[0001] 本发明涉及微波技术领域，特别地涉及一种基于双模折叠三角形基片集成波导的带通滤波器。

[0002] 滤波器是无线通信中的核心部件之一，滤波器具备限定发射机在规定频带内发射的同时，又防止接收机受工作频带以外的干扰信号的功能。基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术的滤波器有良好的波导性能和易于与平面电路集成的特性，成为滤波器设计中的研究热点。但是，随着现代无线通信技术的快速发展，对基片集成波导滤波器的性能提出了更高的要求，设计出体积更小、性能更加优异的基片集成波导滤波器，成为亟需解决的问题。

[0040] 下面将结合附图对本发明作进一步说明。

[0041] 基于基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术的滤波器有良好的波导性能和易于与平面电路集成的特性，成为滤波器设计中的研究热点。但是，随着现代无线通信技术的快速发展，对基片集成波导滤波器的性能提出了更高的要求，设计出体积更小、性能更加优异的基片集成波导滤波器，成为亟需解决的问题。

[0042] 如图1所示，为了解决上述技术问题，本发明至少一实施例提供一种基于双模折叠三角形基片集成波导的带通滤波器，包括在高度方向上依次堆叠的第一金属层10、第一介质层20、中间金属层30、第二介质层40以及第二金属层50；

[0043] 第一金属层10包括第一主体部110与第一微带线120，中间金属层30包括中间主体部310与接地部320，第二金属层50包括第二主体部510与第二微带线520；在垂直于高度方向的平面上，第一主体部110、中间主体部310与第二主体部510的投影均为直角三角形，且直角三角形的其中一个顶角为60°，第一主体部110的投影与第二主体部510的投影相重合，第一微带线120、第二微带线520的投影均位于接地部320的投影内，第一微带线120与第一主体部110的斜边相连，第二微带线520与第二主体部510的斜边相连；

[0044] 第一金属层10、第一介质层20与中间金属层30共同形成上层结构，中间金属层30、第二介质层40与第二金属层50共同形成下层结构；

[0045] 其中，基于双模折叠三角形基片集成波导的带通滤波器还包括金属化通孔组，金属化通孔组在高度方向上贯通第一金属层10、第一介质层20、中间金属层30、第二介质层40与第二金属层50，金属化通孔组围绕第一主体部110的边缘布置，且金属化通孔组不经过中间主体部310的长直角边，以使上层结构、下层结构与金属化通孔组共同形成折叠等边三角形谐振腔。

[0046] 由上可见，折叠等边三角形谐振腔包括分别位于上层结构、下层结构内的两个直角三角形谐振腔，其中一个直角三角形谐振腔以第一主体部110的长直角边为轴转动180°，能够与另一个直角三角形谐振腔组成完整的等边三角形谐振腔，所以本发明的滤波器可以看作有一个沿中线折叠的等边三角形谐振腔，通过折叠等边三角形谐振腔的设计，充分利用高度上的空间，减小滤波器在横向、纵向上的尺寸，使滤波器整体体积更小，结构更紧凑；同时，折叠等边三角形谐振腔能够保持电场、磁场分布与未折叠的等边三角形谐振腔的电场、磁场分布一致，折叠等边三角形谐振腔的第一、第二高次模的谐振频率相同，且无需再设置其他结构使简并模分离，简化了滤波器的结构设计。另外，通过设置金属化通孔组不经过中间主体部310的长直角边，不仅能够保证折叠等边三角形谐振腔的完整性，还使上层结构与下层结构能够进行能量耦合。

[0047] 需要说明的是，如图1所示，高度方向与Z方向相平行；在垂直于高度方向的平面上，接地部320的投影为矩形。

[0048] 还需要说明的是，金属化通孔组包括短边金属化通孔列620、长边金属化通孔列610以及斜边金属化通孔列630，短边金属化通孔列620与第一主体部110的短直角边相平行，长边金属化通孔列610与第一主体部110的长直角边相平行，斜边金属化通孔列630与第一主体部110的斜边相平行；其中，短边金属化通孔列620、长边金属化通孔列610与斜边金属化通孔列630均包括多个金属化通孔，多个金属化通孔按照一行多列的方式布置；另外，斜边金属化通孔列630的金属化通孔不经过第一微带线120与第一主体部110的连接处、以及第二微带线与第二主体部510的连接处。

