CN111799534A - 一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，该滤波器包括设置在介质基板上表面的微带滤波器结构，顶部金属盖板以及位于中间层、用于稳定空气间隙的馈电介质层。微带滤波器结构包含输入、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器。通过调节两个T型谐振器的纵向长度可获得并调整通带外的两个传输零点，以实现更好的频率选择，且其带内插损、相对带宽、带内平坦度与带外抑制等性能均优于传统Ka波段带通滤波器。本发明同时给出了加工制造方案，测试结果与仿真结果基本吻合。本发明结构简单、尺寸较小、易于加工、性能稳定、一体性强，易于与其他电路进行系统集成，在未来毫米波通信传输应用中有着广阔的应用。

Description

一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，可用于毫米波传输技术领域。

背景技术

在微波系统中，微带结构形式被广泛采用在滤波器的设计中。尽管微带线的结构简单，易于加工，成本低廉，但是当工作频率上升到毫米波频段时，微带线就暴露出了损耗过大、功率容量低的弊端，这来自于微带线的杂散辐射，包括辐射波、泄漏波以及表面波，且频率越高问题就越突出。同样，尽管矩形导波具有结构简单、机械强度大、损耗低、功率容量大的优点，但是在工作于毫米波频段时，也不可避免的出现尺寸过小、加工难度大以及装配困难等问题。使用金属封装能够有效消除辐射泄露，然而额外的金属封装会大大增加了滤波器的体积。因此，需要一种新的平面横向电磁传输波导来满足毫米波传输通信高速率、低损耗的要求。

近年来，随着新型电磁材料的发展，人工磁导体结构的研究及应用已经成为当前微波领域的热点之一。人工磁导体结构通常是由介质基板上周期性排列的金属贴片、金属过孔与金属接地板共同构成，其电磁带隙特性可以降低微带辐射损耗，明显提高微波集成电路，微波印刷天线，微波高能加速器，射频无源器件等的整体性能。而印刷脊间隙波导作为一种基于人工磁导体的低色散信号传输波导，能够引导电磁波在空气间隙中沿着金属脊线传播，并且能够传播准TEM模，抑制辐射泄漏，在毫米波通信传输中具有广泛的应用前景。

为了解决毫米波段传统微带电路高损耗的问题，出现了许多基于印刷脊间隙波导的毫米波射频无源器件的研究。印刷脊间隙波导通过将人工磁导体结构与微带滤波结构集成到一层介质，利用人工磁导体与理想电导体在分界处产生的虚拟磁壁，使得电磁波在其他方向都是处于截止状态，只能沿着微带传输线谐振器上方的空气间隙传播，相对于传统的有耗介质，在空气间隙中传播大大降低了介质损耗，从而提升了传输特性，这为在毫米波段内实现提高传统微带滤波器的整体性能提供了一条可行的思路。与传统微带印刷技术相比，基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，损耗更低，传输性能更好，一体性强，易于与其他微波以及毫米波电路进行系统集成，亟待开发。

发明内容

发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，本发明目的在于提出一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，满足毫米波传输通信高速率、低损耗的要求，具有易于加工、性能稳定，易于系统集成的优点。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，包括设置在底层介质基板上表面的微带滤波器结构，顶部金属盖板以及位于中间层、用于稳定空气间隙的馈电介质层；所述的微带滤波器结构包含输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器；所述的输入端口通过耦合缝隙与第一阶半波长传输线谐振器进行耦合，所述的输出端口通过耦合缝隙与第二阶半波长传输线谐振器进行耦合，两个T型谐振器位于输入端口、输出端口以及两个半波长耦合传输线谐振器所在直线的两侧，分别通过耦合缝隙“背靠背”与第一阶、第二阶半波长传输线谐振器进行耦合。

优选地，所述的输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器均连接有周期排列的、并与接地板相连的金属过孔；所述的输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器四周均排布有人工磁导体单元。

