CN105932376B - 一种具有双传输线结构的微波带通滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有双传输线结构的微波带通滤波器。包括介质板，介质板的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属地；所述的金属微带包括上传输线，上传输线与下传输线连接；所述的上传输线包括微带波导段，微带波导段经过渡段与人工表面等离激元段连接人工表面等离激元段与耦合段连接，上传输线与下传输线的结构相同，上传输线与下传输线通过耦合段相连接；所述的人工表面等离激元段内分布有矩形凹槽；所述的耦合段上设有矩形凹槽。本发明具有低传输损耗、避免电磁场强烈反射和抗电磁干扰能力强的特点。

Description

一种具有双传输线结构的微波带通滤波器
技术领域
本发明涉及一种通讯领域用的滤波器，特别是一种具有双传输线结构的微波带通滤波器。
背景技术
当今大数据时代，随着信息的需求量呈爆炸式的增长，移动通讯领域要求能制造出集成度更高的微波器件，然而随着高频集成电路尺寸的不断缩小，技术上出现了一系列问题，例如当微波器件的尺寸小到一定的程度，器件的电磁干扰噪声，RC延迟等达到极限导致器件工作不稳定，因此现有的微波器件已不能适应当今大规模微波集成电路的发展。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种具有双传输线结构的微波带通滤波器。本发明具有低传输损耗、避免电磁场强烈反射和抗电磁干扰能力强的特点。
本发明的技术方案：一种具有双传输线结构的微波带通滤波器，包括介质板，介质板的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属地；所述的金属微带包括上传输线与下传输线连接；所述的上传输线包括微带波导段，微带波导段经过渡段与人工表面等离激元段连接，人工表面等离激元段与耦合段连接，上传输线与下传输线的结构相同，上传输线与下传输线通过耦合段相连接；所述的人工表面等离激元段内分布有矩形凹槽；所述的耦合段上设有矩形凹槽。
前述的具有双传输线结构的微波带通滤波器中，所述的矩形凹槽的槽口宽度w1的取值为0.5～2mm，矩形凹槽的深度w2的取值为0.5～2mm，上、下传输线的耦合段间的耦合间隙d的取值为0.05～0.5mm，矩形凹槽的槽型周期p为3～8mm；所述的耦合段的长度l4的取值为1～10mm。
前述的具有双传输线结构的微波带通滤波器中，所述的金属地的上下边缘均为椭圆曲线，椭圆曲线满足椭圆方程的曲线；其中a为椭圆曲线短轴半径，其取值为0.1～7.5；h为金属微带宽度，其取值为0.8～3.0mm；w为椭圆曲线位置系数，其取值为3～8mm；l1为微带波导段的长度，其取值为3～8mm，l2为过渡段长度，其取值为20～40mm，l3为人工表面等离激元段的长度，其取值为10～25mm；所述的介质板的宽度wsub取值为10～20mm。
前述的具有双传输线结构的微波带通滤波器中，所述的过渡段上设有深度渐变的矩形凹槽。
与现有技术相比，本发明在微带波导段(以下用其长度符号l1替代)和人工表面等离激元段(以下用其长度符号l3替代)间设置过渡段(以下用其长度符号l2替代)，且在l2背面设置金属地，金属地上下边缘为满足椭圆方程的曲线，通过该结构，实现了电磁场在l1和l3中传播的平稳过渡，充分减少因电磁场模式和阻抗不匹配出现强烈的微波电场反射，避免了输出端电磁场出现严重衰减，有效降低了电磁场的传输损耗；申请人通过大量实验发现，当椭圆方程的曲线中a为0.1～7.5、h为0.8～3.0mm、w为3～8mm、l1为3～8mm，l2为20～40mm，l3为10～25mm时，其微波电场的反射最小；不仅如此，本发明在l2上还设有深度渐变的矩形凹槽；通过该结构，可进一步实现准TEM模式向SSPPs模式的过渡，减少微波电场反射。