CN110838610B - 一维滤波阵列介质波导带通滤波器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器，包括微带线、输入输出过渡结构、介质波导，其特征是在该介质波导的上金属层的宽边中心线上蚀刻呈一字形排列的一维滤波阵列结构；该一维滤波阵列结构包括至少三个形状为环形的一维滤波结构，该一维滤波阵列结构以中心位蚀刻的一维滤波结构的面积为最大，中心位左右两侧分别蚀刻的一维滤波结构的面积按n元线阵的切比雪夫阵函数或泰勒阵函数的幅度系数加权值变化，呈现从中间向两端依次渐变减小，且一维滤波结构以介质基片长度方向和宽度方向的中心线为基准对称排列；该一维滤波结构包括EBG周期性单元和内圆金属层。本发明满足对微波毫米波带通滤波器的通带频率、通带带宽和阻带频率的灵活设计。

Description

一维滤波阵列介质波导带通滤波器及其设计方法

技术领域

本发明属于电磁场与微波技术领域，特别是涉及一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器及其设计方法。

背景技术

微波毫米波带通滤波器是微波毫米波系统的关键、核心部件，广泛地用于雷达、通信、电子战等系统，主要用于通道选择、滤除带外杂散及干扰、提高系统信噪比等。随着电磁频谱利用率的提高以及各种射频系统应用增多、性能提高，可用的电磁频谱越来越拥挤，电磁干扰和电磁兼容问题日趋突出，这对射频滤波器的性能提出了更为严格的要求，尤其是对通带性能及带外寄生频带抑制的要求越来越高。

作为类波导结构，介质波导或基片集成波导(SIW)滤波器在不牺牲滤波器性能的情况下，可以极大地减小波导滤波器的尺寸；具有高性能、低成本、小尺寸、易集成的优点。与传统的平面带线滤波器相比，介质波导或SIW滤波器有效地降低了辐射损耗，尤其是在毫米波频段。但是，目前很多介质波导或SIW滤波器采用通孔结构实现磁场耦合，通孔耦合在频率很高时，由于波长很短，通孔的半径相对于波长来说已经很大了，所以很难通过通孔耦合来实现通带；此外，过多的通孔结构不仅增加了加工工艺的复杂性，还降低了介质基片的整体结构强度。

自从1987年，美国加州大学的Yablonovitch首次提出光子晶体的概念以来，光子晶体受到许多科学领域的关注。它是指具有一定光子带隙(Photonic Band-Gap，简称PBG)的一种人造周期性电介质结构。这一概念源于光学领域，但是目前其研究范围已涉及到光学、电磁学、声学波段，在微波毫米波领域通常称其为电磁带隙(Electromagnetic Bane-Gap，简称EBG)结构。EBG结构在微波毫米波领域应用范围越来越广，在微波电路中可以用作带阻滤波器、谐振器、抑制谐波、提高射频放大器效率；在天线方面可以用其作为反射面，抑制表面波，从而改善天线方向图等。