优选地，所述的输入端口、输出端口均包含宽度不同的两部分传输线段；两部分传输线段的宽度分别根据介质板和空气介质计算确定。

优选地，所述的输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器四周的人工磁导体单元由介质基板上周期性排列的金属贴片、金属过孔与金属接地板共同构成。

优选地，所述的馈电介质层的背面印刷有馈电微带线，位置与输入端口、输出端口重合。

优选地，所述的馈电介质层的边缘分别与输入端口、输出端口中两段不同宽度的传输线段的分界处对齐。

优选地，在水平方向延展三层介质并进行打孔，使用PP螺丝对滤波器进行固定；三层介质在垂直方向紧密贴合没有空隙。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下技术效果：

1、本发明设计结构简单，易于加工，成本低，节约了额外的封装；同时，印刷脊间隙波导的引入使得微带耦合谐振器带通滤波器本身更加紧凑，在没有明显互耦的情况下，可以彼此紧密地制造。

2、本发明引入的新型平面横向电磁传输波导，能够引导电磁波在空气间隙中沿着金属脊线传播，从而降低了介质损耗。通过金属脊线两侧的人工磁导体结构，能够抑制来自微带线的辐射泄漏，降低了插入损耗，进一步提高了Ka波段带通滤波器的传输性能。

3、本发明中带通滤波器通过调节两个T型谐振器的纵向长度便可以获得并调整通带外的两个传输零点，以实现更好的频率选择，且其带内插损、相对带宽、带内平坦度与带外抑制等性能均优于传统Ka波段微带带通滤波器。

4、本发明同时给出了加工测量方案：通过在水平方向延展三层介质并进行打孔，使用PP螺丝对滤波器进行固定，测试结果与仿真结果基本吻合。该滤波器结构简单、尺寸较小、易于加工、性能稳定、一体性强，易于与其他微波以及毫米波电路进行系统集成，在未来毫米波通信传输应用中有着广阔的应用。

附图说明

图1本发明实施例中电磁滤波结构的平面示意图。

图2本发明实施例中馈电介质层的三维结构示意图。

图3是本发明实施例中人工磁导体单元结构的三维结构示意图。

图4是本发明实施例的三维结构示意图。

图5是本发明实施例的三维结构剖分示意图。

图6是本发明实施例中带有螺丝孔的电磁滤波结构的平面示意图

图7是本发明实施例中带有螺丝孔的馈电介质层的平面示意图

图8是本发明实施例中带有螺丝孔的金属盖板的平面示意图

图9是本发明实施例的加工制造方案的三维结构示意图。

图10是本发明实施例的加工制造方案的三维结构剖分示意图。

图11是本发明实施例的三层结构实物图。

图12是本发明实施例的实物组装图。

图13是本发明实施例中周期性人工磁导体的电磁波阻带色散图。

图14是本发明实施例的S参数仿真波形图。

图15是本发明实施例的S参数实测与仿真对比波形图。

具体实施方式

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

本发明实施例揭示了一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，如图1-5所示，图6-10为该滤波器的加工制造方案，通过在水平方向延展三层介质并进行打孔，使用PP螺丝对滤波器进行固定，以保证三层结构的紧密贴合。

Ka波段带通滤波器包括微带电磁滤波结构3和金属接地板1，微带电磁滤波结构3和金属接地板1中间是介质层2，微带电磁滤波结构上表面与馈电介质板4紧密贴合，下方连接有金属过孔5，馈电介质板4背面印刷有馈电微带线6，位置与输入、输出端口重合与顶部金属盖板7形成空气间隙8，用于电磁波传播。

本发明实施例中的微带滤波器结构3如图1，包含输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器。输入端口通过耦合缝隙与第一阶半波长传输线谐振器进行耦合，输出端口通过耦合缝隙与第二阶半波长传输线谐振器进行耦合，两个T型谐振器位于输入端口、输出端口以及两个半波长耦合传输线谐振器所在直线的两侧，分别通过耦合缝隙“背靠背”与第一阶、第二阶半波长传输线谐振器进行耦合，上述四个谐振器在带通滤波器的通带内成功引入四个传输极点。输入、输出端口均包含宽度为W1和W2的两部分传输线段。输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器均连接有周期排列的、并与接地板相连的金属过孔，四周均排布有人工磁导体单元。

