CN112909456B - 基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器，包括介质基板，位于介质基板上表面的上层电路板和位于介质基板下表面的下层接地板，上层电路板包括输入端口、ML‑SIW过渡部、基片集成波导部、SIW‑ML过渡部和输出端口，基片集成波导部为相同且平行相对应的上下两排金属过孔阵列结构；上排金属过孔阵列和下排金属过孔阵列之间，刻蚀有由金属槽线构成的左右对称且上下对称的人工表面等离激元结构，人工表面等离激元结构包括N个人工表面等离激元单元和一条中央水平槽线。本发明在降低上边带截止频率后仍具备较小的体积，有利于滤波器的小型化和轻量化，并带来了良好的带外抑制能力。滤波器的上或者下边带截止频率能够进行调节，设计灵活度高。

Description

基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及射频通信的滤波技术领域，尤其涉及一种基于人工表面等离激元的基片集成波导混合滤波器。

背景技术

在微波和毫米波无线收发系统中，滤波器是最为关键的部件之一，它负责频带划分、杂散波滤除和频率选择等功能。基于基片集成波导结构的滤波器具有成本低、集成易、功率容量大和损耗低等诸多优点。

传统的基片集成波导滤波器具有两个明显的缺点。首先基片集成波导滤波器的带外抑制能力差，在上边带附近经常会出现谐振点。为了改善其带外抑制能力，必须在基片集成波导滤波器输出端串联低通滤波器，导致结构复杂和体积的增加。其次是基片集成波导滤波器的带宽很难做宽，虽然在基片集成波导滤波器上刻蚀特定的缺陷地结构能够增加带宽，但是缺陷地的结构需要专门设计，没有统一的设计方法。

人工表面等离激元是一种典型的慢波结构，具有低通特性。而基片集成波导滤波器具有高通特性，如果将人工表面等离激元和基片集成波导相结合，则可以设计出可以任意控制带宽滤波器通带的上边带和下边带的滤波器，这种滤波器又称为人工表面等离激元和基片集成波导混合滤波器。

目前所设计人工表面等离激元和基片集成波导混合滤波器中所采用的人工表面等离激元大多采用直线型或者T型或者L型金属槽线排列结构，受限于器件工作的机理，传统的基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器的上边带截止频率很高，一般都工作在X波段(8-12GHz)、Ku波段(12-18GHz)，为了让这种器件工作在S或者C波段，需要降低滤波器的上边带截止频率。

现有混合滤波器降低上边带截止频率的采用的方法是增加器件中人工表面等离激元的金属槽线的总长度，但是增加槽线的长度会显著的增加滤波器的体积，不利于滤波器的小型化和集成化。并且，现有的混合滤波器，受降低上边带截止频率的影响，使得滤波器的带外抑制力降低。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器。

本发明采用的技术方案如下：

一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器，包括介质基板，位于介质基板上表面的上层电路板和位于介质基板下表面的下层接地板，所述上层电路板包括输入端口、ML-SIW过渡部、基片集成波导部、SIW-ML过渡部和输出端口，所述基片集成波导部为相同且平行相对应的上下两排金属过孔阵列结构，所述上排金属过孔阵列与下排金属过孔阵列中的所有金属过孔的内壁均电镀金属铜并贯穿所述上层电路板、介质基板、下层接地板；

所述上排金属过孔阵列和下排金属过孔阵列之间，刻蚀有由金属槽线构成的左右对称且上下对称的人工表面等离激元结构，所述人工表面等离激元结构包括N 个人工表面等离激元单元和一条中央水平槽线，所述中央水平槽线将N个人工表面等离激元单元串联，所述任意一个人工表面等离激元单元以中央水平槽线为中心线上下对称且包括四条水平槽线和一条垂直槽线，所述上排或者下排金属过孔阵列中两个横向相邻的金属过孔圆心距为p，p须满足：

p≤4d，且

式中d为任意金属过孔的直径，f₀为所述集成波导滤波器的中心频率，ε为介质基板的相对介电常数。从式中可以看出，金属过孔阵列的阵列密度、金属过孔的大小，取决于集成波导滤波器的中心频率，所设计的集成波导滤波器的中心频率越高，则金属过孔阵列的金属过孔越大，金属过孔阵列的阵列密度也越稀疏，反之则相反。

进一步地，所述上排金属过孔阵列与下排金属过孔阵列距离为h，所述集成波导滤波器的下边带截止频率为f_d，两者满足：

式中，c为真空中光速，ε为介质基板的相对介电常数，由上式可得，h值增大，则下边带截止频率f_d减小，h值减小，则下边带截止频率f_d增大。因此，调节上排金属过孔阵列与下排金属过孔阵列的距离可以改变本发明的下边带截止频率。

