CN108428975B

CN108428975B - 一种基于介质集成波导异面馈电的内埋式w波段波导滤波器

Info

Publication number: CN108428975B
Application number: CN201810146847.9A
Authority: CN
Inventors: 肖钰; 单培哲; 朱凯强; 孙厚军
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2018-02-12
Filing date: 2018-02-12
Publication date: 2019-10-11
Anticipated expiration: 2038-02-12
Also published as: CN108428975A

Abstract

本发明公开了一种基于介质集成波导异面馈电的内埋式W波段波导滤波器，谐振腔利用射频屏蔽盒的金属底板加工而成，内嵌于射频屏蔽盒的金属底板中，滤波器的上部馈电结构和下部馈电结构构成滤波器的封闭盖板；与传统的滤波器形式相比，本发明提出的滤波器利用金属屏蔽盒已有结构形成滤波器的主体部分，滤波器“藏”在金属底板内部，而不需要安装在金属底板上表面或下表面的电路板上，此时电路板上可以安装其他器件，大大节省了滤波器的安装空间，使得滤波器结构紧凑，有利于实现收发组件的小型化。

Description

一种基于介质集成波导异面馈电的内埋式W波段波导滤波器

技术领域

本发明属于毫米波金属波导滤波器技术领域，具体涉及一种基于介质集成波导异面馈电的内埋式W波段波导滤波器。

背景技术

在雷达、通信等电子设备中，滤波器是射频收发电路(组件)中不可或缺的关键器件之一。尤其是在W波段(频率范围为75GHz～110GHz)，其波长很短，滤波器对装配工艺和加工精度均有较高的要求。为了实现高性能、高集成和小型化的收发组件，W波段滤波器在电气性能方面需要尽可能实现低插入损耗和高选择性，在机械性能方面需要具备小型化、易加工、易于与收发组件中其他有源芯片和无源器件平面集成等。

在微波频段，常用的滤波器可分为微带和波导等形式。微带线滤波器因其易集成的特点在微波频段被大量采用。但是微带线滤波器在W波段品质因数较低，插入损耗较大，选择性较差因而无法满足应用需求。文献Lok L B,Hwang C J,Thayne I G.Demonstrationof a W-band microstrip parallel coupled-line bandpass filter in GaAstechnology[C].IET Seminar on Passive RF and Microwave Components,2010:37-51.报道了一种W波段砷化镓衬底微带线带通滤波器，其采用5条平行耦合线实现，中心频率(94GHz)处插入损耗2.24dB，80GHz和117GHz处抑制仅为15dB。

金属波导滤波器的品质因数较高能够很好的满足W波段系统对滤波器电气性能方面的要求，文献Vahldieck R,Bornemann J,Arndt F.W-Band Low-Insertion-Loss E-Plane Filter[J].IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,1984,32(1):133-135.所示的W波段E面金属膜片插入式波导滤波器和文献Liao X,Wan L,Yin Y.W-bandlow-loss bandpass filter using rectangular resonant cavities[J].IETMicrowaves Antennas&Propagation,2014,8(15):1440-1444所示的H面金属膜片波导滤波器等传统金属波导滤波器在W波段收发组件中应用广泛。但这类滤波器通常采用两块金属波导拼接而成，每一块金属波导上通常均需要加工一些耦合凸台，或者在两块波导之间夹一张耦合膜片从而实现所需要的滤波性能。这类滤波器结构比较复杂，通常以独立模块的形式与收发组件相连，并需要额外的转换结构(如波导-微带过渡结构)才能与其他有源芯片和无源器件互联。转换结构的引入，不仅增加了额外的损耗，也增加了系统的复杂度和体积，这些缺点掩盖了波导滤波器电气性能方面的优势。

介质集成波导(SIW)是利用介质基片上下表面金属层与两排贯穿基片、呈周期性紧密排列的金属化通孔形成。两侧的金属化通孔充当波导的金属侧壁，电磁波被通孔和上下金属层束缚于介质内部进行传输。SIW技术综合了传统金属波导高品质因数和印制电路板(PCB)易集成的优势，可以较好地解决波导滤波器平面化集成应用的难题。但采用SIW构成滤波器腔体会比金属波导腔体产生更大的损耗，文献Hao Z C,Hong W,Chen JX.Compact super-wide bandpass substrate integrated waveguide(SIW)filters[J].IEEE Transactions on Microwave Theory&Techniques,2005,53(9):2968-2977所示的基片集成波导滤波器采用了厚度0.508mm、介电常数2.2的Rogers 5880介质板，其上最小的金属化通孔直径为0.3mm，最小的孔间距为0.5mm(中心到中心)，实测的带内最小插入损耗为3.21dB。同时，由于W波段SIW滤波器物理尺寸小、对加工精度要求高，已经逼近PCB工艺加工水平极限，因此W波段基片集成波导滤波器良品率低。

