CN113036334A - 一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波通信技术领域,具体涉及一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器。包括自下而上层叠设置的第一介质基板及第二介质基板,第一介质基板设置为SIW传输线,SIW传输线上表面设有第一矩形区域,第一矩形区域内的金属刻蚀呈周期性排列栅格;第二介质基板设置为SIW腔,SIW腔下表面设有第二矩形区域,第二矩形区域内的金属被去除,第一矩形区域的面积与第二矩形区域的面积相同且SIW腔和SIW传输线按矩形区域对准堆叠;SIW传输线、呈周期性排列栅格及SIW腔形成人工等离子体激元传输结构,该结构能支持人工等离子体激元表面波的传输,形成滤波器的通带和阻带。本发明可以实现可控的通带频率和稳定不变的阻带,同时提供低插损。
Description
技术领域
本发明属于微波通信技术领域,具体涉及一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器。
背景技术
毫米波频段的无线通信因为能够提供较高的数据传输速率(1-10Gb/s)受到越来越多的关注。滤波器作为毫米波系统的关键部件,有着广泛的应用,尤其是对体积小、成本低、易于集成以及性能高的毫米波滤波器有着迫切的需求。
目前,微带滤波器是一种常用的设计滤波器的形式。但是由于微带的开放结构,在毫米波段,微带传输线的表现出较大的传输损耗。如在专利CN104241743A中,基于微带线的毫米波滤波器表现出2.5dB的带内插入损耗。利用封闭结构的传输线,如基片集成波导(SIW),可以有效避免开放结构引起的电磁波泄露损耗。在专利CN103682533A中提出了一种基于半波SIW的毫米波滤波器设计,其插入损耗略小于2dB。在现有的毫米波滤波器中,对通带频率的控制均未提及。但在实际应用中,滤波器的通带往往要根据实际情况进行调整,并同时保持阻带频率稳定不变。
发明内容
本发明针对上述技术所存在的问题,提供了一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,来实现可控的通带频率和稳定不变的阻带,同时提供低插损。
本发明为实现上述发明目的,采取的技术方案如下:
一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,包括自下而上层叠设置的第一介质基板及第二介质基板,所述第一介质基板设置为SIW传输线,所述SIW传输线上表面设有第一矩形区域,所述第一矩形区域内的金属刻蚀呈周期性排列栅格;所述第二介质基板设置为SIW腔,所述SIW腔下表面设有第二矩形区域,所述第二矩形区域内的金属被去除,所述第一矩形区域的面积与第二矩形区域的面积相同且SIW腔和SIW传输线按矩形区域对准堆叠;所述SIW传输线、呈周期性排列栅格及SIW腔形成人工等离子体激元传输结构,该结构能支持人工等离子体激元表面波的传输,形成滤波器的通带和阻带。
进一步的作为本发明的优选技术方案,所述SIW腔中介质保留形成介质腔或去除介质形成空气腔。
进一步的作为本发明的优选技术方案,还包括第三介质基板;所述第三介质基板层叠覆盖在第二介质基板上表面且第二介质基板上表面设置为SIW腔;所述第一介质基板与第二介质基板不相层叠覆盖的两端部分分别为共面波导到SIW的第一过渡部分、第二过渡部分;所述SIW传输线包括第一过渡部分、第二过渡部分及第一介质基板与第二介质基板相层叠覆盖区域;所述第一介质基板与第二介质基板相层叠覆盖区域中心线呈周期性排布设置金属栅格;所述金属栅格是通过刻蚀第一介质基板上表面的铜箔而形成的;所述第三介质基板表面设置两行平行的金属通孔;所述金属通孔贯通第一介质基板至第二介质基板。
进一步的作为本发明的优选技术方案,所述第三介质基板上的铜箔上下双面保留或只保留下表面的铜箔。
进一步的作为本发明的优选技术方案,所述第一过渡部分、第二过渡部分表面分别设置两行平行的金属通孔。
进一步的作为本发明的优选技术方案,所述第二介质基板上表面设置的SIW腔为空气腔。
