CN113948837A

CN113948837A - 一种w波段e面波导带通滤波器

Info

Publication number: CN113948837A
Application number: CN202111146684.2A
Authority: CN
Inventors: 徐开达; 刘逸群; 陈晓明; 李建星; 张安学
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-09-28
Filing date: 2021-09-28
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2041-09-28
Also published as: CN113948837B; US11682817B1; US20230170597A1

Abstract

本发明属于毫米波滤波器技术领域，公开了一种W波段E面波导带通滤波器，包括：波导，用于馈入W波段信号；介质基板，所述介质基板设置于所述波导内；所述介质基板设置有人工表面等离激元阵列单元，所述人工表面等离激元阵列单元用于传输表面波TM模实现带通滤波。本发明具体提出了一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器，其设计紧凑、制作简单、成本低廉，带宽与中心频率可大范围灵活调节，滤波特性优良可应用于毫米波通信系统。

Description

一种W波段E面波导带通滤波器

技术领域

本发明属于毫米波滤波器技术领域，特别涉及一种W波段E面波导带通滤波器。

背景技术

随着无线通信设备种类增多，无线通信网络逐渐完善，低频段通信协议占有率越来越高，频谱资源日益紧张；为解决这一固有难题，毫米波通信技术已经成为当下解决问题的有效手段。

一般而言，毫米波波长覆盖范围在1mm至10mm，其中3mm与8mm波长电磁波相较于其它波长电磁波具有大气中衰减小传播距离远的优势，因而拥有更多通信利用价值进而受到学者与工业界广泛关注。按国际频谱划分，3mm与8mm波长毫米波分别对应W波段与Ka波段。相较于Ka波段，W波段电磁波具有更大工作带宽、更强信息承载能力与更高分辨率的特点，因而被广泛应用于毫米波通信和雷达探测领域。

毫米波滤波器作为毫米波通信中滤除杂散信号的重要无源器件，在通信设备中占据了非常重要的作用。基于微带线和共面波导所设计的滤波器在W波段通常具有传输损耗大、品质因数值低的问题，而以矩形波导为传输线的滤波器具有良好电磁密封性，辐射损耗较小，并且无介质损耗和导体损耗，因此在高频段传输损耗更低、功率容量更大且易于实现高品质因数设计。为提高滤波器选择特性，传统腔体波导滤波器通常需要对腔体进行交叉耦合设计，复杂多样的耦合设计不可避免地增加了波导滤波器的体积、加工难度与制作成本，同时采用的腔体结构仍存在与平面微波电路工艺难以集成的问题。

为有效克服腔体波导滤波器的固有缺点，Konishi首先提出E面波导滤波器结构，其在波导对称面(E面)插入含有不同拓扑结构的金属膜片，通过改变金属膜片的几何形状与尺寸可以实现满足不同需求的滤波特性。然而，传统W波段E面波导滤波器无法满足多谐振模式和高选择性的需求，设计与加工的难度亦限制了波导滤波器体积与成本的进一步减小，现有传统的E面金属膜片波导滤波器已经逐渐不能满足先进毫米波通信与雷达探测系统发展的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种W波段E面波导带通滤波器，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本发明具体提出了一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导滤波器，其设计紧凑、制作简单、成本低廉，带宽与中心频率可大范围灵活调节，滤波特性优良可应用于毫米波通信系统。

