一种频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器的制作方法

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种频率和带宽均可调的电磁二维可重构滤波器。

背景技术

面向未来智能化的无线通信应用需求，多频段和小型化已成为无线通信发展的一个必然趋势。然而，传统滤波器一般只能工作在某一个固定频率或确定频段，如果系统要实现多频段工作，往往需要采用多个工作在不同频段上的滤波器。在多频段无线通信系统设计中，所需滤波器的个数不仅随频段数目线性递增，而且滤波器彼此之间的相互干扰也会愈加显著，这不仅会增加系统设计的复杂度，而且也会使得整个系统体积增大、设计成本增高、系统内部干扰抑制难度增加。

可重构滤波器是随着现代无线通信向着多频段、小型化和智能化发展的必然趋势应运而生的新型滤波器，它能够实现滤波器的结构重组和频率调谐。可重构滤波器的实现方式一般是通过在滤波器结构中加载可调谐元件来改变滤波器的元件特性与阻抗效应，获得不同的谐振频率和工作带宽。可重构微波滤波器不仅能够满足自适应预选频和多信道传输要求，有效解决多设备间的相互干扰和电磁兼容问题，并且大大降低了系统的尺寸和复杂性，是实现无线通信系统多频段、小型化和智能化的一种理想器件。可重构滤波器按可重构方式一般可分为机械可重构、电可重构和磁可重构，而其中由于电可重构滤波器具有调谐速度快、插入损耗小等众多优点，一直以来备受关注。从目前可重构滤波器的相关研究来看，实现电可重构滤波器的主要方法是在滤波器结构中加入pin开关、变容二极管、mems开关或电容等电调谐元件，通过提供可调节偏置电压来动态改变电结构。

基片集成波导是近些年提出的一种新型波导结构。基于基片集成波导的滤波器不仅能保持传统矩形波导滤波器的高品质因数、低插损和低辐射等特性，而且还具有平面电路结构(微带线等)的体积小、重量轻、便于集成和封装等众多优点。目前基于基片集成波导可重构滤波器的研究中，绝大多数都是采用加载pin开关或mems开关的电可重构滤波器。这种单独采用电调谐所设计的可重构滤波器仅仅是对基片集成波导滤波器中的电场分布产生了微扰，因此在最大可调范围、带宽控制和滤波器的设计灵活度上都受到了很大的限制。近年来人们更加关注中心频率、带宽和频率选择性都可以调谐的滤波器设计。根据2013年1月sulavadhikari等人在ieeetransactionsonmicrowaveandtechniques期刊(vol.61，no.1，pp:423-435，2013)上发表的“simultaneouselectricandmagnetictwo-dimensionallytunedparameter-agilesiwdevices”所提供的分析可知采用同时加载电磁调谐元件可实现对可重构滤波器带宽的灵活控制，同时可以有效扩展频率调谐范围。然而上述所提出的可重构滤波器中加载的电磁调谐元件都是用来改变基片集成波导谐振腔的谐振频率，不易实现对谐振腔之间耦合强度的直观调节，并且所需用于磁调谐的铁氧体体积较大。

技术实现要素：

针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明提出一种频率和带宽可调的电磁二维可重构滤波器，采用在基片集成波导谐振腔中加载可调电容来调节各个谐振腔的工作频率，通过在基片集成波导滤波器耦合窗口处加载铁氧体材料来直观控制基片集成波导谐振腔之间的耦合强度，并且在输入输出馈线上加载可调电容来实现外部品质因数的调节，进而实现在可重构滤波器频率调节的同时提高了对滤波器带宽控制的灵活度。

本发明具体采用如下技术方案：

一种频率和带宽可调的电磁二维可重构滤波器，其结构如图1所示，包括实现基片集成波导的介质基板2，在介质基板2的下表面覆盖有第一金属覆铜层1，在介质基板2的上表面覆盖有第二金属覆铜层3；所述介质基板2上设置有贯穿于第一金属覆铜层1、介质基板2和第二金属覆铜层3的金属化通孔阵列4。

