CN212085184U - 一种siw滤波器及hmsiw滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器及HMSIW滤波器,包括基板，基板包括上表面和下表面，还包括微带线结构；所述基板上表面设置有SIW结构或HMSIW结构，并在SIW结构或HMSIW结构中间刻蚀有矩形槽，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构在基板表面形成两个终端短路的半波长谐振器或四分之一播出谐振器，并构成二阶带通滤波器。采用本发明能够在实现小型化的同时，并且能够实现宽阻带抑制性能。

Description

一种SIW滤波器及HMSIW滤波器

技术领域

本实用新型涉及无线通信技术领域，具体而言，涉及一种基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器及HMSIW滤波器。

背景技术

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)滤波器由于其优异的性能，既保持了传统波导滤波器高Q值、低插损的优点，同时又兼具PCB电路的低剖面、易加工、易于集成等特性；在现今的微波毫米波领域，SIW滤波器取得了广泛的应用前景。形式多样、具有不同功能的SIW滤波器已被用于各类的射频微波系统中，如无线通信、雷达、遥感探测、航空航天等。尤其在移动通信领域，随着技术的不管革新，日益发展4G、5G通信技术，以及未来物联网的广泛普及，对滤波器的需求将进一步增加，这势必将对滤波器地性能提出更高的要求，如小型化、集成化、高选择性、多通带、可重构性等等。

在SIW滤波器小型化设计方面，主流的小型化技术主要包括：1/n 模切割技术、多层折叠技术、加载技术。基于1/n模切割技术的SIW滤波器，其方法是沿着SIW全模的中心线进行切割，其切口面等效为虚拟磁壁。进行切割后的滤波器，既能够保留原有模式的传输特性，又能够缩小体积。在以模式切割的小型化研究方面，主要以半模SIW、四分之一模SIW为主，使得滤波器面积分别缩小一半和四分之一。此外，以八分之一模、十六分之一模做SIW小型化也有一定的研究。基于多层折叠技术的SIW滤波器，该方法通过水平对称面将多个单层PCB电路折叠而得到，使得滤波器在稍微增加剖面的情况下，使得面积急剧减小。现一般采用双层折叠的方式，使得面积减小一半。基于加载技术的SIW滤波器小型化，其原理是通过加载金属或者超材料结构，对SIW谐振腔内场分布造成扰动，使得谐振频率降低，从而实现小型化。如利用超材料加载，互补开口谐振环(Complementary Split-Ring Resonator,CSRR) 作为一种磁性超材料，将其加载于SIW谐振腔表面可以有效突破SIW的截止频率，使其谐振于SIW截止频率以下，从而实现小型化。

基于1/n模切割技术的SIW滤波器小型化设计，依然保留了波导滤波器的大部分特性。而波导滤波器较为明显的缺点是，其高次模谐振频率离主模谐振频率相对较近，会在滤波器通带外形成许多的寄生通带，降低了滤波器的带外抑制性能，使滤波器的整体性能下降。

而基于多层折叠技术的SIW滤波器，由于其双层甚至多层的电路结构，使得加工工艺复杂，多次折叠对加工精度也较为敏感，因而对加工制造提出了更高的要求，同时也增加了成本。

基于加载技术的SIW滤波器小型化，同样也面临高次模式产生寄生通带的问题。例如，基于CSRR加载的SIW滤波器，能够突破SIW滤波器截止频率，在截止频率以下形成通带；但由于SIW的TE₁₀₁模的传播，反而使得SIW的主模TE₁₀₁模形成了寄生通带，从而影响滤波器整体的带外抑制性能。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，通过在SIW表面刻蚀均匀阻抗谐振器(Uniform Impedance Resonator,UIR)结构，由此构成一个二阶的带通滤波器，并且能够实现宽阻带抑制性能。

为达到上述技术目的，本实用新型采用的技术方案具体如下：

一种基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，包括基板，基板包括上表面和下表面，还包括微带线结构；所述基板上表面设置有SIW结构，并在SIW结构中间刻蚀有矩形槽，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构在基板表面形成两个终端短路的半波长谐振器，并构成二阶带通滤波器。

进一步地，所述均匀阻抗谐振器为细长矩形，且通过均匀阻抗谐振器的长度和SIW结构宽度控制谐振频率。

进一步地，所述微带线结构包括分别作为输入和输出端的微带线，且微带线贴近SIW结构的的一端设置有耦合馈电线，且耦合馈电线与微带线结构垂直。

进一步地，所述耦合馈电线与SIW结构之间留有间距，且通过该间距和耦合馈电线的长度控制外部品质因素。

进一步地，所述基板两端均设置有多个金属化过孔，且基板的上下表面通过多个金属化过孔连接。

本实用新型还公开了一种基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW(Half modeSubstrate Integrated Waveguide,半模基片集成波导)滤波器，可以减小滤波器尺寸，同样实现滤波器接宽阻带抑制性能。