另一方面，在W波段收发组件中，射频电路板通常是粘接在屏蔽盒金属底板上的，当电路比较复杂时，需要在屏蔽盒金属底板的正反两面均进行射频电路板的安装，并且需要采用特殊的转换结构(如准同轴转换结构，微带-波导-微带转换结构等)贯穿金属底板实现正面射频电路和背面射频电路的连接。这些转换结构也要占据一定的空间并引入一定的传输损耗。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种基于基片集成波导异面馈电的内埋式金属波导滤波器,结构紧凑,并且降低了系统的能量传输损耗。

一种波导滤波器，置于射频屏蔽盒内，所述射频屏蔽盒包括金属底板(72)；所述波导滤波器从上到下依次包括顶部馈电结构(101)、滤波器腔体(100)以及底部馈电结构(102)；

所述滤波器腔体(100)为在金属底板(72)上形成的5个贯穿的谐振腔，相邻两个谐振腔之间设置有耦合窗；

所述顶部馈电结构(101)和底部馈电结构(102)上均开有形成“凵”字形的过孔，“凵”字形过孔中部位置腐蚀有“H”形馈电缝隙，分别形成输入端介质集成波导和输出端介质集成波导；输入端介质集成波导的位置对应于滤波器腔体(100)左端的谐振腔；输出端介质集成波导的位置对应于滤波器腔体(100)右端的谐振腔。

进一步的，所述顶部馈电结构(101)和底部馈电结构(102)均包括上、下两层金属镀层以及中间的介质基板层，所述过孔贯穿上、下金属镀层，形成金属过孔。

较佳的，所述顶部馈电结构(101)的下层金属镀层和底部馈电结构(102)的上层金属镀层采用导电胶与金属底板(72)的上、下表面粘接。

较佳的，所述顶部馈电结构(101)和底部馈电结构(102)的介质基板层的材料为Rogers RT/duroid 5880。

较佳的，所述上、下金属镀层的厚度均为0.035mm；所述介质基板层的厚度为0.127mm；所述金属底板(72)的厚度为0.4mm～2mm。

较佳的，所述谐振腔为长方形，四个内角经过倒角处理；五个所述谐振腔关于中间的谐振腔中心轴对称；从外向内的三个谐振腔长度分别为l₁＝2.43mm，l₂＝2.34mm，l₃＝2.36mm，l₄＝1.51mm，谐振腔宽度均为a＝2.54mm，谐振腔的四个内角的曲率半径为r＝0.4mm；

较佳的，所述“H”形馈电缝隙：宽度为w＝0.61mm，高度为l＝1.18mm，外侧两个平行缝隙的宽度均为ww＝0.3mm，与五个所述谐振腔中间的谐振腔中心轴的距离为dd＝6.11mm；中间缝隙的中心与介质集成波导侧面短路端的距离d_v1＝1.5mm，

较佳的，所述过孔的直径d＝0.4mm，相邻两个过孔的圆心距离s＝0.6mm。

较佳的，所述“H”形馈电缝隙距离所在的所述介质集成波导末端短路端的距离l₄为波导波长的四分之三。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明的滤波器的谐振腔利用射频屏蔽盒的金属底板加工而成，内嵌于射频屏蔽盒的金属底板中，滤波器的上部馈电结构和下部馈电结构构成滤波器的封闭盖板。传统的滤波器通常以单独器件的形式安装在射频屏蔽盒内，多焊接在电路板上，电路板则装配在金属底板上。与传统的滤波器形式相比，本发明提出的滤波器利用金属屏蔽盒已有结构形成滤波器的主体部分，滤波器“藏”在金属底板内部，而不需要安装在金属底板上表面或下表面的电路板上，此时电路板上可以安装其他器件，大大节省了滤波器的安装空间，使得滤波器结构紧凑，有利于实现收发组件的小型化；