关于EBG结构的滤波器，相关文献报道很多，主要是用于带阻滤波器、低通滤波器或者带通滤波器，也提出了一些设计方法：

2005年，Zhang-Cheng Hao等人在IEEE Transaction on MTT上发表的“Compactsuper-wide bandpass substrate integrated waveguide(SIW)filters”以及2007年，X.-C.Zhang等人在Progress In Electromagnetics Research上发表的“Novel band-passsubstrate integrated waveguide(SIW)filter based on complementary split ringresonators(CSRRS)”，提出了将EBG结构或开口环谐振器(CSRR)的带阻特性应用到基片集成波导(SIW)结构中，使得EBG/CSRR单元对称、均匀地蚀刻在SIW上或下金属层中，构成宽带带通滤波器。Hao提出的SIW滤波器中，EBG结构的印制金属贴片形状要复杂很多，即需设计的结构参数较多，其本质就是靠金属贴片之间的耦合提供等效电感和等效电容来调节电磁带隙的频率位置，从而获得所需的滤波特性。Deng提出的SIW滤波器中采用互补开口环谐振器(CSRR)加载，即在SIW的金属贴片上蚀刻开口环状缝隙；这类滤波器以CSRR单元组成周期性结构，CSRR单元具有很强的谐振特性，在单个CSRR的谐振频率附近即可产生一段窄的阻带，阻碍电磁波的通过。通过设计不同尺寸的CSRR单元，组合不同谐振频率的CSRR单元，以调节阻带带宽，这与传统的EBG结构“布拉格反射”原理是不同的。上述两类滤波器的周期性结构设计都较为复杂，滤波器的尺寸较大，且阻带宽度和抑制度不足，其带隙特性较一般；同时下金属层上蚀刻EBG单元，因壳体相应位置需开槽，以让开EBG结构避免短路，所以不利于电路组装。而现有采用谐振腔耦合形式的波导、腔体类结构滤波器，由于受高阶模的影响，寄生通带距离信号通带较近，带外抑制能力明显不足。

《工程设计学报》2013年01期刊载的“基于EBG结构的基片集成波导超宽带带通滤波器”一文中，提出了“带通滤波器的结构在微波毫米波电路设计中，周期性结构是一种非常有意义的电路，有些周期结构具有很好的低通频率特性，而基片集成波导具有极好的高通特性。因此，如果能够将这些EBG结构和基片集成波导集成在一起，将会获得超宽带带通滤波器”的观点，并且根据这一观点，设计了一个五阶SIW-EBG带通滤波器方案，但该方案存在的明显不足：(1)阻带抑制能力明显不足；(2)该箭头形带隙结构主要是利用周期单元自身的谐振效应，形成带隙，属于谐振器机理；因此，箭头缝隙长a的大小会影响谐振频率；单个箭头带隙结构的谐振频率附近即可产生一段窄的阻带，阻碍电磁波的通过；文中三种a尺寸的谐振单元对应不同的阻带谐振频率，这样通过设计不同尺寸的箭头带隙单元，并将其组合，就可以获得所需的阻带带宽；若要获得较宽的阻带带宽，就需要较多数量、不同尺寸的箭头单元，这与周期性单元尺寸线性渐变或函数渐变是完全不同的概念；(3)设计复杂，要确定箭头单元的谐振频率的位置，需要调整箭头单元缝隙的长宽等尺寸，即改变其等效电路中电容、电感参数来获得所需谐振频率，设计方法不直观，没有解析的公式分析，只能通过不断的仿真调试来实现。

中国专利申请201310478539.3公开了“一种正弦加窗型电磁带隙带阻滤波器”，该滤波器包括上层的微带线结构、中间层的介质基板以及下层的接地金属面，上层微带线结构附着在中间介质板上表面，接地金属面附着在中间介质板下表面，上层的微带线结构包括在两端的输入端口、输出端口以及经过加窗函数调制的周期性微带线。本发明将缺陷面接地的加权技术直接用于一维正弦EBG带阻滤波器的微带传输线设计中，通过窗函数对信号进行加权，以减小对无限时域信号进行有限截断时的截断误差。这样在保证器件性能不变的情况下，做到器件尺寸的小型化，可用较小的正弦型周期数目来实现。本发明改善了带阻滤波器的通带波纹和反射旁瓣性能，使得该类滤波器的制作工艺也更加简单。但该方案存在的明显不足是：(1)要保证“每个单元的微带线平均特性阻抗仍然是50Ω，对于不同的正弦单元，微带线的线宽最大值越大，其最小值也越小”，会造成最小线宽过细，难以加工，不能满足实际工程要求；(2)为了有效的提高阻带深度，加权耦合系数R_max取值不能太小，这样就会引起正弦单元中的微带线线宽最大值与最小值之比过于悬殊，造成(1)所述问题；(3)为了得到更好的通带和阻带特性，需要增加正弦单元的个数，这样在一定窗函数加权之后的滤波器，相邻正弦单元之间对应微带线的线宽差别不大；再考虑到加工容差，很有可能相邻单元间的对应线宽趋近一致，无法区分，影响性能；若要获得理想的性能，则又造成了加工困难。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术所存在的不足而提供一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器及其设计方法，本发明利用阵函数加权的方法来设计介质波导上的一维滤波阵列，该阵列为函数渐变的一维滤波结构，从而能够满足对微波或毫米波带通滤波器的通带频率、通带带宽和阻带频率的灵活设计。

