一種應用于wlan系統的基片集成波導帶通濾波器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，包括基片集成波導，所述基片集成波導包括介質基片、設置在介質基片正面和反面的兩層金屬貼片以及若干個金屬通孔，所述若干個金屬通孔依次貫穿介質基片正面的金屬貼片、介質基片以及介質基片反面的金屬貼片，所述若干個金屬通孔將介質基片正面的金屬貼片圍成上、下兩個大小相同的矩形腔體，所述上矩形腔體的中心加載有第一過孔，所述下矩形腔體的中心加載有第二過孔，所述第一過孔和第二過孔依次貫穿介質基片正面的金屬貼片、介質基片以及介質基片反面的金屬貼片。本實用新型通過加載過孔來改善濾波器性能，具有結構簡單、選擇性高的優點，能夠滿足WLAN系統無線通信的要求。
【專利說明】—種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種寬帶基片集成波導濾波器，尤其是一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，屬于無線通訊領域。
【背景技術】
[0002]隨著無線通訊技術，尤其是LTE為代表的4G通信技術的迅猛發展，一方面頻譜資源越來越稀缺，另一方面，作為無線通訊領域的重要組成部分，帶通濾波器的需求也隨著通信技術的發展而日益增加。如圖1中所示，WLAN系統作為無線通信的重要組成部分，在現實生活中占有重要地位，所以對帶通濾波器而言，設計應用在WLAN頻段的帶通濾波器具有廣泛的實際應用和迫切的實際需求。
[0003]基片集成波導(Substrate Integrated Waveguide, SIff)技術是近年來提出的一種平面波導技術，通過在上下面為金屬層的介質基片里，利用相鄰的金屬通孔陣列形成電壁，從而構成具有低損耗、低輻射、高Q值、高功率容量、易集成等特性的新型導波結構，其目的是在平面的介質基片上實現傳統金屬波導的功能。在基于SIW技術的微波無源器件研究中，SIW濾波器一直是其中的熱點，多種結構的濾波器已被學者們提出了，包括矩形腔SIW濾波器、寬帶濾波器、偽橢圓SIW濾波器、對稱半模濾波器(Half Mode SubstrateIntegrated Waveguide,HMSIff)、圓形SIW濾波器等,這些濾波器具有多通帶、寬帶、高頻率、小型化等諸多優點。
[0004]由于基片集成波導(SIW)具有以上所述的諸多優點，因此本專利設計出了兩款應用在WLAN系統的SIW帶通濾波器，它設計簡單、選擇性能高、低損耗、易集成，能夠很好的滿足現代通訊系統的要求。
[0005]據調查與了解，已經公開的現有技術如下:
[0006]1)2005年，洪偉等人在亞洲及太平洋地區微波會議上(APMC)發表了名為“Development of Compact Bandpass Filters with SIff Triangular Cavities，，的文章，提出了一種等邊三角形、具有帶通特性的SIW單元，如圖2a所示，并以該單元為基礎，擴展成了一個正六邊形的SIW腔體帶通濾波器，其結構如圖2b所示，圖2c是它的仿真和測試結果。但此濾波器在通帶兩側沒有傳輸零點，選擇性不夠好。
[0007]2) 2011年，鄒雄等人在海峽兩岸技術研討會(Cross Strait Quad-Reg1nalRad1 Science and Wireless Technology Conference)上發表題為 “Design of anX-band Symmetrical Window Bandpass Filter Based on Substrate IntegratedWaveguide”文章，提出了一種應用在X波段、采用對稱窗結構的SIW帶通濾波器，作者建議將帶通濾波器轉換為等效的傳統矩形波導帶通濾波器，并提出等效電路模型來簡化SIW對稱窗的設計步驟。結構如圖3a所示，包含五個腔體，仿真和測試結果如圖3b所示。其結構非常簡單，但不足在于通帶外也沒有傳輸零點，選擇性不夠好。
[0008]3)2009 年，沈凱等人在 ELECTRONICS LETTERS 上發表題為 “Highly selectivebandpass filter based on substrate integrated waveguide”文章，提出一種具有準捕圓濾波器效應的SIW帶通濾波器，該設計采用級聯小模塊的方法，來減少橢圓和準橢圓濾波器在制作上的誤差。其結構和仿真結果分別如圖4a和圖4b所示；從圖4a可以看出，該濾波器在通帶兩旁增加了一對傳輸零點，改善了濾波器的選擇性。但該濾波器在結構上稍顯復雜，尺寸較大，不是很緊湊。
