基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，包括输入端馈线、二端口输出端馈线、三端口输出端馈线、输入端基片集成波导、输出端基片集成波导、第一基片集成波导谐振腔、第二基片集成波导谐振腔，其中输入端馈线和二端口输出端馈线位于介质基板的上表面，三端口输出端馈线位于介质基板的下表面；输入和输出馈线通过共面波导结构与输入和输出基片集成波导连接，输入、输出基片集成波导和基片集成波导谐振腔三者之间通过金属化通孔感性窗来实现能量耦合。本发明利用基片集成波导的两个平衡输出端口分别放置在介质的上下表面，同时引入源载耦合来实现一种结构简单、损耗低、可靠性高、匹配特性好、具有高选择性的巴伦带通滤波器。
【专利说明】
基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器
技术领域
[0001] 本发明涉及微波无源器件技术领域，特别是一种基于基片集成波导的高选择性巴 伦带通滤波器。
【背景技术】
[0002] 近年来，随着现代移动通信、无线局域网、卫星通信和雷达、遥感技术的快速发展， 对通信系统中的射频微波器件提出了小型化的要求。巴伦滤波器是一种将巴伦与滤波器功 能结合起来的射频微波器件，它不但能够将不平衡信号转化为平衡信号，同时也能对信号 起到滤波的功能。对于通信系统来说，将巴伦与滤波器集成在一起形成一个三端口器件，可 以有效减少系统的损耗和尺寸。另一方面，基片集成波导（SIW)是近些年提出的一种新型 波导结构，它既保留了平面微带结构的体积小、重量轻、易于集成和加工方便等优势，又兼 具金属波导结构的损耗低、Q值高、性能优异的特点。因此，设计基于基片集成波导的高性 能巴伦滤波器具有广泛的应用前景。
[0003] 已有文献报道了基于基片集成波导的巴伦带通滤波器：
[0004] 文献 1 (Lin-Sheng Wu，Yong-Xin Guo, Jun-Fa Mao, and Wen-Yan Yin， "Design of a substrate integrated waveguide balun filter based on three-port coupled resonator circuit model'，，IEEE Microwave Wireless Compon. Lett.，2011 (21) :252-254)提出在5阶带通滤波器的基础上引入一个TE2Q1模式的基片集成 波导谐振腔，来实现不平衡信号到平衡信号的转换，同时得到负的交叉耦合，在通带的两侧 产生了一对零点，提高了选择性。
[0005] 文献 2 (J. N. Hui，W. J. Feng and W. Q. Che，"Baiun bandpass filter based on multilayer substrate integrated waveguide power divider'，，IEEE Electronic Letters，2012(48) :571-573)提出在基片集成波导功分器的基础上，在基片集成波导内部 放置4个金属化通孔来实现巴伦带通滤波器。
[0006] 但是以上两种基于基片集成波导的巴伦带通滤波器存在以下缺点：
[0007] (1)文献1中提出的巴伦带通滤波器尺寸较大且两平衡输出端口的幅度差较大。
[0008] (2)文献2中提出的巴伦带通滤波器由于使用了多层结构，不利于与其他平面电 路集成，同时通带两侧没有零点，故选择性欠佳。
【发明内容】
[0009] 本发明的目的在于提供一种尺寸小、电路结构紧凑、插入损耗小、两个平衡输出端 口匹配特性好、具有高选择性的基于基片集成波导的巴伦带通滤波器。
[0010] 实现本发明的技术解决方案为：一种基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波 器，包括输入端馈线、二端口输出端馈线、三端口输出端馈线、输入端基片集成波导、输出端 基片集成波导、第一基片集成波导谐振腔、第二基片集成波导谐振腔、介质基板，其中输入 端馈线和二端口输出端馈线位于介质基板的上表面，三端口输出端馈线位于介质基板的下 表面，输入端基片集成波导、输出端基片集成波导、第一基片集成波导谐振腔、第二基片集 成波导谐振腔由金属化通孔构成；输入端馈线通过第一共面波导结构与输入端基片集成波 导连接，二端口输出端馈线通过第二共面波导结构与输出端基片集成波导连接，三端口输 出端馈线通过第三共面波导结构与输出端基片集成波导连接。
[0011] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，所述的输入端基片集成波 导通过第一金属化通孔感性窗与输出端基片集成波导实现能量耦合，输入端基片集成波导 通过第二金属化通孔感性窗与第一基片集成波导谐振腔实现能量耦合，输入端基片集成波 导通过第三金属化通孔感性窗与第二基片集成波导谐振腔实现能量耦合；输出端基片集成 波导通过第四金属化通孔感性窗与第一基片集成波导谐振腔实现能量耦合，基片集成波导 通过第五金属化通孔感性窗与第二基片集成波导谐振腔实现能量耦合。
[0012] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，所述的第一基片集成波导 谐振腔工作在TE m1模式，第二基片集成波导谐振腔工作在TE m模式。
[0013] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，所述的输入端基片集成波 导和输出端基片集成波导的截止频率均介于第一基片集成波导谐振腔的TE 1(]1模式和TE 2Q1 模式的谐振频率之间。
