CN111883889B - 基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，包括顺序设置的五层介质层，每层介质层包括介质板和上下表面的金属贴片，顶层和底层结构对称；第二层和第四层结构对称，中心介质挖空形成镂空结构；第三层介质层四角对称印刷有扇形金属贴片，上下表面中心线上印刷有梳齿结构金属贴片；金属短路柱将五层介质层压合在一起，形成自封装模式的介质集成悬置线，实现电磁波在低频频点处和高频频点处的传输截止调控。该结构不仅增强了其对电场的束缚能力，而且减少了电磁波的辐射损耗和外界对腔体内传输电磁波的干扰；实现了滤波器的通带调控和带外抑制，并具有与其它电路易于集成的特性。

Description

基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器

技术领域

本发明涉及无线通信领域，具体涉及一种基于梳齿结构人工表面等离激元和介质集成悬置线结合的带通滤波器。

背景技术

随着现代通信系统的发展，滤波器作为系统终端重要的滤波装置，对其性能的改进也受到了越来越多电子工程师的关注。目前，结构简单、小型化、低成本、易于集成的微带滤波器在通信系统中受到了广泛的关注和应用。然而，常用的滤波器技术当中，通常采用缺陷地结构、阶梯阻抗谐振器以及腔体多模谐振器等。虽然SIW、腔体形式的滤波器技术已经日渐精湛，但是如何结合传输线和波导的优势，设计更小尺寸、更低损耗、更高隔离、更高Q值等特点的滤波器。本发明中的所述滤波器采用梳齿结构人工表面等离激元传输线与介质集成悬置线技术相结合，不仅有效的减少了传输线的传输损耗、提高了传输效率，而且由于梳齿结构人工表面等离激元传输线自身的慢波效应，可以有效的减小滤波器的长度。

发明内容

针对上述现有滤波器设计中存在的不足，本发明的目的在于提供一种具有低损耗、高选择性、高效率、易于集成的梳齿结构人工表面等离激元和介质集成悬置线结合的带通滤波器。与传统带通滤波器设计不同，本发明在于合理地利用介质集成悬置线技术，有效地降低了滤波器的传输损耗、屏蔽了外界电磁波的干扰和提高了传输效率，实现电磁波传输的低频频点处截止频率可控；此外，采用梳齿结构人工表面等离激元技术，实现电磁波传输的高频频点处截止频率可控，并进一步降低了滤波器的传输损耗、减小了滤波器的长度、且本发明易于与电路集成。从而利用以上所述技术，使得所述滤波器具有了低损耗、高隔离、易集成的带通滤波器等特性。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，包括自上而下顺序设置的五层介质层，每层介质层包括介质板和印刷于介质板上下表面的金属贴片，介质层上均匀分布有短路柱安装孔；其中：

第一层和第五层介质层结构对称，介质板上下表面全部印刷金属贴片；

第二层和第四层介质层结构对称，印刷有金属贴片的介质板中心挖空形成镂空结构；

第三层介质层在介质板上下表面四个角对称印刷有扇形金属贴片，在介质板上下表面中心线上印刷有梳齿结构的金属贴片；

金属短路柱贯穿于自上而下的各层介质层之间的短路柱安装孔，将五层介质层压合在一起，形成自封装模式的介质集成悬置线，实现电磁波在低频频点处和高频频点处的传输截止调控。

作为优选，所述第一层和第五层介质层分别为上屏蔽层和下屏蔽层，在所述介质层上均匀分布有短路柱安装孔，短路柱安装孔为金属化过孔。

作为优选，所述第二层和第四层介质层中心镂空部分分别为上空气腔层和下空气腔层，未挖空部分的介质层上均匀分布有短路柱安装孔。

作为优选，所述第三层介质层扇形金属贴片为馈电结构过渡段；梳齿结构的金属贴片为具有周期性结构特性的梳齿结构人工表面等离激元传输段，介质板上均匀分布有短路柱安装孔。

作为优选，梳齿结构的梳齿长度从该介质层左、右两端向内方向逐渐增长，直至形成长度相等、周期性排列的梳齿状传输线结构，传输线的左、右两端与SMA连接器的内芯相连接；介质层上下表面各梳齿间形成的开口方向相同。

作为优选，所述梳齿结构人工表面等离激元传输段位于中心镂空的上空气腔层和下空气腔层之间，具有周期性梳齿状的传输线与SMA连接器的内芯连接；扇形金属贴片与SMA连接器法兰连接。

作为优选，改变介质板的厚度h＝1～3mm，使得低频频点处截止频率在6.3～7.1GHz频率范围内可调；通过改变梳齿结构人工表面等离激元周期性的梳齿长度L1＝4.5～5.0mm，使得高频频点处截止频率在8.6～9.4GHz频率范围内可调。