进一步的作为本发明的优选技术方案,还包括第四介质基板、第五介质基板;所述第四介质基板、第二介质基板关于第一介质基板为中心线相对称设置;所述第五介质基板、第三介质基板关于第一介质基板为中心线相对称设置;所述第四介质基板覆盖在第五介质基板上表面且第四介质基板下表面设置为SIW腔;所述两行平行的金属通孔从上至下贯通第四介质基板、第五介质基板。
进一步的作为本发明的优选技术方案,所述第一介质基板的下表面的第一过渡部分、第二过渡部分设有完整的金属地。
进一步的作为本发明的优选技术方案,所述第二介质基板、第四介质基板的SIW腔均为空气腔。
本发明所述的一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,采用以上技术方案与现有技术相比,具有以下技术效果:采用空气腔堆叠在SIW外的结构,通带起始频率可以由SIW宽度控制,通带的截止频率由空气腔的宽度控制,从而可以实现对滤波器带宽的灵活控制;另外,由于SIW传输线和空气腔是全封闭结构,不存在开放式结构滤波器中泄露损耗的问题,因而有更低的损耗。
本发明提供了一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,来实现可控的通带频率和稳定不变的阻带,同时提供低插损。滤波器用PCB介质板加工而成,具有紧凑的结构,与现有平面电路兼容,易于其它平面元器件和电路集成。
附图说明
图1是实施例1中滤波器核心结构示意图;
图2是滤波器工作原理和截止频率f1~f3对应关系图;
图3是实施例1中滤波器的三维结构图;
图4是实施例1中介质基板1的上表面结构图;
图5是实施例1中介质基板1的下表面结构图;
图6是实施例1中TE10模式与等离子体激元模式电场分布图;
图7是实施例1中阻带截止频率f3随SIW腔介质介电常数的变化图;
图8是实施例1中通带截止频率f1和f2随SIW腔介质介电常数的变化图;
图9是实施例1中通带截止频率f2随SIW腔介质介电常数的变化图;
图10是实施例1中通带截止频率f1随SIW腔介质介电常数的变化图;
图11是实施例1中滤波器的S参数(S11和S21)图;
图12是实施例2中滤波器的三维结构图;
图13是实施例2中介质基板1的上表面结构图;
图14是实施例2中介质基板1的下表面结构图;
图15是实施例2中TE10模式与等离子体激元模式电场分布图;
图16是实施例2中滤波器的S参数(S11和S21)图;
1-第一介质基板;2-第二介质基板;3-第三介质基板;4-第四介质基板;5-第五介质基板。
具体实施方式
下面结合附图详细的描述本发明的作进一步的解释说明,以使本领域的技术人员可以更深入地理解本发明并能够实施,但下面通过参考实例仅用于解释本发明,不作为本发明的限定。
如图1,一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,包括自下而上层叠设置的第一介质基板1及第二介质基板2,第一介质基板1设置为SIW传输线,SIW传输线上表面设有第一矩形区域,第一矩形区域内的金属刻蚀呈周期性排列栅格;第二介质基板2设置为SIW腔,SIW腔下表面设有第二矩形区域,第二矩形区域内的金属被去除,第一矩形区域的面积与第二矩形区域的面积相同且SIW腔和SIW传输线按矩形区域对准堆叠;SIW传输线、呈周期性排列栅格及SIW腔形成人工等离子体激元传输结构,该结构能支持人工等离子体激元表面波的传输,形成滤波器的通带和阻带。SIW腔中介质保留形成介质腔或去除介质形成空气腔。
具体的工作原理简述如下:在滤波器正常工作时,SIW腔处于截止状态,即SIW的宽度W1<λ/2,λ是工作频段电磁波在的波长。由波导的电磁理论知道,波导中的基模TE10模式传播常数
和波导的等效介电常数
其中εr是基板介质的介电常数。由此知道,在一定的频率范围,宽度为W1的、处于截止状态的SIW腔体的等效介电常数同时宽度为W2的SIW传输线可以处于正常导通状态,对应的等效介电常数也就是滤波器工作时,SIW腔处于截止状态而SIW传输线处于导通状态。把SIW腔与SIW传输线堆叠,在它们之间形成负-正等效介电常数界面。由电磁理论知道,该界面可以支持等离子体激元的传播,传播常数
