毫米波雙通帶濾波器及其設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明屬于毫米波通信設(shè)備、測(cè)量?jī)x器等技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種毫米波雙通帶 濾波器及其設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展和微波低頻段的頻譜資源枯竭，現(xiàn)代通信向著毫米波頻 段發(fā)展。毫米波頻段具有相對(duì)帶寬、工作波長(zhǎng)短、抗干擾能力強(qiáng)、波束窄、方向性好等特點(diǎn)， 寬相對(duì)帶寬意味著可利用帶寬大、數(shù)據(jù)傳輸率高、信道容量大，而工作波長(zhǎng)短和窄波束寬度 的特點(diǎn)，在目標(biāo)追蹤及識(shí)別的應(yīng)用中具有高分辨率，其在通信、電子對(duì)抗、雷達(dá)與跟蹤等領(lǐng) 域突顯出巨大的優(yōu)勢(shì)。
[0003]現(xiàn)有的毫米波段雙頻帶濾波器主要包括金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、同軸線結(jié)構(gòu)和帶狀線結(jié) 構(gòu)。傳統(tǒng)金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的Q值高、功率容量大、損耗低等優(yōu)點(diǎn)，但是其體積大、加工和調(diào)試?yán)?難、難于與平面集成等缺點(diǎn)；帶狀線結(jié)構(gòu)的體積小，布局較為靈活，但是其開放式結(jié)構(gòu)在毫 米波頻段引入輻射損耗很大，不適合于毫米波段應(yīng)用；同軸線結(jié)構(gòu)的Q值高，功率容量大，但 是在毫米波頻段，其尺寸太小，現(xiàn)有加工水平不易滿足需求，同時(shí)其也難以與平面電路集 成。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種毫米波雙通帶濾波器及其設(shè)計(jì)方 法，其具有插入損耗低、頻率選擇高、信道間隔離大、易與系統(tǒng)集成等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]為了達(dá)到上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為：
[0006] -方面，提供一種毫米波雙通帶濾波器，其包括通過粘合層粘接在一起的第一PCB 板和第二PCB板、設(shè)置在第一PCB板與第二PCB板上的SIW濾波器及第一PCB板的下表面設(shè)置 的下邊帶濾波器;SIW濾波器包括設(shè)置在第一PCB板上表面的銅涂層，設(shè)置在第二PCB板下表 面的銅涂層及位于第一PCB板上表面銅涂層與第二PCB板下表面銅涂層上、且貫穿第一PCB 板與第二PCB板的金屬過孔和感性窗口；第一PCB板上表面銅涂層上設(shè)置有將第一PCB板上 表面銅涂層與下邊帶濾波器導(dǎo)通的盲孔。
[0007]另一方面，提供一種毫米波雙通帶濾波器的設(shè)計(jì)方法，其包括以下步驟：
[0008]獲取雙通帶濾波器的中心頻率、相對(duì)帶寬和上通道頻率；
[0009] 根據(jù)雙通帶濾波器的中心頻率和相對(duì)帶寬，由Chebyshev濾波器低通原型計(jì)算各 個(gè)半波長(zhǎng)諧振器之間的耦合量：
[0011]其中，πη,1+1為第i個(gè)半波長(zhǎng)諧振器與第i+Ι個(gè)半波長(zhǎng)諧振器之間的耦合量，F(xiàn)BW為雙 通帶濾波器的相對(duì)帶寬，X為1和2,當(dāng)X為1時(shí)，gu為上通帶低通原型參數(shù)，當(dāng)X為2時(shí)，g2i為下 通帶低通原型參數(shù)，η為半波長(zhǎng)諧振器的個(gè)數(shù)，1 <i<n-1;
[0012]根據(jù)雙通帶濾波器的上通道頻率，獲取SIW濾波器的主模截止頻率；
