CN110364793A - 一种混合siw和slsp结构宽带腔体滤波器 - Google Patents

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关东方
杨章飙
游鹏
雍少为
黄贤俊
徐申达
刘莉
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Abstract

本发明提供了一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，包括中间层的第二层介质基片、介质基片两个表面上分别贴覆的第一层金属结构和第三层金属结构。该滤波器的第一层金属结构形成人工局域表面等离激元凹槽，第三层金属结构形成为微带线和共面波导激励结构。通过在介质基片上设置多个圆形金属化通孔，构成圆形谐振腔。本发明具有较宽的带宽，通带的上下边界可以单独调控，同时具有较小的尺寸和较低的插损，解决了基片集成波导谐振腔带宽有限的问题，在小型化微波电路中具有广阔的应用场景。

Description

一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器
技术领域
本发明属于无线通信与雷达系统中射频微波器件技术领域，具体涉及一种利用人工局域表面等离激元的多谐振特性的低损耗宽带基片集成波导圆形腔体滤波器。
背景技术
局域表面等离激元(LSP)是一种由入射光与金属内自由电荷相互耦合而产生的集体振荡，其可存在于纳米金属球、纳米金属杆等亚波长金属结构中。通过二维或者三维的周期性亚波长圆盘可以在微波频段模拟LSP的特性，实现多谐振特性的人工局域表面等离激元(SLSP)。SLSP具有多谐振的特性，可以通过调节其本身结构进行调谐。但由于谐振模式尖锐，相互距离较近，谐振强度逐渐减弱，SLSP具体应用较少。
基片集成波导(SIW)是一种平面导波结构，通过在印刷电路板(PCB)基板上挖掘两排金属通孔，构成波导的等效电壁。具有平面传输线和金属矩形波导的优点，有较低的插入损耗，低干扰和低辐射的性能，很容易和其他平面电路集成。而SIW谐振腔可以提供接近三维谐振器的高品质因数以及印刷电路的低成本和小尺寸，填补了平面微带线与介质谐振腔之间的技术空白。
随着电磁技术的逐渐发展，通信和雷达系统对宽带滤波器提出了越来越高的要求。由于SIW本身的特性，SIW宽带滤波器越来越受到重视。现有SIW宽带滤波器大部分基于SIW传输线和SIW多腔结构，但他们往往体积过大，无法较好的应用于印刷电路板中。在这种背景下，单腔多模SIW滤波器被提出，但由于其本身谐振模式相距较远，可利用的模式受限，带宽相对较窄。如何在单腔SIW中提高带宽，成为关键问题。现有技术中还没有基于人工局域表面等离激元的宽带基片集成波导圆形腔体滤波器，这种SIW-SLSP混合结构有较宽的带宽，同时拥有较小的尺寸和损耗，具有紧凑性高，设计简单，易加工等特性。在未来微波和太赫兹波段的集成电路和通信系统、雷达系统中有重要前景。
发明内容
本发明的发明目的是提供一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，该滤波器在保持了较小体积的同时具有较宽的带宽，通过改变该滤波器的结构参数，可以实现通带的上下边界单独调控，同时该滤波器具有较低的插损。本结构解决了基片集成波导谐振腔带宽有限的问题，在小型化微波电路中具有广阔的应用场景。
本发明的具体技术方案是一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，包括贴覆在一起的第一层金属结构、第二层介质基板和第三层金属结构，其特征在于，
所述的第三层金属结构为上下、左右都为自身对称结构，在左右对称结构的两端分别为两个对称的矩形微带线，两个矩形微带线之间为矩形金属片，矩形金属片的左右两端分别有两条上下对称的开口槽，矩形金属片左端的上开口槽由平行段和斜段组成，平行段一端位于矩形金属片的左端边缘，平行段的另一端与斜段的一端连接，斜段的另一端向矩形金属片的上端倾斜，矩形金属片左端的上下开口槽处形成共面波导激励结构，矩形金属片左端的上下开口槽平行段之间的中间金属导带与的左矩形微带线连接并且宽度相等，矩形金属片上具有对称的上下两排半圆弧状的、连接第一和第二层金属结构的金属通孔，上排金属通孔的左端位于矩形金属片左端的上开口槽的平行段的上边缘外，上排金属通孔的右端位于矩形金属片右端的上开口槽的平行段的上边缘外，上下两排半圆弧状的金属通孔的半圆弧的圆心共心并且该圆心位于第三层金属结构的结构中心上，