现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明采用梳齿结构人工表面等离激元周期性结构引导微波和毫米波的传输，增强了传输线对电磁波的束缚性，减小了滤波器件的尺寸，降低了电磁波的传输损耗；

2、本发明采用新型介质集成悬置线结构，充分的利用了介质集成悬置线所特有的自封装和电磁屏蔽特性，降低了外界噪声对有用信号的干扰。同时采用了类似金属波导的空气腔结构，有效的降低了电磁波传输损耗，获得了性能稳定的传输特性；

3、本发明利用电磁波在梳齿结构人工表面等离激元中传输的色散特性和金属腔体内电磁波传输的低频频点处截止频率调控相结合，实现该滤波器电路的通带调控、带外抑制及低损耗传输设计。通过调节梳齿结构人工表面等离激元传输线中的梳齿长度L1，可以实现电磁波传输的高频频点处截止频率调控。此外，通过调节谐振腔的宽度W和高度h，实现电磁波传输的低频频点处截止频率调控，从而实现滤波器的带通特性。

与现有技术相比，本发明充分利用介质集成悬置线平台优势和梳齿结构人工表面激元的优点，不仅实现了滤波器的通带调控和带外抑制，而且有效的减小了滤波器的插入损耗，而且该滤波器电路具有与其它电路易于集成特性。本发明的介质集成悬置线滤波器的介质损耗较小，无载Q值相对较高。本发明的介质集成悬置线滤波器，与目前PCB和加工/压铸过程完全兼容，并不需要特殊的制造工艺和制造过程。因此，结构简单、容易加工，成本较低。因此，本发明可以广泛地应用于微波电路、基站等无线通讯系统中。

附图说明

图1是本发明带通滤波器剖面结构图；

图2是本发明带通滤波器分层结构图；

图3是本发明带通滤波器周期性电路结构图；

图4是本发明带通滤波器端口随高度h变化的S参数；

图5是本发明带通滤波器端口随梳齿长度L1变化的S参数；

图6是本发明带通滤波器器S参数的仿真曲线图；

图中：1、上屏蔽层；100、第一层FPCB介质板；101、上屏蔽层的上金属贴片；102、上屏蔽层的下金属贴片；2、上空气腔层；200、第二层FR4介质板；201、上空气腔层上金属贴片；202、上空气腔层下金属贴片；203、上空气腔；3、梳齿结构人工表面等离激元传输线层；300、第三层FPCB介质板；301、上扇形馈电结构；302、下扇形馈电结构；303、梳齿结构人工表面等离激元传输线；4、下空气腔层；400、第四层FR4介质板；401、下空气腔层上金属贴片；402、下空气腔层下金属贴片；403、下空气腔；5、下屏蔽层；500、第五层FPCB介质板；501、下屏蔽层的上金属贴片；502、下屏蔽层下金属贴片；6、金属短路柱；7、金属化过孔；8、短路柱安装孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参照图1、图2和图3，本发明的应用于无线通信系统的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，包括自上而下重叠的五层介质层构成的介质集成悬置线平台，每层介质层包括上、下两面的金属贴片以及设置于两金属贴片之间的介质板。其中，第一层上屏蔽层1包括第一层FPCB介质板100，第一层FPCB介质板100上设置有上屏蔽层的上金属贴片101和上屏蔽层的下金属贴片102，安装于第二层上空气腔层2之上，用于束缚腔体上半空间内传输的电磁波，以及隔绝外界对腔体内电磁波的干扰；第二层上空气腔层2，包括第二层FR4介质板200，设置在第二层FR4介质板200上有上空气腔层上金属贴片201、上空气腔层下金属贴片202和中心介质部分挖除的上空气腔203，与上屏蔽层1构成了上半部分空气腔，用于增强上半空间对电场的束缚能力；位于中间位置的第三层梳齿结构人工表面等离激元传输线层3，包括第三层FPCB介质板300，在第三层FPCB介质板300上的两对上表面扇形馈电结构301、两对下扇形馈电结构302和具有周期性特性的梳齿结构人工表面等离激元传输线303，其中扇形馈电结构设置于馈电层上下表面四个角，与SMA连接器的法兰相连接，扇形馈电结构为馈电结构过渡段；梳齿结构人工表面等离激元传输段为具有周期性梳齿结构的传输线，梳齿开口方向相同。梳齿结构的长度从该介质层左、右两端向内方向逐渐增长，直至形成长度相等、周期性排列的传输线结构，且传输线的左、右两端与SMA连接器的内芯相连接；且介质层上下表面的梳齿结构的开口方向相同。