为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明的一种W波段E面波导带通滤波器，包括：

波导，用于馈入W波段信号；

介质基板，所述介质基板设置于所述波导内；所述介质基板设置有人工表面等离激元阵列单元，所述人工表面等离激元阵列单元用于传输表面波TM模实现带通滤波。

本发明的进一步改进在于，所述人工表面等离激元阵列单元由n个平行设置的金属条带单元构成，n≥3；

所述n个平行设置的金属条带单元中，所有金属条带单元的尺寸均相同，相邻金属条带单元间的间隔距离相同，所有金属条带单元的分布方向均与波导馈电方向相垂直。

本发明的进一步改进在于，所述n个平行设置的金属条带单元中，每个金属条带单元均为均匀阻抗金属条带。

本发明的进一步改进在于，所述n个平行设置的金属条带单元中，每个金属条带单元均为阶跃阻抗金属条带。

本发明的进一步改进在于，还包括：

输入过渡段，所述输入过渡段设置于所述介质基板，处于所述人工表面等离激元阵列单元的一端，用于将馈入的W波段信号由矩形波导TE10模式波转换至表面波TM模；

输出过渡段，所述输出过渡段设置于所述介质基板，处于所述人工表面等离激元阵列单元的另一端，用于将所述人工表面等离激元阵列单元输送的表面波TM模转换至矩形波导TE10模式波。

本发明的进一步改进在于，所述输入过渡段和所述输出过渡段分别由m个平行设置的金属条带单元构成，m≥1；

所述m个金属条带单元中，所有金属条带单元的分布方向均与波导馈电方向相垂直，金属条带单元长度自波导馈电端至介质基板方向以固定长度逐步增加。

本发明的进一步改进在于，所述m个金属条带单元中，相邻金属条带单元间的间隔距离相同。

本发明的进一步改进在于，所述波导为标准WR10波导。

本发明的进一步改进在于，所述介质基板为矩形介质基板。

本发明的进一步改进在于，所述介质基板设置于所述波导内，具体为所述介质基板设置于所述波导的中心。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明具体提出了一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器，其设计紧凑、制作简单、成本低廉，带宽与中心频率可大范围灵活调节，滤波特性优良可应用于毫米波通信系统。

具体的，本发明采用的人工表面等离激元阵列结构具有两种形式；其中，阶跃阻抗金属条带形式在均匀阻抗金属条带形式的基础上可进一步降低带通滤波器右边带截止频率，具备很宽的中心频率及带宽调节能力。

具体的，本发明采用了人工表面等离激元阵列与矩形波导截止频率共同形成带通滤波特性，利用人工表面等离激元的电磁波强束缚性与标准WR10波导的电磁密闭性，有利于实现低传输损耗特性。

具体的，本发明将介质基板设置在标准WR10波导中心处，采用了人工表面等离激元阵列结构及模式过渡段结构，设计简单紧凑，有利于降低滤波器成本并减小滤波器设计与加工的难度。

附图说明

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，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，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。

图1是本发明实施例中，阵列单元采用均匀阻抗金属条带的人工表面等离激元W波段E面波导带通滤波器立体结构示意图；

图2是本发明实施例中，阵列单元采用阶跃阻抗金属条带的人工表面等离激元W波段E面波导带通滤波器立体结构示意图；

图3是本发明实施例中，阵列单元采用均匀阻抗金属条带在不同长度时，W波段E面波导带通滤波器的传输系数(S21)在电磁仿真软件HFSS中随频率(Frequency)变化的示意图；

图4是本发明实施例中，阵列单元采用阶跃阻抗金属条带在不同阶跃宽度时，W波段E面波导带通滤波器的传输系数(S21)在电磁仿真软件HFSS中随频率(Frequency)变化的示意图；

图5是本发明实施例中，阵列单元采用均匀阻抗金属条带的人工表面等离激元W波段E面波导带通滤波器的最终仿真结果示意图；

图6是本发明实施例中，阵列单元采用阶跃阻抗金属条带的人工表面等离激元W波段E面波导带通滤波器的最终仿真结果示意图；

图中，

1、标准WR10波导；

20、第一金属条带单元；21、第二金属条带单元；22、第三金属条带单元；23、第四金属条带单元；24、第五金属条带单元；25、第六金属条带单元；

3、介质基板；

40、第一匀阻抗金属条带；41、第二匀阻抗金属条带；42、第三匀阻抗金属条带；

50、第一阶跃阻抗金属条带；51、第二阶跃阻抗金属条带；52、第三阶跃阻抗金属条带。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明实施例的一种W波段E面波导带通滤波器，具体是一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器，包括：介质基板3、标准WR10波导1、介质基板3上表面印制有人工表面等离激元阵列单元与模式过渡段(包括输入过渡段和输出过渡段)。

