CN110911789A - 一种基片集成波导带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明设计属于微波射频技术领域，具体是一种基片集成波导带通滤波器，附有金属夹层。本发明采用八分之一基片集成波导结构，物理尺寸是一般基片集成波导结构的八分之一，易于小型化；相比于微带线、悬置线等结构，Q值更高、集成度更高、选择性更好、损耗更小。同时，通过在基片集成波导结构的上下金属层间添加直角梯形的金属夹层，克服了基片集成波导结构不能产生水平极化电磁波这一缺点，为沿垂直于电壁的纵向电流提供路径，其信号的选择性更好，损耗更低。
Description
技术领域
本发明设计属于微波射频技术领域，具体是一种基片集成波导带通滤波器，附有金属夹层。
背景技术
随着现代无线通信技术的迅猛发展，移动通信的关键技术主要体现在无线传输技术和无线网络技术两方面，无线传输技术涉及大规模MIMO、基于滤波器组的多载波和全双工等技术。滤波器作为射频系统中的一个重要器件，在发射端、中继站和接收端都发挥着至关重要的作用。伴随着通信技术的发展，对于信息传递的速度和携带更大的信息量有更加迫切的需求，频率资源日益紧张，越来越需要开发利用更高频段。微波滤波器作为分离有用信号和无用信号的无源器件已经成为通信系统中的重要组成部分，其性能直接影响整个通信系统的质量，在电子系统向小型化，轻量化发展的同时，对滤波器的数量需求大幅度提升，也对滤波器的性能(包括但不限于集成度，可靠性)提出更高的要求。
微波射频滤波器目前应用于微波，毫米波通信，微波导航，制导，遥测遥控，卫星通信以及军事电子对抗等诸多领域，其性能直接影响整个通信系统的质量。常用的微波射频滤波器结构有微带线结构、悬置线结构、基片集成波导结构(SIW)等。随着技术的发展，微波射频滤波器向着小型化、平面化、轻量化、高集成度的方向发展。相比于其他结构，基片集成波导结构可以更好地满足对滤波器性能的要求：高Q值、高集成度、高选择性、低损耗、低成本等。对基片集成波导结构沿横向、纵向、对角线方向进行等分分割，得到的八分之一基片集成波导结构，在性能相同的情况下，更加小型化。
E面波导技术因为水平极化的作用，相比于H面波导技术，其电路的损耗更低，信号的选择性更好，被研究和应用在微波毫米波中。基片集成波导结构由金属通孔构成电壁，其缺点在于，阻断了垂直于金属通孔的纵向电流，不能产生水平极化电磁波，因此，在基片集成波导结构中只产生H面波导，没有E面波导。
发明内容
针对上述存在问题或不足，本发明的目的在于提供一种基片集成波导带通滤波器，其内附有金属夹层，能够在基片集成波导结构的基础上产生水平极化电磁波。
具体技术方案如下：
一种基片集成波导带通滤波器，为依次层叠设置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第三介质基板、第四金属层、第四介质基板、第五金属层和第五介质基板；包括四个八分之一基片集成波导结构，每个八分之一基片集成波导结构均构成一个谐振腔。
所述第一金属层为两个八分之一基片集成波导结构以其斜边平行的相适应对拼，然后将八分之一基片集成波导结构沿其金属化通孔行方向平移使其不接触，两个八分之一基片集成波导结构上的金属化通孔行互相平行；所述两金属化通孔行贯穿整个第一至第五金属层和介质层。
在第一金属层上还设置有共面波导输入端与共面波导输出端；共面波导输入端与共面波导输出端分别设置在两个八分之一基片集成波导结构的外侧，即第一谐振腔上表面的外侧与第四谐振腔上表面的外侧。第五金属层和第一金属层的两个八分之一基片集成波导结构布局相同，且上下垂直对准。
所述第二金属层由两个底角为45度的直角梯形构成，被第一金属层的两行金属化通孔分别从两个直角梯形长底边内侧贯穿并与直角梯形的底边平行，直角梯形的长腰分别位于第一金属层两个八分之一基片集成波导结构的斜边正下方，两个直角梯形不接触。第四金属层和第二金属层相同，且上下垂直对准。
所述第三金属层被第一金属层的两金属化通孔行贯通，其上设有两个矩形槽和两个扇形槽，以一个矩形槽和一个扇形槽为一组对应一个八分之一基片集成波导结构设置；矩形槽的长边与金属化通孔行所在直线平行；扇形槽的圆心在八分之一基片集成波导结构的远离金属化通孔行的顶点正下方，扇形槽的一条边和八分之一基片集成波导结构的斜边平行，扇形槽的另一条边往所属八分之一基片集成波导结构侧以圆心角≤45度设置。金属化通孔行不经过第三金属层上的两种槽。
金属化通孔行与第一金属层、第二金属层、第三金属层共同组成第一谐振腔和第四谐振腔；第一谐振腔和第四谐振腔通过第一金属层的两个八分之一基片集成波导结构间的间隙相互耦合。金属化通孔行与第三金属层、第四金属层、第五金属层共同组成第二谐振腔和第三谐振腔，第二谐振腔和第三谐振腔通过第五金属层的两个八分之一基片集成波导结构间的间隙相互耦合；第一谐振腔位于第二谐振腔的正上方，通过扇形槽和矩形槽耦合；第三谐振腔位于第四谐振腔的正下方，通过扇形槽和矩形槽耦合。所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔均为八分之一基片集成波导谐振腔。
所述谐振腔之间的耦合方式为交叉耦合方式、磁耦合方式和电耦合方式，提高了滤波器的选择性，有很好的谐波抑制作用。