根据本发明提出的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，包括微带线、输入输出过渡结构、介质波导，所述介质波导为从上至下依次层叠设置的上金属层、介质基片、下金属层，所述上金属层覆盖在介质基片的上表面上，所述下金属层全部覆盖在介质基片的下表面上，所述下金属层的底面为接地面，以覆盖在介质基片的上金属层、下金属层以及两侧壁包边金属层构成具有填充介质基片材料的矩形波导腔；

其特征在于：还包括在所述介质波导的上金属层的宽边中心线上蚀刻呈一字形排列的一维滤波阵列结构；该一维滤波阵列结构包括至少三个形状为环形的一维滤波结构，该一维滤波阵列结构以中心位蚀刻的一维滤波结构的面积为最大，中心位左右两侧分别蚀刻的一维滤波结构的面积按照n元线阵的切比雪夫阵函数或泰勒阵函数的幅度系数加权值变化，呈现出从中间向两端依次渐变减小，且一维滤波结构以介质基片长度方向和宽度方向的中心线为基准对称排列；所述一维滤波结构包括EBG周期性单元和内圆金属层；

所述上金属层的长边方向的两侧分别依次连接微带线、输入输出过渡结构和蚀刻有一维滤波阵列的介质波导。

本发明提出的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器的设计方法，其特征在于，具体包括：

1)所述介质基片选用材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板经薄膜工艺制成，或者选用材质为普通介质基片、液晶聚合物(LCP)或LTCC基板经薄膜工艺制成，或者选用材质为高阻硅衬底经MEMS工艺制成；

2)利用切比雪夫或泰勒阵函数加权方法，设计在上金属层上蚀刻的一维滤波阵列结构，综合得出各一维滤波结构的激励幅度分布，使得一维滤波结构中的EBG周期性单元面积(S_i＝π*(R_i ²-r_i ²))服从于切比雪夫分布或泰勒分布；

3)利用介质波导的高通特性，通过介质波导的宽边尺寸W的选取，得到相应的高通滤波截止频率

其中，c为真空中的光速、ε_r为介质基片的介电常数，然后设计带通滤波器通带的下边频点；

4)在所述上金属层的宽边中心线上，按照切比雪夫或泰勒阵函数的幅度系数变化范围计算一维滤波结构尺寸，得到相应的低通滤波特性，使其与介质波导的高通特性相结合构成带通滤波器。

本发明的设计原理是：巧妙地将介质波导的高通特性与一维滤波阵列结构的低通特性相结合，构成了所需带宽的带通滤波器。因一维滤波阵列结构是一种周期性结构，该周期性结构中传输的波，每经过一个空间周期，电磁能量就反射一部分，经过多个空间周期就会形成全反射，构成周期结构的阻带，这种分布式的反射称为“布拉格反射”，这样就可获得较宽的阻带、阻带衰减大、选择性高的通带-阻带滤波特性；但同时由于周期性的反射，也会造成传输特性在通带中存在起伏，所以本发明通过采用阵函数加权的方法将一维滤波阵列结构的尺寸设计为渐变结构，能够有效地消除周期性一维滤波阵列结构引起的通带波纹，改善通带的平坦度。总体上来说，本发明充分地利用了波导腔和一维滤波阵列结构截止频率处陡降、带外衰减大及阻带带宽较宽的优点；同时，可以根据一维滤波阵列结构的周期设计阻带频率。