[0009]3) 2005 年，郝張成等人在 IEEE Transact1n on Microwave Theory andTechniques 上發表題為“Compact Super-ffide Bandpass Substrate IntegratedWaveguide (SIW) Filters”提出了在基片集成波導上刻蝕出electromagneticbandgap (EBG)結構，如圖5a和圖5b所示。仿真結果如圖5c所示,相對帶寬接近65%,損耗較小，不過這種結構比較復雜，不易于設計和加工。
實用新型內容
[0010]本實用新型的目的是為了解決上述現有技術的缺陷，提供了一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，該濾波器通過加載過孔來改變傳輸模式，從而改善濾波器性能，具有結構簡單、選擇性高的優點，能夠滿足WLAN系統無線通信的要求。
[0011]本實用新型的目的可以通過采取如下技術方案達到:
[0012]一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，包括基片集成波導，所述基片集成波導包括介質基片、設置在介質基片正面和反面的兩層金屬貼片以及若干個金屬通孔，所述若干個金屬通孔依次貫穿介質基片正面的金屬貼片、介質基片以及介質基片反面的金屬貼片，其特征在于:所述若干個金屬通孔將介質基片正面的金屬貼片圍成上、下兩個大小相同的矩形腔體，所述上矩形腔體的中心加載有第一過孔，所述下矩形腔體的中心加載有第二過孔，所述第一過孔和第二過孔依次貫穿介質基片正面的金屬貼片、介質基片以及介質基片反面的金屬貼片。
[0013]作為一種優選方案，所述上矩形腔體的一側設有第一饋線，所述下矩形腔體的一側設有第二饋線。
[0014]作為一種優選方案，所述上矩形腔體的第一饋線和下矩形腔體的第二饋線位于相反一側。
[0015]作為一種優選方案，所述上矩形腔體的第一饋線和下矩形腔體的第二饋線位于相同一側。
[0016]作為一種優選方案，所述第一饋線加載有第一枝節，所述第二饋線加載有第二枝節。
[0017]作為一種優選方案,所述第一枝節向下延伸,所述第二枝節向上延伸，且第一枝節與第二枝節相互之間不重疊。
[0018]本實用新型相對于現有技術具有如下的有益效果:
[0019]1、本實用新型的基片集成波導帶通濾波器，利用金屬通孔將介質基片正面的金屬貼片圍成兩個矩形腔體，在兩個矩形腔體的中心各加載一個過孔來改變傳輸模式，從而改善濾波器性能，具有結構簡單、選擇性高的優點，能夠滿足WLAN系統無線通信的要求。
[0020]2、本實用新型的基片集成波導帶通濾波器既可將兩個矩形腔體的饋線設置在相反一側，也可將兩個矩形腔體的饋線設置在相同一側，其中當兩個矩形腔體的饋線設置在相同一側時，還可使兩條饋線分別加載枝節，從而改善了濾波器矩形度，使得通帶具有高選擇性。
[0021]3、本實用新型的基片集成波導帶通濾波器既克服了傳統微帶寬帶濾波器損耗大的缺點，又解決了傳統金屬波導造價昂貴的問題。
[0022]4、本實用新型的基片集成波導帶通濾波器消除了在基片集成波導上面刻蝕EBG結構的復雜性，同時具有橢圓濾波器高選擇性的特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為現有的頻譜資源分布圖。
[0024]圖2a為第一種現有技術的結構示意圖。
[0025]圖2b為第一種現有技術的擴展結構示意圖。
[0026]圖2c為圖2b結構的仿真結果圖。
[0027]圖3a為第二種現有技術的結構示意圖。
[0028]圖3b為第二種現有技術的仿真和測試結果圖。
[0029]圖4a為第三種現有技術的結構示意圖。
[0030]圖4b為第三種現有技術的仿真結果圖。
[0031]圖5a為第四種現有技術的正面結構示意圖。
[0032]圖5b為第四種現有技術的反面結構示意圖。
[0033]圖5c為第四種現有技術的仿真結果圖。
[0034]圖6為本實用新型實施例1的基本基片集成波導帶通濾波器結構示意圖。
[0035]圖7為圖6結構的仿真結果圖。
[0036]圖8為本實用新型實施例1加載過孔后的基片集成波導帶通濾波器結構示意圖。
[0037]圖9為圖8結構的仿真結果圖。