为进一步说明滤波器的工作原理和截止频率如何确定,我们在图2中给出了上述等效介电常数εe1(实线)和εe2(虚线)随频率的变化曲线。当频率小于f1时,SIW传输线和SIW腔均处于截止状态,对应的等效介电常数εe1和εe2都是负值;当频率大于f1、小于f2时,SIW传输线导通而SIW腔均处于截止状态,与之对应,等效介电常数εe1<0和εe2>0且(εe1+εe2)<0,等离子激元可以传输,形成通带;当频率大于f2时,εe1<0和εe2>0且(εe1+εe2)>0,电磁波不能传播,形成阻带;当频率增大到f3时,SIW腔也开始导通,εe1和εe2都是正值,电磁波再次传播,阻带结束。总结上述分析:f1到f2形成通带;f2到f3形成阻带。在滤波器设计过程中,各个截止频率可以由滤波器的结构参数调控。具体依据公式(4)、(5)和(6)。
本发明的进一步设计在于:
SIW腔和SIW传输线具有不同的宽度:W1和W2,以提供灵活的通带和阻带截止频率设计。SIW腔和SIW传输线具有不同的厚度:t1和t2,以提供TE10模式到等离子体激元模式的过渡,减小过渡损耗。SIW腔和SIW传输线具有不同的介质:提供不同的介电常数εr1和εr2,便于灵活地设计通带和阻带的截止频率。SIW腔和SIW传输线之间的周期性排列的栅格,用来抑制TM模式的产生。
如图3,还包括第三介质基板3;第三介质基板3层叠覆盖在第二介质基板2上表面且第二介质基板2上表面设置为SIW腔;第一介质基板1与第二介质基板2不相层叠覆盖的两端部分分别为共面波导到SIW的第一过渡部分、第二过渡部分;SIW传输线包括第一过渡部分、第二过渡部分及第一介质基板1与第二介质基板2相层叠覆盖区域;第一介质基板1与第二介质基板2相层叠覆盖区域中心线呈周期性排布设置金属栅格;金属栅格是通过刻蚀第一介质基板上表面的铜箔而形成的;第三介质基板3表面设置两行平行的金属通孔;金属通孔贯通第一介质基板至第二介质基板。
第一介质基板1上SIW传输线的具体结构如图4所示。它包括共面波导(GCPW)到SIW的第一过渡部分、第二过渡部分及第一介质基板1与第二介质基板2相层叠覆盖区域。金属栅格是通过刻蚀基板上表面的铜箔而形成的。金属栅格以间距p呈周期性排布,金属栅格的宽度a=p/2。为防止在工作频段内形成空间谐波,周期p需要小于λ/4,λ是最短工作波长。第一介质基板1的下表面金属结构如图5所示。
第三介质基板3上的铜箔上下双面保留或只保留下表面的铜箔。第一过渡部分、第二过渡部分表面分别设置两行平行的金属通孔。
图6是仿真得到的在28GHz时的电场分布图,可以清楚地看到不同于SIW中的TE模式的新的电磁传播模式。
图7是第二介质基板的介电常数εr2对滤波器截止频率的调控:改变εr2可以调控阻带的上截止频率f3而不改变通带的下截止频率f1,通带的上截止频率f2只有很小的变化。从而在通带带宽恒定的情况下实现阻带带宽的独立调控。
图8是介质基板1的介电常数εr1对滤波器截止频率的调控:改变εr1可以改变通带的下截止频率f1和上截止频率f2,而保持阻带上截止频率f3恒定不变。
图9是SIW腔的宽度W2对滤波器截止频率的调控:改变W2可以改变通带的下截止频率f1而基本保持上截止频率f2和阻带上截止频率f3恒定不变。
图10是SIW传输线的栅格区域的宽度W1对滤波器截止频率的调控:改变W1可以改变f2和f3,但同时f1恒定不变。
在一定的频率调节范围内,上述滤波器可以实现通带和阻带的独立调控。为减小SIW腔中的介质带来的损耗,在本实施例中,第二介质基板2上的SIW腔是一个空气腔。在加工过程中,挖去空腔区域对应的介质基板,然后腔的侧壁作金属化处理。图11是本实施例中毫米波滤波器的S参数。
如图12所示,还包括第四介质基板4、第五介质基板5;第四介质基板4、第二介质基板2关于第一介质基板1为中心线相对称设置;第五介质基板5、第三介质基板3关于第一介质基板1为中心线相对称设置;第四介质基板4覆盖在第五介质基板5上表面且第四介质基板4下表面设置为SIW腔;两行平行的金属通孔从上至下贯通第四介质基板4、第五介质基板5。该结构是图1中SIW腔作镜像对称而形成的。
第一介质基板1的下表面的第一过渡部分、第二过渡部分设有完整的金属地。第二介质基板2、第四介质基板4的SIW腔均为空气腔。
第一介质基板1的上表面的金属结构如图13所示,包括GCPW-SIW的过渡部分、SIW传输线和上表面的金属栅格区域;图14是第一介质基板的下表面金属结构,它与上表面的差别是:在GCPW-SIW过渡区有完整的金属地,其它结构与上表面相同。