本发明与现有技术相比其显著优点在于：

第一，本发明的一维滤波阵列介质波导带通滤波器的通带频率、通带带宽和阻带频率可以根据需要灵活设计，特别适用于宽带带通滤波器；

第二，本发明的一维滤波阵列介质波导带通滤波器具有频率选择性好、低插损、结构简单、整体尺寸较小、便于集成等的优点。

第三，相比于传统的带线结构滤波器，本发明的一维滤波阵列介质波导带通滤波器的辐射损耗小，尤其是在毫米波频段。

第四，现有采用谐振腔耦合形式的波导、腔体类结构滤波器，由于受高阶模的影响，寄生通带距离信号通带较近，带外抑制能力不足；而本发明的一维滤波阵列介质波导带通滤波器能够获得较宽的阻带，边带抑制陡峭，可广泛适用于微波或毫米波集成前端。

附图说明

图1为根据本发明所提出的一维滤波阵列介质波导带通滤波器的三维示意图。

图2为介质波导的横截面示意图。

图3为输入输出过渡结构7的示意图。

图4a、图4b和图4c组合图为根据本发明所提出的切比雪夫或泰勒阵函数加权的一维滤波阵列介质波导带通滤波器的示意图。其中：

图4a为一维滤波阵列介质波导带通滤波器的俯视示意图。

图4b为调制一维滤波阵列的切比雪夫分布曲线示意图。

图4c为调制一维滤波阵列的泰勒分布曲线示意图。

图5a为图4中注释“P”所指的圆环形的EBG周期性单元5的示意图。

图5b为图4中注释“P”所指的方环形的EBG周期性单元5的示意图。

图5c为图4中注释“P”所指的三角环形的EBG周期性单元5的示意图。

图6为图2所示的介质波导传输线幅频特性仿真结果示意图。

图7为根据本发明所提出的切比雪夫分布一维滤波阵列介质波导带通滤波器的幅频特性仿真和测试结果对比示意图。

图8为根据本发明所提出的泰勒分布一维滤波阵列介质波导带通滤波器的幅频特性仿真和测试结果对比示意图。

附图中的标记说明如下：上金属层1、介质基片2、下金属层3、介质基片2的两侧壁的包壁金属层4、EBG周期性单元5、内圆金属层6、输入输出过渡结构7、微带线8。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

结合图1和图2，本发明提出的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，包括微带线8、输入输出过渡结构7、介质波导，所述介质波导为从上至下依次层叠设置的上金属层1、介质基片2、下金属层3，所述上金属层1覆盖在介质基片2的上表面上，所述下金属层3全部覆盖在介质基片2的下表面上，所述下金属层3的底面为接地面，以覆盖在介质基片2的上金属层1、下金属层3以及两侧壁包边金属层4构成具有填充介质基片2材料的矩形波导腔；还包括在所述介质波导的上金属层1的宽边中心线上蚀刻呈一字形排列的一维滤波阵列结构；该一维滤波阵列结构包括至少三个形状为环形的一维滤波结构，该一维滤波阵列结构以中心位蚀刻的一维滤波结构的面积为最大，中心位左右两侧分别蚀刻的一维滤波结构的面积按照n元线阵的切比雪夫阵函数或泰勒阵函数的幅度系数加权值变化，呈现出从中间向两端依次渐变减小，且一维滤波结构以介质基片2长度方向和宽度方向的中心线为基准对称排列；所述一维滤波结构包括EBG周期性单元5和内圆金属层6；所述上金属层1的长边方向的两侧分别依次连接微带线8、输入输出过渡结构7和蚀刻有一维滤波阵列的介质波导。