所述的第一层金属结构具有一个圆形的空洞，该圆形的空洞的圆心与第三层金属结构的结构中心的连线垂直于介质基板，第一层金属结构在圆形的空洞处的圆周上均布有多个形状相同的扇形开口槽，扇形开口槽两直边的延长线穿过圆形的空洞的圆心，扇形开口槽的槽底边为圆弧段，该圆弧段的圆心为圆形的空洞的圆心，该圆弧段的半径小于上下两排半圆弧状的金属通孔的半圆弧的半径。
更进一步地，所述共面波导激励结构的中间金属导带向内侧延伸到扇形开口槽对应的位置处。
更进一步地，所述金属通孔为圆形，且排列成圆形谐振腔。
更进一步地，所述的圆形的空洞的半径为r，扇形开口槽的两直边长度分为l，共有N个扇形开口槽周期，每个扇形开口槽的圆弧段的长度为a，单个周期宽度为d，其中d＝2*π*r/N,a<d。
本发明的有益效果是创新性地提出了一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，通过亚波长环形多谐振凹槽结构，在单个基片集成波导谐振腔内实现了宽带宽，同时具有较小的尺寸和较低的损耗，可以通过改变该滤波器的结构参数，实现通带的上下边界单独调控。
附图说明
图1为本发明的混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器的第一层金属结构图；
图2为本发明的混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器的第三层金属结构图；
图3为本发明的混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器传输时的S参数图。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的技术方案做进一步描述。
本发明是一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，通过微带线和共面波导馈电结构，和基片集成波导与人工局域表面等离激元混合结构之间的强耦合。实现了对基片集成波导谐振腔和人工局域表面等离激元多个谐振模式的有效激励，从而实现了一种新型宽带带通滤波器。同时利用基片集成波导谐振模式可控和人工局域表面等离激元基本轴向模中最高次谐振模式可控的特性实现了带通滤波器的上下限截止频率单独可控。由于人工局域等离激元的强束缚性，实现了宽带滤波器的低损耗传输。
如附图1－2所示，本发明的一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，由中间的第二层介质基板和其两个表面的第一、第三层金属结构构成，所述的滤波器第一层金属结构为人工局域表面等离激元凹槽，第三层金属结构为微带线和共面波导激励结构。通过在介质基片上设置多个圆形金属化通孔，构成圆形谐振腔。
本发明的一个具体实施例如下。介质基板为0.508mm厚的RogersRT5880，圆形金属化通孔按照特定顺序排列成圆形谐振腔，其中半径R＝13mm。第一层金属结构的人工局域表面等离激元为圆形的锯齿状凹槽，内半径为r＝4.5mm，凹槽长度为l＝3.7mm，一周共有60个凹槽周期，每个凹槽弧段的长度为a＝0.43mm，单个周期宽度为d＝0.86mm。第三层金属结构主要具有微带共面集成波导激励结构，其中微带和共面波导激励结构位于人工局域表面等离激元凹槽的对应位置。微带线宽度设置为w＝1.56mm从而实现和50欧姆SMA接头的匹配，共面波导的开口槽宽度ws＝0.51mm以匹配微带线阻抗。共面波导末端间隙随着锥形长度ls1＝2.14mm宽度变化为ws1＝0.63mm，实现了对基片集成波导圆形谐振腔和人工局域表面等离激元多个谐振模式高效激励。
如附图3所示，实线为传输系数S21，虚线为反射系数S11。仿真结果中心频率10GHz，损耗为0.6dB，3dB带宽60％(3dB带宽定义为S21>-3dB对应的频率带宽除以中心频率)。
