CN114171876B - Ka波段宽阻带滤波功分器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种Ka波段宽阻带滤波功分器，包括依次层叠的第一金属层、介质层和第二金属层，第一金属层的侧壁上设置有输入耦合线、第一输出耦合线和第二输出耦合线，第一金属层的中间开设有S型凹槽；介质层中贯穿有多个导体柱，多个导体柱与第一金属层、第二金属层形成第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和第五谐振腔。该滤波功分器的输入耦合线和输出耦合线深入到谐振腔的内部，采用输入输出深馈线的结构实现电耦合，与第二谐振腔、第三谐振腔之间利用S型凹槽结构实现的电耦合，共同构成了滤波器合理的耦合矩阵，并利用各个寄生电磁模式的分布特点实现了对高次模腔间耦合的有效抑制，实现了优秀的滤波功分器带外抑制特性。

Description

Ka波段宽阻带滤波功分器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体涉及一种Ka波段宽阻带滤波功分器。

背景技术

随着半导体技术的不断发展，基于硅通孔(Through Silicon Via，TSV)的高性能集成无源器件(integrated passive device，IPD)应用已经逐渐广泛。基于TSV的IPD具有良好的性能和小型化特点，可以很好的提高整个集成雷达系统和通信系统的性能。然而，硅基转接板的成本高且损耗较大，使其市场化运用受限。基于此，玻璃通孔(through glassvia，TGV)以其优良的电性能以及较低的损耗，成为了当前的三维互连材料的研究热点。

与硅基板相比，玻璃基板具有优良的高频电学特性，其介电常数只有硅材料的1/3左右，损耗也远小于硅，可以有效保证传输信号的完整性。另外，相较于硅基来说，大尺寸的超薄玻璃基衬底材料更易获取，市面上可以获取到超大尺寸(>2m×2m)和超薄(<50μm)的玻璃面板以及超薄柔性玻璃材料。另外，由于玻璃作为衬底时，其不需要衬底表面及通孔内壁沉积绝缘层，因此其工艺流程较为简单，基于此，玻璃基板相较于硅基来讲，成本显著降低。

基于上述玻璃基衬底相较于硅基衬底的优点，玻璃基通孔技术的应用逐渐广泛；并且由于其自身的透明特性，其还可应用于光电集成系统领域；由于其较好的气密性和耐腐蚀性，使得玻璃基衬底在MEMS封装领域也极具潜力。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)技术是一种对波导传输线的小型化技术，可以以波导传输理论为基础，实现集成化小型化的一种集成传输线。随着工艺的不断发展，SIW可以和大部分通信系统元件集成在一个基板上且不用通过额外工艺制造特定器件进行过度，从而降低信号传输过程中的损耗，扼制寄生现象。

目前，在利用SIW技术实现良好的带外抑制效果的Ka波段宽阻带滤波功分器存在技术空白。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种Ka波段宽阻带滤波功分器。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明实施例提供了一种Ka波段宽阻带滤波功分器，包括依次层叠的第一金属层、介质层和第二金属层，其中，

所述第一金属层的侧壁上设置有输入耦合线、第一输出耦合线和第二输出耦合线，所述第一金属层的中间开设有S型凹槽；

所述介质层中贯穿有多个导体柱，所述多个导体柱与所述第一金属层、所述第二金属层形成第一谐振腔、第二谐振腔、第三谐振腔、第四谐振腔和第五谐振腔，所述第二谐振腔设置在所述第一谐振腔和所述第三谐振腔之间，所述第三谐振腔设置在所述第四谐振腔和所述第五谐振腔之间，且所述第一谐振腔和所述第二谐振腔之间设置有第一耦合窗口，所述第三谐振腔和所述第四谐振腔之间设置有第二耦合窗口，所述第三谐振腔和所述第五谐振腔之间设置有第三耦合窗口；所述S型凹槽设置在所述第二谐振腔和所述第三谐振腔之间且所述S型凹槽的内侧设置有所述导体柱，所述输入耦合线深入所述第一谐振腔的内部，所述第一输出耦合线深入所述第四谐振腔的内部，所述第二输出耦合线深入所述第五谐振腔的内部。

在本发明的一个实施例中，所述输入耦合线深入所述第一谐振腔内部1/2的位置，所述第一输出耦合线深入所述第四谐振腔内部1/2的位置，所述第二输出耦合线深入所述第五谐振腔内部1/2的位置。

在本发明的一个实施例中，所述S型凹槽采用中心对称结构，包括第一线段、第二线段、第三线段、第四线段和第五线段，其中，

所述第一线段、所述第三线段和所述第五线段平行设置，所述第二线段垂直连接所述第一线段的一端部和所述第三线段的一端部，所述第四线段垂直连接所述第三线段的另一端部和所述第五线段的一端部；