本发明提出的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器的进一步优选方案是：

所述介质波导为从上至下依次层叠设置的上金属层1、介质基片2、下金属层3，所述上金属层1覆盖在介质基片2的上表面上，所述下金属层3全部覆盖在介质基片2的下表面上，所述下金属层3的底面为接地面，以覆盖在介质基片2的上金属层1、下金属层3以及在上金属层1与下金属层3之间等距离设置两排金属通孔构成基片集成波导腔，该基片集成波导腔内填充有介质基片2材料；所述上金属层1上印制有电路结构，该电路结构包括所述金属层1的宽边中心线上蚀刻有呈一字形排列的一维滤波阵列结构；其中，所述等距离设置两排金属通孔是指平行排列的两排金属通孔以及金属通孔之间均为等距离间隔。

所述介质基片2的材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板、普通介质基片、LCP液晶聚合物、LTCC基板或高阻硅衬底。

所述一维滤波阵列结构包括至少三个形状为圆环形、方环形或三角环形的一维滤波结构。

所述介质波导上靠外侧的一维滤波结构的环形中心与介质波导端口之间的距离为S₀，该S₀为带通滤波器通带的上边频点波导波长的四分之一。

所述输入输出过渡结构7的接地共面波导传输线的长度为d、间隙宽度为W_s。

所述微带线8、输入输出过渡结构7以介质基片2长度方向和宽度方向的中心线为基准对称。

所述微带线8的特性阻抗为50欧姆。

根据本发明提出的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器的设计方法，具体包括：

1)所述介质基片2选用材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板经薄膜工艺制成，或者选用材质为普通介质基片、液晶聚合物(LCP)或LTCC基板经薄膜工艺制成，或者选用材质为高阻硅衬底经MEMS工艺制成；

2)利用切比雪夫或泰勒阵函数加权方法，设计在上金属层1上蚀刻的一维滤波阵列结构，综合得出各一维滤波结构的激励幅度分布，使得一维滤波结构中的EBG周期性单元面积(S_i＝π*(R_i ²-r_i ²))服从于切比雪夫分布或泰勒分布；

3)利用介质波导的高通特性，通过介质波导的宽边尺寸W的选取，得到相应的高通滤波截止频率

其中，c为真空中的光速、ε_r为介质基片(2)的介电常数，然后设计带通滤波器通带的下边频点；

4)在所述上金属层1的宽边中心线上，按照切比雪夫或泰勒阵函数的幅度系数变化范围计算一维滤波结构尺寸，得到相应的低通滤波特性，使其与介质波导的高通特性相结合构成带通滤波器。

根据提出的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器的设计方法的进一步优选方案是：

所述一维滤波结构的周期长度a_i(i＝1～5)为位于带通滤波器阻带中心频率处波导波长的二分之一，由此根据相邻的一维滤波结构之间的间距设计所需的阻带频率；或者采用周期长度线性渐变的方法，以阻带中心频率处的波导波长的二分之一作为中间的一个周期保持不变，沿一个方向周期长度线性增加，沿另一个方向线性减小；或者以阻带中心频率处的波导波长的二分之一作为最小/大的周期长度，沿一个方向周期长度线性增加/减小。

下面结合附图进一步详细说明本发明的具体实施例。

本发明提出的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器的结构如图1所示，包括上金属层1、介质基片2、下金属层3(如图2所示)、介质基片2的两侧壁的包壁金属层4、介质形状为圆环形的EBG周期性单元5、内圆金属层6、输入输出过渡结构7、微带线8。其中：圆环形(如图5a所示)的EBG周期性单元5蚀刻在上金属层1中，EBG周期性单元的数量以不少于3个为佳，一般为3～12个，本实施例蚀刻的EBG周期性单元的数量为10个；微带线8通过输入输出过渡结构7实现与介质波导腔或基片集成波导腔的连接。所述介质基片2的材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板、普通介质基片、LCP液晶聚合物基片、LTCC基板或高阻硅衬底。所述介质形状还可以为方环形(如图5b所示)或三角环形(如图5c所示)等其它几何形状。

