CN110391487A - 一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器 - Google Patents

一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器 Download PDF

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陈钢
穆卫锋
王梓鉴
李宇波
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Abstract

本发明提供了一种基片集成波导‑‑共面波导带通双工滤波器，由基片集成波导和共面波导周期结构组成，基片集成波导上设置一个输入端和一个输出端，基片集成波导主体为介质基片，在介质基片的上、下表面上分别设置金属贴片,在介质基片上设置金属化通孔，金属化通孔贯穿介质基片以及上、下表面上的金属贴片，导通上、下表面上的金属贴片；所述共面波导周期结构包括至少个共面波导单元，基片集成波导表面的共面波导单元周期排列，所述共面波导单元整体是具有长短轴的矩形，共面波导单元短轴端口用来实现周期结构的纵向扩展，长轴端口用来实现周期结构的横向扩展。体积小，重量轻，加工成本低，易于集成的微波毫米波带通滤波器。

Description

一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器
技术领域
本发明涉及一种可以应用于微波毫米波电路的设计，可用于高度集成系统中微波毫米波集成电路的设计的基片集成波导--共面波导带通双工滤波器。
背景技术
微波毫米波带通滤波器在迅速发展的通信系统有着大量的应用。随着宽带通信系统的快速发展，对具有很宽通带的滤波器有着迫切的需求。利用传统的金属脊波导等结构可以形成宽频带微波毫米波带通滤波器。但是这些形式的滤波器首先很难做到非常宽的相对带宽(≥50％)，其次这些形式的带通滤波器体积比较庞大，难以和其他微波毫米波器件集成，第三这些形式的带通滤波器加工成本比较昂贵，加工精度的要求比较高。为了克服这些困难，需要一种具有很宽带宽(≥50％)，体积小，重量轻，加工成本低，易于集成的微波毫米波带通滤波器。
发明内容
本发明提供一种既能满足宽带或者超宽带系统中滤波器需要、又易于将通信系统中微波毫米波电路与微波毫米波高性能滤波器集成在一起的基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，具有体积小、易于集成、加工成本比较低廉，频率选择性高、损耗较低的优点。
为了实现上述目的，本发明采用了如下技术方案：
一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，由基片集成波导和共面波导周期结构组成，在基片集成波导上设有输入端和输出端，基片集成波导包括介质基片，在介质基片的上、下表面上分别设有金属贴片，在介质基片上至少还设有2行金属化通孔，上、下表面上的金属贴片由金属化通孔连接，共面波导周期结构至少包括1个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元，且该同平面紧凑型共面波导单元位于基片集成波导之内。
整个滤波器主要由金属通孔和共面波导周期结构形成，共面波导周期结构和基片集成波导紧密的集成在一起，该滤波器的尺寸比较小，有利于微波毫米波集成电路的设计。整个结构可以利用传统的工艺可以实现，满足微波毫米波立体集成电路的设计需要。
该滤波器频选特性优秀，插入损耗低和Q值高，并结合了基片集成波导Q值高与共面波导金属损耗以及辐射损耗小的特点。
所述的共面波导周期结构可以根据耦合值的需要对通孔大小，共面波导周期结构尺寸进行调整，多种耦合方式使电磁波的空间辐射损耗大幅减少；同时共面波导周期结构的耦合器在介质基本弯曲折叠时其耦合值具有很好的稳定性。
这种滤波器具有很宽的带宽，能满足很多宽带系统的要求。
该滤波器可以工作于高频(大于10GHz)微波电路中，同时具有较低的损耗。
附图说明
图1是本发明的正视结构示意图；
图2是本发明的后视结构示意图；
图3是本发明侧面局部结构示意图。