本发明实施例中具体的，所述模式过渡段由输入、输出过渡段构成；输入、输出过渡段等距离对称分布于人工表面等离激元阵列两端；优选的，输入、输出过渡段形状、尺寸完全相同。模式过渡段用于对由标准WR10波导1馈入的TE10模式电磁波进行转换，形成TM模式表面波用于人工表面等离激元阵列传输。

本发明实施例中具体的，所述输入、输出模式过渡段金属条带分别由六条金属条带单元构成，自波导馈电端至介质基板3方向为第一金属条带单元20、第二金属条带单元21、第三金属条带单元22、第四金属条带单元23，第五金属条带单元24、第六金属条带单元25，金属条带单元长度自波导馈电端至介质基板方向以固定长度逐步增加，金属条带单元彼此之间平行且等距离分布，金属条带单元分布方向均与波导馈电方向垂直。滤波器阻抗匹配可以通过改变六个金属条带单元各自长度进行调节。

本发明实施例中具体的，所述人工表面等离激元阵列由三个相同阵列单元组成，阵列单元为单根金属条带形式，具有均匀阻抗金属条带及两端宽中间窄的阶跃阻抗金属条带两种形式。其中，为具有均匀阻抗金属条带时，人工表面等离激元阵列单元包括：第一匀阻抗金属条带40、第二匀阻抗金属条带41和第三匀阻抗金属条带42；为两端宽中间窄的阶跃阻抗金属条带时人工表面等离激元阵列单元包括：第一阶跃阻抗金属条带50、第二阶跃阻抗金属条带51和第三阶跃阻抗金属条带52。阵列单元彼此之间平行等距离分布，阵列单元的分布方向与波导馈电方向垂直，金属条带单元与波导腔体之间距离符合特定介质基板电路加工最小间距规则。人工表面等离激元阵列的色散特性可对表面波TM模形成场强束缚作用进而形成滤波器的右边带截止频率。滤波器中心频点与带宽可以通过同时调节三个阵列单元长度及阶跃阻抗金属条带两端阶跃宽度来实现。

示例性可选的，所述介质基板3是矩形介质基板。

本发明实施例提出的一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器工作原理如下：毫米波信号由标准WR10波导馈入，在W波段内以TE10单模形式传输，首先到达介质基板上的输入过渡段，依次经过过渡段的金属条带单元，此时TE10模式波被转变为TM表面波沿介质基板表面依次进入人工表面等离激元阵列单元，TM表面波场强被人工表面等离激元所束缚，超出人工表面等离激元截止频率以上的表面波被滤除，人工表面等离激元截止频率可以通过调节均匀阻抗金属条带阵列单元的长度以及阶跃阻抗金属条带阵列单元的阶跃宽度来控制，阶跃阻抗金属条带阵列单元相较于均匀阻抗金属条带阵列单元可以对截止频率进一步降低。最终结合标准WR10波导的固有高通特性，可以形成中心频率与带宽均可调的带通滤波器。

本发明实施例提供的W波段E面波导带通滤波器与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明将介质基板设置在标准WR10波导中心处，有利于减小波导滤波器体积。

(2)本发明采用了人工表面等离激元阵列与波导截止频率共同形成带通滤波特性，利用人工表面等离激元的电磁波强束缚性与标准WR10波导的电磁密闭性，有利于实现低传输损耗特性。