上部馈电结构安装在金属底板上表面并可作为正面射频电路板的一部分与与正面射频电路板相连接，下部馈电结构安装在金属底板下表面并可作为背面射频电路板的一部分与背面射频电路板相连，因此信号可从金属底板上表面传导至下表面，实现上下不同层之间的信号传输，省去了正反两面射频电路板之间的信号转换传输结构；降低了系统的能量传输损耗，减少了器件的数量，提高了系统集成度并降低了系统成本。

2、采用基片集成波导作为滤波器的输入/输出馈电结构，由于基片集成波导本身就是一种平面传输线结构，根据不同使用场景，可以方便地将其转换为微带线或共面波导传输线也可以直接与其他无源器件或有源芯片相连接。

3、在基片集成波导构成的输入/输出馈电结构中，采用“H”形耦合缝隙实现能量从介质集成波导向金属波导的过渡，采用“H”形耦合缝隙作为耦合机构，滤波器的外部品质因数随着耦合缝隙的宽度ww呈单调变化的特性，便于滤波器的调节和优化。

附图说明

图1为本发明提出的滤波器的结构示意图。

图2为本发明提出的滤波器的3D结构图；

图3为本发明提出的滤波器的俯视图以及尺寸标注；

图4为本发明滤波器实施例实测的频率响应曲线。

其中，70-上金属盖板，71-下金属盖板，72-金属底板，73-侧壁，100-滤波器腔体，101-顶部馈电结构，102-底部馈电结构，11-第一上层金属镀层，12-上层介质基板层，13-第一下层金属镀层，14-第二上层金属镀层、15-下层介质基板层，16-第二下层金属镀层，201、202、203、204、205-谐振腔，301、302、303、304-耦合窗，401、402-金属化过孔，501、502-馈电缝隙，601-左侧输入端口，602-右侧输出端口。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明所提出的滤波器适用于需要在射频屏蔽盒金属底板正反两面均需安装射频电路的应用场合。如图1所示，包括射频屏蔽盒以及滤波器本体结构，述的射频屏蔽盒包含上金属盖板70、下金属盖板71、侧壁73和金属底板72。

该滤波器本体结构从上到下的结构分别为：顶部馈电结构101、滤波器腔体100、底部馈电结构102。

顶部馈电结构101共有三层结构构成，分别为上层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层12、第一上层金属镀层11和第一下层金属镀层13。顶部馈电结构101上布有按特定规律分布的金属化过孔401，每个过孔依次贯穿第一上层金属镀层11、上层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层12和第一下层金属镀层13，实现第一上层金属镀层11和第一下层金属镀层13的电气连接并形成介质集成波导。第一下层金属镀层13上腐蚀有“H”形馈电缝隙501。

底部馈电结构102共有三层结构构成，分别为下层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层15、第二上层金属镀层14和第二下层金属镀层16。底部馈电结构102上布有按特定规律分布的金属化过孔402，每个过孔依次贯穿第二上层金属镀层14、下层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层15和第二下层金属镀层16，实现第二上层金属镀层14和第二下层金属镀层16的电气连接并形成介质集成波导。第二上层金属镀层14上腐蚀有“H”形馈电缝隙502。

通常，“H”形馈电缝隙距离介质集成波导末端短路端的距离(l₄)约为四分之三波导波长。

在金属底板72上采用数控机床加工有滤波器腔体100，滤波器腔体100共由5个谐振腔和4个耦合窗构成，从左到右依次为：第一谐振腔201、第一耦合窗301、第二谐振腔202、第二耦合窗302、第三谐振腔203、第三耦合窗303、第四谐振腔204、第四耦合窗304、第五谐振腔205。滤波器腔体100贯穿金属底板72。

所述的第一上层金属镀层11、第一下层金属镀层13、第二上层金属镀层14、第二下层金属镀层16的厚度均为0.035mm，上层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层12和下层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层15的厚度均为0.127mm。所述的金属底板的厚度为b，其通常取值范围为0.4mm～2mm。

使用时，需要采用导电胶将顶部馈电结构101中的第一下层金属镀层13与金属底板72的上表面粘接，此时，第一下层金属镀层13充当了波导谐振腔体的上盖板。采用导电胶将底部馈电结构102中的第二上层金属镀层14与金属底板72的下表面粘接，第二上层金属镀层14充当了波导谐振腔体的下盖板。滤波器在工作时，电磁信号由上层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层12左侧输入端口601馈入，在由金属化过孔401、第一上层金属镀层11和第一下层金属镀层13形成的封闭结构(基片集成波导)中传输，经“H”形馈电缝隙501将电磁信号耦合进入滤波器第一谐振腔201，再依次通过第一耦合窗301、第二谐振腔202、第二耦合窗302、第三谐振腔203、第三耦合窗303、第四谐振腔204、第四耦合窗304、第五谐振腔205，再经“H”形馈电缝隙502将波导腔100内传播的电磁波耦合进入由金属化过孔402、第二上层金属镀层14和第二下层金属镀层16形成的封闭结构(基片集成波导)中传输，最后从下层Rogers RT/duroid 5880(tm)介质基板层15右侧输出端口602馈出。