图中：1. 基片集成波导、2. 输入端、3. 输出端、4. 介质基片、5. 金属贴片、6.金属化通孔、7.共面波导单元、8.共面波导周期结构、9. 短轴端口、10. 长轴端口、11. 微带线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1，参照图1-3，为本发明提供的一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器结构示意图，其特征在于，基片集成波导(1)设有一个输入端(2)和两个输出端(3)，该基片集成波导(1)包括介质基片(4)，在介质基片(4)的上、下表面上分别设有金属贴片(5)，金属化通孔(6)贯穿介质基片(4)以及上、下表面上的金属贴片(5)，将上、下表面上的金属贴片(5)导通，基片集成波导表面的共面波导单元(7)周期排列。
实验通过时域有限差分算法（FDTD）对盾状共面波导单元构成的电子带隙结构（EBG）进行电磁仿真，以获得了EBG的阻带频率，再通过电磁全波算法对EBG进行优化，调整EBG的阻带频率使之与该滤波器的上限工作频率相等，从而获得了EBG的尺寸,实验案例中表现最好的结构参数如下：
共面波导周期结构(8)由至少3个共面波导单元(7)周期排列，本发明实施例可以采用不同数量的共面波导单元(7)进行混合，以此形成任意阶的双工器，从而提高了双工器的拓扑结构的灵活性。本实施例中完成了具有15个单元组成的基片集成波导(1)，如图1所示，由一个共面波导单元(7)组成输入端，两排共10个共面波导单元(7)组成输出端。本实施例中基片集成波导的尺寸为4.8×2.5cm2。通过实验测试其在X波段工作时，品质因数可达到3000以上，具有非常好的性能。
共面波导单元(7)整体是具有长短轴的矩形，将本实施例中共面波导单元(7)从左到右分别编号1-15，其中编号为1、2、3、8、9、10的共面波导单元(7)，其长轴长度为0.25cm，短轴长度为0.20cm，编号为5、6、7、12、13、14的共面波导单元(7)，其长轴长度为0.23cm，短轴长度为0.16cm，编号为4、8、15的共面波导单元(7)，其长轴长度为0.24cm，短轴长度为0.18cm。所有的共面波导单元(7)长短轴连接端口宽度均为0.02cm，其短轴端口(9)用来实现周期结构的纵向扩展，长轴端口(10)用来实现周期结构的横向扩展。结果显示，在该实施例在10GHz时，其插损值为-0.9dB，在X波段工作室双工滤波器两个工作信道的频率范围分别为9.1GHz—9.3GHz以及10.7GHz—10.9Ghz。
介质基片(4)由Rogers5580构成，其具有十分稳定的介电常数以及介质损耗。
共面波导单元(7)，其一侧可设有微带线(11)，通过微带线(11)与共面波导单元(7)群组进行耦合，并抑制边界反射，从而可以进一步提升滤波器品质。
在介质基片(4)上下表面的金属贴片(5)，其材质为铜。可利用PCB、LTCC等工艺实现该基片集成波导(4)的结构加工。
对本专利的测试表明该滤波器属于超宽带滤波器，其在传输速度、功耗、保密性以及抗干扰能力等方面都具有巨大的优势。
实施例2，参照图1-3，一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，由基片集成波导(1)和共面波导周期结构(8)组成，基片集成波导(1)上设置一个输入端(2)和一个输出端(3)，基片集成波导(1)主体为介质基片(4)，在介质基片(4)的上、下表面上分别设置金属贴片(5),在介质基片(4)上设置金属化通孔(6)，金属化通孔(6)贯穿介质基片(4)以及上、下表面上的金属贴片(5)，导通上、下表面上的金属贴片(5)；所述共面波导周期结构(8)包括至少个共面波导单元(7)，基片集成波导表面的共面波导单元(7)周期排列，所述共面波导单元(7)整体是具有长短轴的矩形，共面波导单元(7)短轴端口(9)用来实现周期结构的纵向扩展，长轴端口(10)用来实现周期结构的横向扩展。
实施例3，在实施例2的基础上，增设微带线(11)于共面波导单元(7)一侧，通过微带线(11)与共面波导单元(7)群组进行耦合，并抑制边界反射，从而可以进一步提升滤波器品质。
实施例中金属贴片(5)的材质为铜，介质基片(4)由Rogers5580构成。
