基于模式复合波导腔体的双通道滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种双通道滤波器，尤其涉及一种基于模式复合波导腔体的双通道滤波器。

背景技术

滤波器是无线通信系统射频前端的重要组成部分，在对保证系统的通信质量起着重要的作用。特别是在未来5G大规模多输入多输出(MIMO)系统中，需要大量的带通滤波器，导致无线系统体积庞大和集成困难。因此，设计小型化的多通道滤波器具有重要意义。

基片集成波导(SIW)由于低损耗、低剖面、全封闭、易加工、易于和其他平面电路集成等优点在近年来获得了微波领域广泛的研究和应用。目前，人们基于SIW技术对滤波器电路进行了广泛的研究。但在SIW双通道滤波器方面仅有少量报道。有的文章是通过SIW与带状线等其他传输线结果相结合，通过对滤波器进行3D堆叠来使滤波器组小型化，实现了空间复用，但结构较为复杂，设计难度较大；也有文章利用SIW腔体中一对正交的高次简并模来进行通道间的隔离从而实现双通道滤波器，但是，由于SIW腔体高次模的使用，导致SIW双通道滤波器仍然存在尺寸过大的问题。

针对上述问题，本发明提出了一种基于模式复合波导腔体的双通道滤波器，每个通道的中心频率和带宽独立可调，且具有尺寸小、隔离度高、设计简单等优点。

发明内容

针对上述技术不足，本发明提出了一种基于模式复合波导腔体的双通道滤波器，其中，模式复合波导腔体的第一模式被用于实现第一通道，第二模式被用于实现第二通道。这两种模式相互正交，且各自的谐振频率和耦合量可独立控制。

本发明采用如下技术方案：

一种基于模式复合波导腔体的双通道滤波器，包括：

介质层(4)；

顶层金属层(1)，位于介质层(4)的上表面；

底层金属层(3)，位于介质层(4)的下表面；

中间金属层(2)，位于介质层(4)内；

贯穿介质层(4)的第一金属化通孔阵列(5)，用于连接顶层金属层、底层金属层、中间金属层；

位于介质层(4)内的第二金属化通孔(6)，用于连接底层金属层与中间金属层；

其中，所述顶层金属层(1)包括第一微带线(7)、第二微带线(9)、第一矩形金属片，第一微带线(7)、第二微带线(9)与第一矩形金属片直接连接；

所述中间金属层(2)包括第一带状线(8)、第二带状线(10)、第二矩形金属片；所述第一带状线(8)、第二带状线(10)与第二矩形金属片直接相连；

所述底层金属层(3)包括第三矩形金属片；

所述第一金属化通孔阵列(5)由多个周期性分布的第一金属化通孔构成，并围合成三个连通的第一矩形环、第二矩形环、第三矩形环；第一矩形环、第二矩形环公用公共侧壁，且所述公共侧壁上开有第一耦合窗(15)；第二矩形环、第三矩形环公用公共侧壁，且所述公共侧壁上开有第二耦合窗(16)；所述第一矩形环的公共侧壁的两邻边分别开有第一输入窗口(11)、第二输入窗口(12)；所述第三矩形环的公共侧壁两邻边分别开有第一输出窗口(13)、第二输出窗口(14)；第一输入窗口(11)、第二输入窗口(12)、第一输出窗口(13)、第二输出窗口(14)位置无第一金属化通孔设置；

所述第一输入窗口(11)、第二输入窗口(12)平行，且所述第一输入窗口(11)中心、第二输入窗口(12)中心、第一矩形环中心位于同一直线。

所述第一输出窗口(13)、第二输出窗口(14)平行，且所述第一输出窗口(13)中心、第二输出窗口(14)中心、第一矩形环中心位于同一直线。

所述顶层金属层(1)中，所述第一微带线(7)与第一矩形金属片连接位置落在第一输入窗口(11)在所述顶层金属层(1)的投影内，所述第二微带线(9)与第一矩形金属片连接位置落在第一输出窗口(13)在所述顶层金属层(1)的投影内；

所述中间金属层(2)中，所述第一带状线(8)与第二矩形金属片连接位置落在第二输入窗口(12)在所述中间金属层(2)的投影内；所述第二带状线(10)与第二矩形金属片连接位置落在第二输入窗口(14)在所述中间金属层(2)的投影内；所述第二矩形金属片在第一矩形环、第二矩形环、第三矩形环腔体内开有一矩形缺口(17)；

所述第二金属化通孔(6)位于第一输入窗口(11)、第一输出窗口(13)内；

从输入至输出，由顶层金属层(1)、中间金属层(2)、底层金属层(3)、介质层(4)和第一矩形环共同构建第一矩形腔，由顶层金属层(1)、中间金属层(2)、底层金属层(3)、介质层(4)和第二矩形环共同构建第二矩形腔，由顶层金属层(1)、中间金属层(2)、底层金属层(3)、介质层(4)和第三矩形环共同构建第三矩形腔，第一矩形腔、第二矩形腔通过公共侧壁上的第一耦合窗(15)连通，第二矩形腔、第三矩形腔通过公共侧壁上的第二耦合窗(16)连通。