本发明的上、下传输线通过设有矩形凹槽结构的耦合段相连接；该耦合结构，将一根传输线(上传输线)的电磁能量馈入另一根传输线(下传输线)，进而使得该耦合结构在滤波器上阻带引入一个传输零点，使得滤波器成为带通滤波器。且该传输零点可通过耦合结构的尺寸加以调控，从而实现对滤波器的通带带宽和上阻带的带外抑制特性的调控。申请人通过大量实验得出，当耦合段的长度l4为1～10mm、耦合间隙d为0.05～0.5mm时，耦合结构对滤波器的通带带宽和上阻带的带外抑制特性的调控效果最好。
本发明通过在l3上设置一系列的矩形凹槽；通过该结构，使得电磁场在传输时被束缚在矩形凹槽周围，从而大大降低了多条传输线传输时因间距太小而出现的电磁干扰，使得抗干扰能力大大增强，同时也增强了高密度微波集成电路工作时的稳定性，不仅如此，因抗电磁干扰能力大大增强，本发明还能减小微波集成电路的金属微带间的间距以实现器件的小型化，因而能更好地适应当今大规模微波集成电路的发展。本发明还能通过调节矩形凹槽的几何尺寸来调控微波传输线的截止频率和电磁场分布，同时调整电磁波的束缚效果，申请人在进行大量试验后发现，当w1为0.5～2mm、w2为0.5～2mm、p为3～8mm时，矩形凹槽对电磁场具有很好的束缚效果。
为了更好地证明本发明的有益效果，申请进行了如下实验：申请人设计一个具有双传输线结构的微波带通滤波器样品，样品的参数如表1。
表1微波滤波器样品各部分参数(单位：mm)
该样品的介质板采用介电常数为2.65的基片，对该样品的滤波特性曲线经时域有限差分计算如图3所示，图3中S11为滤波器反射系数，S21为滤波器传输系数，该样品为带通滤波，其中心频率为24.261GHz，该处插入损耗为-1.1dB，其-3dB通带为21.275GHz到27.246GHz，样品在整个通带内反射系数小于7.7dB，纹波抖动低于0.8dB。
设计一个不含过渡段l2的对比滤波器，其介质板的介电常数同为2.65，其他结构参数参照表1；对该对比滤波器的反射特性曲线经时域有限差分计算，计算结果如图4所示。由图4得知，该滤波器传输损耗较有过渡段的样品大，而且通带内反射系数大大超过-10dB。由图3和图4对比可知，设置深度渐变的矩形凹槽的过渡段能有效改善样品的传输及反射特性。
图5为样品在24GHz频段工作时，矩形凹槽周围法线方向的电场分布图，由图可见，其电场主要束缚于矩形凹槽周围，扩散很小。
图6示出了两根SSPPs传输线的耦合间距对滤波器S21曲线上阻带衰减极点位置的调控作用。通过设置两传输线间的不同间距可以在S21曲线上阻带的不同位置引入衰减极点，从而调控滤波器的通带带宽和上阻带的带外抑制特性。
附图说明
图1是本发明的正面结构示意图；
图2是本发明的背面结构示意图；
图3是样品的S参数曲线图；
图4是不采用过渡段的滤波器的S参数曲线图；
图5是滤波器样品在24GHz频段工作时的矩形凹槽四周法线方向电场分布图。
图6为耦合间隙对滤波器S21曲线上阻带衰减极点位置的调控图。
附图中的标记为：1-介质板，2-上传输线，3-金属地，4-微带波导段，5-过渡段，6-人工表面等离激元段,7-矩形凹槽，8-椭圆曲线，9-下传输线，10-耦合段。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例。一种具有双传输线结构的微波带通滤波器，构成如图1和2所示，包括介质板1，介质板1的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属地3；所述的金属微带包括上传输线2与下传输线9连接；所述的上传输线2包括微带波导段4，微带波导段4经过渡段5与人工表面等离激元段6连接，人工表面等离激元段6与耦合段10连接，上传输线2与下传输线9的结构相同，上传输线2与下传输线9通过耦合段10相连接；所述的人工表面等离激元段6内分布有矩形凹槽7；所述的耦合段10上设有矩形凹槽7。