[0013]計(jì)算SIW濾波器的實(shí)際寬度：
[0016]其中，W為SIW濾波器的等效寬度，WsiwSSIW濾波器的實(shí)際寬度，D為金屬過孔的直 徑，S為相鄰金屬過孔的中心距，f。為主模截止頻率；
[0017]采用三維電磁仿真對(duì)阻抗變換器的初始長(zhǎng)度和初始寬度進(jìn)行優(yōu)化，直至雙通帶濾 波器的帶內(nèi)回波達(dá)到設(shè)定值時(shí)，輸出阻抗變換器的實(shí)際長(zhǎng)度和實(shí)際寬度；
[0018]根據(jù)SIW濾波器的等效寬度，計(jì)算SIW濾波器的長(zhǎng)度：
[0020]其中，L為SIW濾波器的長(zhǎng)度，er為相對(duì)介電常數(shù)，fo為下邊帶濾波器的中心頻率，C0 為真空中光速，W為SIW濾波器的等效寬度；
[0021] 根據(jù)下邊帶濾波器的中心頻率，計(jì)算下邊帶濾波器的長(zhǎng)度：
[0023]其中，lr為下邊帶濾波器的長(zhǎng)度，er為相對(duì)介電常數(shù)，c為真空中光速，fQ為下邊帶 濾波器的中心頻率；
[0024]采用三維電磁仿真對(duì)計(jì)算值SIW濾波器的實(shí)際寬度、各個(gè)半波長(zhǎng)諧振器之間的耦 合量、SIW濾波器的長(zhǎng)度和下邊帶濾波器的長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化；
[0025]當(dāng)所有的計(jì)算值的頻率響應(yīng)等于設(shè)定值時(shí)，輸出優(yōu)化后的各個(gè)半波長(zhǎng)諧振器之間 的耦合量、SIW濾波器的實(shí)際寬度、SIW濾波器的長(zhǎng)度和下邊帶濾波器的長(zhǎng)度。
[0026]本發(fā)明的有益效果為:本方案采用SIW濾波器作為基本諧振單元，其封閉結(jié)構(gòu)有效 減少了輻射損耗，避免了微帶、共面波導(dǎo)等開放結(jié)構(gòu)在毫米波頻段輻射損耗過大的問題;將 下邊帶濾波器嵌入SIW濾波器中間，在實(shí)現(xiàn)雙通道頻率響應(yīng)的同時(shí)，并未增加額外的電路面 積，有利于雙通帶濾波器的小型化設(shè)計(jì)。
[0027]由于SIW濾波器可以等效為一種平面化介質(zhì)波導(dǎo)，其兼有微帶線和金屬波導(dǎo)的優(yōu) 點(diǎn)，在保持波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的同時(shí)保持了平面結(jié)構(gòu)，其易于與其它平面電路集成;雙通帶濾波器的 兩個(gè)通道之間的隔離頻帶位于SIW濾波器的截止頻率以下，具有較高的抑制度；同時(shí)，該雙 通帶濾波器采用標(biāo)準(zhǔn)PCB加工工藝進(jìn)行加工，加工簡(jiǎn)單，由于采用了微帶-SIW阻抗變換器設(shè) 計(jì)，該雙通帶濾波器非常易于應(yīng)用于實(shí)際平面電路的集成。
【附圖說明】
[0028]圖1毫米波雙通帶濾波器的立體圖。
[0029]圖2為下邊帶濾波器的示意圖。
[0030]圖3為第二PCB板的俯視圖。
[0031]圖4為毫米波雙通帶濾波器的頻率響應(yīng)(S21參數(shù))圖。
[0032]圖5為毫米波雙通帶濾波器的頻率響應(yīng)(S11參數(shù))圖。
[0033]其中，1、第二PCB板;2、粘合層;3、第一PCB板;4、輸入饋線；5、阻抗變換器;6、中間 涂層;7、金屬過孔;8、感性窗口；9、盲孔;10、輸出饋線；11、SICL饋線；12、半波長(zhǎng)諧振器。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】進(jìn)行描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員理解本發(fā) 明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實(shí)施方式】的范圍，對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講， 只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易 見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護(hù)之列。