根据模式复合波导腔体的第一、第二模式的电场分布可发现，第一模式的电场分布在整个腔体中，沿z轴成奇对称分布，第二模式的电场主要分布在中间金属层(2)除矩形缺口(17)外的部分，沿z轴方向成偶对称分布。对于第一模式，矩形腔内部的任意xy平面均可等效为理想电壁，因此在矩形腔中嵌入中间金属层(2)不影响第一模式的电场分布。但是，调节中间层金属(2)在第一矩形腔、第二矩形腔、第三矩形腔内的金属片宽度A时，可以改变第二模式的谐振频率。

当信号从第一微带线(7)输入时，模式复合波导腔体中的第一模式被激励，该模式通过第一耦合窗(15)、第二耦合窗(16)(宽度为W

最后，根据模式复合波导腔体中两个模式的电磁场分布可知，两个滤波通道之间具有很高的隔离度。

本发明具有以下优点：

(1)本发明采用模式复合波导中的两个正交的谐振模式构建双通道滤波器，具有尺寸小、隔离度高等优点；

(2)模式复合波导中两个模式的谐振频率和耦合量均可单独调节，具有设计简单、频比可控、自由度高的优点；

(3)本发明采用封闭的折叠结构，具有良好的屏蔽性，不易受到外部复杂电磁环境的影响。

附图说明

图1是本发明技术方案提供的双通道滤波器的整体结构示意图；

图2(a)、(b)分别是本发明的顶层金属层、中间金属层示意图；

图3(a)、(b)分别是模式复合波导腔体中两个模式的电场分布俯视图和侧视图。

图4是改变中间层金属在矩形腔体内的金属片宽度A并保持W不变时，模式复合波导腔体中前两个模式的谐振频率变化曲线；

图5是本发明技术方案提供的双通道滤波器的拓扑结构；

图6是本发明技术方案提供的双通道滤波器的同频同带宽型的频率响应曲线及端口隔离度曲线；

图7是本发明技术方案提供的双通道滤波器的同频不同带宽型的频率响应曲线及端口隔离度曲线；

图8是本发明技术方案提供的双通道滤波器的不同频同带宽型的频率响应曲线及端口隔离度曲线；

图中标记：顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、介质层4、第一金属化通孔阵列5、第二金属化通孔阵列6、第一微带线7、第二微带线9，第一带状线8、第二带状线10、第一输入窗口11、第二输入窗口12、第一输出窗口13、第二输出窗口14、第一耦合窗15、第二耦合窗16、矩形缺口17。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

图1是本发明提供的基于模式复合波导腔体的双通道滤波器的整体结果示意图，包括顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、介质层4、第一金属化通孔阵列5、第二金属化通孔阵列6、第一微带线7、第二微带线9，第一带状线8、第二带状线10；

所述第一金属化通孔阵列5由多个周期性分布的用于连接顶层金属层、底层金属层、中间金属层的第一金属化通孔构成，并围合成三个连通的第一矩形环、第二矩形环、第三矩形环；第一矩形环、第二矩形环公用公共侧壁，且所述公共侧壁上开有第一耦合窗15；第二矩形环、第三矩形环公用公共侧壁，且所述公共侧壁上开有第二耦合窗16；所述第一矩形环的公共侧壁两邻边分别开有第一输入窗口11、第二输入窗口12，所述第三矩形环的公共侧壁两邻边分别开有第一输出窗口13、第二输出窗口14；第一输入窗口11、第二输入窗口12、第一输出窗口13、第二输出窗口14位置无第一金属化通孔设置；

所述第二金属化通孔6用于连接底层金属层与中间金属层，位于第一输入窗口11、第一输出窗口13内；

所述顶层金属层1包括第一微带线7、第二微带线9、第一矩形金属片，第一微带线7、第二微带线9与第一矩形金属片直接连接；所述第一微带线8与第一矩形金属片连接位置落在第一输入窗口11在所述顶层金属层1的投影内，第二微带线9与第一矩形金属片连接位置落在第一输出窗口13在所述顶层金属层1的投影内；

所述中间金属层2包括第一带状线8、第二带状线10、第二矩形金属片；所述第一带状线8、第二带状线10与第二矩形金属片直接相连；所述第一带状线8与第二矩形金属片连接位置落在第二输入窗口12在所述中间金属层2的投影内；第二带状线10与第二矩形金属片连接位置落在第二输出窗口14在所述中间金属层2的投影内；所述第二矩形金属片在第一矩形环、第二矩形环、第三矩形环腔体内开有一矩形缺口17；