所述导体柱设置在所述第二线段的内侧和所述第四线段的内侧。

在本发明的一个实施例中，所述第一线段的长度l_s1为1.17mm，所述第二线段的长度l_s2为0.03mm，所述第二线段的宽度w_s1为0.19mm，所述第三线段的宽度w_s3为0.05mm，所述第一线段与所述第三线段之间的距离w_s2为0.11mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一线段的长度l_s1为0.89mm，所述第二线段的长度l_s2为0.02mm，所述第二线段的宽度w_s1为0.155mm，所述第三线段的宽度w_s3为0.03mm，所述第一线段与所述第三线段之间的距离w_s2为0.105mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一谐振腔、所述第二谐振腔、所述第三谐振腔、所述第四谐振腔和所述第五谐振腔形成轴对称结构。

在本发明的一个实施例中，所述第一谐振腔的宽度为3.1mm，长度为2.936mm；

所述第二谐振腔的宽度为2.936mm，长度为3.1mm；

所述第三谐振腔的宽度为2.89mm，长度为3.1mm；

所述第四谐振腔和所述第五谐振腔的宽度均为3.1mm，长度均为3.1mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一谐振腔、所述第二谐振腔、所述第三谐振腔、所述第四谐振腔和所述第五谐振腔的工作模式均为TE₁₀₁模式。

在本发明的一个实施例中，所述第一谐振腔的宽度为5.9mm，长度为7.158mm；

所述第二谐振腔的宽度为3.002mm，长度为3.1mm；

所述第三谐振腔的宽度为2.926mm，长度为3.1mm；

所述第四谐振腔和所述第五谐振腔的宽度均为6.983mm，长度均为5.9mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一谐振腔、所述第四谐振腔和所述第五谐振腔的工作模式为TE₁₀₃模式，所述第二谐振腔、所述第三谐振腔的工作模式为TE₁₀₁模式。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明的滤波功分器的输入耦合线和输出耦合线深入到谐振腔的内部，采用输入输出深馈线的结构实现电耦合，与第二谐振腔、第三谐振腔之间利用S型凹槽结构实现的电耦合，共同构成了滤波器合理的耦合矩阵，并利用各个寄生电磁模式的分布特点实现了对高次模腔间耦合的有效抑制，实现了优秀的滤波功分器带外抑制特性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种Ka波段宽阻带滤波功分器的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一金属层和介质层的俯视图；

图3为本发明实施例提供的一种输入耦合线的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种第二输出耦合线的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种S型凹槽的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种滤波功分器的近通带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)；

图7为本发明实施例提供的一种滤波功分器的远带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)；

图8为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一输出耦合线、第二输出耦合线输出电磁波的相位特性图；

图9为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一输出耦合线、第二输出耦合线的隔离特性图；

图10为本发明实施例提供的另一种Ka波段宽阻带滤波功分器的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的另一种滤波功分器第一金属层和介质层的俯视图；

图12为本发明实施例提供的另一种输入耦合线的结构示意图；

图13为本发明实施例提供的另一种第二输出耦合线的结构示意图；

图14为本发明实施例提供的另一种S型凹槽的结构示意图；

图15为本发明实施例提供的另一种滤波功分器的近通带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)；

图16为本发明实施例提供的另一种远带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)；

图17为本发明实施例提供的另一种第一输出耦合线、第二输出耦合线输出电磁波的相位特性图；

图18为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一输出耦合线、第二输出耦合线的隔离特性图；

附图标记说明：

L1-第一金属层；L2-石英介质层；L3-第二金属层；B1-输入端耦合线；B2-第一输出端耦合线；B3-第二输出端耦合线；S1-S型凹槽；W1-第一耦合窗口；W2-第二耦合窗口；W3-第三耦合窗口；R1-第一谐振腔；R2-第二谐振腔；R3-第三谐振腔；R4-第四谐振腔；R5-第五谐振腔；11-第一线段；12-第二线段；13-第三线段；14-第四线段；15-第五线段；21-第一矩形条；22-第二矩形条；23-第三矩形条；24-第一梯形条；25-第四矩形条；26-第五矩形条；27-第六矩形条；28-第七矩形条；29-第八矩形条；30-第二梯形条；31-第八矩形条。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种Ka波段宽阻带滤波功分器的结构示意图。该滤波功分器包括依次层叠的第一金属层L1、介质层L2和第二金属层L3。具体的，第一金属层L1、介质层L2和第二金属层L3从上至下依次设置。

