三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器拓撲結(jié)構(gòu)及濾波器的制造方法
【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明涉及微波無源器件技術(shù)領域，具體涉及一種三通帶交叉耦合基片集成波導 濾波器拓撲結(jié)構(gòu)及濾波器。
【背景技術(shù)】
[0002] 高Q值的濾波器是微波毫米波電路的重要組成部分，傳統(tǒng)的金屬波導、微帶線等 技術(shù)設計的濾波器在某些方面存在問題，例如，金屬波導價格較為昂貴，微帶線Q值較低， 難以達到某些所要求的技術(shù)指標?；刹▽В⊿IW:Substrate Integrated Waveguide) 由多層微波集成電路中的周期性金屬通孔構(gòu)成，具有傳統(tǒng)波導濾波器品質(zhì)因數(shù)高、功率容 量大的優(yōu)點，且易于加工、集成，造價低。由于基片集成波導諧振單元（組成濾波器的基本 單元）多為方形或圓形諧振腔，因此設計合理的濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，優(yōu)化基片集成波導諧振 單元排布，可以實現(xiàn)基片集成波導濾波器小型化設計的目的，為整體系統(tǒng)設計節(jié)省寶貴空 間。
[0003] 相對于單通帶濾波器，多通帶濾波器頻率響應具有多個通帶，能滿足無線通信向 多頻段、多模式方向發(fā)展的需求，能夠降低微波電路設計復雜程度，簡化多頻段通信系統(tǒng)的 結(jié)構(gòu)，降低成本，有利于實現(xiàn)整體系統(tǒng)的小型化。
[0004] 濾波器交叉耦合，可以控制通帶帶寬，引入可控傳輸零點（即通帶帶寬、傳輸零點 位置可以根據(jù)交叉耦合理論計算的耦合系數(shù)調(diào)整），從而改善濾波器帶外特性。但是現(xiàn)有的 濾波器交叉耦合理論，只能分析單通帶濾波器，不適用于多通帶。這就導致多通帶濾波器設 計缺乏綜合理論指導，多通帶濾波器的通帶特性（通帶頻率、帶寬）、帶外傳輸零點位置不 能自由設計，濾波器結(jié)構(gòu)與頻率相關，如果頻率變化，結(jié)構(gòu)就不再適用。
[0005] 現(xiàn)有多通帶濾波器或者沒有傳輸零點，帶外抑制較差，或者受限于拓撲結(jié)構(gòu)，無法 應用交叉耦合理論去分析傳輸零點，不能實現(xiàn)帶外傳輸零點的可控（即結(jié)構(gòu)一旦固定，零 點位置也基本固定）。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明設計了一種三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)三通 帶響應，并可根據(jù)交叉耦合理論引入可控的傳輸零點，極大地改善了帶外特性，且適用于所 有頻率。
[0007] 本發(fā)明的三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器拓撲結(jié)構(gòu)，包括12個諧振腔，其 中，諧振腔①中設有輸入端口 S，諧振腔④中設有輸出端口 L，諧振腔①分別與諧振腔?、 諧振腔②耦合，諧振腔?與諧振腔?耦合；諧振腔②分別與諧振腔③、諧振腔@耦合， 諧振腔?與諧振腔耦合；諧振腔③分別與諧振腔④、諧振腔(J)耦合，諧振腔@與諧 振腔@耦合；諧振腔@分別與諧振腔④、諧振腔耦合；諧振腔④與諧振腔①交叉耦 合，產(chǎn)生傳輸零點；其中，諧振腔①與諧振腔?、諧振腔②與諧振腔@、諧振腔③與諧振 腔@、諧振腔④與諧振腔@之間的耦合系數(shù)相同，為I/^;所述諧振腔@與諧振 腔0、諧振腔@與諧振腔(?、諧振腔@與諧振腔@、諧振腔@與諧振腔之間的耦 合系數(shù)相同，為1/^ i所述諧振腔①與諧振腔②、諧振腔②與諧振腔③、諧振腔③與諧 振腔④、諧振腔①與諧振腔④之間的耦合系數(shù)由K = MA1計算獲得；其中，M為單通道濾 波器交叉耦合矩陣；諧振腔①、諧振腔②、諧振腔③、諧振腔④的諧振頻率為諧振 IM 腔:?、諧振腔@、諧振腔@、諧振腔@的諧振頻率為#，諧振腔?、諧振腔@、諧 振腔@、諧振腔@的諧振頻率為'^;其中，131、132、133、《。 1、《。2、0。3是頻率映射公式