进一步地，所述集成波导滤波器的上边带截止频率为f_u，f_u满足：

f_u＝ck/(2π)，tan(2kw₁)tan(ka₂)＝w₂/(2a₁)；

式中k为波矢，c为真空中光速，任意所述人工表面等离激元单元的水平槽线长度为a₁、水平槽线宽度为w₁、垂直槽线宽度为w₂、垂直槽线长度为a₂。通过公式可以看出，改变人工表面等离激元单元的槽线宽度和长度，可以调节所述集成波导滤波器的上边带截止频率。

进一步地，所述N值范围为，2≤N≤11，根据滤波器的滤波性能的需求，可以选择性的将人工表面等离激元结构设计成2个到11个人工表面等离激元单元，作为优选，N值为7。

特别地，所述介质基板的材料为罗杰斯5880。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明采用的人工表面等离激元结构由人工表面等离激元单元构成，每个人工表面等离激元单元具有四条水平槽线和一条垂直槽线，不同于现有的L型和T型等结构的人工表面等离激元，本发明在降低上边带截止频率时，将对人工表面等离激元结构的槽线调节分解到每个人工表面等离激元单元中，有效的控制了现有混合滤波器在降低上边带截止频率时，带来的体积显著增大的问题，进而保证了本发明在降低上边带截止频率后仍具备较小的体积，有利于混合滤波器的小型化和轻量化。

本发明的结构构造带来了良好的带外抑制能力，滤波器的下边带具有一个左零点，上边带具有一个右零点，提高了滤波器的选择性，并且还产生了较远的寄生通带。

本发明滤波器的上边带截止频率能够通过人工表面等离激元结构的槽线进行设计调节，下边带截止频率能够通过基片集成波导部进行设计调节，设计灵活度高。

附图说明

图1，本发明的俯视图；

图2，本发明的仰视图；

图3，本发明的局部放大图；

图4，本发明的仿真图；

图中：1-上层电路板、2-介质基板、3-下层接地板、11-输入端口、12-ML-SIW 过渡部、13-基片集成波导部、131-上排金属过孔阵列、132-下排金属过孔阵列、 14-人工表面等离激元结构、141-人工表面等离激元单元，142-中央水平槽线、1411-水平槽线、1412-垂直槽线、15-SIW-ML过渡部，16-输出端口，S11-回波损耗曲线，S12-传输曲线。

具体实施方式

实施例1

如图1和图2所示：一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器，包括介质基板2，位于介质基板2上表面的上层电路板1和位于介质基板2下表面的下层接地板3，上层电路板1包括输入端口11、ML-SIW过渡部12、基片集成波导部13、SIW-ML过渡部15和输出端口16。微带线的英文为Microstrip Line(ML)，基片集成波导的英文为Substrateintegrated waveguide(SIW)，ML-SIW过渡部 12则为微带线-基片集成波导过渡部，SIW-ML过渡部15则为基片集成波导-微带线过渡部，滤波器的上层电路板1的输入端口11、输出端口16、ML-SIW过渡部、SIW-ML过渡部，均采用的微带线的电路结构，以确保滤波器体积小、重量轻。基片集成波导部13为相同且平行相对应的上下两排金属过孔阵列结构，上排金属过孔阵列131与下排金属过孔阵列132中的所有金属过孔的内壁均电镀金属铜并贯穿上层电路板1、介质基板2、下层接地板3。

如图1和图3所示，上排金属过孔阵列131和下排金属过孔阵列132之间，刻蚀有由金属槽线构成的左右对称且上下对称的人工表面等离激元结构14，人工表面等离激元结构14包括N个人工表面等离激元单元141和一条中央水平槽线142，中央水平槽线142将N个人工表面等离激元单元141串联，任意一个人工表面等离激元单元141以中央水平槽线142为中心线上下对称且包括四条水平槽线1411和一条垂直槽线1412，上排或者下排金属过孔阵列中两个横向相邻的金属过孔圆心距为p，p须满足：

p≤4d，且

式中d为任意金属过孔的直径，f₀为滤波器的中心频率，ε为介质基板2的相对介电常数，介质基板2采用介质材料罗杰斯5880，该种材料的相对介电常数为 2.2，能够确保较小的介质损耗。基片集成波导部13的金属过孔阵列结构的设计取决于滤波器的中心频率，具体来说，金属过孔阵列的阵列密度、金属过孔的大小，取决于集成波导滤波器的中心频率，所设计的集成波导滤波器的中心频率越高，则金属过孔阵列的金属过孔越大，金属过孔阵列的阵列密度也越稀疏，反之则相反。可以说，本实施例具有较高的设计灵活性。

如图4所示，本实施例具有较为优秀的带外抑制能力，并具有左和右两个零点，在右零点的右侧形成了较远的寄生通带。

实施例2

如图1和图3所示，本实施例公开的一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器，滤波器的下边带截止频率f_d可通过基片集成波导部13的金属过孔阵列结构来调节。具体地，上排金属过孔阵列131与下排金属过孔阵列132的距离为 h，滤波器的下边带截止频率为f_d，两者满足：

