專利名稱：基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種毫米波濾波器，該濾波器使用基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide SIW)高次模圓形腔體實現(xiàn)，可以應用于通信系統(tǒng)等領(lǐng)域 中，特別適用于高頻，低損耗以及集成度高的應用場合。
背景技術(shù)：
濾波器是電路系統(tǒng)重要的基本單元電路之一，它的性能對系統(tǒng)整體的選擇性、 噪聲系數(shù)、增益、靈敏度等都有重要影響。微波毫米波電路中常用的有基于金屬 波導的濾波器和基于微帶線、共面線等平面電路的濾波器?；诮饘俨▽У臑V波 器通常具有高Q值、低損耗、選擇性較好等優(yōu)點，但其加工精度要求高、成本高、 體積大、與有源電路較難集成。而基于微帶線、共面線等平面電路技術(shù)的濾波器雖易與有源電路集成，但通常存在較大的輻射，損耗大，Q值低，性能較差。基 片集成波導技術(shù)具有平面電路的易集成、制作方便等優(yōu)點，又具有與金屬波導濾 波器近似的優(yōu)良性能?；刹▽惑w濾波器可以用普通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。當 頻率很高時，金屬化通孔的實現(xiàn)會受到加工工藝的限制，無法制作出很小，精度 足夠高的通孔，另外，濾波器性能會因腔體尺寸過小而受金屬化通孔的影響過大， 導致無法在高頻波段利用PCB工藝設計加工出可靠，性能穩(wěn)定的濾波器，使基片 集成波導技術(shù)在高頻范圍的使用上受到限制。此外，普通基片集成波導濾波器更 適合高品質(zhì)因素的窄帶濾波器，設計寬帶濾波器需要更多的腔體進行級聯(lián)，給設 計帶來了復雜性。發(fā)明內(nèi)容技術(shù)問題本實用新型的目的是提出一種基片集成波導髙次雙模圓形腔體濾,波器它一方面用于解決在高頻領(lǐng)域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，導致無法設計加工的矛盾，另一方面提供了一種設計簡單易行，工作帶寬較大的毫米波濾波器設計思路。該濾波器使用單層PCB板實現(xiàn)，具有插 損小、容差大、成本低、便于集成和批量生產(chǎn)等優(yōu)點。技術(shù)方案本實用新型提供了一種具有平坦的帶通特性，較好的選擇性，非 常適合于毫米波領(lǐng)域的基于基片集成波導技術(shù)和高次模理論的雙模圓形腔體濾波 器。它采用了正交的輸入和輸出，不需要復雜的調(diào)試。本實用新型的基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器釆用基片集成波導技 術(shù)，在介質(zhì)基片上、下表面敷有上表面金屬銅和下表面金屬銅，金屬化通孔陣列 貫穿于介質(zhì)基片和上表面金屬銅、下表面金屬銅；由金屬化通孔陣列圍成一個圓 形腔體的結(jié)構(gòu)，在圓形腔體的圓周上設有第一感性耦合孔、第二感性耦合孔，該 兩個感性耦合孔的中心線相垂直，在第一感性耦合孔外設有第一金屬化通孔，在 第二感性耦合孔外設有第二金屬化通孔；感性耦合孔將能量引入和導出腔體，第 一金屬化通孔和第二金屬化通孔分別對應于濾波器腔體的輸入和輸出端。第一感性耦合孔、第二感性耦合孔的寬度《為4.0 mm。 圓形腔體的半徑w/aWz為5. 46 mm。 金屬化通孔的直徑w為0. 8mm。有益效果該濾波器克服了由于頻率過高導致腔體過小而無法用基片集成波 導技術(shù)實現(xiàn)高性能濾波器的矛盾。用基片集成波導在Ka以上波段設計制作主模濾 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，使設計、 制作都變得可實現(xiàn)。高次模腔體具有更高的無載Q值，而圓形腔體又是所有腔體中Q值最高的， 因此該濾波器具有極小的插損。圓形腔體的另一個優(yōu)點是具有非常高的可接受容差，較其它腔體，它受加工 誤差的影響最小，因此設計和仿真的結(jié)果最接近。該圓形腔體濾波器傳輸特性的的一個顯著特點是兩邊均具有傳輸零點，傳輸 零點距離通帶較遠，并且上下邊帶比較對稱，這帶來的好處是通帶比較平坦，帶 寬比較大，上下近似于對稱的響應特性給腔體級聯(lián)帶來了方便，可以使用兩個完全對稱的雙模圓形腔體實現(xiàn)四個極點，兩個零點的寬帶濾波器，設計實現(xiàn)非常簡 單。該濾波器的制作全部利用成熟的標準工業(yè)工藝，成本低，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，容易與有源平面電路集成。


圖l為基片集成波導圓形腔體高次雙模濾波器結(jié)構(gòu)圖，其中圖l (a)為正面 視圖，圖l (b)為金屬化通孔陣列2的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為基片集成波導圓形腔體高次雙模濾波器單腔傳輸特性及模式電場圖， 腔體參數(shù)為w碰=5.46 mm, w = 0.8 mm, a = 4.0 mm" ￡r =2.2， / = 0.5mm。 圖3為實施例1和實施例2中的兩腔雙模濾波器結(jié)構(gòu)圖。 圖4為實施例l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5為實施例2濾波器傳輸特性圖，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，圓形腔體3，感性金屬耦合窗31， 兩個對稱的圓形雙模腔體32，用于測試的輸入輸出微帶線33，第一金屬化通孔4， 第二金屬化通孔5，第一感性耦合孔61，第二感性耦合孔62，上表面金屬銅7， 下表面金屬銅8。
