CN105789783A - 加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

一种加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，包含两段微带馈电线和分布在以带通滤波器的顶层金属平面中心为原点的四个象限上四个四分之一模基片集成波导单元。波导单元包括顶层金属层、中间介质基板和底层金属地，中间介质基板在横轴和纵轴方向各有一排金属通孔，连接顶层金属和底层金属地；相邻四分之一模基片集成波导单元之间通过开口缝隙实现耦合。本发明采用四分之一模基片集成波导技术，利用其体积大大减小的特点，引入复合左右手进一步降低频点、增强选择性，结合四分之一模基片集成波导耦合系数大且品质因数低的特性，获得一个较好选择性和较好阻带抑制性的小型化宽带带通滤波器。

Description

加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器
技术领域
本发明属于微波毫米滤波器领域，具体涉及基片集成波导带通滤波器。
背景技术
随着现代无线通信系统的发展和日益成熟，作为其重要组成部分的滤波器也引起了各方面的广泛关注和研究。滤波器的种类和功能多种多样，但由于受到电磁结构和制造工艺的约束，相比于一般的滤波器，宽带滤波器在近几年却少有报道，但现代无线通信系统中，例如各种雷达系统、高分辨率成像装置等对宽带滤波器都具有较高的需求。
传统的金属波导结构的滤波器具有功率容量高，插损小等优点，但其加工成本高，体积较大，且不适合与现代平面电路集成。随之提出的基片集成波导滤波器不仅继承了波导的损耗低、品质因数高、功率容量大等优点，同时也引入了尺寸小、易于与其他平面电路集成等优点，但由于其耦合系数和品质因数的限制，传统的基片集成波导在制作宽带滤波器方面仍具有一定困难，且想要获得较低频段的特性仍然需要面对尺寸较大的难题。
发明内容
本发明提出一种加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，目的是采用四分之一模基片集成波导技术，利用其体积比等效传统基片集成波导大大减小的特点，在尺寸不变的基础上再引入复合左右手进一步降低频点、增强选择性，结合四分之一模基片集成波导耦合系数大且品质因数比传统基片集成波导低的特性，再利用四分之一基片集成波导单元两侧灵活的开放结构，通过级联耦合的方式，加强对谐波的抑制效果，获得一个较好选择性和较好阻带抑制性的小型化宽带带通滤波器。
本发明的技术方案如下：
一种加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，所述滤波器包含两段微带馈电线和四个四分之一模基片集成波导单元。
所述带通滤波器包括顶层金属、中间介质基板和底层金属地三层结构，四个四分之一模基片集成波导单元分布在以带通滤波器的顶层金属平面中心为原点的四个象限上；所述中间介质基板在横轴和纵轴方向以对应所述原点位置起点各有一排金属通孔，连接顶层金属和底层金属地。
第一和第二象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过纵轴上长度为W1的开口缝隙实现耦合，第二和第三象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过横轴上长度为W2的开口缝隙实现耦合，第三和第四象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过纵轴上长度为W3开口缝隙实现耦合。所述开口缝隙为金属过孔到边界的距离。
每个单元的顶层金属层上都蚀刻有叉指缝隙结构，第一象限上的叉指缝隙结构是相对于横轴顺时针旋转45°布置，相邻单元的叉指缝隙结构相互对称，每个叉指缝隙结构与中间介质基板上相邻的两排金属通孔和底层金属地共同构成加载复合左右手结构的四分之一模基片集成波导单元，其单元结构在低频段具有与尺寸相关的负阶谐振点。
所述微带馈电线分别与位于第一象限和第四象限的四分之一模基片集成波导单元的顶层金属层连接。
本发明的带通滤波器的关键技术点在于解决两个相邻四分之一模基片集成波导单元之间的耦合问题，因此需要精确设计相邻两个四分之一模基片集成波导单元之间的开口缝隙宽度，精确设计复合左右手叉指缝隙的长度，在有限的空间中得到复合左右手结构比传统四分之一模基片集成波导单元更低的谐振频点。同时还需要精确设计叉指缝隙在四分之一模基片集成波导单元顶层金属的蚀刻位置，转动角度以满足叉指缝隙结构对电磁波在基板中传递方向的要求。另外，还需精确设计50Ω馈电线的锥形过渡结构参数以满足四个四分之一模基片集成波导单元之间耦合所需要的外部品质因数。
本发明利用四分之一模基片集成波导相较于传统基片集成波导更高的耦合系数以及更低的品质因数，结合传统谐振器耦合理论，通过恰当的耦合，可以最终实现一个结构紧凑的相对带宽达到22％的高选择性和较好阻带抑制性的小型化宽带滤波器。
本发明的有益效果具体如下：
1.采用四分之一模基片集成波导技术设计滤波器，相较于传统基片集成波导滤波器，其耦合系数更大，外部品质因数更低，更易于实现宽带滤波器。
2.采用四分之一模基片集成波导设计滤波器，在继承传统基片集成波导优良性能的基础上，其体积减小了75％，再引入叉指缝隙形成复合左右手结构进一步降低谐振频点，大大减小了滤波器的体积。
3.谐振频点与叉指缝隙的结构参数密切相关，通过调节叉指缝隙的结构参数可以实现对谐振频点的精确控制，具有较高的选择性。
4.遵循传统的耦合器理论设计滤波器可以满足不同的带宽、选择性等设计要求。
5.通过级联耦合的方式，加强了对谐波的抑制效果，具有较好的阻带抑制性能。
附图说明
图1是本发明提出的宽带滤波器的结构图；
图2(a)是本发明提出的宽带滤波器的顶层结构图（图中灰色部分表示顶层金属，白色部分为被刻蚀掉的部分）；
图2(b)是本发明提出的宽带滤波器的底层结构图；
图3(a)是所述四分之一模基片集成波导单元的顶层结构图（图中灰色部分表示顶层金属，白色部分为被刻蚀掉的部分）；
图3(b)是所述四分之一模基片集成波导单元的底层结构图；
图4是本发明提出的宽带滤波器的频率响应曲线图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明：
如图1所示，本发明提出加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器包含两段50Ω微带馈电线5和四个四分之一模基片集成波导单元3，四个四分之一模基片集成波导单元3分布在以带通滤波器的顶层金属平面中心（不包含馈电线部分）为原点的四个象限上。
参见图2(a)和图2(b)，带通滤波器包含顶层金属1、中间介质基板（未显示出）和底层金属地2，中间介质基板上有连接顶层金属和底层金属的金属通孔4。金属通孔4是在横轴和纵轴方向各有一排，以原点为起始点。第一和第二象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过纵轴上长度为W1的开口缝隙实现耦合，第二和第三象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过横轴上长度为W2开口缝隙实现耦合，第三和第四象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过纵轴上长度为W3的开口缝隙实现耦合，而第一和第四象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间没有设开口缝隙，均是金属通孔4，这两个象限各连接一段微带馈电线5，进行输入和输出。以上开口缝隙的长度W1、W2、W3分别为7mm、4mm、7mm，用于获取满足设计要求的耦合系数。当然，改变开口缝隙W1、W2、W3的大小，可以改变两者之间的耦合系数。
每段微带馈电线5由一段输入或输出50Ω馈电线5a和一段锥形过渡微带线5b连接构成，锥形过渡微带线与四分之一模基片集成波导单元3相连，用于实现滤波器的阻抗匹配。微带馈电线5的结构尺寸如下：锥形过渡微带线5b的下底宽度L2为4mm，长L1为3.02mm，用于获取满足设计要求的外部品质因数。50Ω馈电线5a的宽度为0.61mm，用于实现阻抗匹配。
参见图3（a）和图3（b），四分之一模基片集成波导单元3的边长L3为8mm，四分之一模基片集成波导单元3的顶层金属1蚀刻叉指缝隙结构6，结合图1可见，第一象限上的叉指缝隙结构是相对于横轴顺时针旋转45°布置，而相邻单元的叉指缝隙结构相互对称，这样，每个叉指缝隙结构与中间介质基板上相邻的两排金属通孔4和底层金属地2共同构成加载复合左右手结构的四分之一模基片集成波导单元，其单元结构在低频段具有与尺寸相关的负阶谐振点。叉指缝隙结构6尺寸如下：每个叉指6-1长度为5.4mm，宽度为0.2mm,缝隙宽度6-2为0.2mm。复合左右手结构具有一个比传统四分之一模基片集成波导单元更低的且只由叉指缝隙尺寸控制的谐振点。
在本例中，介质基片采用Rogers6002，介电常数为2.94,厚度为10mil。
图4所示为本例的频率响应曲线图，图中包括两大曲线｜｜、｜｜，曲线｜｜是信号的传输特性曲线，曲线｜｜是端口的反射特性曲线。由图可知，该滤波器有一个相对带宽达到了22％的通带，其中心频率为5GHZ，通带内最小插损1.70dB,回波损耗大于10dB。
本发明并不局限于上述实施方式，如果对发明的各种改动或变形不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变形属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变形。