[0049] 通过设置金属化通孔组构成封闭的谐振腔，减少能量泄漏，利用金属化通孔组作为谐振腔的侧壁，第一主体部110、第二主体部510分别作为谐振腔的顶部、谐振腔的底部。

[0050] 还需要说明的是，第一介质层20、第二介质层40为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508mm；第一微带线120、第二微带线的阻抗均为50欧姆。

[0051] 如图1所示，基于双模折叠三角形基片集成波导的带通滤波器包括在高度方向上依次堆叠的第一金属层10、第一介质层20、中间金属层30、第二介质层40以及第二金属层50；

[0052] 第一金属层10包括第一主体部110与第一微带线120，中间金属层30包括中间主体部310与接地部320，第二金属层50包括第二主体部510与第二微带线520；在垂直于高度方向的平面上，第一主体部110、中间主体部310与第二主体部510的投影均为直角三角形，且直角三角形的其中一个顶角为60°，第一主体部110的投影与第二主体部510的投影相重合，第一微带线120、第二微带线520的投影均位于接地部320的投影内，第一微带线120与第一主体部110的斜边相连，第二微带线520与第二主体部510的斜边相连；

[0053] 第一金属层10、第一介质层20与中间金属层30共同形成上层结构，中间金属层30、第二介质层40与第二金属层50共同形成下层结构；

[0054] 其中，基于双模折叠三角形基片集成波导的带通滤波器还包括金属化通孔组，金属化通孔组在高度方向上贯通第一金属层10、第一介质层20、中间金属层30、第二介质层40与第二金属层50，金属化通孔组围绕第一主体部110的边缘布置，且金属化通孔组不经过中间主体部310的长直角边，以使上层结构、下层结构与金属化通孔组共同形成折叠等边三角形谐振腔。

[0055] 由上可见，折叠等边三角形谐振腔包括分别位于上层结构、下层结构内的两个直角三角形谐振腔，其中一个直角三角形谐振腔以第一主体部110的长直角边为轴转动180°，能够与另一个直角三角形谐振腔组成完整的等边三角形谐振腔，所以本发明的滤波器可以看作有一个沿中线折叠的等边三角形谐振腔，通过折叠等边三角形谐振腔的设计，充分利用高度上的空间，减小滤波器在横向、纵向上的尺寸，使滤波器整体体积更小，结构更紧凑；同时，折叠等边三角形谐振腔能够保持电场、磁场分布与未折叠的等边三角形谐振腔的电场、磁场分布一致，折叠等边三角形谐振腔的第一、第二高次模的谐振频率相同，且无需再设置其他结构使简并模分离，简化了滤波器的结构设计。另外，通过设置金属化通孔组不经过中间主体部310的长直角边，不仅能够保证折叠等边三角形谐振腔的完整性，还使上层结构与下层结构能够进行能量耦合。

[0056] 需要说明的是，如图1所示，高度方向与Z方向相平行；在垂直于高度方向的平面上，接地部320的投影为矩形。

[0057] 还需要说明的是，金属化通孔组包括短边金属化通孔列620、长边金属化通孔列610以及斜边金属化通孔列630，短边金属化通孔列620与第一主体部110的短直角边相平行，长边金属化通孔列610与第一主体部110的长直角边相平行，斜边金属化通孔列630与第一主体部110的斜边相平行；其中，短边金属化通孔列620、长边金属化通孔列610与斜边金属化通孔列630均包括多个金属化通孔，多个金属化通孔按照一行多列的方式布置；另外，斜边金属化通孔列630的金属化通孔不经过第一微带线120与第一主体部110的连接处、以及第二微带线与第二主体部510的连接处。