[0014] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器使用单层PCB板实现，其中 金属化通孔的直径为d = 0. 6_，相邻两金属化通孔间的距离为P = 1_。
[0015] 本发明与现有技术相比，其显著优点为：（1)本发明的结构简单，可在单片PCB板 上实现，便于加工，生产成本低；（2)本发明的巴伦滤波器的尺寸小、插入损耗小、频率选择 性高、输出端口具有良好匹配性能；（3)本发明的巴伦滤波器具有提供等幅反向信号、阻抗 匹配和频率上的滤波的作用，为平衡天线等射频元件馈电时无需再使用阻抗匹配段和滤波 器。
【附图说明】
[0016] 图1是本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的俯视图。
[0017] 图2是本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的仰视图。
[0018] 图3是本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的拓扑结构示意图。
[0019] 图4是本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的实施例1的结构尺 寸示意图。
[0020] 图5是本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的实施例1的S参数 仿真和测试图。
[0021] 图6是本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的实施例1的两个输 出端口幅度差和相位差的仿真和测试图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
[0023] 结合图1和图2,本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，包括输入 端馈线1、二端口输出端馈线2、三端口输出端馈线3、输入端基片集成波导4、输出端基片集 成波导5、第一基片集成波导谐振腔6、第二基片集成波导谐振腔7、介质基板8,其中输入端 馈线1和二端口输出端馈线2位于介质基板8的上表面，三端口输出端馈线3位于介质基 板8的下表面，输入端基片集成波导4、输出端基片集成波导5、第一基片集成波导谐振腔6、 第二基片集成波导谐振腔7由金属化通孔构成；输入端馈线1通过第一共面波导结构14与 输入端基片集成波导4连接，二端口输出端馈线2通过第二共面波导结构25与输出端基片 集成波导5连接，三端口输出端馈线3通过第三共面波导结构35与输出端基片集成波导5 连接。
[0024] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，所述的输入端基片集成波 导4通过第一金属化通孔感性窗45与输出端基片集成波导5实现能量耦合，输入端基片集 成波导4通过第二金属化通孔感性窗46与第一基片集成波导谐振腔6实现能量耦合，输入 端基片集成波导4通过第三金属化通孔感性窗47与第二基片集成波导谐振腔7实现能量 耦合；输出端基片集成波导5通过第四金属化通孔感性窗65与第一基片集成波导谐振腔6 实现能量耦合，基片集成波导5通过第五金属化通孔感性窗75与第二基片集成波导谐振腔 7实现能量耦合。
[0025] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，所述的第一基片集成波导 谐振腔6工作在TE m1模式，第二基片集成波导谐振腔7工作在TE m模式。
[0026] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，所述的输入端基片集成波 导4和输出端基片集成波导5的截止频率均介于第一基片集成波导谐振腔6的TE m模式 和TEM1模式的谐振频率之间，通过调节输入端基片集成波导4和输出端基片集成波导5的 宽度来调整它们的截止频率。
[0027] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的拓扑结构如图3所示， 图中实线表示正耦合，虚线表示负耦合，S表示源端，L +表示二端口输出负载端，L表示三 端口输出负载端，&表示第一基片集成波导谐振腔6, 1?2表示第二基片集成波导谐振腔7， 表示源端与二端口输出负载端的耦合系数、Ma源端与三端口输出负载端的耦合系数， 表不二端口输出负载端与第一基片波导谐振腔6的親合系数，表不二端口输出 负载端与第二基片波导谐振腔7的耦合系数，表示三端口输出负载端与第一基片波导 谐振腔6的耦合系数，表示三端口输出负载端与第二基片波导谐振腔7的耦合系数， 表示源端与第一基片波导谐振腔6的耦合系数，表示源端与第二基片波导谐振腔 7的耦合系数。
[0028] 本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，在结构上，输入端馈线1、 二端口输出端馈线2和三端口输出端馈线3的宽度根据端口的阻抗确定，一般设计为50欧 姆微带线对应的宽度；通过调节第一基片集成波导谐振腔6和第二基片集成波导谐振腔7 的大小可以调节通带的位置；通过调节第一金属化通孔感性窗45可以调节源载耦合的强 弱，从而控制通带两侧的零点距离通带的远近。
[0029] 下面结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
[0030] 实施例1