请参见图2，图2为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一金属层和介质层的俯视图。

第一金属层L1的侧壁上设置有输入耦合线B1、第一输出耦合线B2和第二输出耦合线B3，第一金属层L1的中间开设有S型凹槽S1。介质层L2中贯穿有多个导体柱，多个导体柱与第一金属层L1、第二金属层L3形成第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3、第四谐振腔R4和第五谐振腔R5，第二谐振腔R2设置在第一谐振腔R1和第三谐振腔R3之间，第三谐振腔R3设置在第四谐振腔R4和第五谐振腔R5之间，且第一谐振腔R1和第二谐振腔R2之间设置有第一耦合窗口W1，第三谐振腔R3和第四谐振腔R4之间设置有第二耦合窗口W2，第三谐振腔R3和第五谐振腔R5之间设置有第三耦合窗口W3；S型凹槽S1设置在第二谐振腔R2和第三谐振腔R3之间且S型凹槽S1的内侧设置有导体柱，输入耦合线B1深入第一谐振腔R1的内部，第一输出耦合线B2深入第四谐振腔R4的内部，第二输出耦合线B3深入第五谐振腔R5的内部。

具体的，第一金属层L1为T型基板，其材料为金Au，其厚度为1μm。第一金属层L1的侧壁上开设有第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，其中，第一凹槽深入第一谐振腔R1中，输入耦合线B1设置在第一凹槽中；第二凹槽深入第四谐振腔R4中，第一输出耦合线B2设置在第二凹槽中；第三凹槽深入第五谐振腔R5中，第二输出耦合线B3设置在第三凹槽中；输入耦合线B1用于输入电磁波，形成输入的电耦合，第一输出耦合线B2和B3用于输出电磁波，形成输出的电耦合。具体的，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽的宽度w_M＝0.6mm。

进一步的，在第一输出耦合线B2与第二输出耦合线B3之间还设置有一个隔离电阻，以实现两个输出端口的隔离，有效改善两个输出端口间的隔离效果。具体的，隔离电阻的电阻值R＝100Ω。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种输入耦合线的结构示意图。输入耦合线B1的形状为“几”字形，由第一矩形条21、第二矩形条22、第三矩形条23、第一梯形条24、第四矩形条25依次连接形成；第一矩形条21与第二矩形条22相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第二矩形条22与第三矩形条23相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第三矩形条23和第一梯形条24相互垂直，弯折处连接三角形进行过渡。

具体的，第一矩形条21的长度l_M1＝2mm，宽度w_M1＝0.5mm；第二矩形条22的长度l_M2＝2mm，宽度w_M2＝0.6mm；第三矩形条23的长度l_M3＝1.65mm，宽度w_M3＝0.5mm；第一梯形条24的长度l_M4＝2.55mm，下底宽度w_M4＝0.5mm，上底宽度w_M5＝0.1mm；第四矩形条25的长度l_M5＝0.1mm，宽度w_M5＝0.1mm。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种第二输出耦合线的结构示意图。第二输出耦合线B3采用“几”字形，由第五矩形条26、第六矩形条27、第七矩形条28、第八矩形条29、第二梯形条30、第八矩形条31依次连接形成；第五矩形条26与第六矩形条27相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第六矩形条27与第七矩形条28相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第七矩形条28与第八矩形条29相互垂直，弯折处连接三角形进行过渡。

具体的，第五矩形条26的长度l_M6＝2mm，宽度w_M6＝0.5mm；第六矩形条27的长度l_M7＝1.35mm，宽度w_M7＝0.5mm；第七矩形条28的长度l_M8＝0.6mm，宽度w_M8＝0.5mm；第八矩形条29的长度l_M9＝1mm，宽度w_M9＝0.5mm；第二梯形条29的长度l_M10＝3.05mm，下底宽度w_M9＝0.5mm，上底宽度w_M10＝0.1mm；第八矩形条30的长度l_M11＝0.1mm，宽度w_M10＝0.1mm。

谐振腔R1-R5形成轴对称结构，谐振腔中线位于R1、R2、R3的中间位置处；第一输出耦合线B2与第二输出耦合线B3关于谐振腔中轴线对称，二者结构、尺寸均相同，输出方向相反。

本实施例中，输出耦合线B2和B3结构相同，保证了两个端口传输的信号相位的一致与功率的相同。

本实施例的输出耦合线B2、B3采用“几”字形式实现，可以满足隔离电阻的连接结构，实现最小的损耗效果。

进一步的，输入耦合线B1深入第一谐振腔R1内部1/2的位置，第一输出耦合线B2深入第四谐振腔R4内部1/2的位置，第二输出耦合线B3深入第五谐振腔R5内部1/2的位置；即，第一矩形条21深入第一谐振腔R1内部1/2的位置，第一输出耦合线B2的矩形条深入第四谐振腔R4内部1/2的位置，第五矩形条26深入第五谐振腔R5内部1/2的位置。

本实施例中，实现宽阻带抑制效果的主要结构来源于输入耦合线B1、第一输出耦合线B2、第二输出耦合线B3以及与其连接的谐振腔R1、R4、R5之间的深耦合结构，利用谐振腔场分布特点将耦合线深入到电场分布较弱的位置，可以抑制偶次模式的传输，提升滤波功分器的带外抑制效果。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种S型凹槽的结构示意图。

