專利名稱：基于方形高次模腔體的基片集成波導(dǎo)多模濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于毫米波電路、軍用和民用通信系統(tǒng)等領(lǐng)域中的濾波器 技術(shù)，該類濾波器釆用基片集成波導(dǎo)(Substrate Integrated Waveguide SIW) 高次模方形腔體并結(jié)合了多模技術(shù)，特別適合于高頻，高性能并要與系統(tǒng)實現(xiàn)平 面集成的應(yīng)用場合。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的毫米波濾波器通常采用波導(dǎo)或微帶線結(jié)構(gòu)，但是它們各有一些難以克 服的缺點(diǎn)。對于微帶或帶狀線之類的平面結(jié)構(gòu)濾波器，它們具有體積小，加工簡 單等優(yōu)點(diǎn)，但存在功率容量低，損耗大，因結(jié)構(gòu)開放而不便密封等缺點(diǎn)，因而只 適用于低頻，功率小的電路系統(tǒng)。波導(dǎo)類濾波器功率容量高，損耗低，性能優(yōu)異， 但是加工成本高，且不適合與現(xiàn)代平面電路集成?；刹▽?dǎo)(SIW)在一定程度 上綜合了兩者的優(yōu)點(diǎn)，在保持傳統(tǒng)波導(dǎo)濾波器高功率容量、低損耗優(yōu)點(diǎn)的同時， 還保留了一般平面?zhèn)鬏斁€濾波器易于集成、輕量化、易加工等優(yōu)點(diǎn)。基于基片集 成波導(dǎo)技術(shù)的濾波器可以用普通的PCB工藝實現(xiàn)，加工成本低，制作周期短，其 原理是以金屬化的周期性通孔替代金屬壁來實現(xiàn)的，金屬化通孔的一般加工極限 是直徑0.3mm。這在Ka波段及Ka以下波段沒有什么問題，但是當(dāng)頻率很高時， 濾波器腔體尺寸將不斷減小，直至腔體尺寸和金屬化通孔的尺寸可比擬時，濾波 器性能將直接受到金屬化通孔的影響，導(dǎo)致無法在高頻波段利用PCB工藝設(shè)計加 工出可靠，性能穩(wěn)定的濾波器。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本發(fā)明的目的是提出一種基于方形高次模腔體的基片集成波導(dǎo)多 模濾波器，它很好的解決了在高頻階段SIW主模濾波器因腔體過小而性能受到金 屬化通孔影響過大，導(dǎo)致無法設(shè)計加工的矛盾，同時利用多模技術(shù)，減少了腔體個數(shù)，提高了選擇性，它非常適合用于毫米波通信領(lǐng)域。此類多模濾波器使用單 層PCB板實現(xiàn)，具有低插損、功率容量大、成本低、便于集成和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。技術(shù)方案本發(fā)明提供了一類基于SIW技術(shù)，高次模腔體理論以及多模特性 的濾波器。采用了方形腔體，所用模式均高于腔體第二個模式，通過設(shè)置感性柱 來調(diào)節(jié)模式間的匹配及其本征頻率，對于單個的腔體，采用正交的輸入輸出，以 產(chǎn)生所需的傳輸零點(diǎn)。濾波器的介質(zhì)基片上表面和下表面分別敷有上表面金屬和下表面金屬，金屬 化通孔陣列貫穿于介質(zhì)基片、上表面金屬和下表面金屬；起調(diào)節(jié)不同模式的本征 頻率以及模式間的耦合作用的第一感性柱和第二感性柱位于金屬化通孔陣列圍成 的方形腔體內(nèi)部；方形腔體相鄰的兩條邊上分別設(shè)有第一金屬柱感性窗、第二金 屬柱感性窗，腔體通過金屬柱感性窗實現(xiàn)能量的輸入和輸出耦合；第一金屬化通 孔陣列和第二金屬化通孔陣列分別位于第一金屬柱感性窗、第二金屬柱感性窗， 對應(yīng)于濾波器腔體的輸入和輸出，它們和外部電路相連接。通過調(diào)節(jié)第一金屬化 通孔陣列和第二金屬化通孔陣列，可以利用波導(dǎo)截止頻率理論，將主模及其它低 次模的影響抑制或減弱。構(gòu)成等效金屬壁的金屬化通孔的直徑^= 0.4 mm,相 鄰?fù)组g的間隔為ks = 0.8 ram。