自上而下的第四层为下空气腔层4，包括第四层FR4介质板400，设置在第四层FR4介质板400上设置有下空气腔层上金属贴片401、下空气腔层下金属贴片402和中心介质部分挖除的下空气腔403，与下金属屏蔽层构成了下半部分空气腔，用于增强下半空间对电场的束缚能力。自上而下的第五层下屏蔽层5，包括第五层FPCB介质板500、设置在第五层FPCB介质板500上有下屏蔽层的上金属贴片501和下屏蔽层下金属贴片502，其安装于第四层下空气腔层4的下方，用于束缚腔体下半空间内传输的电磁波，以及隔绝外界对腔体内电磁波的干扰。上屏蔽层1和下屏蔽层5上包括印刷于FPCB介质板上、下两表面的金属贴片，分别用于将滤波器上半空间、下半空间内传输电磁波与外界形成隔离。金属短路柱6穿过1～5层的介质层短路柱安装孔8，通过压合铆接的方法将各层介质板压接在一起形成介质集成结构；金属化过孔7穿过传输线的第三层FPCB介质板300，将印刷于上、下表面梳齿结构人工表面等离激元传输线短路连接。

基于上述实施例原理，本实施例在上述实施例基础上做了优化，所述介质集成悬置线平台包括自上而下重叠设置的五层介质板，每层介质板包括设置于介质层上、下两表面的金属层和介质层。

自上而下第一层上屏蔽层1与第五层下屏蔽层5为中心对称结构，分别设置于上空气腔层2的上方和下空气腔层4的下方，采用FPCB介质板有效的减小了介质集成悬置线平台的厚度和重量。上、下屏蔽层采用双面覆铜，周围均匀分布短路柱安装孔的FPCB介质软板，且介质板的长度为L，宽度为W。L的取值范围为300～350mm，W的取值范围为50～60mm。

自上而下第二层的上空气腔层2和第四层的下空气腔层4为中心对称结构，对中心部分介质进行了局部切除，从而形成了方形镂空的上、下空气腔203、403腔体结构。中心介质部分挖除的镂空结构，用于构成电磁波低损耗传输的空气腔体。同时利用空气腔内电磁波传输的低频频点截止特性，调控滤波器的低频频点处的截止频率；且有助于增强上下半空间内电场的束缚能力和减小电磁波的传输损耗。

位于中间位置的第三层梳齿结构人工表面等离激元传输线层3，其正反两面印刷扇形馈电结构和具有周期性梳齿结构的人工表面等离激元传输线，该传输线结构易于与外围电路实现集成连接；使用周期性梳齿结构的人工表面等离激元慢波传输线作为滤波器的主传输线，在传输线的两端设置有两对扇形馈电结构过渡段，用于实现从TEM模式到传输线上TM模式的转换，中间部分由长度和宽度相等且梳齿状结构连续排列而成。用于微波信号的亚波长传输，并利用其色散效应调控滤波器内电磁波传输的高频频点处截止频率。从而将电磁波传输的两种截止特性相结合，实现滤波器的带通滤波效应。一对SMA接头设置于梳齿结构人工表面等离激元传输线的左、右两端，其内芯与具有周期特性的梳齿状传输线相连接；其法兰结构的外导体与扇形馈电结构相连接。通过以上完成对滤波器的馈电。

自上而下第一层屏蔽层的下表面金属贴片、第二层上空气腔镂空区域、第四层下空气腔镂空区域、第五层下屏蔽层的上表面金属贴片以及金属短路柱6共同组成空气谐振腔，这种结构既可以有效增强电场的束缚能力、抑制电磁波的辐射损耗，减少电磁波介质损耗，从而提高电磁波的传输效率。

自上而下的第三层传输层采用具有周期性特性的梳齿状人工表面等离激元传输线，由于其特有的慢波效应，不仅可以有效的缩小传输线长度，而且有效的增强电场的束缚，提高电磁波的传输效率。

其中，介质集成悬置线平台的介质层通过压合的方式将各层介质板压接在一起。第二层和第四层介质板空气腔层高度h与低频频点处的截止频率f满足以下关系：

其中，W为介质层宽度，C为光速。

第二层和第四层介质采用介电常数为4.4，厚度h＝1～3mm的FR4板材；其余各层介质采用介电常数为3.1，厚度h1＝0.12mm的FPCB板材。

其中，空气腔的两侧为金属短路柱,两侧金属短路柱的间距为D，D的取值范围为25～35mm。空气腔的宽度为W0，W0的取值范围为15～30mm。传输线的金属导带为周期性结构，具体是由周期为p、梳齿第一宽度W1、第二宽度W2，长度L1的梳齿结构人工表面等离激元组成的周期性出现凹槽和凸起的金属导带。

本实施例的介质悬置线结构，利用了多层介质板压合及自封装的优点，从而使得介质集成悬置线具有良好的电磁屏蔽特性，提高了电磁波传输的稳定性；采用了空气腔结构，降低了电磁波的传输损耗；在第三层电路中采用的梳齿结构人工表面等离激元结构，与传统的介质集成悬置线电路相比，传输线尺寸更小，更有利于实现电路的小型化。