所述金属化通孔阵列4与第一金属覆铜层1和第二金属覆铜层3共同围成相连的第一谐振腔5和第二谐振腔6，所述第一谐振腔5与第二谐振腔6通过感性耦合窗7相互耦合。

在所述第一谐振腔5和第二谐振腔6的中部分别设置有一个微扰金属化通孔8，所述微扰金属化通孔8贯穿于第一金属覆铜层1、介质基板2和第二金属覆铜层3。

在第二金属覆铜层3上设置有两个环形槽9，所述两个环形槽9分别位于第一谐振腔5和第二谐振腔6的中部，在所述两个环形槽上分别设置有一个可调电容10；所述可调电容10的一端与环形槽9外侧的第二金属覆铜层3连接，其另一端与所述环形槽9内侧的第二金属覆铜层3连接并通过微扰金属化通孔8连接到第一金属覆铜层1。

所述感性耦合窗7的中心位置设置有一个通孔，所述通孔设置于介质基板2中，在所述通孔中放置有铁氧体11，所述铁氧体的形状与其所处通孔的形状吻合以便于固定，所述铁氧体厚度与介质基板2厚度相同。

所述第二金属覆铜层3上设置有两个输入输出端口，所述输入输出端口均采用共面波导12与微带馈线13相连接的结构，所述微带馈线13的特征阻抗为50欧姆；所述的输入输出端口均位于其所处腔体侧壁的中点处，并且呈左右镜像对称分布，整个滤波器结构也呈左右镜像对称；在共面波导12伸入第一谐振腔5和第二谐振腔6内部一端的末端和共面波导12上分别设置有第一槽线14和第二槽线15，在所述第二槽线15上设置有一个可调电容16，所述可调电容16的一端与槽线15外侧的共面波导12连接，其另一端与槽线15内侧的共面波导12连接并通过第二微扰金属化通孔17连接到第一金属覆铜层1，所述第二金属化通孔17贯穿于第一金属覆铜层1、介质基板2和第二金属覆铜层3。

所述第一谐振腔5和第二谐振腔6均为矩形基片集成波导谐振腔。

所述金属化通孔阵列4由圆柱体或长方体金属化通孔组成。

所述位于第一谐振腔5和第二谐振腔6中部的微扰金属化通孔8和第二微扰金属化通孔17为圆柱体或长方体金属化通孔。

所述环形槽9为圆形、正方形或长方形环形槽。

所述位于感性耦合窗7中心位置处的通孔形状可以为矩形或者圆形。

所述可调电容10和16可以是变容二极管或者rfmems可变电容。

进一步的，所述铁氧体的上表面和下表面均覆盖有铜皮，位于铁氧体下表面的铜皮与所述第一金属覆铜层1相连，位于铁氧体上表面的铜皮与所述第二金属覆铜层3相连，由此进一步固定铁氧体材料并减少辐射损耗。

本发明在基片集成波导滤波器的第二金属覆铜层的第一谐振腔和第二谐振腔中心位置附近的环形槽部位分别设置可调电容，通过改变可调电容的电容值，从而改变两个谐振腔的谐振频率；在两个谐振腔相连的耦合窗部位的介质基板中插入铁氧体材料，再通过控制外加偏置磁场改变铁氧体的磁导率参数，从而改变谐振腔之间的耦合强度，起到调节带宽的作用；同时在输入输出端口的共面波导馈线上加载可调电容来调节外部品质因数，保证滤波器的性能。

本发明提供的频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器工作方式为：两个可调电容10分别控制第一谐振腔5和第二谐振腔6的谐振频率，其电容值均为c1，当两个可调电容10的电容值c1增大时，第一谐振腔5和第二谐振腔6的谐振频率f0均往低频方向移动；铁氧体11控制第一谐振腔5和第二谐振腔6之间的感性耦合强度，随着外加偏置磁场强度h的增大，两个谐振腔之间的耦合强度增大，滤波器带宽增大；两个可调电容16的电容值均为cm，它们分别控制输入输出端口的外部品质因数，从而保证滤波器在频率和带宽发生变化时同样保持有良好的性能。

本发明的有益效果是：

在基片集成波导滤波器中同时采用电可重构和磁可重构，应用可调电容的电容值可调以及铁氧体材料的等效磁导率随外加偏置磁场强度而改变的特点实现的电磁二维可重构滤波器，不仅可以改变两个基片集成波导谐振腔的谐振频率，同时还能精确控制谐振腔之间的耦合强度以及外部品质因数。与传统的单电可重构基片集成波导滤波器相比，可以实现对带宽的灵活设计，并且滤波器波形保持程度也大大提高，在未来多频段、小型化和智能化无线通信设备和系统中具有广阔的应用潜力。