的系數(shù)，可由三個通帶的上、下邊 0LlJ qHU QL2j QH2? QL3? QH 3求出，ω為濾波器的頻率；
[0008]
[0009] -種三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器，采用上述拓撲結(jié)構(gòu)，并將12個諧振腔 排布為3X4陣列，其中，陣列第一行從左至右分別為@、第二行從左至 右分別為?、②、③、?，第三行分別為0、①、④、@;各諧振腔的尺寸由其諧振頻率確 定。
[0010] 有益效果：
[0011] (1)本發(fā)明三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器拓撲結(jié)構(gòu)適用于交叉耦合理論， 可以利用交叉耦合理論引入可控的傳輸零點，改善了帶外特性，實現(xiàn)三通帶頻率響應的同 時，提高了帶外抑制度；該拓撲結(jié)構(gòu)與頻率無關，即不同頻率下均可使用該拓撲結(jié)構(gòu)，而不 用重新設計濾波器結(jié)構(gòu)，適用廣泛。
[0012] (2)根據(jù)本發(fā)明拓撲結(jié)構(gòu)設計的類似九宮格結(jié)構(gòu)的三通帶基片集成波導濾波器， 其結(jié)構(gòu)極為緊湊，有助于實現(xiàn)設備整體的小型化，同時具有較高的品質(zhì)因數(shù)，功率容量大， 易于加工、集成，成本低，從而使微波毫米波電路的封裝及單片化成為可能。
【附圖說明】
[0013] 圖1為從ω域的三通帶頻率響應到Ω域低通原型頻率響應的映射變換。
[0014] 圖2為從Ω域低通原型電路中的并聯(lián)電容到ω域的三通帶諧振單元的映射變 換。
[0015] 圖3為四階單通道交叉耦合濾波器拓撲結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016] 圖4為四階交叉耦合三通帶濾波器拓撲結(jié)構(gòu)。
[0017] 圖5為交叉耦合三通帶基片集成波導濾波器結(jié)構(gòu)圖。
[0018] 圖6為提取的外部品質(zhì)因數(shù)隨物理結(jié)構(gòu)參數(shù)變化趨勢圖。
[0019] 圖7為三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器實物圖。
[0020] 圖8為仿真與測量結(jié)果對比圖。
【具體實施方式】
[0021] 本發(fā)明基于頻率映射法提供了一種三通帶交叉耦合基片集成波導濾波器拓撲結(jié) 構(gòu)。
[0022] 圖1給出了從ω域的三通帶頻率響應到Ω域低通原型頻率響應的頻率映射示意 圖，濾波三個通帶分別位于在ω域的（co u，ωΗ1)、（ο^2, coH2)、（cou，ωΗ3)，其傳輸特性的頻 率響應曲線如圖1箭頭左邊部分所示，而歸一化低通原型濾波器的通帶在Ω域為（-1，1)， 其傳輸特性的頻率響應曲線如圖1箭頭右邊部分所示。圖2給出了低通原型電路中的并聯(lián) 電容從Ω域映射到ω域的三通帶濾波器諧振單元的變換。從圖中可以看到，三個并聯(lián)LC 諧振腔分別諧振于ω Μ、ω。2、ω。3，級聯(lián)諧振腔與并聯(lián)諧振腔之間的耦合用J變換器表示，并 聯(lián)諧振腔與并聯(lián)諧振腔之間的耦合用J'變換器表示。
[0023] 式⑴是從ω域的三通帶頻率響應到Ω域低通原型頻率響應的映射變換，將三 頻濾波器的頻率響應經(jīng)過類似于從ω域到Ω域的映射，轉(zhuǎn)化為歸一化低通原型濾波器的 頻率響應，相對于雙通帶的映射變換，式（1)分母上多出了一個分式，正是由于這個分式的 存在，從ω域到Ω域的映射才多實現(xiàn)了一個通帶。
[0024] (1)
[0025] 式中，匕、b2、b3、ωΜ、（〇。 2、〇。3定義為頻率映射中的六個未知變量。通過頻率變 換，ω域中三個通帶的下邊頻率co u、ω?2、ω?3被映射到了 Ω域中值為-1的點，三個通帶 的上邊頻率ωΗ1、ωΗ2、ωΗ3被映射到了值為1的點上，因為頻率變換Τ(ω)是一個奇函數(shù)， 可得如下映射關系式
[0026] T ( ω H1) = T ( ω H2) = T ( ω H3) = T (_ ω L1) = T (_ ω L2) = T (_ ω L3) = 1 (2)
[0027] 令 υ(ω) = Τ(ω)-1，由公式⑵可知，-coL1, ωΗ1