[0058] 通过设置金属化通孔组构成封闭的谐振腔，减少能量泄漏，利用金属化通孔组作为谐振腔的侧壁，第一主体部110、第二主体部510分别作为谐振腔的顶部、谐振腔的底部。

[0059] 还需要说明的是，第一介质层20、第二介质层40为Rogers 5880介质板，介电常数为2.2，厚度为0.508mm；第一微带线120、第二微带线的阻抗均为50欧姆。

[0060] 还需要说明的是，通过设置折叠等边三角形谐振腔的一对简并模构成二阶带通滤波器。

[0061] 在一些实施例中，在垂直于高度方向的平面上，中间主体部310的投影的短直角边、斜边分别与第一主体部110的投影的短直角边、斜边重合，且中间主体部310的投影的短直角边的长度小于第一主体部110的投影的短直角边的长度，使金属化通孔组不经过中间主体部310的长直角边。

[0062] 通过设置中间主体部310的短直角边的长度小于第一主体部110的短直角边的长度，能够保证折叠等边三角形谐振腔的完整性。

[0063] 如图1、图3所示，在一些实施例中，第一微带线120通过第一过渡结构70与第一主体部110相连，第二微带线520通过第二过渡结构80与第二主体部510相连。

[0064] 通过设置主体部、过渡结构、微带线形成基片集成波导—微带线的转换结构，该转换结构对面积、体积要求小，从而使基片集成波导实现与平面电路无缝连接的同时，进一步减小滤波器体积。

[0065] 如图3所示，在一些实施例中，第一过渡结构70包括设置于第一主体部110上的第一缝隙，第一缝隙位于第一微带线120的两侧；第二过渡结构80包括设置于第二主体部510上的第二缝隙810，第二缝隙810位于第二微带线520的两侧；其中，第一缝隙与第二缝隙810均为L形缝隙。

[0066] 通过第一缝隙将第一微带线120接入上层结构的直角三角形谐振腔，第二缝隙810将第二微带线520接入下层结构的直角三角形谐振腔，能够提升通带内的性能，减小带内差损，并且不会对滤波器的整体结构造成影响。

[0067] 需要说明的是，在垂直于高度方向的平面上，第一缝隙的投影与第二缝隙810的投影相重合，即第一缝隙的长度、宽度分别与第二缝隙810的长度、宽度相等。

[0068] 在一些实施例中，第一微带线与第一主体部110的斜边的中点相连，第二微带线520与第二主体部510的斜边的中点相连；

[0069] 其中，第一微带线的宽度与第二微带线520的宽度相等，且第一缝隙与第二缝隙810的宽度相等，且第一微带线的宽度为第一缝隙的宽度的4倍。

[0070] 通过设置第一微带线的宽度为第一缝隙的宽度的4倍，满足滤波器对带宽、传输零点等的性能要求。

[0071] 需要说明的是，如图2所示，第一微带线的宽度为W3，第一缝隙的宽度为W4，W3＝4*W4。

[0072] 如图2、图4、图5所示，在一些实施例中，基于双模折叠三角形基片集成波导的带通滤波器还包括设置于中间主体部310上的谐振环结构90，谐振环结构90包括同心设置的外环910与内环920，内环920位于外环910内；

[0073] 内环920与外环910均为方形环，内环920的棱边分别与外环910的棱边相平行，内环920的棱边分别与中间主体部310的短直角边、长直角边相平行，且内环920与中间主体部310的短直角边相平行的棱边上设置有内开口9201，外环910与中间主体部310的短直角边相平行的棱边上设置有外开口9101，内开口9201与外开口9101分别位于谐振环结构90的中心的两侧。

[0074] 通过设置谐振环结构90与折叠三角形谐振腔的一对简并模共同构成三阶带通滤波器，带内性能良好，并在通带外的低频、高频处各形成一个传输零点，改善滤波器的带外性能；通过将谐振环结构90设置在中间金属层30上，保留了第一金属层与第二金属层的完整性，减少了因在金属表面开槽引起的辐射损耗，使得本发明的滤波器更加易于封装以及与其他平面电路集成。