附图说明

图1为一种频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器三维示意图；

图2为一种频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器俯视图；

图3为滤波性能稳定、相对带宽保持不变、中心频率调节的传输特性和回波损耗曲线；

图4为滤波性能稳定、中心频率保持不变、相对带宽调节的传输特性和回波损耗曲线；

图5为滤波性能稳定、中心频率和相对带宽同时调节的传输特性和回波损耗曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详细描述本发明的技术方案。

实施例

本实施例中基于基片集成波导的电磁二维可重构滤波器结构如图1所示，介质基板2采用厚度为0.726mm的rogersduroid6002基板，其相对介电常数εr＝2.9，损耗角正切tanδ＝0.0012。

具体的，在本实施例中，所述第一谐振腔5和第二谐振腔6均为矩形基片集成波导谐振腔；所述金属化通孔阵列4由圆柱体金属化通孔组成，金属化通孔阵列4的通孔直径为1mm，相邻通孔中心之间的间距为1.8mm；所述位于第一谐振腔5和第二谐振腔6中部的微扰金属化通孔8为圆柱体金属化通孔；所述环形槽9为圆环形槽；所述位于感性耦合窗7中心位置的通孔形状为长方体；所述铁氧体11采用微波钇铁石榴石(yig)铁氧体；所述铁氧体的上表面和下表面均覆盖有铜皮，位于铁氧体上、下表面的铜皮分别与第一金属覆铜层1和第二覆金属铜层3焊接相连，由此进一步固定铁氧体材料并减少辐射损耗；所述输入输出端口均采用共面波导12与微带馈线13相连接的结构并且分别位于其所处腔体侧壁的中点处；所述可调电容10和16是变容二极管，其电容值分别为c1和cm。

该频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器的具体结构尺寸标记如图2所示，具体对应参数如下表所示：

该频率和带宽可调的电磁二维可重构滤波器工作方式为：两个变容二极管10分别控制第一谐振腔5和第二谐振腔6的谐振频率，当两个变容二极管10的电容值c1增大时，第一谐振腔5和第二谐振腔6的谐振频率往低频方向移动；铁氧体11控制第一谐振腔5和第二谐振腔6之间的感性耦合强度，随着外加偏置磁场强度h的增大，两个谐振腔之间的耦合强度增大，滤波器带宽增大；另外，通过调节变容二极管16的电容值cm可以改变滤波器的外部品质因数，对滤波器的回波损耗和传输特性做出调节，以保证滤波器性能的稳定。

在确定上述相关参数的情况下，经电磁仿真，该频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器的传输特性如图3-5所示，图3所示为该滤波器性能稳定、相对带宽恒定，调节中心频率时的传输特性和回波损耗曲线，由图可见，当相对带宽保持为2.7％左右时，滤波器的通带中心频率调谐范围为8.14ghz到10.97ghz，插入损耗的变化范围为0.9db到1.1db，回波损耗保持在15db以下；图4所示为该滤波器性能稳定、中心频率恒定、调节相对带宽时的传输特性和回波损耗曲线，由图可见，当通带中心频率保持恒定为8.83ghz时，其相对带宽调节范围从1.7％到3.51％，插入损耗的变化范围为0.62db到1.1db，回波损耗保持在10db以下；图5所示为该滤波器性能稳定、中心频率和相对带宽同时调节时的传输特性和回波损耗曲线，滤波器的通带频率调谐范围从6.15ghz到10.75ghz，频率调节范围达到43％，其绝对带宽调节范围从51mhz到360mhz，对应的相对带宽调节范围从0.83％到3.35％，插入损耗的变化范围为0.56db到0.66db，回波损耗保持在17db以下。

可以看出，本发明所述的一种频率带宽可调的电磁二维可重构滤波器不仅可以在较宽的频率范围内实现滤波器中心频率的调谐，还可以对滤波器的带宽进行调节，而且还具有滤波性能稳定、通带性能可控、插入损耗低等优点。通过调节设计的变容二极管的电容值参数和外加偏置磁场强度参数，该发明可实现各种频率、带宽和滤波性能要求的电磁二维可重构滤波器。