一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器

1.本发明涉及电磁场与微波技术领域，具体涉及一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器。


背景技术：

2.随着科学技术的不断快速发展，军事、商业、民生等领域对无线通信系统（包括5g/e5g）的需求也越来越苛刻。滤波器本体作为无线通信系统的核心器件，除了需要满足分配频谱资源，过滤无用信号，抑制干扰信号以外，面对无线通信系统小型化、高功率容量、高选择以及低成本的高速发展需求，对滤波器本体的物理拓扑结构、综合设计方法、设计生产工艺及效率、器件体积及成本等方面均提出了更严格的要求。如公开号为cn217719920u的“一种介质谐振结构、滤波器本体及通信设备”。因此，面对电磁信号环境日益杂乱和频谱分配资源日益紧张的条件下，研究高选择性、高功率容量、小型化和低成本的滤波器本体以适配高速发展的无线通信系统是及其有必要的。
3.现有技术中，采用基片集成波导结构设计滤波器本体固然可以拥有较高的品质因数，但是在现如今的5g-sub 6阶段应用，因其截止频率原因，存在尺寸过大的问题。微波滤波器本体具有尺寸小、设计灵活等优势，但是其功率容量存在不足，不利于无线通信系统的功率需求。
4.因此亟需一种体积小、高选择性、功率容量大以及辐射损耗低的滤波器件。