前述的矩形凹槽7的槽口宽度w1的取值为0.5～2mm，矩形凹槽7的深度w2的取值为0.5～2mm，上、下传输线的耦合段10间的耦合间隙d的取值为0.05～0.5mm，矩形凹槽7的槽型周期p为3～8mm；所述的耦合段10的长度l4的取值为1～10mm。
前述的金属地3的上下边缘均为椭圆曲线8，椭圆曲线8满足椭圆方程的曲线；其中a为椭圆曲线8短轴半径，其取值为0.1～7.5；h为金属微带宽度，其取值为0.8～3.0mm；w为椭圆曲线8位置系数，其取值为3～8mm；l1为微带波导段的长度，其取值为3～8mm，l2为过渡段长度，其取值为20～40mm，l3为人工表面等离激元段6的长度，其取值为10～25mm；所述的介质板1的宽度wsub取值为10～20mm。
前述的过渡段5上设有深度渐变的矩形凹槽7。
本发明的工作原理：准TEM模式的电磁场由左边的微带波导段4传输到过渡段5，在过渡段5中逐渐渐变为SSPPs模式的电磁场，且在过渡段5中准TEM模式和SSPPs模式的电磁场共存，当电磁场到达人工表面等离激元段6时，完全转化为SSPPs模式的电磁场，并在l3进行传输，传输后SSPPs模式电磁场又经过耦合段10将电磁场能量馈入下传输线9经由其传输。当电磁场在微带波导段4传播，该段内电磁场的模式为准TEM模式，该模式电磁场被束缚在微带波导段4与金属地3间的介质板内；在过渡段5传播时，该段内准TEM模式与SSPPs模式共存，其中准TEM模式电磁场被束缚在过渡段5与金属地3间的介质板内，SSPPs模式电磁场被束缚在矩形凹槽周围；在l3进行传播时，该段内为SSPPs模式，该模式电磁场被束缚在矩形凹槽周围。

Claims (3)

1.一种具有双传输线结构的微波带通滤波器，其特征在于：包括介质板（1），介质板（1）的一个表面上设有金属微带，另一个表面上设有金属地（3）；所述的金属微带包括上传输线（2），上传输线（2）与下传输线（9）连接；所述的上传输线（2）包括微带波导段（4），微带波导段（4）经过渡段（5）与人工表面等离激元段（6）连接，人工表面等离激元段（6）与耦合段（10）连接，上传输线（2）与下传输线（9）的结构相同，上传输线（2）与下传输线（9）通过耦合段（10）相连接；所述的人工表面等离激元段（6）内分布有矩形凹槽（7）；所述的耦合段（10）上设有矩形凹槽（7）；所述的金属地（3）的上下边缘均为椭圆曲线（8），椭圆曲线（8）满足椭圆方程的曲线；其中a为椭圆曲线（8）短轴半径，其取值为0.1～7.5；h为金属微带宽度，其取值为0.8～3.0mm；w为椭圆曲线（8）位置系数，其取值为3～8mm；l1为微带波导段的长度，其取值为3～8mm，l2为过渡段长度，其取值为20～40mm，l3为人工表面等离激元段（6）的长度，其取值为10～25mm；所述的介质板（1）的宽度wsub取值为10～20mm。
2.根据权利要求1所述的具有双传输线结构的微波带通滤波器，其特征在于：所述的矩形凹槽（7）的槽口宽度w1的取值为0.5～2mm，矩形凹槽（7）的深度w2的取值为0.5～2mm，上、下传输线的耦合段（10）间的耦合间隙d的取值为0.05～0.5mm，矩形凹槽（7）的槽型周期p为3～8mm；所述的耦合段（10）的长度l4的取值为1～10mm。
3.根据权利要求1或2所述的具有双传输线结构的微波带通滤波器，其特征在于：所述的过渡段（5）上设有深度渐变的矩形凹槽（7）。
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