根据不同使用场景，输入/输出端口602以及输入/输出端口601可以采用渐变结构转换为微带线或共面波导传输线也可以根据需要直接与其他无源器件或有源芯片相连接。

以中心频率为93GHz，3dB带宽为2.42GHz，91GHz和95.1GHz的带外抑制优于30dB的约束指标为例，该滤波器的尺寸(以AA′轴对称)为：

l₁＝2.43mm，l₂＝2.34mm，l₃＝2.36mm，l₄＝1.51mm，a＝2.54mm，w＝0.61mm，l＝1.18mm，ww＝0.3mm，dd＝6.11mm，d_v1＝1.5mm，d＝0.4mm，s＝0.6mm，r＝0.4mm。

图4为本发明滤波器实施例实测的频率响应曲线，其中虚线为回波损耗、实线为滤波器的插入损耗。该滤波器的中心频率为93GHz，3dB带宽为2.42GHz，中心频率处插入损耗为0.96dB，带内回波损耗小于20dB，在91GHz与95.1GHz处带外抑制大于30dB。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种波导滤波器，置于射频屏蔽盒内，其特征在于，所述射频屏蔽盒包括金属底板(72)；所述波导滤波器从上到下依次包括顶部馈电结构(101)、滤波器腔体(100)以及底部馈电结构(102)；

所述顶部馈电结构(101)和底部馈电结构(102)上均开有形成“凵”字形的过孔，“凵”字形过孔中部位置腐蚀有“H”形馈电缝隙，分别形成输入端介质集成波导和输出端介质集成波导；输入端介质集成波导的位置对应于滤波器腔体(100)左端的谐振腔；输出端介质集成波导的位置对应于滤波器腔体(100)右端的谐振腔；

其中，顶部馈电结构(101)中的第一下层金属镀层(13)与金属底板(72)的上表面粘接，第一下层金属镀层(13)充当所述滤波器腔体(100)的上盖板；底部馈电结构(102)中的第二上层金属镀层(14)与金属底板(72)的下表面粘接，第二上层金属镀层(14)充当滤波器腔体(100)的下盖板。

2.如权利要求1所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述顶部馈电结构(101)和底部馈电结构(102)均包括上、下两层金属镀层以及中间的介质基板层，所述过孔贯穿上、下金属镀层，形成金属过孔。

3.如权利要求2所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述顶部馈电结构(101)的下层金属镀层和底部馈电结构(102)的上层金属镀层采用导电胶与金属底板(72)的上、下表面粘接。

4.如权利要求2所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述顶部馈电结构(101)和底部馈电结构(102)的介质基板层的材料为Rogers RT/duroid 5880。

5.如权利要求2所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述上、下金属镀层的厚度均为0.035mm；所述介质基板层的厚度为0.127mm；所述金属底板(72)的厚度为0.4mm～2mm。

6.如权利要求5所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述谐振腔为长方形，四个内角经过倒角处理；五个所述谐振腔关于中间的谐振腔中心轴对称；从外向内的三个谐振腔长度分别为l₁＝2.43mm，l₂＝2.34mm，l₃＝2.36mm，l₄＝1.51mm，谐振腔宽度均为a＝2.54mm，谐振腔的四个内角的曲率半径为r＝0.4mm。

7.如权利要求6所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述“H”形馈电缝隙：宽度为w＝0.61mm，高度为l＝1.18mm，外侧两个平行缝隙的宽度均为ww＝0.3mm，与五个所述谐振腔中间的谐振腔中心轴的距离为dd＝6.11mm；中间缝隙的中心与介质集成波导侧面短路端的距离d_v1＝1.5mm。

8.如权利要求7所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述过孔的直径d＝0.4mm，相邻两个过孔的圆心距离s＝0.6mm。

9.如权利要求1所述的一种波导滤波器，其特征在于，所述“H”形馈电缝隙距离所在的所述介质集成波导末端短路端的距离l₄为波导波长的四分之三。