[0038]圖10為圖8結構的實物測量結果與仿真結果對比圖。
[0039]圖11為本實用新型實施例2的基本基片集成波導帶通濾波器結構示意圖。
[0040]圖12為圖11結構的仿真結果圖。
[0041]圖13為本實用新型實施例2加載過孔后的基片集成波導帶通濾波器結構示意圖。
[0042]圖14為圖13結構的仿真結果圖。
[0043]圖15為本實用新型實施例3加載枝節后的基片集成波導帶通濾波器結構示意圖。
[0044]圖16為本實用新型實施例3加載枝節前后的仿真結果對比圖。
[0045]圖17為圖15結構的實物測量結果與仿真結果對比圖。
[0046]其中，1-介質基片，2-正面的金屬貼片，3-金屬通孔，4-上矩形腔體，5-下矩形腔體，6-第一饋線，7-第二饋線，8-第一過孔，9-第二過孔，10-第一枝節，11-第二枝節。
【具體實施方式】
[0047]實施例1:
[0048]本實施例設計一個基本的基片集成波導帶通濾波器，如圖6所示，該濾波器包括基片集成波導(SIW)，所述基片集成波導包括介質基片1、設置在介質基片I正面和反面的兩層金屬貼片(正面的金屬貼片標示數字2，反面的金屬貼片圖中未示出，實施例2和3相同)以及若干個金屬通孔3，所述若干個金屬通孔3依次貫穿介質基片I正面的金屬貼片2、介質基片I以及介質基片I反面的金屬貼片，所述若干個金屬通孔3將介質基片I正面的金屬貼片2圍成上、下兩個大小相同的矩形腔體(上矩形腔體標示數字4，下矩形腔體標示數字5)，所述上矩形腔體4的右側設有第一饋線6，下矩形腔體5的左側設有第二饋線7，也就是說第一饋線6和第二饋線7位于相反一側，第一饋線6和第二饋線7既可作為輸入端口饋線，又可作為輸出端口饋線。
[0049]如圖7所示，上述結構的S參數響應中，可以看出該濾波器的通帶中心頻率在
4.3GHz，其通帶的形成都是利用了基片集成波導的TEltll模；通帶的中心頻率可以通過改變濾波器每個矩形腔體的長和寬(也就是改變介質基片正面的金屬貼片2整體的長和寬)來實現，為了實現WLAN系統中心頻率為5.SGHz的要求，首先改變了濾波器每個矩形腔體的長和寬，將中心頻率移至5.8GHzο
[0050]將中心頻率移至5.8GHz之后，如圖8所示，在上矩形腔體4的中心加載第一過孔8，在下矩形腔體5的中心加載第二過孔9，所述第一過孔8和第二過孔9依次貫穿介質基片I正面的金屬貼片2、介質基片I以及介質基片I反面的金屬貼片，加載的過孔改變了波導的傳輸模式，由TEltll模變為TEltl2模，這是由于加載的兩個過孔處于矩形腔體的中心，破壞了 TEltll模的的傳輸條件，但對TEltl2模的傳輸沒有影響，所以，加載過孔后，TE102模變成了傳輸的主模，仿真結果如圖9所示，圖中顯示了參數S1對通帶的影響，可以看出，通過調節參數S1的大小(22.7mm、22.lmm、21.5mm、20.9mm和20.3mm),可以調節通帶位置,最終使通帶處于理想的頻段。
[0051]為了驗證上述圖8濾波器結構的正確性和實際效果，設計出這個濾波器的實物，它的測量結果和仿真結果如圖10所示，其中虛線表示仿真結果，實線表示測量結果，可以看到，帶內最大插入損耗為2.16dB,3dB寬為1%，3.0?5.6GHz的帶外衰減大于18dB，
5.86?7GHz的帶外衰減大于20dB，仿真結果和測量結果具有很好的吻合性。
[0052]實施例2:
[0053]本實施例同樣設計一個基本的基片集成波導帶通濾波器，如圖11所示，該濾波器與實施例1的結構不同之處在于:所述上矩形腔體4的左側設有第一饋線6，下矩形腔體5的左側設有第二饋線7，也就是說第一饋線6和第二饋線7位于相同一側。
[0054]如圖12所示，上述結構的S參數(S11參數是指輸入端口的回波損耗，S21參數是指輸入端口到輸出端口的正向傳輸系數)響應中，同樣可以看出該濾波器的通帶中心頻率在4.3GHz，其通帶的形成都是利用了基片集成波導的TEltll模，但是相比實施例1的結構的仿真曲線少了一對傳輸零點；通帶的中心頻率同樣可以通過改變濾波器每個矩形腔體的長和寬來實現，為了實現WLAN系統中心頻率為5.SGHz的要求，首先改變了濾波器每個矩形腔體的長和寬，將中心頻率移至5.8GHzο