工作原理及使用方法:
实验通过时域有限差分算法（FDTD）对盾状共面波导单元构成的电子带隙结构（EBG）进行电磁仿真，以获得了EBG的阻带频率，再通过电磁全波算法对EBG进行优化，调整EBG的阻带频率使之与该滤波器的上限工作频率相等，从而获得了EBG的尺寸,实验案例中表现最好的结构参数如下：
共面波导周期结构(8)由至少3个共面波导单元(7)周期排列，本发明实施例可以采用不同数量的共面波导单元(7)进行混合，以此形成任意阶的双工器，从而提高了双工器的拓扑结构的灵活性。本实施例中完成了具有15个单元组成的基片集成波导(1)，如图1所示，由一个共面波导单元(7)组成输入端，两排共10个共面波导单元(7)组成输出端。本实施例中基片集成波导的尺寸为4.8×2.5cm2。通过实验测试其在X波段工作时，品质因数可达到3000以上，具有非常好的性能。
共面波导单元(7)整体是具有长短轴的矩形，将本实施例中共面波导单元(7)从左到右分别编号1-15，其中编号为1、2、3、8、9、10的共面波导单元(7)，其长轴长度为0.25cm，短轴长度为0.20cm，编号为5、6、7、12、13、14的共面波导单元(7)，其长轴长度为0.23cm，短轴长度为0.16cm，编号为4、8、15的共面波导单元(7)，其长轴长度为0.24cm，短轴长度为0.18cm。所有的共面波导单元(7)长短轴连接端口宽度均为0.02cm，其短轴端口(9)用来实现周期结构的纵向扩展，长轴端口(10)用来实现周期结构的横向扩展。结果显示，在该实施例在10GHz时，其插损值为-0.9dB，在X波段工作室双工滤波器两个工作信道的频率范围分别为9.1GHz—9.3GHz以及10.7GHz—10.9Ghz。
介质基片(4)由Rogers5580构成，其具有十分稳定的介电常数以及介质损耗。
共面波导单元(7)，其一侧可设有微带线(11)，通过微带线(11)与共面波导单元(7)群组进行耦合，并抑制边界反射，从而可以进一步提升滤波器品质。
在介质基片(4)上下表面的金属贴片(5)，其材质为铜。可利用PCB、LTCC等工艺实现该基片集成波导(4)的结构加工。
对本专利的测试表明该滤波器属于超宽带滤波器，其在传输速度、功耗、保密性以及抗干扰能力等方面都具有巨大的优势。
以上，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
本发明未涉及部分均采用现有技术得以实现。

Claims (6)

1.一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，其特征在于：基片集成波导(1)设有一个输入端(2)和两个输出端(3)，该基片集成波导(1)主体介质基片(4)，在介质基片(4)的上、下表面上分别设有金属贴片(5)，金属化通孔(6)贯穿介质基片(4)以及上、下表面上的金属贴片(5)，将上、下表面上的金属贴片(5)导通，基片集成波导表面的共面波导单元(7)周期排列。
2.根据权利要求1所述一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，其特征在于：共面波导周期结构(8)由至少3个共面波导单元(7)周期排列。
3.根据权利要求1所述一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，其特征在于：共面波导单元(7)，其短轴端口(9)用来实现周期结构的纵向扩展，长轴端口(10)用来实现周期结构的横向扩展。
4.根据权利要求1所述一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，其特征在于：介质基片(4)由氮化硼单晶构成，包含但不限于氮化硼纳米晶材料。
5.根据权利要求1所述一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，其特征在于：增设微带线(11)于共面波导单元(7)一侧。
6.根据权利要求1所述一种基片集成波导--共面波导带通双工滤波器，其特征在于：金属材质为铜锡合金。
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