CN113224488B

CN113224488B - 一种宽阻带基片集成波导滤波功分器

Info

Publication number: CN113224488B
Application number: CN202110523535.7A
Authority: CN
Inventors: 沈玮; 李振海; 化宁; 涂振斌; 麻仕豪
Original assignee: Shanghai Spaceflight Electronic and Communication Equipment Research Institute
Current assignee: Shanghai Spaceflight Electronic and Communication Equipment Research Institute
Priority date: 2021-05-13
Filing date: 2021-05-13
Publication date: 2022-02-18
Anticipated expiration: 2041-05-13
Also published as: CN113224488A

Abstract

本发明公开了一种宽阻带基片集成波导滤波功分器，包括第一金属层、第二金属层、第三金属层，第一介质基板和第二介质基板；第一介质基板设有第一谐振腔、第三谐振腔；第二介质基板设有第二谐振腔。整体设置输入波导、第一输出波导和第二输出波导。输入波导用于激励第一谐振腔和第二谐振腔；第一输出波导和第二输出波导用于激励第二谐振腔和第三谐振腔。第二金属层将第一谐振腔、第二谐振腔和第三谐振腔之间实现磁耦合。通过调节各单元的电磁耦合强度，调节两个传输零点，获得好的频率选择性，具备不同的高次模频率，实现宽阻带特性；能实现电、磁耦合性质的变换；获取高性能基片集成波导元件；结构紧凑易于平面电路集成，可用于高频及毫米波系统。

Description

一种宽阻带基片集成波导滤波功分器

技术领域

本发明属于微波无源器件领域，尤其涉及一种宽阻带基片集成波导滤波功分器。

背景技术

功分器和带通滤波器是通信系统中关键无源器件。滤波功分器因将滤波器和功分器的功能整合在一起，能有效实现微波电路的小型化、低损耗和低成本，具有重要的应用价值。然而，由于微带形式的谐振器在微波毫米波端的无载品质因数较低，从而导致微带滤波功分器具有较大的插入损耗，并不适用于高频及毫米波系统。

基片集成波导通过双面覆铜的介质基板间引入周期性金属化通孔阵列实现，具有高品质因数、低损耗和易与平面电路集成等优点，被广泛应用于带通滤波器、巴伦滤波器和滤波功分器中。另外，鉴于其继承了金属波导的高品质因数传统优势，非常适用于微波毫米波系统应用。

2019年，高一强、沈玮在Electronics Letters期刊中发表论文《Substrateintegrated waveguide FPWD with quasi-elliptic response》，2020年，沈玮等人的授权发明专利《一种多层基片集成波导三阶滤波功分器》，皆提出过类似多层基片集成波导滤波功分器，但其耦合拓扑结构、几何实现方式与本发明内容及权利要求完全不同，其输入端口与输出端口同时激励一个谐振腔，无法形成宽阻带特性。

发明内容

本发明的技术目的是提供一种宽阻带基片集成波导滤波功分器，以解决阻带窄、频率选择性差的技术问题。

为解决上述问题，本发明的技术方案为：

一种宽阻带基片集成波导滤波功分器，包括依次层叠设置的第一金属层、第二金属层和第三金属层，第一金属层与第二金属层之间设有第一介质基板，第二金属层与第三金属层之间设有第二介质基板；

第一介质基板内设有第一谐振腔、第三谐振腔；

第二介质基板内设有第二谐振腔；

以及贯通设置于第一介质基板和第二介质基板内的输入波导、第一输出波导和第二输出波导；输入波导用于激励第一谐振腔和第二谐振腔；第一输出波导和第二输出波导用于同时激励第二谐振腔和第三谐振腔；

第二金属层开设有第一开槽和第二开槽，第一谐振腔和第二谐振腔通过第一开槽实现磁耦合；第二谐振腔和第三谐振腔通过第二开槽实现磁耦合。

其中，第一介质基板内通过设置若干金属化过孔以形成第一谐振腔和第三谐振腔。

其中，第二介质基板通过设置若干金属化过孔以形成第二谐振腔。

其中，第一介质基板和第二介质基板共同通过设置若干金属化过孔以形成输入波导、第一输出波导和第二输出波导。

具体地，第一谐振腔和第三谐振腔为第一金属层、第二金属层、第一介质基板和正方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构。

具体地，第二谐振腔为第二金属层、第三金属层、第二介质基板和长方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构。

具体地，输入波导、第一输出波导和第二输出波导为第一金属层、第三金属层、第一介质基板、第二介质基板和并列的金属化过孔矩阵所围成的通道结构。

其中，第一开槽为圆形开槽，第二开槽为方形开槽。

具体地，第一开槽位于第一谐振腔的相对应中心。

其中，第一输出波导和第二输出波导呈中心对称设置。

本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：

1)本发明通过调节输入波导、输出波导、谐振腔以及上、下谐振腔间的电磁耦合强度，调节两个传输零点，以实现好的频率选择性；

2)本发明通过输入波导、输出波导所激励的谐振腔具备不同的高次模频率，以实现宽阻带特性；

3)本发明通过第二谐振腔中的TE201模式实现180度相位变换，实现电、磁耦合性质的变换；

4)本发明采用新的耦合拓扑以实现高性能基片集成波导元件；

5)本发明结构紧凑，易于平面电路集成，可用于高频及毫米波系统。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。