一种基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器，其特征在于：包括基板、设置在基板上的HMSIW结构，并在HMSIW结构两侧设置有微带线结构；所述HMSIW结构中间刻蚀有矩形槽，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构形成两个短路的四分之一波长谐振器，由此构成一个二阶滤波器。

进一步地，所述均匀阻抗谐振器为细长矩形，且通过均匀阻抗谐振器的长度和HMSIW结构宽度控制谐振频率。

进一步地，所述微带线结构包括分别作为输入和输出端的微带线，且微带线贴近HMSIW结构的的一端设置有耦合馈电线，且耦合馈电线与微带线结构垂直。

进一步地，所述基板一端设置有多个金属化过孔，且所述基板的上下层通过多个金属化过孔连接。

本实用新型的有益效果在于：本实用新型区别于现有技术，本实用新型提供了两种技术方案，第一种方案是基于SIW结构，基于UIR加载的SIW小型化方案。通过在SIW表面刻蚀UIR结构，使得SIW等效为两个终端短路的半波长谐振器，从而构成一个二阶滤波器。调整SIW的宽边及UIR的长度，可以调整滤波器的中心频率；SIW的纵向长度对滤波器几乎没有影响，因而可以将纵向长度做小，从而实现SIW滤波器的小型化设计；UIR加载SIW滤波器具有宽阻带抑制性能。滤波器的第一高次模式为TE₃₀₁模，由于SIW滤波器的纵向长度可以做得很小，因而其谐振频率接近于3f₀，f₀为滤波器通带的中心频率，可以实现近3倍频程的宽阻带抑制性能。

第二种方案是在第一种方案的基础上，进一步缩减尺寸，提出了一种UIR加载的HMSIW滤波器。通过在HMSIW表面刻蚀UIR结构，使得HMSIW 等效为两个短路的四分之一波长谐振器，该结构使得滤波器相对SIW缩小一半，进一步实现滤波器的小型化设计；UIR加载HMSIW滤波器同样具有宽阻带抑制性能。与UIR加载的SIW类似，该滤波器同样有近3倍的宽阻带抑制性能。尤其是，由于半模基片的切口面的边缘效应，可以使得TE₃₀₁模的谐振频率升高，从而实现更宽的阻带抑制性能。

附图说明

图1是本实用新型提供的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器的平面示意图；

图2是本实用新型提供的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器仿真与测试的S参数(5-15GHz)示意图；

图3是本实用新型提供的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器仿真与测试的S参数(5-30GHz)示意图；

图4是本实用新型提供的基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器的平面示意图；

图5是本实用新型提供的基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器仿真与测试的S参数(5-15GHz)示意图；

图6是本实用新型提供的基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器仿真与测试的S参数(5-30GHz)示意图。

附图标记：

1、微带线结构；2、耦合馈电线；3、矩形槽；4、金属化过孔。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

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。

在本实用新型中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本实用新型各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本实用新型中任一部件或元件，不能理解为对本实用新型的限制。

下面通过具体的实施例子并结合附图对本实用新型做进一步的详细描述。

如图1-图3所示，实施方式一：

一种基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，包括基板，基板包括上表面和下表面，还包括微带线结构1；所述基板上表面设置有SIW结构，并在SIW结构中间刻蚀有矩形槽3，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构1在基板表面形成两个终端短路的半波长谐振器，并构成二阶带通滤波器。

所述均匀阻抗谐振器为细长矩形，且通过均匀阻抗谐振器的长度和 SIW结构宽度控制谐振频率。

所述微带线结构1包括分别作为输入和输出端的微带线，且微带线贴近SIW结构的的一端设置有耦合馈电线2，且耦合馈电线2与微带线结构1垂直。所述耦合馈电线2与SIW结构之间留有间距，且通过该间距和耦合馈电线2的长度控制外部品质因素。

所述基板两端均设置有多个金属化过孔4，且基板的上下表面通过多个金属化过孔4连接。

本实施方式在实际使用时，使用Rogers5880基板，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm，基板上下表面敷铜，下表面整块敷铜。上表面与下表面通过两侧的周期性金属化过孔4相连。以传统SIW的结构为基础的基板。

在SIW表面，刻蚀一个细长矩形状的UIR结构，SIW两侧为金属化过孔4，直径为0.4mm，间距0.7mm。特性阻抗为50Ω的微带线与一根与其垂直的耦合馈电线2相连，通过耦合方式给SIW馈电，微带线位于SIW中心位置。该UIR加载的SIW滤波器构成一个二阶滤波器，通过调整SIW的宽度及UIR的长度，使滤波器通带的中心频率为10GHz，耦合馈电的间距及耦合馈电线2的长度决定了外部品质因数。