[0075] 需要说明的是，内环920与中间主体部310的短直角边相平行的棱边的中间位置处上设置有内开口9201，外环910与中间主体部310的短直角边相平行的棱边的中间位置处上设置有外开口9101，从而使内开口9201与外开口9101的位置对称互补。

[0076] 还需要说明的是，谐振环结构90通过在中间金属层30上刻蚀而形成。

[0077] 在一些实施例中，谐振环结构90的中心与中间主体部310的短直角边之间的距离为L1，与中间主体部310的长直角边之间的距离为L2，中间主体部310的短直角边的长度为L3，中间主体部310的长直角边的长度为L4；其中，L1＝0.25*L4，L2＝0.25*L3。

[0078] 因谐振环结构90的位置直接影响滤波器的性能，且位置的变化可能会导致滤波器性能变差甚至不工作，所以通过设置谐振环结构90的中心与中间主体部310的短直角边、长直角边之间的距离，确定谐振环结构90的位置，保证滤波器的最终性能表现。

[0079] 如图4、图5所示，在一些实施例中，外环910的边长为L5，其中，L5＝0.15*L3。

[0080] 因谐振环结构90的尺寸与谐振环的谐振点频率相关，直接影响滤波器的性能，且尺寸的变化会导致滤波器的性能变差甚至不工作，所以通过设置外环910的边长与中间主体部310的短直角边之间的关系，确定谐振环结构90的尺寸，保证滤波器的最终性能表现。

[0081] 如图5所示，在一些实施例中，内环920与外环910均为正方形环，内环920与外环910的宽度均为W1，内环920与外环910之间的环形间距为W2；其中，W1＝W2，W1＝0.085*L5。

[0082] 通过设置内环920与外环910的宽度相等，不仅能够方便对谐振环结构90的分析与设计，还避免内环920的宽度与外环910的宽度出现差距较大的情况，从而保证谐振环结构90的性能。因外环910的宽度直接影响滤波器的性能，所以通过设置外环910的宽度与外环
910的边长之间的关系，来确定外环910的宽度，从而保证滤波器的最终性能表现。

[0083] 如图5所示，在一些实施例中，内开口9201与外开口9101的长度均为L6，其中，L6＝0.18*L5。

[0084] 因谐振环结构90的尺寸与谐振环的谐振点频率相关，直接影响滤波器的性能，且尺寸的变化会导致滤波器的性能变差甚至不工作，所以通过设置内开口9201、外开口9101的边长与中间主体部310的短直角边之间的关系，确定谐振环结构90的尺寸，保证滤波器的最终性能表现。

[0085] 图6为本发明的带通滤波器的S参数仿真波形图，横坐标为频率(单位：GHz)，纵坐标为S参数(单位：dB)，实线与虚线分别表示电磁波反射系数与频率的关系、电磁波传输系数与频率的关系，其中，本发明的滤波器的中心频率为13.6GHz，工作带宽为13.25GHz‑13.95GHz，相对带宽为5.15％，输入端口与输出端口的回波损耗均大于20dB，两个传输零点分别位于13.12GHz、14.07GHz，提高了该滤波器的选择特性。

[0086] 在一些实施例中，外环910的边长L5为1.88mm。

[0087] 如图7为本发明在不同外环边长所对应的带通滤波器的S11仿真图，横坐标图横坐标为频率(单位：GHz)，纵坐标为S11参数(单位：dB)，表示电磁波反射系数与频率的关系。由图7可知，随着外环910的边长L5的改变，滤波器的性能发生变化，当L5＝1.88mm时，滤波器的性能最好，信号的损耗最小。

[0088] 综上所述，本发明的滤波器在满足结构紧凑、体积小的小型化设计的同时，在使用一个折叠三角形谐振腔与谐振环结构的情况下就实现了三阶滤波器，具有馈电简单、加工难度低、易于封装，易于集成的优势。

[0089] 虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。