Claims (7)

1.一种加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述滤波器包含两段微带馈电线（5）和四个四分之一模基片集成波导单元（3）；
所述带通滤波器包括顶层金属（1）、中间介质基板和底层金属地（2）三层结构，四个四分之一模基片集成波导单元（3）分布在以带通滤波器的顶层金属平面中心为原点的四个象限上；所述中间介质基板在横轴和纵轴方向以对应所述原点位置为起点各有一排金属通孔（4），连接顶层金属和底层金属地；第一和第二象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过纵轴上长度为W1的开口缝隙实现耦合，第二和第三象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过横轴上长度为W2的开口缝隙实现耦合，第三和第四象限的两个四分之一模基片集成波导单元之间通过纵轴上长度为W3开口缝隙实现耦合，所述开口缝隙为金属过孔到边界的距离；
每个单元的顶层金属层（1）上都蚀刻有叉指缝隙结构（6），第一象限上的叉指缝隙结构（6）是相对于横轴顺时针旋转45°布置，相邻单元的叉指缝隙结构相互对称，每个叉指缝隙结构与中间介质基板上相邻的两排金属通孔（4）和底层金属地（2）共同构成加载复合左右手结构的四分之一模基片集成波导单元；
所述微带馈电线（5）分别与第一象限和第四象限上的四分之一模基片集成波导单元（3）的顶层金属连接。
2.根据权利要求1所述加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述微带馈电线（5）由一段50Ω馈电线（5a）和一段锥形过渡微带线(5b)连接构成，锥形过渡微带线与四分之一模基片集成波导单元(3)的顶层金属相连。
3.根据权利要求1或2所述加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述叉指缝隙结构(6)的每个叉指(6-1)长度为5.4mm，宽度为0.2mm，缝隙宽度(6-2)为0.2mm。
4.根据权利要求1或2所述加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述开口缝隙W1、W2、W3分别为7mm、4mm、7mm。
5.根据权利要求2所述加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述微带馈电线（5）的锥形过渡微带线(5b)的下底宽度L2为4mm，长L1为3.02mm，50Ω馈电线（5a）的宽度为0.61mm。
6.根据权利要求1或2所述加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述叉指缝隙结构(6)位于每个象限的远离原点一角。
7.根据权利要求1或2所述加载复合左右手的四分之一模衬底集成波导带通滤波器，其特征在于：所述中间介质基板为Rogers6002，厚度为10mil。
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