第三层介质板周期性梳齿结构的传输线的梳齿长度L1与高频频点处截止频率f满足以下关系：

其中，ε_r为介质的介电常数，μ_r为磁导率，C为光速。

本发明的效果可以结合仿真结果作进一步说明：

1、仿真内容

1.1利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施方式中所采用的介质板厚度对S₁₁的影响进行仿真计算，结果如图4所示，当h＝1mm时，截止频率为7.1GHz，当h＝2mm时，截止频率为6.8GHz，当h＝3mm时，截止频率为6.3GHz。通过统计对比不难发现，随着空气腔体高度h的增加，截止频率逐渐往低频方向移动。因此，低频频点处截止频率可调。

1.2利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施方式中所采用的梳齿结构人工表面等离激元梳齿结构的梳齿长度L1对S₁₁的影响进行仿真计算，结果如图5所示，当L1＝4.5mm时，截止频率为8.6GHz，当L1＝4.8mm时，截止频率为9.05GHz，当L1＝5.0mm时，截止频率为9.4GHz。通过以上仿真结果的对比不难发现，梳齿结构的梳齿长度L1的增加，截止频率逐渐向低频方向移动。因此，可以实现高频频点处截止频率可控。

1.3利用商业仿真软件HFSS_19.0对上述实施方式中所采用的带通滤波器S参数进行仿真计算，结果如图6所示。

2、仿真结果

参照图4，以有源回波损耗小于-10dB为标准，实施方式中通过改变介质板的厚度h＝1～3mm，使得低频频点处截止频率在6.3～7.1GHz频率范围内可调。

参照图5,以有源回波损耗小于-10dB为标准，实施方式中通过改变梳齿结构人工表面等离激元梳齿长度L1＝4.5～5.0mm，使得高频频点处截止频率在8.6～9.4GHz频率范围内可调。

参照图6,通过仿真效果可以看出，本发明能实现其目的，符合6.3～9.4GHz频带内介质集成悬置线带通滤波器设计要求，带外隔离达到-20dB以下，带内插入损耗小于-0.4dB，有效的缩小了滤波器的体积，提高了其电磁波传输效率。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，包括自上而下顺序设置的五层介质层，每层介质层包括介质板和印刷于介质板上下表面的金属贴片，五层介质层上都均匀分布有短路柱安装孔；其中：

第一层和第五层介质层结构对称，介质板上下表面全部印刷金属贴片；

第二层和第四层介质层结构对称，印刷有金属贴片的介质板采用中心挖空形成镂空结构；

第三层介质层在介质板上下表面四个角对称印刷有扇形金属贴片，在介质板上下表面中心线上印刷有梳齿结构的金属贴片；

所述第三层扇形金属贴片为馈电结构过渡段；梳齿结构的金属贴片为具有周期性梳齿结构的人工表面等离激元传输段；

金属短路柱贯穿于自上而下的各层介质层之间的短路柱安装孔，将五层介质层压合在一起，形成自封装模式的介质集成悬置线；

改变介质板的厚度h＝1～3mm，使得低频频点处截止频率在6.3～7.1GHz频率范围内可调；通过改变梳齿结构人工表面等离激元的梳齿长度L1＝4.5～5.0mm，使得高频频点处截止频率在8.6～9.4GHz频率范围内可调。

2.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，所述第一层和第五层介质层分别为上屏蔽层和下屏蔽层，短路柱安装孔为金属化过孔。

3.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，所述第二层和第四层介质层中心镂空部分分别为上空气腔层和下空气腔层，短路柱安装孔均匀分布在未挖空部分的介质层上。

4.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，周期性梳齿结构的梳齿长度从第三层介质层左、右两端向内方向逐渐增长，直至形成长度相等、周期性排列的梳齿状传输线结构，传输线的左、右两端与SMA连接器的内芯相连接；第三层介质层上下表面的各梳齿开口方向相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，所述梳齿结构人工表面等离激元传输段位于中心镂空的上空气腔层和下空气腔层之间，具有周期性结构的梳齿状传输线与SMA连接器的内芯连接；扇形金属贴片与SMA连接器的法兰连接。

6.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，所述第二层和第四层介质板空气腔层高度h与低频频点处的截止频率f满足以下关系：

其中，W为介质层宽度，C为光速。

7.根据权利要求1所述的一种基于人工表面等离激元和介质集成悬置线的带通滤波器，其特征在于，所述第三层介质板周期性梳齿结构的传输线的梳齿长度L1与高频频点处截止频率f满足以下关系：

其中，ε_r为介质的介电常数，μ_r为磁导率，C为光速。

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