CN107256998B - 基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，包括从上到下布置的上层介质层，介质基板和下层介质层，介质基板的上下面分别与上金属片和下金属片相连，上金属片与上层介质层相连，下金属片与下层介质层相连；介质基板的一侧分布设有多个依次间隔排列的介质基板金属化通孔，上金属片和下金属片通过介质基板金属化通孔相连，介质基板的两端分别设有输入端和输出端，微波信号通过输入端进入上金属片，再通过输出端输出。本发明提供的一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，其尺寸小，Q值较高，便于集成，成本低，实现了基片集成波导滤波器的小型化，扩大了基片集成波导的应用范围。

Description

基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，具体涉及一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器。

背景技术

超材料传输线由于其独特的电磁特性受到广泛的关注和兴趣。复合左右手传输线(CRLH)作为一种新型的传输线结构，它能在低于转换频率的低频阶段，呈现出左手材料结构特性，而在高于转换频率的高频阶段，它又呈现出右手材料特性，基于这些独特性能，复合左右手传输线结构可以实现一些传统导波结构不易实现的独特微波元件。复合左右手传输线结构在低频呈现的左手特性能产生独特的负阶谐振特性，这种独特的负阶谐振特性在微波无源器件的小型化上具有非常明显的优势，它还有低成本，结构紧凑尺寸小，便于集成等优点。具有复合左右手特性的多种平面结构传输线被提出和应用于各种微波无源元件，但是基于这些平面CRLH传输线的Q值不高，从而限制了其进一步的应用。

基片集成波导(SIW)是基于波导结构集成化思想提出的一种新型的类波导技术，通过将传统金属波导结构集成在低损耗介质集片中，来实现类似于传统金属波导的传输特性。它是由左右两排周期性的金属化通孔、上下两层金属面以及中间填充的低损耗介质层构成，形成了可以传播TE模的准封闭导波结构。这种结构不仅保留着与金属波导类似的低损耗、高Q值等特点，同时也具有低成本、体积小、重量轻。易于平面集成等优点，解决了传统金属波导难以集成和小型化的问题。由于整个结构完全为介质基片上的金属通孔阵列构成，因而可以利用PCB或LTCC工艺实现，可与微带电路实现无缝集成。虽然基片集成波导具有较高的Q值，可以通过PCB工艺制造，成本低，便于集成，但是在低频段其尺寸相对较大，限制了其应用，基片集成波导的小型化迫不及待。在集成波导结构上构建具有复合左右手传输线的特性，可以减小其尺寸。一些研究已经表明，与传统的SIW相比，基于复合左右手传输线的SIW具有更加紧凑的尺寸。

SIW的截止频率与其宽度成反比例关系，在设计的微波器件工作频率f比较低时，其宽度W较大，导致整个平面尺寸较大。因此，为了进一步减小SIW的平面尺寸，使其结构更为紧凑，在SIW的基础上提出一种新的导波结构—半模基片集成波导(HMSIW),这种结构是根据SIW在主模时其中心轴对称面可等效为磁壁的特性，可在物理结构上将其延中线切开分成对等的半模导波结构，HMSIW不仅继承了SIW的优点，它的尺寸还仅为SIW的一半，因此在微波电路中有着广阔的应用前景。近年来国内外基于HMSIW技术的微波器件也迅速发展起来，如滤波器、功分器等，HMSIW符合微波毫米波电路小型化的发展趋势。

滤波器作为微波系统的不可缺少的无源元件，其性能的好坏直接影响到整个系统的整体指标。基于基片集成波导的滤波器具有传统金属波导滤波器的高Q值、高功率容量、低插值损耗的和微带滤波器的小体积、低沉本、便于加工和集成等优点。而半模基片集成波导滤波器，不仅继承SIW滤波器的众多优点，面积也为SIW的一半。但其在低频段，体积相对比较大，限制了其应用，在半模基片集成波导的基础上构建具有复合左右手传输线特性的导波结构，可进一步缩小尺寸，实现半模基片集成波导滤波器的小型化。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种结构紧凑尺寸小，高Q值，基于复合左右手超材料传输线特性的半模基片集成波导的一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，包括从上到下布置的上层介质层，介质基板和下层介质层，介质基板的上下面分别与上金属片和下金属片相连，上金属片与上层介质层相连，下金属片与下层介质层相连；介质基板的一侧分布设有多个依次间隔排列的介质基板金属化通孔，上金属片和下金属片通过介质基板金属化通孔相连，介质基板的两端分别设有输入端和输出端，微波信号通过输入端进入上金属片，再通过输出端输出。

优选地，所述介质基板的上表面与上金属片的下表面贴合，上金属片的上表面与上层介质层的底面相连，介质基板的下表面与下金属片的上表面贴合，下金属片的下表面与下层介质层的上表面贴合。