如图1所示的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器，该带通滤波器采用薄膜工艺加工制成，其中带通滤波器采用材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板，该陶瓷基板的厚度为h＝0.127mm，也可以采用相同厚度的普通介质基片、LCP液晶聚合物基片、LTCC基板或者高阻硅衬底。图3中d为接地共面波导传输线的长度、W_s为间隙宽度。

图4a、图4b和图4c组合图所示的一种一维滤波阵列介质波导带通滤波器的示意图，微带线8、输入输出过渡结构7以介质基片2长度方向和宽度方向的中心线为基准对称，共设有10个圆环形的EBG周期性单元5，且左右对称，沿传输方向从介质基片2的长度方向中心线向左右两侧对称展开，具体物理参数如下：

1)将EBG周期性单元5中的外圆环半径依次设为：R₁、R₂、R₃、R₄、R₅；

2)将内圆金属层6的圆半径依次设为：r₁、r₂、r₃、r₄、r₅；

3)以相邻的EBG周期性单元5之间的间距为周期长度，该周期长度依次设为a₁、a₂、a₃、a₄、a₅；

4)设S₀为靠外侧的一维滤波结构的环形中心与介质波导端口之间的距离，W_m为微带线8的线宽，W、L分别为介质波导横截面尺寸的宽度和长度。

取介质波导的宽度W为1.1mm，可得到相应的高通滤波截止频率，图6所示为如图2的介质波导传输线的高通滤波特性，截止频率f_c＝44GHz，在加载一维滤波阵列结构之后，该截止频率会提高到50GHz左右，从而设计带通滤波器通带的下边频点；在介质波导的上金属层1的宽边中心线上，利用阵函数加权的方法，以主次比值决定阵函数的系数为依据，主次比值取20dB～50dB，本实施例取值25dB；使环形的EBG周期性单元5的面积S_i＝π*(R_i ²-r_i ²)服从切比雪夫或泰勒分布，并按照切比雪夫或泰勒阵函数的幅度系数变化，得到相应的低通滤波截止频率，即带通滤波器通带的上边频点，从而获得带通滤波性能；一维滤波结构的周期长度a_i(其中i＝1～5)为位于带通滤波器的阻带中心频率处波导波长的二分之一；可根据相邻的一维滤波结构之间的间距设计所需的阻带频率；或者采用周期长度线性渐变的方法，以阻带中心频率处的波导波长的二分之一作为中间的一个周期保持不变，沿一个方向周期长度线性增加，沿另一个方向线性减小；或者以阻带中心频率处的波导波长的二分之一作为最小或最大的周期长度，沿一个方向周期长度线性增加或减小。