各個方形腔體所用的模式均有所不同，其中第一個方形腔體雙模濾波器是采 用了對邊TE2。2模和準(zhǔn)TMo2。模，其模式圖和傳輸特性見圖l(b)示。圖2中的雙模方 形腔體利用了對角TE2。2模和對邊TE2。2模，它的一個特點(diǎn)是利用了是利用了感性金 屬柱和進(jìn)行了模式和本征頻率調(diào)協(xié)。圖3展示了一個性能優(yōu)良的基片集成波導(dǎo)三 模腔體濾波器，同理，感性金屬柱和起調(diào)節(jié)模式本征頻率的作用。模式之間的耦 合以及輸入輸出之間的耦合產(chǎn)生了預(yù)期的傳輸零點(diǎn)，很好的改善了帶外選擇性。有益效果這類濾波器很好的解決了由于頻率過高導(dǎo)致腔體過小而無法用基 片集成波導(dǎo)技術(shù)實現(xiàn)高性能濾波器的矛盾。用基片集成波導(dǎo)在Ka以上波段設(shè)計制 作主模濾波器時，由于腔體過小，與金屬化通孔尺寸在一個數(shù)量級上，設(shè)計所允 許的容差將大大減小，加工也變得極其困難。通過采用高次模而增大腔體尺寸， 使設(shè)計、制作都變得可實現(xiàn)，可接受容差也改善很多。高次模腔體具有更高的無載Q值，特別是對于圓形和方形腔體，因此該類濾 波器具有較小的插損。雙模和三模濾波器的傳輸零點(diǎn)很好地改善了帶外衰減特性。由一個腔體所貢 獻(xiàn)的多個極點(diǎn)使通帶更加平坦，由此避免了使用單個模式設(shè)計濾波器時不同腔體 之間的級聯(lián)，由此減小了插損和濾波器體積。盡管此類濾波器工作于高次模式， 通過結(jié)構(gòu)的折疊和腔體數(shù)目的減少，它們?nèi)燥@得非常緊湊。這類濾波器的制作非常簡單，全部利用成熟的標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)工藝，成本低而精度 高，容易批量生產(chǎn)，封閉結(jié)構(gòu)因而輻射小，隔離和抗干擾能力強(qiáng)，容易與有源平 面電路集成。比如，僅用單層PCB板(如圖3和圖4示)便實現(xiàn)了三模濾波器，調(diào) 査顯示目前這在世界范圍內(nèi)還是首例。


圖l基于對邊TE2。2模和準(zhǔn)TM。2。模的方形腔體基片集成波導(dǎo)雙模濾波器，其中圖 (a)為腔體結(jié)構(gòu)圖，圖(b)為傳輸特性及模式電場圖，wW^=10.4mm,w =0.4 mm, w = 0.8 mm, = 3.29 mm。圖2基于對邊TE2。2模和對角TE鵬模的方形腔體基片集成波導(dǎo)雙模濾波器，其中 圖(a)為腔體結(jié)構(gòu)圖，圖(b)為傳輸特性及模式電場圖，w = 0.4 mm， w = 0.8 mm, ~ = 0.3 mm, ^ = 0.8 mm， W訴=0.61 mm， w/淑=10.2 mm, fl = 3.13 mm, cfo/ = 0.25 mm, cfa = 3.1 mm。圖3基于對邊TE鵬模，對角TE鵬模以及準(zhǔn)TM咖模(如圖1和圖2示)的方形腔 體基片集成波導(dǎo)三模濾波器，圖(a)為腔體結(jié)構(gòu)圖，圖(b)為傳輸特性圖， w = 0.4 mm， vs = 0.8 mm，力=0.6 mm， " = 0.6 mm, s/wy / = 0.52 mm， j/j(/ 2 = 0.48 mm, w/淑—10.23 mm， /ewgA 二—10.26 mm， ci = 3.66 mm， 6 — 3.72 mm,力 =4.09 mm, cf2 = 3.68 mm， 。 = 3.74 mm, C2 = 3.8 mm。圖4側(cè)視結(jié)構(gòu)圖，~ = 2.2， h = 0.5m。圖5實施例l結(jié)構(gòu)圖。圖6實施例l中的傳輸響應(yīng)圖，其中實線為測試結(jié)果，虛線為仿真結(jié)果。 圖7實施例2結(jié)構(gòu)圖。圖8實施例2單腔三模濾波器傳輸特性圖，實線為測試結(jié)果，虛線為仿真結(jié)果。 圖9實施例3結(jié)構(gòu)圖。圖10實施例3濾波器的傳輸響應(yīng)圖。(實線為測試結(jié)果，虛線為仿真結(jié)果) 以上的圖中有介質(zhì)基片l、金屬化通孔陣列2、第一感性柱3、第二感性柱4、第一金屬化通孔陣列5、第二金屬化通孔陣列6、上表面金屬7、下表面金屬8。