(3)本发明采用了人工表面等离激元阵列结构及模式过渡段结构，设计简单紧凑，有利于降低滤波器成本并减小滤波器设计与加工的难度。

(4)本发明采用的人工表面等离激元阵列结构具有两种形式，其中阶跃阻抗金属条带形式在均匀阻抗金属条带形式的基础上可进一步降低滤波器右边带截止频率，因而具备很宽的中心频率及带宽调节能力。

本发明实施例的一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器以0.127mm厚度的Rogers5880印制电路板作为介质基板，基板尺寸为3.81mm×1.27mm，基板介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，基板单面覆金属铜。

图1至图2是本发明实施例的一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器的立体结构示意图，标准WR10波导1(波导口长度a＝1.27mm，波导口宽度b＝2.54mm)、模式过渡段、介质基板3、介质基板上表面印制的人工表面等离激元阵列。

模式过渡段由输入输出过渡段组成，两过渡段形状尺寸相同，等距离分布于人工表面等离激元阵列两侧，每个过渡段由六条金属条带单元组成，所有金属条带单元沿y方向呈中心对齐分布，以输入过渡段为例，自波导馈电端至介质基板方向分别为第一金属条带单元20、第二金属条带单元21、第三金属条带单元22、第四金属条带单元23、第五金属条带单元24、第六金属条带单元25。

当人工表面等离激元阵列设定为均匀阻抗金属条带形式时，过渡段的第一金属条带单元20沿x轴方向长度为0.28mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第二金属条带单元21沿x轴方向长度为0.42mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第三金属条带单元22沿x轴方向长度为0.57mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第四金属条带单元23沿x轴方向长度为0.72mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第五金属条带单元24沿x轴方向长度为0.85mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第六金属条带单元25沿x轴方向长度为1.01mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm。第一金属条带单元中心沿y方向距离介质基板边缘0.11mm，各金属条带单元彼此之间中心间距为0.25mm。

当人工表面等离激元阵列设定为阶跃阻抗金属条带形式时，过渡段的第一金属条带单元20沿x轴方向长度为0.2mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第二金属条带单元21沿x轴方向长度为0.37mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第三金属条带单元22沿x轴方向长度为0.53mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第四金属条带单元23沿x轴方向长度为0.7mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第五金属条带单元24沿x轴方向长度为0.85mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm；第六金属条带单元25沿x轴方向长度为1.03mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm。第一金属条带单元中心沿y方向距离介质基板边缘0.11mm，各金属条带单元彼此之间中心间距为0.25mm。

人工表面等离激元阵列由三个相同阵列单元组成，阵列单元为单根金属条带形式，具有均匀阻抗金属条带及两端宽中间窄的阶跃阻抗金属条带两种形式，阵列单元彼此之间平行且等距离分布，所有阵列单元的分布方向与波导馈电方向垂直且呈中心对齐分布，阵列单元沿y方向与介质基板边间距相等且符合特定介质基板电路加工最小间距规则。当阵列单元为均匀阻抗金属条带形式时，各阵列单元完全相同且沿x轴方向长度均为1.07mm，沿y方向宽度均为0.1mm，沿z方向厚度均为0.017mm。阵列单元沿x方向距离介质基板边缘0.1mm，各金属条带单元彼此之间中心间距为0.25mm。

当阵列单元为阶跃阻抗金属条带形式时，各阵列单元完全相同且阶跃阻抗金属条带中部的高阻抗部分沿x轴方向总长度为0.65mm，沿y方向宽度为0.1mm，沿z方向厚度为0.017mm，阶跃阻抗金属条带两端的低阻抗部分沿x轴方向长度均为0.21mm，沿z方向厚度为0.017mm，沿y方向宽度由具体仿真结果决定。各阵列单元沿x方向距离介质基板边缘0.1mm，各金属条带单元彼此之间中心间距为0.25mm。

图3为本发明实施例的一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器中的阵列单元采用均匀阻抗金属条带在不同长度(L₁)时，滤波器的传输系数(S21)在电磁仿真软件HFSS中随频率(Frequency)变化的频率响应图，从图3中可观察到，均匀阻抗金属条带的长度改变可以直接影响滤波器右边带的截止频率与通带的中心频点，同时滤波器右边带的最低截止频率可达103GHz。