具体设计步骤如下：

⑴一维滤波结构的周期长度a_i(i＝1～5)均设为阻带中心频率处的波导波长的二分之一，记为a。

⑵以介质基片2长度方向中心线两侧的EBG周期性单元5的尺寸为基准，令

为“填充因子”，

为“环比”，由此求出该单元的外圆半径R₁和内圆金属层6半径r₁，则介质基片2长度方向中心线两侧的两个圆环面积采用S₁＝π*(R₁ ²-r₁ ²)得出。

⑶切比雪夫多项式可以表示为：T_m(z)＝cos[mcos^-1(z)]，|z|≤1；

将n元线阵的阵函数与m＝n-1阶的切比雪夫多项式相对应，即可得到切比雪夫阵列的幅度系数加权值：

其中，

R既是主次比。

将n元线阵的阵函数与泰勒多项式相对应，即可得到泰勒阵列的幅度系数加权值：

其中，

σ和A²由主次比值可查表求得，σ为波瓣展宽因子。

根据阵函数加权的方法，对于10个EBG周期性单元5，主次比值为25dB，有：

①根据切比雪夫综合法，各EBG周期性单元5的激励幅值为：

I₅＝0.3950、I₄＝0.5056、I₃＝0.7214、I₂＝0.8993、I₁＝1.0、I₁＝1.0、I₂＝0.8993、I₃＝0.7214、I₄＝0.5056、I₅＝0.3950；

②根据泰勒综合法，各EBG周期性单元5激励幅值为：

I₅＝0.4126、I₄＝0.5131、I₃＝0.7249、I₂＝0.9009、I₁＝1.0、I₁＝1.0、I₂＝0.9009、I₃＝0.7249、I₄＝0.5131、I₅＝0.4126。

其中，介质基片2长度方向中心线两侧的两个EBG周期性单元5的幅值为：I₁＝1.0；其余单元的幅值I_i(i＝2～5)按上述取值变化。

⑷EBG周期性单元5的面积S_i服从切比雪夫或泰勒分布，并按照切比雪夫或泰勒阵函数的幅度系数变化，可以得出S_i(i＝2～5)，即：

①切比雪夫阵列：S₂＝0.8993S₁、S₃＝0.7214S₁、S₄＝0.5056S₁、S₅＝0.3950S₁；

②泰勒阵列：S₂＝0.9009S₁、S₃＝0.7249S₁、S₄＝0.5131S₁、S₅＝0.4126S₁。

⑸根据公式

及S_i＝π*(R_i ²-r_i ²)(i＝2～5)，可分别得出其余各EBG周期性单元5的R_i和r_i值。

⑹设计靠外侧的一维滤波结构的环形中心与介质波导端口之间的距离S₀，可获得一维滤波结构与介质波导间最佳的匹配；一般，该S₀为带通滤波器通带的上边频点波导波长的四分之一。

⑺设计接地共面波导传输线的长度d和间隙宽度W_s，可以调节输入输出过渡结构7的匹配，获得最佳性能。

图7、图8为本发明的幅频特性仿真和测试结果对比示意图。测试夹具包括：一对同轴波导转换和一对波导微带转换。其中，图7为基于切比雪夫渐变技术的介质波导滤波器，实测3dB带宽频率范围：49.85GHz～59.1GHz，带宽：17％，带内插入损耗最小值为1.45dB，反射损耗≤-10dB，实测通带带宽比仿真值缩减1GHz；设计阻带中心频率为：70GHz，阻带抑制仿真值为：63dB。图8为基于泰勒渐变技术的介质波导滤波器，实测3dB带宽频率范围：50.25GHz～59.4GHz，带宽：16.7％，带内插入损耗最小值为1.3dB，反射损耗≤-9dB，实测通带带宽比仿真值缩减1GHz；设计阻带中心频率为：70GHz，阻带抑制仿真值为：60dB。

本发明的具体实施方式中凡未涉及的说明属于本领域公知的技术，可参考公知技术加以实施。

本发明经反复试验验证，取得了满意的效果。以上实施例的仿真结果与实验结果均验证了本发明的有效性。

以上具体实施方式及实施例是对本发明提出的一维滤波阵列介质波导带通滤波器及其设计方法技术思想的具体支持，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案保护的范围。

Claims (10)

1.一维滤波阵列介质波导带通滤波器，包括微带线(8)、输入输出过渡结构(7)、介质波导，所述介质波导为从上至下依次层叠设置的上金属层(1)、介质基片(2)、下金属层(3)，所述上金属层(1)覆盖在介质基片(2)的上表面上，所述下金属层(3)全部覆盖在介质基片(2)的下表面上，所述下金属层(3)的底面为接地面，以覆盖在介质基片(2)的上金属层(1)、下金属层(3)以及两侧壁包边金属层(4)构成具有填充介质基片(2)材料的矩形波导腔；