技术实现要素：

5.本发明为解决在5g-sub 6阶段现有滤波器本体具有带宽较窄、选择性差、体积大以及辐射损耗高的问题，提供了一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器，采用双腔双模贴片结构设计出四阶滤波器本体，可以有效的减小器件的尺寸，实现小型化目的。采用单腔双模盒型拓扑结构，拥有多个耦合路径，引入了分布在通带两侧的4个有限频率传输零点，实现了高选择性。同时，采用贴片结构设计，能够使带通滤波器本体拥有很高的功率容量，可以适用于绝大部分有源器件集成。
6.为了实现上述目的，本发明提出一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器，包括信源馈线、负载馈线以及滤波器本体，所述滤波器本体一端通过信源馈线连接有信源、另一端通过负载馈线连接有负载，所述滤波器本体包括第一双模单腔单元和第二双模单腔单元，第一双模单腔单元和第二双模单腔单元之间设置有λg/4条形线；第一双模单腔单元和第二双模单腔单元均为贴片结构，所述贴片结构包括蚀刻有交叉槽线扰动结构的贴片；所述第一双模单腔单元包括第一谐振器、第二谐振器，所述第二双模单腔单元包括第三谐振器和第四谐振器。
7.其中，λg表示波导波长。
8.具体的，带通滤波器本体由两个双模单腔贴片、λg/4条形线、siw电壁以及信源馈线、负载馈线构成，整体呈对称结构。
9.四个谐振器是由两个双腔双模的贴片构成，其中每个贴片中采用了交叉槽线扰动结构，具有将分割谐振频率的效果，谐振器分别工作于te
100
和te
010
模式。
10.进一步地，所述滤波器本体设置主耦合路径和交叉耦合路径，所述主耦合路径包括所述信源馈线与第一谐振器和第二谐振器同时耦合，所述第一谐振器和第二谐振器均与λg/4条形线耦合，所述λg/4条形线还同时耦合第三谐振器和第四谐振器，所述第三谐振器和第四谐振器均与负载馈线耦合；所述交叉耦合路径包括信源馈线耦合λg/4条形线，λg/4条形线耦合负载馈线。
11.进一步地，所述滤波器本体还包括中间介质板和底层金属板，所述上层金属板还设置有siw电壁，所述siw电壁分别环绕第一双模单腔单元、第二双模单腔单元布设；上层金属板和底层金属板包夹中间介质板。
12.滤波器本体呈“三明治”结构，在生产中采用单层pcb电路板印刷技术实现滤波器本体制作。其中，中间介质板只需要使用常用的介质基板即可实现，更加普适于微波工作频段的各类应用场景，因此，可以满足小型化、低成本，广范围的无线射频系统需求。具有较高的市场应用价值。
13.siw结构可视为理想的电壁，可以有效的降低贴片滤波器本体的辐射损耗问题。
14.进一步地，所述信源馈线、负载馈线包括阻抗50ω的微带线。
15.阻抗50ω的微带线是国际标准馈线，更能够方便的与其他元件互联和集成。
16.进一步地，所述λg/4条形线呈几字形折叠状结构。
17.λg/4条形线整体呈折叠状，连接第一双模单腔单元和第二双模单腔单元，可以有效的增大第一双模单腔单元和第二双模单腔单元的耦合强度，拓宽带通滤波器本体的带宽，同时折叠状的设计可以有效的减小体积，使器件整体呈小型化趋势；微调整λg/4条形线的宽度、长度可以控制第一双模单腔单元和第二双模单腔单元之间的耦合强度或比值，从而实现调控通带带宽或有限频率传输零点频率位置。
18.通过上述技术方案，本发明的有益效果为：1.本发明采用双模双腔贴片结构设计，蚀刻交叉槽线扰动双模贴片的简并模式，使其可用于滤波器的设计。在物理特性上，是采用两个贴片腔设计出四阶滤波器本体，可以有效的减小器件的尺寸，实现小型化目标。同时，采用贴片结构设计，能够使带通滤波器本体拥有很高的功率容量，可以适用于绝大部分有源器件集成。
19.2.采用第一双模单腔单元和第二双模单腔单元的双模双腔谐振结构与信源馈线和负载馈线相结合的结构，在四阶滤波器本体中引入了4个有限频率传输零点，且通带两侧各分布两个有限频率传输零点。实现了n阶滤波器本体引入n（n≥2）个有限频率传输零点的指标，有效的提升了带通滤波器本体的高选择性和边带抑制能力。
20.3.在现有技术中贴片腔之间的耦合一般采用窗口缝隙耦合，此类耦合方式会因贴片谐振器边缘电流密度较低，耦合较弱，实现滤波器本体带宽较窄，限制了其应用范围。本发明采用λg/4条形线直接连接两个双模贴片腔，利用发现λg/4条形线具有弱耦合性的特点，不影响谐振器谐振频率的情况下，有效的增大了两个双模贴片谐振器的耦合强度，可以有效的拓宽通带带宽。同时，λg/4条形线采用折叠式结构设计，能够进一步减小器件体积。通过微调λg/4条形线的宽度、长度实现微调带通滤波器本体的通带带宽及传输零点位置，实现了高选择性。
21.4.本发明的第一双模单腔单元和第二双模单腔单元周围设置siw电壁，siw电壁在本发明中可视为理想的电壁，有效的降低贴片谐振器电磁能量辐射泄露，从而有效解决贴片滤波器本体的高辐射损耗问题。
22.5.本发明的信源馈线和负载馈线采用包括阻抗为50 ω的微带线，且滤波器本体结构采用平面结构，更容易与其他器件互联集成。
附图说明
23.图1是本发明一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器的结构示意图；图2是本发明一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器的三维结构示意图；图3是本发明一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器的耦合拓扑结构示意图；图4是本发明实施例双腔双模贴片滤波器的参数响应曲线；图5是本发明实施例双腔双模贴片滤波器的有限频率传输零点可调示例图；图6是本发明实施例双腔双模贴片滤波器的带通滤波器带宽可调示例图。
24.附图中标号为：1为信源馈线，2为负载馈线，3为第一双模单腔，4为第二双模单腔，5为λg/4条形线，6为第一谐振器，7为第二谐振器，8为第三谐振器，9为第四谐振器，10为上层金属板，11为中间介质板，12为底层金属板，13为siw电壁。
具体实施方式
25.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步说明：实施例1如图1~3所示，一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器，包括信源馈线1、负载馈线2以及滤波器本体，所述滤波器本体一端通过信源馈线1连接有信源、另一端通过负载馈线2连接有负载，其特征在于，所述滤波器本体包括第一双模单腔单元3和第二双模单腔单元4，第一双模单腔单元3和第二双模单腔单元4之间设置有λg/4条形线5；第一双模单腔单元3和第二双模单腔单元4均为贴片结构，所述贴片结构为蚀刻有交叉槽线的扰动贴片结构；所述第一双模单腔单元3包括第一谐振器6、第二谐振器7，所述第二双模单腔单元4包括第三谐振器8和第四谐振器9。
26.如图1所示优选的，所述滤波器本体设置主耦合路径和交叉耦合路径，所述主耦合路径包括所述信源馈线1与第一谐振器6和第二谐振器7同时耦合，所述第一谐振器6和第二谐振器7均与λg/4条形线5耦合，所述λg/4条形线5还同时耦合第三谐振器8和第四谐振器9，所述第三谐振器8和第四谐振器9均与负载馈线2耦合；所述交叉耦合路径包括信源馈线1耦合λg/4条形线5，λg/4条形线5耦合负载馈线2。
27.在图1中实线表示主耦合路径，虚线表示交叉耦合路径。
28.如图2所示，所述滤波器本体还包括中间介质板11和底层金属板12，所述上层金属板10还设置有siw电壁13，所述siw电壁13分别环绕第一双模单腔单元3、第二双模单腔单元4布设；上层金属板10和底层金属板12包夹中间介质板11。
29.优选的，所述信源馈线1、负载馈线2包括阻抗50ω的微带线。
30.优选的，所述λg/4条形线5呈几字形折叠状结构。
31.为了验证上述一种高选择性平面双腔双模贴片滤波器（以下简称滤波器）的性能作出以下实验：滤波器的参数如下，滤波器包括双模双腔贴片，信源馈线1、负载馈线2、λg/4条形线5和siw电壁13。优选介质基板采用rogers5880，相对介电常数为2.2，厚度为0.508 mm，在本实验中，如图3所示，滤波器整体尺寸l=77.5 mm，w=40 mm；信源馈线1、负载馈线2宽度w0=1.54 mm；siw电壁13的金属通孔直径为d=0.8 mm；双模贴片中的蚀刻槽线尺寸为w1=0.3 mm，l1=24.35 mm，l2=22.00 mm；λg/4条形线5的宽度为w2=0.56 mm。
32.图4为上述滤波器仿真结果。由滤波器参数曲线可知，中心频率为2.4ghz，带内插入损耗1.2db，带内反射损耗约-20db，-3 db的带宽为170 mhz(相对带宽7.1％)。四个有限频率传输零点的频率位置约为2.03 ghz、 2.17 ghz、2.70 ghz和2.85 ghz。滤波器s参数图直接表明了高选择性的滤波特性。
33.图5为上述滤波器的有限频率传输零点调控示例。由图5可知，通过调控λg/4条形线5的矢量长度来调控两侧有限频率传输零点的位置，从而使上述滤波器高选择性进一步提高。
34.图6为上述滤波器的带宽可调示例。通过调控λg/4条形线5的宽度来调控第一双模单腔单元3和第二双模单腔单元4间的耦合强度，进而做到在不改变贴片谐振器的情况下，调控上述滤波器的通带带宽，做到带宽可控可调。从而使上述滤波器高选择性再次提高。
35.以上所述之实施例，只是本发明的较佳实施例而已，并非限制本发明的实施范围，故凡依本发明专利范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均应包括于本发明申请专利范围内。