本实施例中，通过在第一金属层L1上开槽的方式实现S型凹槽。S型凹槽S1采用中心对称结构，包括第一线段11、第二线段12、第三线段13、第四线段14和第五线段15，其中，第一线段11、第三线段13和第五线段15平行设置，第二线段12垂直连接第一线段11的一端部和第三线段13的一端部，第四线段14垂直连接第三线段13的另一端部和第五线段15的一端部；导体柱设置在第二线段12的内侧和第四线段14的内侧。

具体的，第一线段11的长度l_S1为1.17mm，第二线段12的长度l_s2为0.03mm，第二线段12的宽度w_S1为0.19mm，第三线段13的宽度w_s3为0.05mm，第一线段11与第三线段13之间的距离w_s2为0.11mm。位于S型凹槽内侧的导体柱大小与介质层L2中导体柱的大小相同。

在一个具体实施例中，S型凹槽设置在第二谐振腔R2和第三谐振腔R3的中间位置处，用于形成第二谐振腔R2和第三谐振腔R3之间的电耦合，使得R2与R3腔间产生与输入输出相同的电耦合形式，与输入输出的电耦合共同实现合理的滤波器耦合矩阵。

介质层L2可以为石英玻璃介质板，介质层2内部有规则的排布了许多圆柱形介质通孔，介质通孔可以通过对介质层2刻蚀得到；在每个介质通孔的内部填充金属，从而形成贯穿介质层2的多个导体柱4；导体柱4上下分别与第一金属层L1和第二金属层L3连接，形成基片集成波导结构。其中，介质层2的厚度h_TGV为230μm，每个介质通孔的直径d_TGV为50μm，每个介质通孔4之间的中心间距p_TGV为100μm，导体柱的材料为铜。

本实施例的Ka波段宽阻带滤波功分器，采用玻璃基板代替硅衬底制作三维无源器件，由于玻璃的相对介电常数远小于硅，可以消除高频电路中的涡流效应，显著降低了无源器件的高频损耗，提高了其品质因数，使得滤波功分器的功耗显著降低，提高了滤波功分器的品质因数。

在一个具体实施例中，第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3依次连接，第四谐振腔R4和第五谐振腔R5分别设置在第三谐振腔R3的两侧，从而谐振腔R1-R5构成T型滤波功分器结构，其中，R1、R2、R3和R4构成功分器一个通道，R1、R2、R3和R5构成另一个通道；整个滤波功分器的谐振腔排布规则采用轴对称结构，即第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3、第四谐振腔R4和第五谐振腔R5关于第三谐振腔中线对称。

具体的，第一谐振腔R1的宽度为3.1mm，长度为2.936mm；第二谐振腔R2的宽度为2.936mm，长度为3.1mm；第三谐振腔R3的宽度为2.89mm，长度为3.1mm；第四谐振腔R4和第五谐振腔R5关于滤波器的中轴线即第三谐振腔R3对称，其宽度均为3.1mm，长度均为3.1mm。

需要说明的是，本实施例中宽度方向为x方向，长度方向为y方向。

进一步的，第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3、第四谐振腔R4和第五谐振腔R5的工作模式均为TE₁₀₁模式。

在一个具体实施例中，第一耦合窗口W1设置在第一谐振腔R1和第二谐振腔R2的中间位置处，用于实现第一谐振腔R1与第二谐振腔R2之间的磁耦合；第二耦合窗口W2设置在第三谐振腔R3和第四谐振腔R4的中间位置处，用于实现第三谐振腔R3和第四谐振腔R4之间的磁耦合；第三耦合窗口W3设置在第三谐振腔R3和第五谐振腔R5的中间位置处，用于实现第三谐振腔R3和第五谐振腔R5之间的磁耦合。

具体的，第一耦合窗口W1的宽度W12＝1.075mm，第二耦合窗口W2、第三耦合窗口W3的宽度W3₅＝W3₄＝0.85mm。

第三金属层L3为矩形金属板，其材料为金Au，厚度为1μm。

本实施例的Ka波段宽阻带滤波功分器的工作过程均如下：首先，电磁波从所述输入端口通过输入耦合线B1传输至第一谐振腔R1中，激励起TE101模式的电磁波；然后TE101模式电磁波通过第一耦合窗口W1，以磁耦合的耦合方式传输到第二谐振腔R2中，在R2中同样激励起了TE101模式的电磁波；然后通过S型凹槽耦合窗口，以电耦合的形式耦合到第三谐振腔R3中，同样在第三谐振腔中激励起TE101模式的电磁波；由于第四、第五谐振腔R4、R5与第一、第二输出耦合线B2、B3关于第三谐振腔轴对称，结构完全相同，因此在第三谐振腔R3内的电磁波，分别通过第二耦合窗口W2和第三耦合窗口W3，以第三谐振腔R3内电磁波功率的1/2大小同向等幅地以磁耦合的形式传播到第四、第五谐振腔R4、R5内，最后再分别通过两个输出耦合线B2、B3传输到所述输出端口。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种滤波功分器的近通带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)。图6中，该滤波功分器的中心频率是f₀＝35.5GHz，带宽为1.6GHz，相对带宽为4.5％，插损为-2dB，带内回波损耗S11<-17dB。