其特征在于：还包括在所述介质波导的上金属层(1)的宽边中心线上蚀刻呈一字形排列的一维滤波阵列结构；该一维滤波阵列结构包括至少三个形状为环形的一维滤波结构，该一维滤波阵列结构以中心位蚀刻的一维滤波结构的面积为最大，中心位左右两侧分别蚀刻的一维滤波结构的面积按照n元线阵的切比雪夫阵函数或泰勒阵函数的幅度系数加权值变化，呈现出从中间向两端依次渐变减小，且一维滤波结构以介质基片(2)长度方向和宽度方向的中心线为基准对称排列；所述一维滤波结构包括EBG周期性单元(5)和内金属层(6)；

所述上金属层(1)包括依次连接微带线(8)、输入输出过渡结构(7)、介质波导、输入输出过渡结构(7)和微带线(8)。

2.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于，所述介质波导为从上至下依次层叠设置的上金属层(1)、介质基片(2)、下金属层(3)，所述上金属层(1)覆盖在介质基片(2)的上表面上，所述下金属层(3)全部覆盖在介质基片(2)的下表面上，所述下金属层(3)的底面为接地面，以覆盖在介质基片(2)的上金属层(1)、下金属层(3)以及在上金属层(1)与下金属层(3)之间等距离设置两排金属通孔构成基片集成波导腔，该基片集成波导腔内填充有介质基片(2)材料；所述上金属层(1)上印制有电路结构，该电路结构包括所述金属层(1)的宽边中心线上蚀刻有呈一字形排列的一维滤波阵列结构。

3.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于：所述介质基片(2)的材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板、普通介质基片、LCP液晶聚合物、LTCC基板或高阻硅衬底。

4.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于：所述一维滤波阵列结构包括至少三个形状为圆环形、方环形或三角环形的一维滤波器结构。

5.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于：所述介质波导上靠外侧的一维滤波结构的环形中心与介质波导端口之间的距离为S₀，该S₀为带通滤波器通带的上边频点波导波长的四分之一。

6.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于：所述输入输出过渡结构(7)的接地共面波导传输线的长度为d、间隙宽度为W_s。

7.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于：所述微带线(8)、输入输出过渡结构(7)以介质基片(2)长度方向和宽度方向的中心线为基准对称。

8.根据权利要求1所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器，其特征在于：所述微带线(8)的特性阻抗为50欧姆。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器的设计方法，其特征在于：具体包括：

1)所述介质基片(2)选用材质为99.6％Al₂O₃的陶瓷基板经薄膜工艺制成，或者选用材质为普通介质基片、液晶聚合物(LCP)或LTCC基板经薄膜工艺制成，或者选用材质为高阻硅衬底经MEMS工艺制成；

2)利用切比雪夫或泰勒阵函数加权方法，设计在上金属层(1)上蚀刻的一维滤波阵列结构，综合得出各一维滤波结构的激励幅度分布，使得一维滤波结构的面积服从于切比雪夫分布或泰勒分布；

3)利用介质波导的高通特性，通过介质波导的宽边尺寸W的选取，得到相应的高通滤波截止频率

其中，c为真空中的光速、ε_r为介质基片(2)的介电常数，然后设计带通滤波器通带的下边频点；

4)在所述上金属层(1)的宽边中心线上，按照切比雪夫或泰勒阵函数的幅度系数变化范围计算一维滤波结构尺寸，得到相应的低通滤波特性，使其与介质波导的高通特性相结合构成带通滤波器。

10.根据权利要求9所述的一维滤波阵列介质波导带通滤波器的设计方法，其特征在于：所述一维滤波阵列结构中的一维滤波结构的周期长度为带通滤波器阻带中心频率处波导波长的二分之一，由此根据相邻的一维滤波结构之间的间距设计所需的阻带频率；或者采用周期长度线性渐变的方法，以阻带中心频率处的波导波长的二分之一作为中间的一个周期保持不变，沿一个方向周期长度线性增加，沿另一个方向线性减小；或者以阻带中心频率处的波导波长的二分之一作为最小/大的周期长度，沿一个方向周期长度线性增加/减小。

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