本发明实施例中的人工磁导体单元结构如图3，人工磁导体的上表面圆形金属贴片9，中间是介质层2，下表面是金属接地板1，与圆形金属贴片9圆心相连的是金属过孔5。

本发明实施例的Ka波段带通滤波器的加工制造方案如图10，为进一步稳定该三层结构的稳定性，通过在水平方向延展三层介质并进行打孔产生螺丝孔10，使用PP螺丝对滤波器进行固定。

中间层的馈电介质板4的内侧边缘分别与输入、输出端口中宽度为W1和W2的传输线段的分界处对齐，外部边缘延伸出底层介质板，且背面印刷有馈电微带线，其位置与输入、输出端口重合，便于后期与其他毫米波电路进行集成。

底层介质板上表面电磁滤波结构的传输线阻抗均为50欧姆。输入、输出端口中宽度为W1的传输线段是以介质罗杰斯5880为介质基片计算得到的，宽度为W2的传输线段是以空气为介质基片计算得到的。

电磁滤波结构介质基板、用于稳定空气间隙的馈电介质层与顶层金属盖板为垂直方向紧密贴合的三层结构，具体地，在本技术方案中，三层结构之间没有空隙，为紧密贴合。

本发明引入的新型平面横向电磁传输波导，能够引导电磁波在空气间隙中沿着金属脊线传播，从而降低了介质损耗。通过金属脊线两侧的人工磁导体结构，能够抑制来自微带线的辐射泄漏，降低了插入损耗，进一步提高了Ka波段带通滤波器的传输性能。本发明中带通滤波器相比于传统的Ka波段带通滤波器，其带内插损、相对带宽、带内平坦度、带外抑制和回波损耗等性能参数均具有明显优势。本发明同时给出了加工测量方案：通过在水平方向延展三层介质并进行打孔，使用PP螺丝对滤波器进行固定，测试结果与仿真结果基本吻合。该滤波器结构简单，尺寸较小、易于加工、性能稳定，一体性强，易于与其他微波以及毫米波电路进行系统集成，在未来毫米波通信传输应用中有着广阔的应用。

下面通过具体仿真和实测示例对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明实施例中，此紧密贴合的三层结构的底层是采用Rogers 3003的介质板，其介电常数为3、厚度为0.762毫米的毫米波Ka波段带通滤波器，底层介质板上表面电磁滤波结构采用的半波长微带谐振器，传输线的阻抗均为50欧姆；中间层采用Rogers 5880的介质板，其厚度为0.508毫米的馈电介质层；上层位金属盖板，其厚度为0.018毫米。输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器连接的金属过孔的尺寸为r＝0.15mm，h＝0.762mm。输入、输出端口的尺寸均为W1＝1.98mm，W2＝1.58mm。输入端口与第一阶半波长传输线谐振器之间的间隙为g1＝0.18mm，输出端口与第二阶半波长传输线谐振器之间的间隙为g13＝0.18mm。第一阶半波长传输线谐振器的尺寸为L1＝4.08mm，W3＝1.18mm。第二阶半波长传输线谐振器的尺寸为L3＝4.12mm，W3＝1.18mm。T型谐振器的尺寸为L2＝4.3mm，L4＝2.6mm，L5＝2.86mm，W3＝1.18mm。第一阶半波长传输线谐振器与第二阶半波长传输线谐振器之间的间隙为g12＝1.26mm。T型谐振器与半波长传输线谐振器之间的间隙均为g14＝0.5mm。位于中间层、用于稳定空气间隙的馈电介质层背面的馈电微带线的尺寸为W2＝1.58mm。