具體實施方式
該雙模腔體濾波器的結(jié)構(gòu)如圖1所示，它采用了基片集成波導技術(shù)，包括介 質(zhì)基片l，在介質(zhì)基片1上下表面所敷的上表面金屬銅7、下表面金屬銅8，以及 貫穿于上表面金屬銅7、下表面金屬銅8的金屬化通孔陣列2。圓形腔體3內(nèi)部為 標準的圓形結(jié)構(gòu)，第一感性耦合孔61、第二感性耦合孔62將能量引入和導出腔 體。第一金屬化通孔4、第二金屬化通孔5分別對應于濾波器腔體的輸入和輸出， 由它們連向外部電路，可連向微帶線或其它基片集成波導器件，它們還可以抑制 低次模式的進入。此濾波器所用模式為TMw。模和準TMo2。模，輸入輸出夾角為90°, 均指向圓心。圖2展示了單個腔體的傳輸特性和以及所用模式的電場圖。實施例l Ka波段兩腔雙模濾波器 濾波器結(jié)構(gòu)如圖3所示。31為感性金屬耦合窗，32為兩個對稱的圓形雙模腔體，33為用于測試的輸入輸出微帶線。單個基片集成波導圓形腔體的半徑為 5.45mm,整個濾波器由兩個完全相同的腔體折疊組成，布局比較緊湊，整個濾波 器呈中心對稱?；捎昧?Rogers5880，介電常數(shù)為2.2，厚0. 5mm，更高介電 常數(shù)的基片可以減小腔體尺寸。濾波器的實測傳輸特性如圖4實線所示，實測損 耗大約為1.7dB,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， 扣除這些影響，濾波器的實際損耗會更小。濾波器設計在Ka波段，中心頻率為 30.5GHz，實測帶寬約為3.8GHz,可以發(fā)現(xiàn)，測試結(jié)果和仿真結(jié)果高度吻合，濾 波器的損耗也非常小。這是圓形腔體的主要優(yōu)勢，Q值高，損耗小，可接受容差 也比較大，對加工誤差不敏感。此濾波器的帶寬較大，達到了 12.5%，這也是該 圓形高次模腔體的一個特點，可以適用于某些特殊場合。實施例2 Q波段兩腔雙模濾波器為了更好地驗證出圓形高次雙模濾波器的特性，實施例2在Q波段設計了一 個同樣原理的兩腔濾波器，它由兩個完全相同的圓形腔體折疊組成，整個濾波器 呈中心對稱。圓形腔體的半徑大小為4mm，基片采用了厚為0. 254mm的Rogers5880， 介電常數(shù)為2. 2。濾波器的實測傳輸特性如圖6實線所示，實測損耗大約為2. 39dB， 包含了測試接頭，微帶饋電線及漸變線的損耗。濾波器設計在Q波段，3dB通帶 帶寬大約從39. 3GHz到44. 3GHz，相對帶寬為12%。測試結(jié)果和仿真結(jié)果非常吻合， 帶內(nèi)四個極點和帶外的零點都非常明顯，濾波器的損耗也非常小。通過調(diào)節(jié)孔徑 耦合窗的大小，可以很方便的調(diào)節(jié)濾波器的帶寬。此濾波器的參數(shù)比較少，設計 比較簡單。
權(quán)利要求1.一種基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器，其特征在于該雙模圓形腔體濾波器采用基片集成波導技術(shù)，在介質(zhì)基片(1)上、下表面敷有上表面金屬銅(7)和下表面金屬銅(8)，金屬化通孔陣列(2)貫穿于介質(zhì)基片(1)和上表面金屬銅(7)、下表面金屬銅(8)；由金屬化通孔陣列(2)圍成一個圓形腔體(3)的結(jié)構(gòu)，在圓形腔體(3)的圓周上設有第一感性耦合孔(61)、第二感性耦合孔(62)，該兩個感性耦合孔的中心線相垂直，在第一感性耦合孔(61)外設有第一金屬化通孔(4)，在第二感性耦合孔(62)外設有第二金屬化通孔(5)；感性耦合孔將能量引入和導出腔體，第一金屬化通孔(4)和第二金屬化通孔(5)分別對應于濾波器腔體的輸入和輸出端。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器，其特征在 于第一感性耦合孔(61)、第二感性耦合孔(62)的寬度"為4.0mra。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器，其特征在 于腔體半徑為5. 46mm，它可以控制通帶頻率位置。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器，其特征在 于金屬化通孔的直徑Kr為0.8mm。
專利摘要基片集成波導高次雙模圓形腔體濾波器涉及一種毫米波濾波器，該濾波器使用基片集成波導高次模圓形腔體實現(xiàn)，可以應用于通信系統(tǒng)等領(lǐng)域中，特別適用于高頻，低損耗以及集成度高的應用場合。該雙模圓形腔體濾波器采用基片集成波導技術(shù)，在介質(zhì)基片(1)上、下表面敷有上表面金屬銅(7)和下表面金屬銅(8)，金屬化通孔陣列(2)貫穿于介質(zhì)基片(1)和上表面金屬銅(7)、下表面金屬銅(8)；由金屬化通孔陣列圍成一個圓形腔體(3)的結(jié)構(gòu)，在圓形腔體的圓周上設有第一感性耦合孔(61)、第二感性耦合孔(62)，該兩個感性耦合孔的中心線相垂直，在第一感性耦合孔外設有第一金屬化通孔(4)，在第二感性耦合孔外設有第二金屬化通孔(5)。
文檔編號H01P1/20GK201174412SQ20082003075
公開日2008年12月31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