所述同一层的两个八分之一基片集成波导结构之间的间隙大小用以实现对两个结构的耦合强度的控制。
所述第二金属层和第四金属层中，通过调整直角梯形的高，获得更优的选择性。
本发明采用八分之一基片集成波导结构，物理尺寸是一般基片集成波导结构的八分之一，易于小型化；相比于微带线、悬置线等结构，Q值更高、集成度更高、选择性更好、损耗更小。同时，通过在基片集成波导结构的上下金属层间添加直角梯形的金属夹层，克服了基片集成波导结构不能产生水平极化电磁波这一缺点，为沿垂直于电壁的纵向电流提供路径，其信号的选择性更好，损耗更低。
附图说明
图1为本发明的三维结构示意图；
图2为实施例的第一金属层和第一介质层俯视图；
图3为实施例的第二金属层和第二介质层俯视图；
图4为实施例的第三金属层和第三介质层俯视图；
图5为实施例的第四金属层和第四介质层俯视图；
图6为实施例的第五金属层和第五介质层俯视图；
图7为实施例的传输特性图。
附图标记：11为第一金属层，12为第一介质基板，13为金属化通孔，14为共面波导输入端，15为共面波导输出端，16为第一谐振腔上表面，17为第四谐振腔上表面；21为第二金属层，22为第二介质基板，23为第一谐振腔的金属夹层，24为第四谐振腔的金属夹层；31为第三金属层，32为第三介质基板，33为矩形槽，34为扇形槽；41为第四金属层，42为第四介质基板，43为第二谐振腔的金属夹层，44为第三谐振腔的金属夹层；51为第五金属层，52为第五介质基板，53为第二谐振腔上表面，54为第三谐振腔上表面。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰和改变。
一种基片集成波导结构带通滤波器，包含四个八分之一基片集成波导结构。依次层叠设置第一金属层(11)、第一介质基板(12)、第二金属层(21)、第二介质基板(22)、第三金属层(31)、第三介质基板(32)、第四金属层(41)、第四介质基板(42)、第五金属层(51)，第五介质基板(52)。
所述第一金属层(11)上设置有两金属化通孔行，分别为两个八分之一基片集成波导结构的金属化通孔行。两金属化通孔行与第一金属层(11)、第二金属层(21)、第三金属层(31)共同构成第一谐振腔和第四谐振腔；两金属化通孔行与第三金属层(31)、第四金属层(41)、第五金属层(51)共同构成第二谐振腔和第三谐振腔。
通过调节矩形槽(33)和扇形槽(34)的尺寸实现第一谐振腔和第二谐振腔之间的耦合强度以及第三谐振腔和第四谐振腔的耦合强度；所述第一谐振腔和第四谐振腔之间的耦合强度是通过调节第一谐振腔上表面和第四谐振腔上表面的间隙大小实现，第二谐振腔和第三谐振腔之间的耦合强度是通过调节第二谐振腔上表面和第三谐振腔上表面的间隙大小实现的。
在第一金属层上设置有共面波导输入端(14)与共面波导输出端(15)，所述共面波导输入端(14)与共面波导输出端(15)分别设置在第一谐振腔上表面(16)的外侧与第四谐振腔上表面(17)的外侧。第一谐振腔的金属夹层(23)、第四谐振腔的金属夹层(24)、第二谐振腔的金属夹层(43)和第三谐振腔的金属夹层(44)为垂直于金属化通孔的电流提供路径，产生水平极化电磁波，提高了频率的选择性，改善了损耗。
本实施例中，第一金属层、第二金属层、第三金属层、第四金属层、第五金属层的材料为银，厚度为0.01mm。第一介质基板、第二介质基板、第三介质基板、第四介质基板、第五介质基板的材料是Ferro-A6M，其介电常数为5.9，损耗因子为0.002，厚度为0.05mm。金属化通孔填充材料为银，金属化通孔直径为0.1mm，同行的相邻金属化通孔间的孔心距0.173mm。共面波导输入、输出端的宽度为0.044mm。同一层的两个谐振腔的上表面间隙大小为0.034mm。第二金属层和第四金属层的直角梯形金属夹层，上底边长度为1.82mm，下底边长度为2.07mm，高为0.25mm。第三金属层内部的矩形槽宽度为0.1mm、长度为0.5mm,且矩形槽中心距同侧金属化通孔行所在直线的距离为0.12mm，第三金属层内部的扇形槽半径为0.2mm，圆心角为45度。金属夹层的直角梯形将其所属八分之一基片集成波导结构的一行金属化通孔连接起来，产生水平极化，为垂直于金属通孔柱的电流提供路径，提高了频率的选择性、改善了带外抑制，图7为实施例的传输特性。
综上可见，本发明通过在八分之一基片集成波导结构内部添加直角梯形金属夹层，克服了基片集成波导结构不能产生水平极化电磁波的缺点，提高了基片集成波导带通滤波器对频率的选择能力，实现了更好的带外抑制。本发明具有体积小、插入损耗低、带外抑制高、集成度高等特点，具有广泛的应用市场。
Claims (3)
1.一种基片集成波导带通滤波器，其特征在于：为依次层叠设置的第一金属层、第一介质基板、第二金属层、第二介质基板、第三金属层、第三介质基板、第四金属层、第四介质基板、第五金属层和第五介质基板；包括四个八分之一基片集成波导结构，每个八分之一基片集成波导结构均构成一个谐振腔；
所述第一金属层为两个八分之一基片集成波导结构以其斜边平行的相适应对拼，然后将八分之一基片集成波导结构沿其金属化通孔行方向平移使其不接触，两个八分之一基片集成波导结构上的金属化通孔行互相平行；所述两金属化通孔行贯穿整个第一至第五金属层和介质层；