[0055]將中心頻率移至5.8GHz之后，如圖13所示，同樣在上矩形腔體4的中心加載第一過孔8，在下矩形腔體5的中心加載第二過孔9，所述第一過孔8和第二過孔9依次貫穿介質基片I正面的金屬貼片2、介質基片I以及介質基片I反面的金屬貼片，加載的過孔改變了波導的傳輸模式，由TEltll模變為TEltl2模，同樣由于加載的兩個過孔處于矩形腔體的中心，破壞了 TEltll模的的傳輸條件，但對TEltl2模的傳輸沒有影響，所以，加載過孔后，TE102模變成了傳輸的主模，仿真結果如圖14所示，圖中顯示了參數S2對通帶的影響，可以看出，通過調節參數S2的大小(22.5mm、21.9mm、21.3mm、20.7mm和20.lmm)，可以調節通帶位置，最終使通帶處于理想的頻段。
[0056]實施例3:
[0057]在實施例2的圖13結構基礎上，對饋線部分做出改進，如圖15所示，在第一饋線6加載第一枝節10，在第二饋線7加載第二枝節11，所述第一枝節10向下延伸，所述第二枝節11向上延伸，且第一枝節10與第二枝節11相互之間不重疊，利用源負載耦合來增加傳輸零點，改善濾波器的選擇性，這從圖16 (虛線表示未加載枝節的仿真結果，實線表示加載枝節的仿真結果)中可以看出，加載枝節之后，S21參數在5.3GHz附近增加了一對傳輸零點，使該處的帶外衰減從20dB左右降到了 35dB以下，改善了濾波器矩形度，也即提高了濾波器的選擇性。
[0058]為了驗證上述圖15濾波器結構的正確性和實際效果，通過加工設計出這個濾波器的實物，它的測量結果和仿真結果如圖17所示，其中虛線表示仿真結果，實線表示測量結果，可以看到，帶內最大插入損耗為2.32dB, 3dB相對帶寬為1.5%，通帶的上邊帶和下邊帶各有三個傳輸零點，使得通帶具有高選擇性，4.68?7.4GHz范圍內，通帶外的最大衰減為14dB，仿真結果和測量結果具有很好的吻合性。
[0059]綜上所述，本實用新型的基片集成波導帶通濾波器利用金屬通孔將介質基片正面的金屬貼片圍成兩個矩形腔體，在兩個矩形腔體的中心各加載一個過孔來改變傳輸模式，從而改善濾波器性能，具有結構簡單、選擇性高的優點，能夠滿足WLAN系統無線通信的要求。
[0060]以上所述，僅為本實用新型專利較佳的實施例，但本實用新型專利的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術領域】的技術人員在本實用新型專利所公開的范圍內，根據本實用新型專利的技術方案及其實用新型構思加以等同替換或改變，都屬于本實用新型專利的保護范圍。
【權利要求】
1.一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，包括基片集成波導，所述基片集成波導包括介質基片、設置在介質基片正面和反面的兩層金屬貼片以及若干個金屬通孔，所述若干個金屬通孔依次貫穿介質基片正面的金屬貼片、介質基片以及介質基片反面的金屬貼片，其特征在于:所述若干個金屬通孔將介質基片正面的金屬貼片圍成上、下兩個大小相同的矩形腔體，所述上矩形腔體的中心加載有第一過孔，所述下矩形腔體的中心加載有第二過孔，所述第一過孔和第二過孔依次貫穿介質基片正面的金屬貼片、介質基片以及介質基片反面的金屬貼片。
2.根據權利要求1所述的一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，其特征在于:所述上矩形腔體的一側設有第一饋線，所述下矩形腔體的一側設有第二饋線。
3.根據權利要求2所述的一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，其特征在于:所述上矩形腔體的第一饋線和下矩形腔體的第二饋線位于相反一側。
4.根據權利要求2所述的一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，其特征在于:所述上矩形腔體的第一饋線和下矩形腔體的第二饋線位于相同一側。
5.根據權利要求4所述的一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，其特征在于:所述第一饋線加載有第一枝節，所述第二饋線加載有第二枝節。
6.根據權利要求5所述的一種應用于WLAN系統的基片集成波導帶通濾波器，其特征在于:所述第一枝節向下延伸，所述第二枝節向上延伸，且第一枝節與第二枝節相互之間不重疊。
【文檔編號】H01P1/20GK204130666SQ201420607857
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年10月20日 優先權日:2014年10月20日
【發明者】王世偉, 汪凱, 郭在成, 鄭麗昇, 褚慶昕 申請人:華南理工大學