图1为本发明的一种宽阻带基片集成波导滤波功分器的结构示意图；

图2为本发明的一种宽阻带基片集成波导滤波功分器的输入波导的结构示意图；

图3为本发明的一种宽阻带基片集成波导滤波功分器的电磁耦合拓扑结构示意图；

图4为本发明的一种宽阻带基片集成波导滤波功分器的频率响应曲线局部示意图；

图5为本发明的一种宽阻带基片集成波导滤波功分器的频率响应曲线整体示意图。

附图标记说明

1：第一金属层；2：第二金属层；3：第三金属层；4：第一介质基板；5：第二介质基板；6：第一谐振腔；7：第二谐振腔；8：第三谐振腔；9：第一开槽；10：第二开槽；11：输入波导；12：第一输出波导；13：第二输出波导；14：微带线；15：渐变线；16：基片集成波导。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种宽阻带基片集成波导滤波功分器作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。

实施例

参看图1至图3，本实施例提供一种宽阻带基片集成波导滤波功分器，其中心频率控制在10.2GHz，包括自上而下依次层叠设置的第一金属层1、第二金属层2和第三金属层3。第一金属层1与第二金属层2之间设有第一介质基板4，第二金属层2与第三金属层3之间设有第二介质基板5，其中，第一介质基板4和第二介质基板5均的基板材料采用RO4350B，介电常数为3.66，厚度为0.508mm。从图1可知，各金属层面积均小于第一、第二介质基板5的横向截面面积，因此，第二金属层2为内嵌于第一介质基板4和第二介质基板5之间。另外，俯视角下，第一金属层1、第二金属层2和第三金属层3为最大限度的重叠设置。

参看图1，第一介质基板4内通过设置若干金属化过孔以形成第一谐振腔6和第三谐振腔8，所有金属化过孔的直径为0.5mm。具体地，第一谐振腔6为第一金属层1、第二金属层2、第一介质基板4和正方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构。第一介质基板4内部挖空为第一谐振腔6提供空间，第一金属层1构成第一谐振腔6的顶部，第二金属层2构成第一谐振腔6的底部，金属化过孔矩阵构成第一谐振腔6的侧壁，且开设有第一感性窗口。具体地，第一谐振腔6的金属化过孔矩阵为近正方形，第一谐振腔6长度L₁＝11.6mm，宽度W₁＝10.4mm，第一感性窗口的宽度pc₁＝5.4mm。

第三谐振腔8同样为第一金属层1、第二金属层2、第一介质基板4和正方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构，且第三谐振腔8与第一谐振腔6共用一排金属化过孔。第一介质基板4内部挖空为第三谐振腔8提供空间，第一金属层1构成第三谐振腔8的顶部，第二金属层2构成第三谐振腔8的底部，金属化过孔矩阵构成第三谐振腔8的侧壁，且开设有第三感性窗口。具体地，第三谐振腔8的金属化过孔矩阵为近正方形，第三谐振腔8长度L₃＝10mm，宽度W₃＝10.4mm，第三感性窗口的宽度pc₃＝5mm。

参看图1，第二介质基板5通过设置若干金属化过孔以形成第二谐振腔7，金属化过孔的直径为0.5mm。第二谐振腔7为第二金属层2、第三金属层3、第二介质基板5和长方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构。第二介质基板5内部挖空为第二谐振腔7提供空间，第二金属层2构成第二谐振腔7的顶部，第三金属层3构成第二谐振腔7的底部，金属化过孔矩阵构成第二谐振腔7的侧壁，且开设有第二感性窗口和第四感性窗口。具体地，第二谐振腔7长度L₂＝10.4mm，宽度W₂＝20.8mm，第二感性窗口的宽度pc₂＝4.4mm，第四感性窗口的宽度pc₄＝4.3mm。第二谐振腔7工作于TE201模，能够180度相位转换，从而实现电、磁耦合性质的变换。

参看图1，第二金属层2开设有第一开槽9和第二开槽10，第一谐振腔6和第二谐振腔7通过第一开槽9实现磁耦合，第一开槽9用于调节第一谐振腔6和第二谐振腔7之间的电耦合系数。第二谐振腔7和第三谐振腔8通过第二开槽10实现磁耦合，第二开槽10用于调节第二谐振腔7和第三谐振腔8的磁耦合系数。具体地，第一开槽9为圆形开槽，该圆形开槽的直径R＝2.9mm，第一开槽9位于第一谐振腔6的中心位置在第二金属层2的映射点；第二开槽10为方形开槽，该方形开槽的方形槽的长度L＝2.6mm，宽度W＝0.5mm。