优选地，所述上金属片的上部并列设有多个上金属蚀刻槽；上金属片的下部间隔设有多个微带交指结构，微带交指结构之间通过矩形槽耦合。

优选地，所述微带交指结构包括多个间隔布置的微带枝节。

优选地，所述下金属片的一侧间隔设有多个并列的下金属蚀刻槽。

优选地，所述输入端包括第一层微带线和第二层微带线，第一层微带线与上层介质层的外表面贴合，第二层微带线一端与上金属片的一端相连；第二层微带线的另一端和第一层微带线一端通过设置于上层介质层端部的介质层金属化通孔相连。

优选地，所述输入端和输出端的结构相同，输入端和输出端对称分布于介质基板的两端。

优选地，所述介质基板的介电常数为3.66，介质基板的厚度为0.508毫米。

本发明的有益效果是：

1、本发明所提供的基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器在传统的基片集成波导结构上采用半模基片集成波导(即设置介质基板，在介质基板的上下面分别与上金属片和下金属片相连)，减小了尺寸；由于复合左右手超材料传输线在低频具有左手特性，结合这种特性，在半模基片集成波导上构建具有复合左右手传输线特性的导波结构，可进一步减小尺寸，使结构更加紧凑。

2、本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，利用基于半模基片集成波导超材料传输线作为基本谐振单元，四个谐振单元通过矩形槽耦合，使得该滤波器既具备基片集成波导的高Q值特性，易于实现陡峭的衰减曲线；同时又具有更加紧凑的尺寸，兼顾了小型化和损耗小的要求，实现了滤波器的小型化，扩大了应用范围。

3、矩形蚀刻槽间的金属微带和金属通孔共同组成左手电感，微带交指结构组成左手电容，本发明通过改变金属蚀刻槽和微带交指结构的相关物理尺寸，可调节谐振单元的谐振特性，所添加的矩形蚀刻槽增加了额外的电感，使设计更加灵活。谐振单元间通过矩形槽直接耦合，改变矩形槽的长和宽的物理尺寸，可以调节谐振单元间耦合系数值。

附图说明

图1是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的结构示意图；

图2是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的主视结构示意图；

图3是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的上金属片结构图；

图4是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的下金属片结构图；

图5是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的介质基板的结构图；

图6是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的HFSS软件仿真结果S参数图；

图7是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器图3的局部结构尺寸图；

图8是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器图4的局部结构尺寸图；

图9是本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器图3的结构尺寸图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1到图9所示，一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，包括从上到下依次布置的上层介质层1，介质基板2和下层介质层3，介质基板2的上下面分别与上金属片4和下金属片5相连，上金属片4与上层介质层1相连，下金属片5与下层介质层3相连；介质基板2的一侧分布设有多个依次间隔排列的介质基板金属化通孔21，上金属片4和下金属片5通过介质基板金属化通孔21相连，介质基板2的两端分别设有输入端6和输出端7，微波信号通过输入端6进入上金属片4，再通过输出端7输出。

介质基板2的上表面与上金属片4的下表面贴合，上金属片4的上表面与上层介质层1的底面相连，介质基板2的下表面与下金属片5的上表面贴合，下金属片5的下表面与下层介质层3的上表面贴合。

如图5所示，介质基板2的介电常数为3.66，介质基板的厚度为0.508毫米。

如图3所示，在本实施例中，上金属片4的上部并列设有多个上金属蚀刻槽42，上金属蚀刻槽42之间部分设为上金属微带45，上金属片4的下部间隔设有4个微带交指结构41，微带交指结构41之间通过矩形槽43耦合。

上金属蚀刻槽42的宽度设为L4，长度设为L3；上金属微带45的宽度设为d，上金属蚀刻槽42的顶部与微带交指结构41底部的距离设为a。

在本实施例中微带交指结构41包括6个间隔布置的微带枝节44，微带枝节44相互交错布置。微带枝节44的长度设为L1，微带枝节44之间的间隙宽度设为w1，两个间隔微带枝节44之间的距离设为L2，微带交指结构41的宽度设为p。

如图4所示，下金属片5一侧间隔设有多个并列的下金属蚀刻槽51，下金属蚀刻槽51之间的部分设为下金属微带52。下金属蚀刻槽51的物理尺寸与上金属蚀刻槽42的结构相同，长度和宽度尺寸也相同。

介质基板金属化通孔21、矩形槽43，上金属微带45和下金属微带52一起构成了复合左右手传输线中的并联电感，即左手电感；上金属片4中的微带交指结构25构成了复合左右手传输线中的串联电容，即左手电容；从而构成了具有复合左右手传输线特性的半模基片集成波导谐振单元。由于介质基板金属化通孔21固定不变，通过改变金属蚀刻槽长度或宽度，微带交指结构25的相关物理尺寸，改变其等效电感电容值，从而调节其频率响应，获得所需要的谐振特性。