具體實施方式
基片集成波導(dǎo)高次模方形腔體多模濾波器(如圖1-4所示)包括一塊介質(zhì)基片 1，在介質(zhì)基片1上表面和下表面所敷的上表面金屬7、下表面金屬8， 一般為銅， 以及貫穿于上表面金屬7、下表面金屬8的金屬化通孔陣列2。圖2和圖3中腔體 內(nèi)部的感性柱3和感性柱4是起調(diào)節(jié)不同模式的本征頻率以及模式間的耦合作用 的。腔體通過金屬柱感性窗實現(xiàn)能量的輸入和輸出耦合。第一金屬化通孔陣列5、 第二金屬化通孔陣列6分別對應(yīng)于濾波器腔體的輸入和輸出，它們和外部電路相 連接.通過調(diào)節(jié)第一金屬化通孔陣列5、第二金屬化通孔陣列6，可以利用波導(dǎo)截 止頻率理論，將主模及其它低次模的影響抑制或減弱。各個方形腔體所用的模式 均有所不同，其中第一個方形腔體雙模濾波器是采用了對邊TE2。2模和準(zhǔn)TM。2。模， 其模式圖和傳輸特性見圖l(b)示。圖2中的雙模方形腔體利用了對角TE^模和對 邊TE2。2模，它的一個特點(diǎn)是利用了是利用了第一感性柱3、第二感性柱4進(jìn)行了 模式和本征頻率調(diào)協(xié)。圖3展示了一個性能優(yōu)良的基片集成波導(dǎo)三模腔體濾波器， 同理，第一感性柱3、第二感性柱4起調(diào)節(jié)模式本征頻率的作用。模式之間的耦 合以及輸入輸出之間的耦合產(chǎn)生了預(yù)期的傳輸零點(diǎn)，很好的改善了帶外選擇性。實施例1基于兩個方形SIW雙模腔體的Q波段濾波器濾波器設(shè)計實物結(jié)構(gòu)如圖5所示。圖1所示的雙模腔體51，圖2所示的雙模 腔體52，用于測試的微帶饋電線及其漸變線53，介質(zhì)基片上的金屬銅55。單個 基片集成波導(dǎo)雙模腔體的尺寸小于7mraX7mm,整個濾波器由兩個不同的方形雙 模腔體折疊組成，顯得非常小巧緊湊，基片采用了Rogers5880材料，介電常數(shù)為 2.2，厚0.254 mm，如果使用更高介電常數(shù)的基片，腔體尺寸將進(jìn)一步減小。濾 波器的實測傳輸特性如圖6實線所示，實測損耗大約為4.38dB，該損耗是包含了 測試接頭，微帶饋電線及漸變線帶來的損耗，如果扣除這些影響，濾波器的實際 損耗應(yīng)在3dB以內(nèi)。濾波器設(shè)計在Q波段，帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-13.5dB，根據(jù)實用 設(shè)計指標(biāo)，中心頻率定為46GHz，帶寬為2GHz，實測濾波器帶寬約為1.75GHz， 誤差主要來自加工缺陷，這可從實物圖發(fā)現(xiàn)，有些通孔偏離了位置。實施例2 Q波段單腔三模濾波器為了驗證三模濾波器的特性，設(shè)計實現(xiàn)了單個方形腔體的三模濾波器，結(jié)構(gòu) 如圖7所示。輸入輸出感性窗耦合71,圖3所示的三模腔體72，用于測試的輸入 輸出微帶饋電及其漸變線73。腔體尺寸大約為7 mmX7 mm，基片仍然采用了厚 0.254 mm，介電常數(shù)為2. 2的Rogers5880材料。為了便于測試，將微帶饋電線進(jìn) 行了90度的偏折，整個三模腔體均由金屬通孔實現(xiàn)，加工非常簡單。濾波器的仿 真和測試響應(yīng)如圖8所示，濾波器的測試插損大約為2.48 dB，這已經(jīng)包括了微 帶饋電線以及測試接頭的影響，實際濾波器損耗在l.ldB左右，濾波器的回波損 耗優(yōu)于-21dB。測試和仿真結(jié)果非常吻合，在濾波器的上下邊帶，可以發(fā)現(xiàn)3個很 明顯的零點(diǎn)，很好的提高了濾波器的選擇性，帶內(nèi)有三個極點(diǎn)，使濾波器的通帶 趨于平整，不足之處是濾波器的上邊帶效果略差。