[0035]如圖1所示，該毫米波雙通帶濾波器包括通過粘合層2粘接在一起的第一PCB板3和 第二PCB板1、設(shè)置在第一PCB板3與第二PCB板1上的SIW濾波器及第一PCB板3的下表面設(shè)置 的下邊帶濾波器。
[0036] 其中，第一?08板3采用了&〇〇1^〇1'1^-5，其介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.001，厚 度為0.254mm;第二PCB板1也采用TaconicTLY-5，其介電常數(shù)為2.2，損耗角正切為0.001， 厚度為0.254mm，其上表面金屬全部去除，下表面金屬全部保留形成參考地平面;粘和層采 用TaconicTPG-30，其介電常數(shù)為3.0，損耗角正切為0.0038，厚度為0.12mm。
[0037] 參考圖1和圖3，SIW濾波器包括設(shè)置在第一PCB板3上表面的銅涂層，設(shè)置在第二 PCB板1下表面的銅涂層及位于第一PCB板3上表面銅涂層與第二PCB板1下表面銅涂層上、且 貫穿第一PCB板3與第二PCB板1的金屬過孔7和感性窗口8;此處表達(dá)的是感性窗口8也是位 于第一PCB板3上表面銅涂層與第二PCB板1下表面銅涂層上、且貫穿第一PCB板3與第二PCB 板1的通孔。
[0038]如圖1所示，第一PCB板3上表面銅涂層上設(shè)置有將第一PCB板3上表面銅涂層與下 邊帶濾波器導(dǎo)通的盲孔9。設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)選兩排金屬過孔7呈周期性排布，且每排金屬過孔7的 孔距遠(yuǎn)小于雙通帶濾波器的波長(zhǎng)。
[0039]第一PCB板3和第二PCB板1上銅鍍層及兩排貫穿第一PCB板3和第二PCB板1、且呈周 期性排布的金屬過孔7構(gòu)成波導(dǎo)的四個(gè)金屬壁，實(shí)現(xiàn)電磁波在四個(gè)金屬壁內(nèi)部的傳輸，由于 每排金屬過孔7的孔距遠(yuǎn)小于雙通帶濾波器的波長(zhǎng)，縫隙泄漏能量很小，可以等效為內(nèi)部填 充介質(zhì)的金屬波導(dǎo)，其無載Q值較高，損耗較小，有利于減少雙通帶濾波器的帶外干擾和提 高雙通帶濾波器的接收靈敏度。
[0040]為保持第一PCB板3和第二PCB板1上所有鍍有銅涂層表面的光潔度，以及增強(qiáng)導(dǎo)體 (銅涂層)的導(dǎo)電性能，所有銅涂層表面均進(jìn)行了鍍金處理，其鍍金厚度為lum。
[0041]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，第一PCB板3上表面的銅涂層包括輸入饋線4、輸出饋線 10,兩個(gè)分別與輸入饋線4和輸出饋線10連接的阻抗變換器5和位于兩個(gè)阻抗變換器5之間 的中間涂層6;位于第一PCB板3上的金屬過孔7、感性窗口8和盲孔9設(shè)置于中間涂層6所在 段。
[0042]如圖1所示，本方案的阻抗變換器5的外形優(yōu)選設(shè)置呈梯形;這樣設(shè)置的主要目的 是方便測(cè)量S參數(shù)和實(shí)現(xiàn)阻抗變換。輸入饋線4和輸出饋線10均采用50歐姆微帶饋線，優(yōu)選 50歐姆微帶饋線的寬度為0.77mm。
[0043]如圖2所示，下邊帶濾波器包括兩段SICL饋線11和設(shè)置在兩段SICL饋線11之間的 至少一個(gè)半波長(zhǎng)諧振器12;利用半波長(zhǎng)諧振器12的終端耦合使得雙通帶濾波器在特定頻率 上形成帶通響應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)，優(yōu)選設(shè)置有三