图4为本发明实施例的一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器的阵列单元采用阶跃阻抗金属条带在不同阶跃宽度(W₁)时，滤波器的传输系数(S21)在电磁仿真软件HFSS中随频率(Frequency)变化的频率响应图，从图4中可观察到改变阶跃阻抗金属条带的阶跃阻抗宽度同样可以有效调节滤波器右边带的截止频率与通带的中心频点，对比于均匀阻抗金属条带而言，阶跃阻抗金属条带结构可以进一步扩展滤波器截止频率的调节范围，本例中滤波器右边带的最低截止频率可达93GHz。

图5为本发明实施例所述的阵列单元采用均匀阻抗金属条带的人工表面等离激元W波段E面波导带通滤波器最终仿真结果，滤波器的通带范围为65GHz至103GHz且带内中心频点的插入损耗为0.85dB。

图6为本发明实施例所述的阵列单元采用阶跃阻抗金属条带的人工表面等离激元W波段E面波导带通滤波器最终仿真结果，滤波器的通带范围为65GHz至95GHz且带内中心频点的插入损耗为1.0dB。由图不难发现，本发明所述W波段E面波导带通滤波器具有通带平坦、带宽宽、带内插损低，带外抑制性能良好等滤波特性。

综上所述，本发明涉及滤波器领域，具体提供了一种基于人工表面等离激元的W波段E面波导带通滤波器，其包括特定尺寸介质基板与标准WR10波导，介质基板置于标准WR10波导中央为单面结构，由下向上为介质和金属条带，金属条带有人工表面等离激元阵列和模式过渡段。所述模式过渡段结构将WR10波导馈入的TE10模式波转变为TM模式表面波以实现在人工表面等离激元中传输，表面波被人工表面等离激元色散特性束缚，进而形成滤波特性。本发明结构紧凑、加工难度低、中心频率与带宽可灵活调节，具备很好的滤波传输特性，可通过合理调整设计参数来满足W波段毫米波通信系统的特定需求。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，包括：

波导，用于馈入W波段信号；

介质基板(3)，所述介质基板(3)设置于所述波导内；所述介质基板(3)设置有人工表面等离激元阵列单元，所述人工表面等离激元阵列单元用于传输表面波TM模实现带通滤波。

2.根据权利要求1所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述人工表面等离激元阵列单元由n个平行设置的金属条带单元构成，n≥3；

3.根据权利要求2所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述n个平行设置的金属条带单元中，每个金属条带单元均为均匀阻抗金属条带。

4.根据权利要求2所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述n个平行设置的金属条带单元中，每个金属条带单元均为阶跃阻抗金属条带。

5.根据权利要求1所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，还包括：

输入过渡段，所述输入过渡段设置于所述介质基板(3)，处于所述人工表面等离激元阵列单元的一端，用于将馈入的W波段信号由矩形波导TE10模式波转换至表面波TM模；

输出过渡段，所述输出过渡段设置于所述介质基板(3)，处于所述人工表面等离激元阵列单元的另一端，用于将所述人工表面等离激元阵列单元输送的表面波TM模转换至矩形波导TE10模式波。

6.根据权利要求5所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述输入过渡段和所述输出过渡段分别由m个平行设置的金属条带单元构成，m≥1；

7.根据权利要求6所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述m个金属条带单元中，相邻金属条带单元间的间隔距离相同。

8.根据权利要求1所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述波导为标准WR10波导(1)。

9.根据权利要求8所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述介质基板(3)为矩形介质基板。

10.根据权利要求9所述的一种W波段E面波导带通滤波器，其特征在于，所述介质基板(3)设置于所述波导内，具体为所述介质基板(3)设置于所述波导的中心。