐振腔的初始尺寸由中心频率f0决定；在微波毫米波波段内，通过调整SIW腔的尺寸、耦合缝隙的旋转角度和尺寸以及微带线中间部分的宽度，该平衡带通滤波器可以工作在不同的中心频率。本发明所述平衡带通滤波器的4个端口均采用SMA头焊接，以便接入测试或者与电路相连。本发明可用于WLAN以及毫米波系统。如图3中的拓扑结构示意图所示，在差模信号激励下，通过耦合缝隙激励起谐振腔内的TM120和TM210模谐振模式以及TE10和TE01模非谐振模式，不仅在通带内产生了两个极点，而且在通带两侧分别产生了一个传输零点，有效地提高了滤波器的选择性。耦合缝隙的特性是只能进行磁耦合。由于所提出SIW腔的前八个谐振模式中只有TM120和TM210的磁场分布位于腔体的中心位置，而其它模式在中心点附近的磁场强度较弱，所以将耦合缝隙放置于SIW腔的中心处。此时，模式TM120和TM210被成功激励，形成所需要的通带；同时激励起非谐振模式TE10和TE01，引入了源与负载耦合，从而在通带两侧分别产生了一个传输零点，提高了通带的矩形系数。另外，由于两个耦合缝隙位置的特殊性，根据SIW腔中前8个TM模的磁场分布图确定耦合缝隙的位置，TM210和TM120模被成功激励的同时，对其它的6个模式产生一定的抑制效果。耦合缝隙的旋转角度θ对通带性能有显著影响，通过确定合适的θ，滤波器的通带能够形成。耦合缝隙长度lS的改变会影响零点的位置，选择合适的ls进一步提高了宽阻带性能；通过调节微扰金属通孔在x轴上的位置g改变耦合系数，进而控制滤波器的带宽；通过改变耦合缝隙的宽度ws和微带线中间部分（也即凸起）的宽度w2来获得理想的外部品质因数。上述金属板一、介质基板二和金属板二是作为谐振器的SIW腔，介质基板一和介质基板二是作为馈电的微带—SIW换结构。引入了微带—槽线转换结构，在共模信号激励下，微带线中间形成了磁壁，磁流无法通过耦合缝隙进入SIW谐振腔，从而在较宽的频带范围内实现了高共模抑制。电磁能量的流动路径为：第一二平衡端口—微带线—耦合缝隙—SIW腔—耦合缝隙—微带线—第二一平衡端口。如图4所示，本发明平衡带通滤波器的散射参数仿真与实测结果。其中Sdd11表示差模信号激励下的仿真和测试的反射系数，Sdd21为差模信号激励下的仿真和测量的传输系数。Scc21为共模信号激励下的仿真和测量的传输系数。所述平衡带通滤波器在差模激励下的通频带中心频率为5.2GHz，其3dB相对带宽为4%，插入损耗为1.2dB。在0-4.6GHz内的抑制电平大于40dB，在5.4-8.2GHz内的抑制电平大于25dB，在8.2-9.4GHz内的抑制电平大于12dB。该滤波器具有高选择性和低插入损耗。在共模激励下，在0-9.3GHz内共模信号抑制电平大于-50dB，具有很高的共模抑制效果。从图中可以看到仿真和实测结果吻合良好。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

权利要求：1.一种基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：包括从上至下依次同轴设置的介质基板一、金属板一、介质基板二、金属板二和介质基板三；假设以每块介质基板或金属板的中心为原点，以过原点且平行于带通滤波器边长的方向为x轴，以过原点且垂直于x轴的方向为y轴，建立坐标系；介质基板一上设置微带线一，该微带线一位于y轴上且关于x轴对称；金属板一上开设有矩形缝隙一，该矩形缝隙一的中心与金属板一的中心重合，且矩形缝隙一的长边与x轴之间的夹角为θ；介质基板二上设置有金属通孔阵列和两个微扰金属孔；金属通孔阵列关于x轴和y轴对称；两个微扰金属孔设置在金属通孔阵列内部的x轴上且关于y轴对称；金属板二上开设有矩形缝隙二，该矩形缝隙二的中心与金属板二的中心重合，且矩形缝隙二的长边与x轴之间的夹角为-θ；介质基板三上设置微带线二，该微带线二位于x轴上且关于y轴对称；微带线一和微带线二的中部均设置有凸起。2.根据权利要求1所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：金属通孔阵列的长度为34.1mm，宽度为33.8mm；金属通孔阵列中每个金属通孔的直径均为1mm，相邻两个金属通孔之间的间距为1.5mm。3.根据权利要求2所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：每个微扰金属孔的直径均为0.6mm。4.根据权利要求3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：微扰金属孔与对应侧x轴上的金属通孔之间的间距为0.8mm。5.根据权利要求1或2或3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：矩形缝隙一和矩形缝隙二的长度均为10mm，宽度均为0.3mm。6.根据权利要求1或2或3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：θ=38°。7.根据权利要求1或2或3所述的基于SIW的TM双模平衡带通滤波器，其特征在于：微带线一和微带线二的宽度为1.58mm。

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