在第一金属层上还设置有共面波导输入端与共面波导输出端；共面波导输入端与共面波导输出端分别设置在两个八分之一基片集成波导结构的外侧，即第一谐振腔上表面的外侧与第四谐振腔上表面的外侧；第五金属层和第一金属层的两个八分之一基片集成波导结构布局相同，且上下垂直对准；
所述第二金属层由两个底角为45度的直角梯形构成，第一金属层的两行金属化通孔分别从两个直角梯形长底边内侧贯穿并与直角梯形的底边平行，直角梯形的长腰分别位于第一金属层两个八分之一基片集成波导结构的斜边正下方，两个直角梯形不接触；第四金属层和第二金属层相同，且上下垂直对准；
所述第三金属层被第一金属层的两金属化通孔行贯通，其上设有两个矩形槽和两个扇形槽，以一个矩形槽和一个扇形槽为一组对应一个八分之一基片集成波导结构设置；矩形槽的长边与金属化通孔行所在直线平行；扇形槽的圆心在八分之一基片集成波导结构的远离金属化通孔行的顶点正下方，扇形槽的一条边和八分之一基片集成波导结构的斜边平行，扇形槽的另一条边往所属八分之一基片集成波导结构侧以圆心角≤45度设置；所述金属化通孔行不经过第三金属层上的两种槽。
金属化通孔行与第一金属层、第二金属层、第三金属层共同组成第一谐振腔和第四谐振腔；第一谐振腔和第四谐振腔通过第一金属层的两个八分之一基片集成波导结构间的间隙相互耦合；金属化通孔行与第三金属层、第四金属层、第五金属层共同组成第二谐振腔和第三谐振腔，第二谐振腔和第三谐振腔通过第五金属层的两个八分之一基片集成波导结构间的间隙相互耦合；第一谐振腔位于第二谐振腔的正上方，通过扇形槽和矩形槽耦合；第三谐振腔位于第四谐振腔的正下方，通过扇形槽和矩形槽耦合；所述第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔和第四谐振腔均为八分之一基片集成波导谐振腔。
2.如权利要求1所述基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述同一层的两个八分之一基片集成波导结构之间的间隙大小用以实现对两个八分之一基片集成波导结构的耦合强度的控制。
3.如权利要求1所述基片集成波导带通滤波器，其特征在于：所述第二金属层和第四金属层中，通过调整直角梯形的高，获得更优的选择性。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230412 Address after: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee after: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. Address before: 611731, No. 2006, West Avenue, Chengdu hi tech Zone (West District, Sichuan) Patentee before: University of Electronic Science and Technology of China |
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20230627 Address after: 341000 Industrial Park, Ganzhou economic and Technological Development Zone, Jiangxi Province Patentee after: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Address before: 341400 Building 16, Phase I, Lingang Electronic Information Industrial Park, Longling Town, Nankang District, Ganzhou City, Jiangxi Province Patentee before: Jiangxi chenchuang Electronic Material Co.,Ltd. |
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| PE01 | Entry into force of the registration of the contract for pledge of patent right | ||
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Denomination of invention: A substrate integrated waveguide bandpass filter Granted publication date: 20210205 Pledgee: Ganzhou rural commercial bank Limited by Share Ltd. Pledgor: Ganzhou Yanchuang Electronic Technology Co.,Ltd. Registration number: Y2024980002104 |