如图5所示，毫米波Ka波段带通滤波器上方为馈电介质层，馈电介质层与顶部金属盖板形成空气间隙，一是用于电磁波的传播，二是避免引入更多的介质损耗；空气间隙上方为金属盖板，用于防止电磁波泄露。

在实际模型中，如图4所示，该基于印刷脊间隙波导的Ka波段带通滤波器为紧密贴合的三层结构。如图11、图12所示的基于印刷脊间隙波导的Ka波段带通滤波器的实物示意图，该滤波器通过边缘的PP螺丝对三层结构进行加固，以保证空气间隙的严密性，防止电磁泄露。中间层的馈电介质板延伸出底层介质基片，并且印刷有馈电微带线，便于与其他毫米波电路进行集成。

图13显示了人工磁导体结构产生的电磁波阻带，该结构可以抑制位于阻带频段内的电磁波的传播。Ka波段带通滤波器的工作频率位于其中，可以有效抑制微带传输线的杂散辐射，抑制效果良好。图13为本发明的周期性人工磁导体的电磁波阻带色散图，图13中横坐标代表工作频率，纵坐标代表传播常数。

图14是Ka波段带通滤波器的S参数仿真图。工作带宽为29.8GHz到32GHz，带宽为2.2GHz，相对带宽为7.3％。在整个通带内，回波损耗基本小于-20dB，插入损耗在-0.8dB左右。在27GHz和33GHz处各有一传输零点，带外抑制达到了-30dB，带外抑制性能良好。图14的横坐标代表工作频率，纵坐标代表反射系数S参数。

图15是Ka波段带通滤波器的S参数实测与仿真对比波形图。在28GHz到32.3GHz的通带内，回波损耗基本小于-15dB，基本在1.1dB左右，带内平坦度良好，测试结果与仿真结果基本吻合。在27GHz和33GHz处各有一传输零点，带外抑制性能良好。测试结果与仿真结果基本吻合。图15的横坐标代表工作频率，纵坐标代表反射系数S参数。

综上，本发明提出了一种基于印刷脊间隙波导的Ka波段带通滤波器，该Ka波段带通滤波器除了结构简单、低剖面、易于集成的特点外，相比传统的Ka波段带通滤波器，节约了额外的封装，大大减少了介电损耗，解决了传统微带滤波结构高损耗的问题，从而为毫米波电路的研究打下了坚实基础。

Claims (7)

1.一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：包括设置在底层介质基板上表面的微带滤波器结构，顶部金属盖板以及位于中间层、用于稳定空气间隙的馈电介质层；所述的微带滤波器结构包含输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器；所述的输入端口通过耦合缝隙与第一阶半波长传输线谐振器进行耦合，所述的输出端口通过耦合缝隙与第二阶半波长传输线谐振器进行耦合，两个T型谐振器位于输入端口、输出端口以及两个半波长耦合传输线谐振器所在直线的两侧，分别通过耦合缝隙“背靠背”与第一阶、第二阶半波长传输线谐振器进行耦合。

2.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：所述的输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器均连接有周期排列的、并与接地板相连的金属过孔；所述的输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器四周均排布有人工磁导体单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：所述的输入端口、输出端口均包含宽度不同的两部分传输线段；两部分传输线段的宽度分别根据介质板和空气介质计算确定。

4.根据权利要求2所述的一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：所述的输入端口、输出端口、两个半波长耦合传输线谐振器以及两个T型谐振器四周的人工磁导体单元由介质基板上周期性排列的金属贴片、金属过孔与金属接地板共同构成。

5.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：所述的馈电介质层的背面印刷有馈电微带线，位置与输入端口、输出端口重合。

6.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：所述的馈电介质层的边缘分别与输入端口、输出端口中两段不同宽度的传输线段的分界处对齐。

7.根据权利要求1所述的一种基于印刷脊间隙波导的四阶Ka波段带通滤波器，其特征在于：在水平方向延展三层介质并进行打孔，使用PP螺丝对滤波器进行固定；三层介质在垂直方向紧密贴合没有空隙。

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