请参见图7，图7为本发明实施例提供的一种滤波功分器的远带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)。图7中，滤波功分器可以达到2.4f₀频率范围内带外抑制<-20dB，实现了该频率下玻璃基基片集成波导滤波功分器的宽阻带效果。

请参见图8，图8为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一输出耦合线、第二输出耦合线输出电磁波的相位特性图。从图8中可以看出，第一输出耦合线B2、第二输出耦合线B3相位一致性较好。

请参见图9，图9为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一输出耦合线、第二输出耦合线的隔离特性图。从图9可以看出，通过在两个输出耦合线B2、B3之间引入一个R＝100Ω的隔离电阻，第一、第二输出耦合线的隔离特性显著提高，在通带内均<-13dB。

本实施例的滤波功分器的输入耦合线和输出耦合线深入到谐振腔的内部，采用输入输出深馈线的结构实现电耦合，与第二谐振腔、第三谐振腔之间利用S型凹槽结构实现的电耦合，共同构成了滤波器合理的耦合矩阵，并利用各个寄生电磁模式的分布特点实现了对高次模腔间耦合的有效抑制，实现了优秀的滤波功分器带外抑制特性。

实施例二

请参见图10，图10为本发明实施例提供的另一种Ka波段宽阻带滤波功分器的结构示意图。该滤波功分器包括依次层叠的第一金属层L1、介质层L2和第二金属层L3。具体的，第一金属层L1、介质层L2和第二金属层L3从上至下依次设置。

请参见图11，图11为本发明实施例提供的另一种滤波功分器第一金属层和介质层的俯视图。

第一金属层L1的侧壁上设置有输入耦合线B1、第一输出耦合线B2和第二输出耦合线B3，第一金属层L1的中间开设有S型凹槽S1。介质层L2中贯穿有多个导体柱，多个导体柱与第一金属层L1、第二金属层L3形成第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3、第四谐振腔R4和第五谐振腔R5，第二谐振腔R2设置在第一谐振腔R1和第三谐振腔R3之间，第三谐振腔R3设置在第四谐振腔R4和第五谐振腔R5之间，且第一谐振腔R1和第二谐振腔R2之间设置有第一耦合窗口W1，第三谐振腔R3和第四谐振腔R4之间设置有第二耦合窗口W2，第三谐振腔R3和第五谐振腔R5之间设置有第三耦合窗口W3；S型凹槽S1设置在第二谐振腔R2和第三谐振腔R3之间且S型凹槽S1的内侧设置有导体柱，输入耦合线B1深入第一谐振腔R1的内部，第一输出耦合线B2深入第四谐振腔R4的内部，第二输出耦合线B3深入第五谐振腔R5的内部。

具体的，第一金属层L1为T型基板，其材料为金Au，其厚度为1μm。第一金属层L1的侧壁上开设有第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽，其中，第一凹槽深入第一谐振腔R1中，输入耦合线B1设置在第一凹槽中；第二凹槽深入第四谐振腔R4中，第一输出耦合线B2设置在第二凹槽中；第三凹槽深入第五谐振腔R5中，第二输出耦合线B3设置在第三凹槽中；输入耦合线B1用于输入电磁波，形成输入的电耦合，第一输出耦合线B2和B3用于输出电磁波，形成输出的电耦合。具体的，第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽的宽度w_M＝0.6mm。

进一步的，在第一输出耦合线B2与第二输出耦合线B3之间还设置有一个隔离电阻，以实现两个输出端口的隔离，有效改善两个输出端口间的隔离效果。具体的，隔离电阻的电阻值R＝100Ω。

请参见图12，图12为本发明实施例提供的另一种输入耦合线的结构示意图。输入耦合线B1的形状为“几”字形，由第一矩形条21、第二矩形条22、第三矩形条23、第一梯形条24、第四矩形条25依次连接形成；第一矩形条21与第二矩形条22相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第二矩形条22与第三矩形条23相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第三矩形条23和第一梯形条24相互垂直，弯折处连接三角形进行过渡。