式中，c为真空中光速，ε为介质基板的相对介电常数，由上式可得，h值增大，则下边带截止频率f_d减小，h值减小，则下边带截止频率f_d增大。因此，调节上排金属过孔阵列131与下排金属过孔阵列132的距离可以改变本实施例的下边带截止频率。

滤波器的上边带截止频率f_u可由人工表面等离激元单元141的槽线的宽度和长度调节，具体地，f_u满足：

f_u＝ck/(2π)，tan(2kw₁)tan(ka₂)＝w₂/(2a₁)；

式中k为波矢，c为真空中光速，任意人工表面等离激元单元141的水平槽线1411的长度为a₁、水平槽线1411的宽度为w₁、垂直槽线1412的宽度为w₂、垂直槽线1412的长度为a₂。从式中可以看出，波矢k可以通过水平槽线的宽度和长度、垂直槽线的宽度和长度求得，进而可以得到f_u的值，也就是说滤波器的上边带截止频率可以通过调节人工表面等离激元单元141的槽线宽度和长度来改变，进一步的讲，加粗槽线的宽度和加长槽线的长度，可以降低滤波器的上边带截止频率，相反的，减小槽线的宽度和长度，将提高滤波器的上边带截止频率。

不同于现有的人工表面等离激元与基片集成波导混合滤波器，本发明在降低上边带截止频率时，将对人工表面等离激元结构14中槽线的调节，分解到每个人工表面等离激元单元141。可以确保降低滤波器上边带截止频率时，有效的控制滤波器的体积，换言之，也就是将常规的混合滤波器的工作频段从X波段或者Ku波段降低到S波段或者C波段的同时，保证了滤波器的体积足够小。

实施例3

如图1和图4所示，本实施例公开了一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器，其人工表面等离激元结构14包括N个人工表面等离激元单元141，N 值范围为，2≤N≤11。作为优选，N值为7，图1所示的滤波器采用了7个人工表面等离激元单元141，其上边带截止频率如图4所示在7GHz处，下边带截止频率为5GHz，滤波带宽为2GHz。

根据滤波器的滤波性能的需求，可以将人工表面等离激元结构设计成2 个到11个人工表面等离激元单元，一般来说，滤波器的工作频率越高人工表面等离激元单元的数量就越少，最少可以设计到2个。受限于器件工作的机理，传统的基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器的上边带截止频率很高，基本都工作在X波段和Ku波段，若需要使得滤波器的工作频率降低，则需要设计更多的人工表面等离激元单元，当设计到11个时，滤波器的工作频率降低到1.6-1.8 GHz，也就是将滤波器的工作频率降低到了L波段，但是此时滤波器的滤波带宽很窄，而往往实际应用时我们需要更宽的滤波带宽，因此超过11个人工表面等离激元单元后，滤波器的滤波带宽将会很窄，没有了实际的应用意义。

Claims (4)

1.一种基于人工表面等离激元的基片集成波导滤波器，包括介质基板，位于介质基板上表面的上层电路板和位于介质基板下表面的下层接地板，其特征在于：所述上层电路板包括输入端口、ML-SIW过渡部、基片集成波导部、SIW-ML过渡部和输出端口，所述基片集成波导部为相同且平行相对应的上下两排金属过孔阵列结构，所述上排金属过孔阵列与下排金属过孔阵列中的所有金属过孔的内壁均电镀金属铜并贯穿所述上层电路板、介质基板和下层接地板；

所述上排金属过孔阵列和下排金属过孔阵列之间，刻蚀有由金属槽线构成的左右对称且上下对称的人工表面等离激元结构，所述人工表面等离激元结构包括N个人工表面等离激元单元和一条中央水平槽线，所述中央水平槽线将N个人工表面等离激元单元串联，任意一个所述人工表面等离激元单元以中央水平槽线为中心线上下对称且包括四条水平槽线和一条垂直槽线，所述上排或者下排金属过孔阵列中两个横向相邻的金属过孔圆心距为p，p须满足：，且/>；式中d为任意金属过孔的直径，/>为所述滤波器的中心频率，/>为介质基板的相对介电常数；

所述上排金属过孔阵列与下排金属过孔阵列距离为h，所述滤波器的下边带截止频率为，两者满足：/>；式中，c为真空中光速，h值增大，则下边带截止频率/>减小，h值减小，则下边带截止频率/>增大；

所述滤波器的上边带截止频率为，/>满足：/>，/>；式中k为波矢，c为真空中光速，任意所述人工表面等离激元单元的水平槽线长度为/>、水平槽线宽度为/>、垂直槽线宽度为/>、垂直槽线长度为/>。

2.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述N的取值范围为，11。

3.根据权利要求1所述的滤波器，其特征在于：所述介质基板的材料为罗杰斯5880。

4.根据权利要求2所述的滤波器，其特征在于：所述N值为7。