[0031] 结合图4、图5和图6,以工作在X波段的基于基片集成波导的高选择性巴伦带 通滤波器为例，采用的介质基板8相对介电常数为2. 2,厚度为0. 508mm，损耗角正切为 0. 0009。输入端馈线1、二端口输出端馈线2、三端口输出端馈线3的特性阻抗均为50欧姆， 其宽度均为1= 1. 6_。该巴伦带通滤波器的各尺寸参数如下：第一共面波导结构14的长 度为Si = 2mm，宽度为W3= 2. 2mm，第二共面波导结构25和第三共面波导结构35的长度均 为S2= 0. 2mm，宽度均为W 5= 2. 2mm，第一基片集成波导谐振腔6的长度为L 18. 6mm，宽 度为I = 11. 4mm，第二基片集成波导谐振腔7的长度为L 2= 27. 2mm，宽度为W 2= 15. 3mm， 输入端基片集成波导4和输出端基片集成波导5的宽度均为W4= 11. 4mm，第一金属化通孔 感性窗45的宽度为P3= 3. 7mm，第二金属化通孔感性窗46的宽度为P 4= 5mm、第三金属化 通孔感性窗47的宽度为P1= 5. 7mm，第四金属化通孔感性窗65的宽度为P 2= 5. 7mm，第二 金属化通孔感性窗75的宽度为？5= 5mm，二端口输出端馈线与巴伦滤波器的横向中心轴线 的距离为W6= 1mm。金属化通孔的直径为d = 0. 6mm，相邻两金属化通孔间的距离为P = lmm〇
[0032] 本实施例的巴伦滤波器是在ANSYS公司的商业全波电磁仿真软件HFSS. 13中建模 仿真的，测试使用的是安捷伦公司的N5244A网络分析仪。
[0033] 图5是本实施例中的基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的S参数仿真 和测试结果图，其中，虚线为仿真结果，实线为测试结果。从图中的实测结果可以看出，该巴 伦滤波器的通带中心频率为9. 99GHz，相对带宽为1. 7%，通带内最小插入损耗1. 8dB，通带 内回波损耗低于-15. 3dB ;通带内有两个极点，这使巴伦滤波器的通带趋于平整；此外，两 个传输零点位于通带的两侧，分别出现在9. 78GHz和10. 32GHz处，同时通带在7. 66Ghz处 出现的由第一基片集成波导谐振腔7的TE1Q1模式产生的通带被抑制在-33dB以下，很好地 提高了巴伦滤波器的选择性。
[0034] 图6是本实例中的基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器的两个平衡输 出端口幅度差和相位差的仿真和测试结果图，从图中可以看出，该实例巴伦滤波器通带内 的两个平衡输出端口幅度差在〇. 2dB以内、相位差在180 ± 2度以内。
[0035] 综上所述，本发明基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，具有尺寸小、插 入损耗低、选择性高，两输出端口匹配特性优异等优点，该巴伦带通滤波器非常适用于现代 无线通信系统。
【主权项】
1. 一种基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，其特征在于，包括输入端馈线 (1) 、二端口输出端馈线（2)、三端口输出端馈线（3)、输入端基片集成波导（4)、输出端基片 集成波导（5)、第一基片集成波导谐振腔（6)、第二基片集成波导谐振腔（7)、介质基板（8)， 其中输入端馈线（1)和二端口输出端馈线（2)位于介质基板（8)的上表面，三端口输出端 馈线（3)位于介质基板（8)的下表面，输入端基片集成波导（4)、输出端基片集成波导（5)、 第一基片集成波导谐振腔（6)、第二基片集成波导谐振腔（7)由金属化通孔构成；输入端馈 线（1)通过第一共面波导结构（14)与输入端基片集成波导（4)连接，二端口输出端馈线 (2) 通过第二共面波导结构（25)与输出端基片集成波导（5)连接，三端口输出端馈线（3) 通过第三共面波导结构（35)与输出端基片集成波导（5)连接。2. 根据权利要求1所述的基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，其特征在 于：所述的输入端基片集成波导（4)通过第一金属化通孔感性窗（45)与输出端基片集成波 导（5)实现能量耦合，输入端基片集成波导（4)通过第二金属化通孔感性窗（46)与第一基 片集成波导谐振腔（6)实现能量耦合，输入端基片集成波导（4)通过第三金属化通孔感性 窗（47)与第二基片集成波导谐振腔（7)实现能量耦合；输出端基片集成波导（5)通过第四 金属化通孔感性窗（65)与第一基片集成波导谐振腔（6)实现能量耦合，基片集成波导（5) 通过第五金属化通孔感性窗（75)与第二基片集成波导谐振腔（7)实现能量耦合。3. 根据权利要求1所述的基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，其特征在 于：所述的第一基片集成波导谐振腔（6)工作在TE 2M模式，第二基片集成波导谐振腔（7) 工作在TE1(]1模式。4. 根据权利要求1所述的基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，其特征在 于：所述的输入端基片集成波导（4)和输出端基片集成波导（5)的截止频率均介于第一基 片集成波导谐振腔(6)的TE 1(]1模式和TE2M模式的谐振频率之间。5. 根据权利要求1所述的基于基片集成波导的高选择性巴伦带通滤波器，其特征在 于：所述的巴伦带通滤波器使用单层PCB板实现，其中金属化通孔的直径为d = 0. 6_，相 邻两金属化通孔间的距离为P = 1mm。
【文档编号】H01P1/203GK105990630SQ201510064660
【公开日】2016年10月5日
【申请日】2015年2月6日
【发明人】顾辉, 蔡传涛, 黄烽, 林善明, 王建朋
【申请人】南京理工大学