综上所述，随着微波技术的快速发展，现代通信和雷达系统需要具有低轮廓，高集成度和优异性能的滤波器。由于具有高Q因子，低插入损耗和低干扰的优点，基板集成波导(SIW)已被开发用于设计高性能滤波器。已经发布了具有不同滤波特性的各种SIW滤波器，例如窄带，宽带和多频带。为了满足宽带通信系统中的高数据速率，宽带带通滤波器(BPF)的设计引起人们广泛关注。
通过引入多模谐振技术(MMR)，可以在单个SIW腔中实现宽带滤波器。目前的单腔多模滤波器主要通过SIW腔中激发简并谐振模式来拓宽带宽。为了进一步改善带宽，近些年出现了三模SIW滤波器。例如，将双模方环谐振器和单模谐振金属腔结合，组成多层三模SIW滤波器，其带宽为12％。此外，还在单层基板上提出了三模式SIW滤波器。通过在SIW腔的中心放置一个额外的金属通孔来实基本谐振模式谐振频率提高到两个更高阶简并模式，重新分配三个谐振模式以构建具有14％带宽的滤波器。通过在SIW腔体上表面开槽，形成互补开环谐振(CSRR)结构设计三模SIW宽带滤波器。调整CSRR的大小，有效控制通带位置，最终带宽为16.5％。如上可知，MMR滤波器技术可以实现小尺寸的宽带滤波。然而，目前设计的多模谐振SIW腔体滤波器所使用的模式数量有限导致带宽受限。
本发明的一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，实现了百分之60的带宽，可以提高基片集成波导谐振腔带宽、减小传输时的损耗。并具有体积小、设计简单、带宽宽、易于加工、传输效果好等优点，同时上下截止频率可单独调控，显著提高了SIW单腔滤波器带宽。在未来微波和太赫兹波段的等离激元集成电路和通信系统中有着重要的前景。
以上所述仅是本发明的优选实施方式。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，包括贴覆在一起的第一层金属结构、第二层介质基板和第三层金属结构，其特征在于，
所述的第三层金属结构为上下、左右都为自身对称结构，在左右对称结构的两端分别为两个对称的矩形微带线，两个矩形微带线之间为矩形金属片，矩形金属片的左右两端分别有两条上下对称的开口槽，矩形金属片左端的上开口槽由平行段和斜段组成，平行段一端位于矩形金属片的左端边缘，平行段的另一端与斜段的一端连接，斜段的另一端向矩形金属片的上端倾斜，矩形金属片左端的上下开口槽处形成共面波导激励结构，矩形金属片左端的上下开口槽平行段之间的中间金属导带与的左矩形微带线连接并且宽度相等，矩形金属片上具有对称的上下两排半圆弧状的、连接第一和第二层金属结构的金属通孔，上排金属通孔的左端位于矩形金属片左端的上开口槽的平行段的上边缘外，上排金属通孔的右端位于矩形金属片右端的上开口槽的平行段的上边缘外，上下两排半圆弧状的金属通孔的半圆弧的圆心共心并且该圆心位于第三层金属结构的结构中心上，
所述的第一层金属结构具有一个圆形的空洞，该圆形的空洞的圆心与第三层金属结构的结构中心的连线垂直于介质基板，第一层金属结构在圆形的空洞处的圆周上均布有多个形状相同的扇形开口槽，扇形开口槽两直边的延长线穿过圆形的空洞的圆心，扇形开口槽的槽底边为圆弧段，该圆弧段的圆心为圆形的空洞的圆心，该圆弧段的半径小于上下两排半圆弧状的金属通孔的半圆弧的半径。
2.根据权利要求1所述的一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，其特征在于，所述共面波导激励结构的中间金属导带向内侧延伸到扇形开口槽对应的位置处。
3.根据权利要求1所述的一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，其特征在于，所述金属通孔为圆形，且排列成圆形谐振腔。
4.根据权利要求1所述的一种混合SIW和SLSP结构宽带腔体滤波器，其特征在于，所述的圆形的空洞的半径为r，扇形开口槽的两直边长度分为l，共有N个扇形开口槽周期，每个扇形开口槽的圆弧段的长度为a，单个周期宽度为d，其中d＝2*π*r/N,a<d。
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