如图3所示，在本实施例中，每一个微带交指结构41及其上部的矩形蚀刻槽、下金属片4和介质基板2构成一个谐振单元，分别设为第一谐振单元、第二谐振单元、第三谐振单元、第四谐振单元，各个谐振单元对称布置，谐振单元结构相同且通过矩形槽43直接耦合，耦合系数大小可通过改变矩形槽43的尺寸来调节。矩形槽43的宽度设为s1，长度设为h1；第二谐振单元与第三谐振单元之间的宽度设为s2，长度设为h2。

输入端6包括第一层微带线61和第二层微带线62，第一层微带线61与上层介质层1的外表面贴合，第二层微带线62一端与上金属片4的一端相连；第二层微带线62的另一端和第一层微带线61一端通过设置于上层介质层1端部的金属化通孔相连。

在本实施例中，第二层微带线62与上金属片4的一端连接设为微带抽头线，微带抽头线距离微带交指结构41底部的距离设为t，通过调节t的大小，以获得所需要的外部Q值。

输入端6和输出端7的结构相同，输入端6和输出端7对称分布于介质基板2的两端。

微波信号从输入端6的微带抽头线进入，通过第一谐振单元后，第一谐振单元的谐振频率及其附近的一部分微波信号经过矩形槽43，耦合到第二谐振单元；第二谐振单元的谐振频率及其附近的一部分微波信号经过第二矩形槽，耦合带第三谐振单元，依次下去，通过第三矩形槽和第四谐振单元，最后经输出端7输出。最终实现滤波功能，在工作频带内微波信号通过，而在频带之外的则被反射回去。

本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，调整谐振单元的相关尺寸，获得所需要的谐振频率，在每一个谐振单元的谐振频率确定后，根据Q值和耦合系数可以确定其它物理尺寸。

在本实施例中，本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的相关物理尺寸确定为以下大小：(单位：mm)a＝6,p＝6.4,d＝0.12,L1＝5.4,L2＝0.61,L3＝1.8,L4＝1.14,w1＝0.18，s1＝0.4,h1＝3.25,s2＝0.8,h2＝3.34。根据以上尺寸设计的基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器在HFSS软件中进行仿真。

软件HFSS仿真结果如图6所示，图6中曲线S11为回波损耗曲线，曲线S21为插入损耗曲线。由图中曲线可以看出本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器的工作频率为2.58GHz时，带宽10％，S11的值优于-20db，S21靠近0db，带内回波损耗小、插入损耗低，本发明基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器达到设计要求。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，其特征在于：包括从上到下依次布置的上层介质层(1)，介质基板(2)和下层介质层(3)，介质基板(2)的上下面分别与上金属片(4)和下金属片(5)相连，上金属片(4)与上层介质层(1)相连，下金属片(5)与下层介质层(3)相连；介质基板(2)的一侧分布设有多个依次间隔排列的介质基板金属化通孔(21)，上金属片(4)和下金属片(5)通过介质基板金属化通孔(21)相连，介质基板(2)的两端分别设有输入端(6)和输出端(7)，微波信号通过输入端(6)进入上金属片(4)，再通过输出端(7)输出；

所述介质基板(2)的上表面与上金属片(4)的下表面贴合，上金属片(4)的上表面与上层介质层(1)的底面相连，介质基板(2)的下表面与下金属片(5)的上表面贴合，下金属片(5)的下表面与下层介质层(3)的上表面贴合；

所述上金属片(4)的上部并列设有多个上金属蚀刻槽(42)；上金属片(4)的下部间隔设有多个微带交指结构(41)，微带交指结构(41)之间通过矩形槽(43)耦合；

所述微带交指结构(41)包括多个间隔布置的微带枝节(44)；

所述下金属片(5)的一侧间隔设有多个并列的下金属蚀刻槽(51)。

2.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，其特征在于：所述输入端(6)包括第一层微带线(61)和第二层微带线(62)，第一层微带线(61)与上层介质层(1)的外表面贴合，第二层微带线(62)一端与上金属片(4)的一端相连；第二层微带线(62)的另一端和第一层微带线(61)一端通过设置于上层介质层(1)端部的介质层金属化通孔(11)相连。

3.根据权利要求2所述的基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，其特征在于：所述输入端(6)和输出端(7)的结构相同，输入端(6)和输出端(7)对称分布于介质基板(2)的两端。

4.根据权利要求1所述的基于半模基片集成波导超材料传输线滤波器，其特征在于：所述介质基板(2)的介电常数为3.66，介质基板(2)的厚度为0.508毫米。