具体的，第一矩形条21的长度l_M1＝3.9mm，宽度w_M1＝0.5mm；第二矩形条22的长度l_M2＝3.9mm，宽度w_M2＝0.5mm；第三矩形条23的长度l_M3＝3.65mm，宽度w_M3＝0.5mm；第一梯形条24的长度l_M4＝2.8mm，下底宽度w_M4＝0.5mm，上底宽度w_M5＝0.1mm；第四矩形条25的长度l_M5＝0.1mm，宽度w_M5＝0.1mm。

请参见图13，图13为本发明实施例提供的另一种第二输出耦合线的结构示意图。第二输出耦合线B3采用“几”字形，由第五矩形条26、第六矩形条27、第七矩形条28、第八矩形条29、第二梯形条30、第八矩形条31依次连接形成；第五矩形条26与第六矩形条27相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第六矩形条27与第七矩形条28相互垂直，直角弯折处连接三角形进行过渡；第七矩形条28与第八矩形条29相互垂直，弯折处连接三角形进行过渡。

具体的，第五矩形条26的长度l_M6＝3.9mm，宽度w_M6＝0.5mm；第六矩形条27的长度l_M7＝3.25mm，宽度w_M7＝0.5mm；第七矩形条28的长度l_M8＝0.5mm，宽度w_M8＝0.5mm；第八矩形条29的长度l_M9＝4.5mm，宽度w_M9＝0.5mm；第二梯形条29的长度l_M10＝2.9mm，下底宽度w_M9＝0.5mm，上底宽度w_M10＝0.1mm；第八矩形条30的长度l_M11＝0.1mm，宽度w_M10＝0.1mm。

谐振腔R1-R5形成轴对称结构，谐振腔中线位于R1、R2、R3的中间位置处；第一输出耦合线B2与第二输出耦合线B3关于谐振腔中线对称，二者结构、尺寸均相同，输出方向相反。

本实施例中，输出耦合线B2和B3结构相同，保证了两个端口传输的信号相位的一致与功率的相同。

本实施例的输出耦合线B2、B3采用“几”字形式实现，可以满足隔离电阻的连接结构，实现最小的损耗效果。

进一步的，输入耦合线B1深入第一谐振腔R1内部1/2的位置，第一输出耦合线B2深入第四谐振腔R4内部1/2的位置，第二输出耦合线B3深入第五谐振腔R5内部1/2的位置；即，第一矩形条21深入第一谐振腔R1内部1/2的位置，第一输出耦合线B2的矩形条深入第四谐振腔R4内部1/2的位置，第五矩形条26深入第五谐振腔R5内部1/2的位置。

本实施例中，实现宽阻带抑制效果的主要结构来源于输入耦合线B1、第一输出耦合线B2、第二输出耦合线B3以及与其连接的谐振腔R1、R4、R5之间的深耦合结构，利用谐振腔场分布特点将耦合线深入到电场分布较弱的位置，可以抑制偶次模式的传输，提升滤波功分器的带外抑制效果。进一步的，本实施例由于采用了不同谐振模式在不同谐振腔中同一频率下的谐振进行电磁波的传输，不同模式的高次模谐振频率并不相同，因此采用不同腔内模式谐振的方法，可以进一步实现滤波功分器的宽阻带抑制效果。

请参见图14，图14为本发明实施例提供的另一种S型凹槽的结构示意图。

本实施例中，通过在第一金属层L1上开槽的方式实现S型凹槽。S型凹槽S1采用中心对称结构，包括第一线段11、第二线段12、第三线段13、第四线段14和第五线段15，其中，第一线段11、第三线段13和第五线段15平行设置，第二线段12垂直连接第一线段11的一端部和第三线段13的一端部，第四线段14垂直连接第三线段13的另一端部和第五线段15的一端部；在第二线段12的内侧和第四线段14的内侧分别设置有导体柱。

具体的，第一线段11的长度l_S1为0.89mm，第二线段12的长度l_s2为0.02mm，第二线段12的宽度w_S1为0.155mm，第三线段13的宽度w_s3为0.03mm，第一线段11与第三线段13之间的距离w_s2为0.105mm。位于S型凹槽内侧的导体柱大小与介质层L2中导体柱的大小相同。

在一个具体实施例中，S型凹槽设置在第二谐振腔R2和第三谐振腔R3的中间位置处，用于形成第二谐振腔R2和第三谐振腔R3之间的电耦合，使得R2与R3腔间产生与输入输出相同的电耦合形式，与输入输出的电耦合共同实现合理的滤波器耦合矩阵。

介质层L2可以为石英玻璃介质板，介质层2内部有规则的排布了许多圆柱形介质通孔，介质通孔可以通过对介质层2刻蚀得到；在每个介质通孔的内部填充金属，从而形成贯穿介质层2的多个导体柱4；导体柱4上下分别与第一金属层L1和第二金属层L3连接，形成基片集成波导结构。其中，介质层2的厚度h_TGV为230μm，每个介质通孔的直径d_TGV为50μm，每个介质通孔4之间的中心间距p_TGV为100μm，导体柱的材料为铜。