图15是仿真得到的在28GHz时的电场分布图,可以清楚地看到不同于SIW中的TE模式的新的电磁传播模式。
为减小SIW腔中的介质带来的损耗,在本实施例中,在加工过程中,第二介质基板2、第四介质基板4的SIW腔均为空气腔。挖去空腔区域对应的介质基板,然后腔的侧壁作金属化处理。图16是本实施例中毫米波滤波器的S参数。
以上所述的具体实施方案,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步的详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方案而已,并非用以限定本发明的范围,任何本领域的技术人员,在不脱离本发明的构思和原则的前提下所做出的等同变化与修改,均应属于本发明保护的范围。
Claims (9)
1.一种基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,包括自下而上层叠设置的第一介质基板及第二介质基板,其特征在于,所述第一介质基板设置为SIW传输线,所述SIW传输线上表面设有第一矩形区域,所述第一矩形区域内的金属刻蚀呈周期性排列栅格;所述第二介质基板设置为SIW腔,所述SIW腔下表面设有第二矩形区域,所述第二矩形区域内的金属被去除,所述第一矩形区域的面积与第二矩形区域的面积相同且SIW腔和SIW传输线按矩形区域对准堆叠;所述SIW传输线、呈周期性排列栅格及SIW腔形成人工等离子体激元传输结构,该结构能支持人工等离子体激元表面波的传输,形成滤波器的通带和阻带。
2.根据权利要求1所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,所述SIW腔中介质保留形成介质腔或去除介质形成空气腔。
3.根据权利要求1所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,还包括第三介质基板;所述第三介质基板层叠覆盖在第二介质基板上表面且第二介质基板上表面设置为SIW腔;所述第一介质基板与第二介质基板不相层叠覆盖的两端部分分别为共面波导到SIW的第一过渡部分、第二过渡部分;所述SIW传输线包括第一过渡部分、第二过渡部分及第一介质基板与第二介质基板相层叠覆盖区域;所述第一介质基板与第二介质基板相层叠覆盖区域中心线呈周期性排布设置金属栅格;所述金属栅格是通过刻蚀第一介质基板上表面的铜箔而形成的;所述第三介质基板表面设置两行平行的金属通孔;所述金属通孔贯通第一介质基板至第二介质基板。
4.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,所述第三介质基板上的铜箔上下双面保留或只保留下表面的铜箔。
5.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,所述第一过渡部分、第二过渡部分表面分别设置两行平行的金属通孔。
6.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,所述第二介质基板上表面设置的SIW腔为空气腔。
7.根据权利要求3所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,还包括第四介质基板、第五介质基板;所述第四介质基板、第二介质基板关于第一介质基板为中心线相对称设置;所述第五介质基板、第三介质基板关于第一介质基板为中心线相对称设置;所述第四介质基板覆盖在第五介质基板上表面且第四介质基板下表面设置为SIW腔;所述两行平行的金属通孔从上至下贯通第四介质基板、第五介质基板。
8.根据权利要求7所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,所述第一介质基板的下表面的第一过渡部分、第二过渡部分设有完整的金属地。
9.根据权利要求7所述的基于等离子体激元的带宽可控毫米波滤波器,其特征在于,所述第二介质基板、第四介质基板的SIW腔均为空气腔。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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