参看图1和图2，较优地，还包括贯通设置于第一介质基板4和第二介质基板5内的输入波导11、第一输出波导12和第二输出波导13。其中，输入波导11用于激励第一谐振腔6和第二谐振腔7，输入波导11设于第一感性窗口和第二感性窗口的同侧，为第一金属层1、第三金属层3、第一介质基板4、第二介质基板5和并列的金属化过孔矩阵所围成的通道结构，其中，金属化过孔的直径为0.5mm。输入波导11的顶部为第一金属层1和第一介质基板4，输入波导11的底部为第三金属层3和第二介质基板5，输入波导11的两侧为平行设置的金属化过孔矩阵，其另外两侧分别为通道入口和与第一感性窗口和第二感性窗口连通的通道出口。

参看图1，第一输出波导12和第二输出波导13用于同时激励第二谐振腔7和第三谐振腔8，第一输出波导12设于第三感性窗口和第四感性窗口的同一侧，第二输出波导13与第一输出波导12和呈中心对称设置。由于第一输出波导12和第二输出波导13结构类似，因此，只以第一输出波导12进行详细说明。第一输出波导12为第一金属层1、第三金属层3、第一介质基板4、第二介质基板5和并列的金属化过孔矩阵所围成的通道结构，其中，金属化过孔的直径为0.5mm。第一输出波导12的顶部为第一金属层1和第一介质基板4，输入波导11的底部为第三金属层3和第二介质基板5，输入波导11的两侧为平行设置的金属化过孔矩阵，其另外两侧分别为其通道出口和与第二谐振腔7和第三谐振腔8连通的通道入口。

参看图2，在本实施例中，输入波导11、第一输出波导12和第二输出波导13顶部的第一金属层1的形状相同，均采用渐变线15结构实现微带线14至基片集成波导16的过渡。

参看图4，本实施例的中心频率为10.2GHz，输入波导11到第一输出波导12的频率响应曲线S₂₁和输入波导11到第二输出波导13的频率响应曲线S₃₁几乎重合，通带内S₂₁和S₃₁相位差在2°内，其中3dB带宽为0.4GHz，通带内典型插入损耗1.7dB(不含3dB功分损耗)，回波损耗大于15dB，两个零点的位置分别位于9.7GHz和10.6GHz。参看图5，在本实施例中，21GHz以内的带外抑制大于12dB。

上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims

1.一种宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一金属层、第二金属层和第三金属层，所述第一金属层与所述第二金属层之间设有第一介质基板，所述第二金属层与所述第三金属层之间设有第二介质基板；

所述第一介质基板内设有第一谐振腔、第三谐振腔；

所述第二介质基板内设有第二谐振腔；

以及贯通设置于所述第一介质基板和所述第二介质基板内的输入波导、第一输出波导和第二输出波导；所述输入波导用于激励所述第一谐振腔和所述第二谐振腔；所述第一输出波导和所述第二输出波导用于同时激励所述第二谐振腔和所述第三谐振腔；

所述第二金属层开设有第一开槽和第二开槽，所述第一谐振腔和所述第二谐振腔通过所述第一开槽实现电耦合；所述第二谐振腔和所述第三谐振腔通过所述第二开槽实现磁耦合；

其中，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导上方的所述第一金属层设有微带线和基片集成波导，以渐变线结构实现所述微带线向所述基片集成波导的由外向内地过渡；

其中，所述第一金属层构成所述第一谐振腔的顶部，所述第二金属层构成所述第一谐振腔的底部，通过若干金属化过孔矩阵构成所述第一谐振腔的侧壁，且所述第一谐振腔的侧壁开设有第一感性窗口；

同时，所述第一金属层构成所述第三谐振腔的顶部，所述第二金属层构成所述第三谐振腔的底部，通过若干金属化过孔矩阵构成所述第三谐振腔的侧壁，且所述第三谐振腔的侧壁开设有第三感性窗口；

所述第二金属层构成所述第二谐振腔的顶部，所述第三金属层构成所述第二谐振腔的底部，通过若干金属化过孔矩阵构成所述第二谐振腔的侧壁，所述第二谐振腔的侧壁开设有第二感性窗口和第四感性窗口；

所述输入波导用于激励所述第一谐振腔和所述第二谐振腔，所述输入波导设于所述第一感性窗口和所述第二感性窗口的同侧；

所述第一输出波导设于所述第三感性窗口和所述第四感性窗口的同一侧，所述第一输出波导和所述第二输出波导呈中心对称设置。

2.根据权利要求1所述的宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，所述第一介质基板和所述第二介质基板共同通过设置若干金属化过孔以形成所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导。

3.根据权利要求1所述的宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，所述第一谐振腔和所述第三谐振腔为所述第一金属层、所述第二金属层、所述第一介质基板和正方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构。

4.根据权利要求1所述的宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，所述第二谐振腔为所述第二金属层、所述第三金属层、所述第二介质基板和长方形的金属化过孔矩阵所围成的腔体结构。

5.根据权利要求2所述的宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，所述输入波导、所述第一输出波导和所述第二输出波导为所述第一金属层、所述第三金属层、所述第一介质基板、所述第二介质基板和并列的金属化过孔矩阵所围成的通道结构。

6.根据权利要求1所述的宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，所述第一开槽为圆形开槽，所述第二开槽为方形开槽。

7.根据权利要求1或6所述的宽阻带基片集成波导滤波功分器，其特征在于，所述第一开槽位于所述第一谐振腔的相对应中心。