本实施例的Ka波段宽阻带滤波功分器，采用玻璃基板代替硅衬底制作三维无源器件，由于玻璃的相对介电常数远小于硅，可以消除高频电路中的涡流效应，显著降低了无源器件的高频损耗，提高了其品质因数，使得滤波功分器的功耗显著降低，提高了滤波功分器的品质因数。

在一个具体实施例中，第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3依次连接，第四谐振腔R4和第五谐振腔R5分别设置在第三谐振腔R3的两侧，第二谐振腔R2的一部分设置在第四谐振腔R4和第五谐振腔R5之间，从而谐振腔R1-R5构成T型滤波功分器结构，其中，R1、R2、R3和R4构成功分器一个通道，R1、R2、R3和R5构成另一个通道；整个滤波功分器的谐振腔排布规则采用轴对称结构，即第一谐振腔R1、第二谐振腔R2、第三谐振腔R3、第四谐振腔R4和第五谐振腔R5关于第三谐振腔中线对称。

具体的，第一谐振腔R1的宽度为5.9mm，长度为7.158mm；第二谐振腔R2的宽度为3.002mm，长度为3.1mm；第三谐振腔R3的宽度为2.926mm，长度为3.1mm；第四谐振腔R4和第五谐振腔R5关于滤波器的中轴线即第三谐振腔R3对称，其宽度均为6.983mm，长度均为5.9mm。

需要说明的是，本实施例中宽度方向为x方向，长度方向为y方向。

进一步的，第一谐振腔R1、第四谐振腔R4和第五谐振腔R5的工作模式为TE₁₀₃模式，第二谐振腔R2、第三谐振腔R3的工作模式为TE₁₀₁模式，不同模式在不同腔间实现相同的谐振频率，在完成消除部分寄生通带的同时实现了该频率下信号的传输。

在一个具体实施例中，第一耦合窗口W1设置在第一谐振腔R1和第二谐振腔R2的中间位置处，用于实现第一谐振腔R1与第二谐振腔R2之间的磁耦合；第二耦合窗口W2设置在第三谐振腔R3和第四谐振腔R4的中间位置处，用于实现第三谐振腔R3和第四谐振腔R4之间的磁耦合；第三耦合窗口W3设置在第三谐振腔R3和第五谐振腔R5的中间位置处，用于实现第三谐振腔R3和第五谐振腔R5之间的磁耦合。

具体的，第一耦合窗口W1的宽度W12＝0.95mm，第二耦合窗口W2、第三耦合窗口W3的宽度W3₅＝W3₄＝0.818mm。

第三金属层L3为矩形金属板，其材料为金Au，厚度为1μm。

本实施例的Ka波段宽阻带滤波功分器的工作过程均如下：首先，电磁波从输入端口通过输入耦合线B1传输至第一谐振腔R1中，激励起TE103模式的电磁波；然后TE103模式电磁波通过第一耦合窗口W1，以磁耦合的耦合方式传输到第二谐振腔R2中，在R2中激励起了TE101模式的电磁波；然后通过S型凹槽耦合窗口，以电耦合的形式耦合到第三谐振腔R3中，同样在第三谐振腔中激励起TE101模式的电磁波；由于第四、第五谐振腔R4、R5与第一、第二输出耦合线B2、B3关于第三谐振腔轴对称，结构完全相同，因此在第三谐振腔R3内的电磁波，分别通过第二耦合窗口W2和第三耦合窗口W3，以第三谐振腔R3内电磁波功率的1/2大小同向等幅地以磁耦合的形式传播到第四、第五谐振腔R4、R5内，再次激励起TE103模式的电磁波并在各自腔内谐振，最后再分别通过两个输出耦合线B2、B3传输到输出端口。

请参见图15，图15为本发明实施例提供的另一种滤波功分器的近通带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)。图15中，该滤波功分器的中心频率是f₀＝35.5GHz，带宽为0.9GHz，相对带宽为2.5％，插损为-3.45dB，带内回波损耗S11<-15dB。

请参见图16，图16为本发明实施例提供的另一种远带频率响应图S(1,1)、S(2,1)和S(3,1)。图16中，滤波功分器可以达到>5f₀频率范围内带外抑制<-20dB，实现了该频率下玻璃基基片集成波导滤波功分器的宽阻带效果。

请参见图17，图17为本发明实施例提供的另一种第一输出耦合线、第二输出耦合线输出电磁波的相位特性图。从图17中可以看出，第一输出耦合线B2、第二输出耦合线B3相位一致性较好。

请参见图18，图18为本发明实施例提供的一种滤波功分器第一输出耦合线、第二输出耦合线的隔离特性图。从图18可以看出，通过在两个输出端口间引入一个R＝100Ω的隔离电阻，第一、第二输出端口的隔离特性显著提高，在通带内均<-14dB。