通过优化合适的结构参数，如图2所示，可以得到中心频率为10GHz 的带通滤波器响应，带宽约为1.22GHz。该滤波器有较宽的阻带性能，在26GHz范围内有超过20dB的带外抑制性能，如图3的仿真与测试结果。图2和图3中，meas曲线为测试曲线，sim曲线为仿真曲线。

滤波器的尺寸仅为0.54λ_g*0.15λ_g，λ_g为波导波长，在保证功能的同时，做到了小型化。

如图4-图6所示，实施方式二：

一种基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器，包括基板、设置在基板上的HMSIW结构，并在HMSIW结构两侧设置有微带线结构1；所述 HMSIW结构中间刻蚀有矩形槽3，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构1形成两个短路的四分之一波长谐振器，由此构成一个二阶滤波器。

所述均匀阻抗谐振器为细长矩形，且通过均匀阻抗谐振器的长度(n₂) 和HMSIW结构宽度控制谐振频率。所述微带线结构1包括分别作为输入和输出端的微带线，且微带线贴近HMSIW结构的的一端设置有耦合馈电线2，且耦合馈电线2与微带线结构1垂直。

所述基板一端设置有多个金属化过孔4，且所述基板的上下层通过多个金属化过孔4连接。

本实施方式在实际使用时，该滤波器是在SIW滤波器的基础上，沿着中心裁剪一半而得到的，在HMSIW表面刻蚀UIR结构，仅一侧有金属化过孔4，直径为0.4mm，间距为0.75mm。特性阻抗为50Ω的微带线(3) 与一根细长的耦合馈电线2相连，通过耦合的方式给HMSIW馈电。该UIR 加载的HMSIW滤波器构成一个二阶滤波器，通过调整HMSIW的宽边及UIR 的长度，使得滤波器的中心频率谐振于10GHz。

通过优化合适的结构参数，如图5所示，最终得到中心频率为10GHz、带宽约为1.26GHz的带通滤波器响应。如图6所示，该滤波器具有较宽的阻带抑制性能，其第一寄生通带出现在超过30GHz的位置，在30GHz 内，带外抑制性能在-18dB以下。图5和图6中，meas曲线为测试曲线， sim曲线为仿真曲线。

在本实施例中，尺寸仅为0.25λ_g*0.14λ_g，λ_g为波导波长。同样在满足小型化的同时，保证了其抑制性能。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，包括基板，基板包括上表面和下表面，其特征在于：还包括微带线结构；所述基板上表面设置有SIW结构，并在SIW结构中间刻蚀有矩形槽，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构在基板表面形成两个终端短路的半波长谐振器，并构成二阶带通滤波器。

2.根据权利要求1所述的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，其特征在于：所述均匀阻抗谐振器为细长矩形，且通过均匀阻抗谐振器的长度和SIW结构宽度控制谐振频率。

3.根据权利要求1所述的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，其特征在于：所述微带线结构包括分别作为输入和输出端的微带线，且微带线贴近SIW结构的一端设置有耦合馈电线，且耦合馈电线与微带线结构垂直。

4.根据权利要求3所述的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，其特征在于：所述耦合馈电线与SIW结构之间留有间距，且通过该间距和耦合馈电线的长度控制外部品质因素。

5.根据权利要求1所述的基于均匀阻抗谐振器加载的SIW滤波器，其特征在于：所述基板两端均设置有多个金属化过孔，且基板的上下表面通过多个金属化过孔连接。

6.一种基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器，其特征在于：包括基板、设置在基板上的HMSIW结构，并在HMSIW结构两侧设置有微带线结构；所述HMSIW结构中间刻蚀有矩形槽，构成均匀阻抗谐振器；所述均匀阻抗谐振器和微带线结构形成两个短路的四分之一波长谐振器，由此构成一个二阶滤波器。

7.根据权利要求6所述的基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器，其特征在于：所述均匀阻抗谐振器为细长矩形，且通过均匀阻抗谐振器的长度和HMSIW结构宽度控制谐振频率。

8.根据权利要求6所述的基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器，其特征在于：所述微带线结构包括分别作为输入和输出端的微带线，且微带线贴近HMSIW结构的一端设置有耦合馈电线，且耦合馈电线与微带线结构垂直。

9.根据权利要求6所述的基于均匀阻抗谐振器加载的HMSIW滤波器，其特征在于：所述基板一端设置有多个金属化过孔，且所述基板的上下层通过多个金属化过孔连接。

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