[发明专利]基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器

说明书

技术领域

本发明涉及一种应用于毫米波电路、军用和民用通信系统等领域中的滤波器技术，该类滤波器采用基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide SIW)高次模方形腔体并结合了多模技术，特别适合于高频，高性能并要与系统实现平面集成的应用场合。

背景技术

传统的毫米波滤波器通常采用波导或微带线结构，但是它们各有一些难以克服的缺点。对于微带或带状线之类的平面结构滤波器，它们具有体积小，加工简单等优点，但存在功率容量低，损耗大，因结构开放而不便密封等缺点，因而只适用于低频，功率小的电路系统。波导类滤波器功率容量高，损耗低，性能优异，但是加工成本高，且不适合与现代平面电路集成。基片集成波导(SIW)在一定程度上综合了两者的优点，在保持传统波导滤波器高功率容量、低损耗优点的同时，还保留了一般平面传输线滤波器易于集成、轻量化、易加工等优点。基于基片集成波导技术的滤波器可以用普通的PCB工艺实现，加工成本低，制作周期短，其原理是以金属化的周期性通孔替代金属壁来实现的，金属化通孔的一般加工极限是直径0.3mm。这在Ka波段及Ka以下波段没有什么问题，但是当频率很高时，滤波器腔体尺寸将不断减小，直至腔体尺寸和金属化通孔的尺寸可比拟时，滤波器性能将直接受到金属化通孔的影响，导致无法在高频波段利用PCB工艺设计加工出可靠，性能稳定的滤波器。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提出一种基于方形高次模腔体的基片集成波导多模滤波器，它很好的解决了在高频阶段SIW主模滤波器因腔体过小而性能受到金属化通孔影响过大，导致无法设计加工的矛盾，同时利用多模技术，减少了腔体个数，提高了选择性，它非常适合用于毫米波通信领域。此类多模滤波器使用单层PCB板实现，具有低插损、功率容量大、成本低、便于集成和批量生产等优点。

技术方案：本发明提供了一类基于SIW技术，高次模腔体理论以及多模特性的滤波器。采用了方形腔体，所用模式均高于腔体第二个模式，通过设置感性柱来调节模式间的匹配及其本征频率，对于单个的腔体，采用正交的输入输出，以产生所需的传输零点。

滤波器的介质基片上表面和下表面分别敷有上表面金属和下表面金属，金属化通孔阵列贯穿于介质基片、上表面金属和下表面金属；起调节不同模式的本征频率以及模式间的耦合作用的第一感性柱和第二感性柱位于金属化通孔阵列围成的方形腔体内部；方形腔体相邻的两条边上分别设有第一金属柱感性窗、第二金属柱感性窗，腔体通过金属柱感性窗实现能量的输入和输出耦合；第一金属化通孔阵列和第二金属化通孔阵列分别位于第一金属柱感性窗、第二金属柱感性窗，对应于滤波器腔体的输入和输出，它们和外部电路相连接。通过调节第一金属化通孔阵列和第二金属化通孔阵列，可以利用波导截止频率理论，将主模及其它低次模的影响抑制或减弱。构成等效金属壁的金属化通孔的直径vr＝0.4mm，相邻通孔间的间隔为vs＝0.8mm。

各个方形腔体所用的模式均有所不同，其中第一个方形腔体双模滤波器是采用了对边TE₂₀₂模和准TM₀₂₀模，其模式图和传输特性见图1(b)示。图2中的双模方形腔体利用了对角TE₂₀₂模和对边TE₂₀₂模，它的一个特点是利用了是利用了感性金属柱和进行了模式和本征频率调协。图3展示了一个性能优良的基片集成波导三模腔体滤波器，同理，感性金属柱和起调节模式本征频率的作用。模式之间的耦合以及输入输出之间的耦合产生了预期的传输零点，很好的改善了带外选择性。

有益效果：这类滤波器很好的解决了由于频率过高导致腔体过小而无法用基片集成波导技术实现高性能滤波器的矛盾。用基片集成波导在Ka以上波段设计制作主模滤波器时，由于腔体过小，与金属化通孔尺寸在一个数量级上，设计所允许的容差将大大减小，加工也变得极其困难。通过采用高次模而增大腔体尺寸，使设计、制作都变得可实现，可接受容差也改善很多。

高次模腔体具有更高的无载Q值，特别是对于圆形和方形腔体，因此该类滤波器具有较小的插损。

双模和三模滤波器的传输零点很好地改善了带外衰减特性。由一个腔体所贡献的多个极点使通带更加平坦，由此避免了使用单个模式设计滤波器时不同腔体之间的级联，由此减小了插损和滤波器体积。尽管此类滤波器工作于高次模式，通过结构的折叠和腔体数目的减少，它们仍显得非常紧凑。