所述底层金属层3包括第三矩形金属片；

从输入至输出，由顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、介质层4和第一矩形环共同构建第一矩形腔，由顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、介质层4和第二矩形环共同构建第二矩形腔，由顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3、介质层4和第三矩形环共同构建第三矩形腔，第一矩形腔、第二矩形腔通过公共侧壁上的第一耦合窗15连通，第二矩形腔、第三矩形腔通过公共侧壁上的第二耦合窗16连通。

通过调控三个矩形腔的长度L、宽度W，以及改变中间层金属在矩形腔体内的金属片宽度A控制双模频率比；

通过调控中间层金属在矩形腔体内的金属片边缘到两边第一金属化通孔的距离W

本发明实施例提供，所述顶层金属层1中，第一微带线7、第二微带线9与第一矩形金属片直接连接，且在第一微带线7与第一矩形金属片的连接处两侧设有π型槽，所述π型槽位于第一矩形环内；第二微带线9与第一矩形金属片连接处设有π型槽，所述π型槽位于第三矩形环内；所述中间金属层2中，第一带状线8与第二矩形金属片连接处设有π型槽，所述π型槽位于第一矩形环内；第二带状线10与第二矩形金属片连接处设有π型槽，所述π型槽位于第三矩形环内；

本发明实施例提供，所述第一微带线8、第二微带线9以及带状线10均采用50欧姆阻抗；

本发明实施例提供，所述中间金属层2与顶层金属层1、底层金属层3之间的距离相等；

本发明实施例提供，介质层4由两层介质板上下堆叠而成，顶层金属层1位于所述介质层4的上表面，底层金属层3位于所述介质层4的下表面，中间金属层2位于两层介质基板间；介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm的TanconicTLY-5介质基板；

根据模式复合波导腔体的第一模式、第二模式的电场分布可发现，而第一模式分布在整个矩形腔中，关于中间层金属2呈奇对称分布，第二模式主要分布在矩形腔内中间金属层2除矩形缺口外的部分，关于中间层金属2呈偶对称分布；

第一工作通道的构成原理：信号通过第一微带线7进入第一矩形腔，在第一矩形腔中只激励出第一模式；第一模式通过第一耦合窗15、第二耦合窗16可以顺利耦合到第三矩形腔；由于第二微带线9位于模式复合波导腔体第二模式的磁场最弱处，因此只有第一模式能通过第二微带线9，因此第一微带线8、三个矩形腔和第二微带线9共同构成双通道滤波器的第一工作通道。

第二工作通道的构成原理：信号通过第一带状线8进入第一矩形腔，在第一矩形腔中只激励出第二模式；第二模式通过第一耦合窗15、第二耦合窗16中W1宽度的部分可以顺利耦合到第三矩形腔；由于第二带状线10的电场分布和模式复合波导腔体第二模式的电场分布类似，而与第一模式的电场分布完全正交，因此第二带状线10只能允许第二模式通过，由此可见第一带状线8、三个矩形腔和第二带状线10共同构成双通道滤波器的第二工作通道；

图2(a)、(b)分别是本发明技术方案提供的双通道滤波器的顶层金属层、中间金属层示意图。本发明提供的基于模式复合波导腔体的双通道滤波器主体由三个矩形腔构成，腔体的长度L、宽度W决定第一、第二工作频带中心频率；模式复合波导腔体内的中间层金属宽度A起到控制双模频率比的作用；谐振腔公共侧壁处的耦合窗宽度W

表1同频同带宽型双通道滤波器各参数尺寸(单位：mm)

表2同频不同带宽型双通道滤波器各参数尺寸(单位：mm)

表3不同频同带宽型双通道滤波器各参数尺寸(单位：mm)

图3为模式复合波导腔体中第一、第二模式的电场分布图。第一模式的电场分布在整个腔体中，沿z轴方向成奇对称分布，第二模式的电场主要分布在模式复合波导腔体内中间金属层除矩形缺口外的部分，沿z轴方向成偶对称分布；

图4为改变模式复合波导腔体内的中间金属层宽度A并保持W不变时，模式复合波导腔体中前两个模式的谐振频率变化曲线，由图可知，当A变大而不改变W时，第二模式谐振频率向低频方向偏移，第一模式的谐振频率基本不变；

图5是本发明技术方案提供的基于模式复合波导腔体的双通道滤波器的拓扑结构，其中P1表示第一微带线端口，P2表示第一带状线端口，P3表示第二微带线端口，P4标识第二带状线端口；1

图6是本发明技术方案提供的基于模式复合波导腔体的同频同带宽型双通道滤波器的S参数曲线及端口隔离度(S

图7是本发明技术方案提供的基于模式复合波导腔体的同频不同带宽型双通道滤波器的S参数曲线及端口隔离度(S

图8是本发明技术方案提供的基于模式复合波导腔体的不同频同带宽型双通道滤波器的S参数曲线及端口隔离度(S