實施例3基于方形三模腔體和圓形雙模腔體的Q波段濾波器 實施例3將方形三模腔體應(yīng)用到了一個兩腔濾波器中，已期獲得更好的性能。 該濾波器的實物結(jié)構(gòu)如圖9所示。用于測試的微帶饋電及其漸變線91，圖3所示 的三模腔體92， 一圓形雙模腔體93。圓形雙模腔體具有較大的通帶帶寬以及更好 的上邊帶。該濾波器所用的基片為0.254mm厚，介電常數(shù)為2.2的Rogers5880 材料。濾波器包括微帶線和漸變線，用于測試的50歐姆微帶線，用于阻抗匹配的 漸變線，以及一個圓形腔體和一個方形三模腔體。測試結(jié)果如圖9所示，濾波器 測試插損大約為3.2dB，如果除去接頭和微帶的影響，實際損耗應(yīng)在2dB左右。 測得帶內(nèi)回波損耗優(yōu)于-15.5dB，測得的3 dB帶寬約為4GHz，從42.8GHz到 46.8GHz。可發(fā)現(xiàn)實測結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合。該濾波器的上下邊帶均表現(xiàn)出優(yōu) 異的性能，很快便下降到-30dB以下，通帶非常平整。在Q波段僅用兩腔便實現(xiàn) 了如此高性能的濾波特性，顯示出本類設(shè)計方法的優(yōu)越性。該濾波器的腔體尺寸 可以進(jìn)一步縮小，相信可以應(yīng)用于更高的頻段，實現(xiàn)和加工都非常簡單可靠。對 于工作于主模的SIW腔體濾波器，如果使用相同的基片，其腔體尺寸大約為3. 2mm X3.2mm，這對于加工的要求將非常高，可允許容差將非常小，金屬化通孔對整體 性能的影響將非常大。
權(quán)利要求
1.一種基于方形高次模腔體的基片集成波導(dǎo)多模濾波器，其特征在于該濾波器的介質(zhì)基片(1)上表面和下表面分別敷有上表面金屬(7)和下表面金屬(8)，金屬化通孔陣列(2)貫穿于介質(zhì)基片(1)、上表面金屬(7)和下表面金屬(8)；起調(diào)節(jié)不同模式的本征頻率以及模式間的耦合作用的第一感性柱(3)和第二感性柱(4)位于金屬化通孔陣列(2)圍成的方形腔體內(nèi)部；方形腔體相鄰的兩條邊上分別設(shè)有第一金屬柱感性窗(7)、第二金屬柱感性窗(8)，腔體通過金屬柱感性窗實現(xiàn)能量的輸入和輸出耦合；第一金屬化通孔陣列(5)和第二金屬化通孔陣列(6)分別位于第一金屬柱感性窗(7)、第二金屬柱感性窗(8)，對應(yīng)于濾波器腔體的輸入和輸出，它們和外部電路相連接；通過調(diào)節(jié)第一金屬化通孔陣列(5)和第二金屬化通孔陣列(6)，可以利用波導(dǎo)截止頻率理論，將主模及其它低次模的影響抑制或減弱。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于方形高次模腔體的基片集成波導(dǎo)多模濾波器， 其特征在于構(gòu)成等效金屬壁的金屬化通孔的直徑w=0.4mm,相鄰?fù)组g的間 隔為m = 0. 8 mm。
全文摘要
基于方形高次模腔體的基片集成波導(dǎo)多模濾波器的介質(zhì)基片(1)上表面和下表面分別敷有上表面金屬(7)和下表面金屬(8)，金屬化通孔陣列(2)貫穿于介質(zhì)基片(1)、上表面金屬(7)和下表面金屬(8)；起調(diào)節(jié)不同模式的本征頻率以及模式間的耦合作用的第一感性柱(3)和第二感性柱(4)位于金屬化通孔陣列(2)圍成的方形腔體內(nèi)部；方形腔體相鄰的兩條邊上分別設(shè)有第一金屬柱感性窗(7)、第二金屬柱感性窗(8)，腔體通過金屬柱感性窗實現(xiàn)能量的輸入和輸出耦合；第一金屬化通孔陣列(5)和第二金屬化通孔陣列(6)分別位于第一金屬柱感性窗(7)、第二金屬柱感性窗(8)，對應(yīng)于濾波器腔體的輸入和輸出，它們和外部電路相連接。
文檔編號H01P1/207GK101217209SQ20081001906
公開日2008年7月9日 申請日期2008年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月11日
發(fā)明者偉 洪, 董元旦 申請人:東南大學(xué)