本实施例的滤波功分器的输入耦合线和输出耦合线深入到谐振腔的内部，采用输入输出深馈线的结构实现电耦合，与第二谐振腔、第三谐振腔之间利用S型凹槽结构实现的电耦合，共同构成了滤波器合理的耦合矩阵，并利用各个寄生电磁模式的分布特点实现了对高次模腔间耦合的有效抑制，实现了优秀的滤波功分器带外抑制特性；另外，由于采用不同谐振模式在不同大小腔中的同一谐振频率来进行传输，有效避免了这两种模式在下一个寄生模式产生相同频率进行耦合传输，实现了更好的带外抑制效果。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，包括依次层叠的第一金属层(L1)、介质层(L2)和第二金属层(L3)，其中，

所述第一金属层(L1)的侧壁上设置有输入耦合线(B1)、第一输出耦合线(B2)和第二输出耦合线(B3)，所述第一金属层(L1)的中间开设有S型凹槽(S1)；

所述介质层(L2)中贯穿有多个导体柱，所述多个导体柱与所述第一金属层(L1)、所述第二金属层(L3)形成第一谐振腔(R1)、第二谐振腔(R2)、第三谐振腔(R3)、第四谐振腔(R4)和第五谐振腔(R5)，所述第二谐振腔(R2)设置在所述第一谐振腔(R1)和所述第三谐振腔(R3)之间，所述第三谐振腔(R3)设置在所述第四谐振腔(R4)和所述第五谐振腔(R5)之间，且所述第一谐振腔(R1)和所述第二谐振腔(R2)之间设置有第一耦合窗口(W1)，所述第三谐振腔(R3)和所述第四谐振腔(R4)之间设置有第二耦合窗口(W2)，所述第三谐振腔(R3)和所述第五谐振腔(R5)之间设置有第三耦合窗口(W3)；所述S型凹槽(S1)设置在所述第二谐振腔(R2)和所述第三谐振腔(R3)之间且所述S型凹槽(S1)的内侧设置有所述导体柱，所述输入耦合线(B1)深入所述第一谐振腔(R1)内部1/2的位置，所述第一输出耦合线(B2)深入所述第四谐振腔(R4)内部1/2的位置，所述第二输出耦合线(B3)深入所述第五谐振腔(R5)内部1/2的位置。

2.根据权利要求1所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，所述S型凹槽(S1)采用中心对称结构，包括第一线段(11)、第二线段(12)、第三线段(13)、第四线段(14)和第五线段(15)，其中，

所述第一线段(11)、所述第三线段(13)和所述第五线段(15)平行设置，所述第二线段(12)垂直连接所述第一线段(11)的一端部和所述第三线段(13)的一端部，所述第四线段(14)垂直连接所述第三线段(13)的另一端部和所述第五线段(15)的一端部；

所述导体柱设置在所述第二线段(12)的内侧和所述第四线段(14)的内侧。

3.根据权利要求2所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，所述第一线段(11)的长度l_s1为1.17mm，所述第二线段(12)的长度l_s2为0.03mm，所述第二线段(12)的宽度w_s1为0.19mm，所述第三线段(13)的宽度w_s3为0.05mm，所述第一线段(11)与所述第三线段(13)之间的距离w_s2为0.11mm。

4.根据权利要求2所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，所述第一线段(11)的长度l_s1为0.89mm，所述第二线段(12)的长度l_s2为0.02mm，所述第二线段(12)的宽度w_s1为0.155mm，所述第三线段(13)的宽度w_s3为0.03mm，所述第一线段(11)与所述第三线段(13)之间的距离w_s2为0.105mm。

5.根据权利要求1所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，所述第一谐振腔(R1)、所述第二谐振腔(R2)、所述第三谐振腔(R3)、所述第四谐振腔(R4)和所述第五谐振腔(R5)形成轴对称结构。

6.根据权利要求1所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，

所述第一谐振腔(R1)的宽度为3.1mm，长度为2.936mm；

所述第二谐振腔(R2)的宽度为2.936mm，长度为3.1mm；

所述第三谐振腔(R3)的宽度为2.89mm，长度为3.1mm；

所述第四谐振腔(R4)和所述第五谐振腔(R5)的宽度均为3.1mm，长度均为3.1mm。

7.根据权利要求6所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，所述第一谐振腔(R1)、所述第二谐振腔(R2)、所述第三谐振腔(R3)、所述第四谐振腔(R4)和所述第五谐振腔(R5)的工作模式均为TE₁₀₁模式。

8.根据权利要求1所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，

所述第一谐振腔(R1)的宽度为5.9mm，长度为7.158mm；

所述第二谐振腔(R2)的宽度为3.002mm，长度为3.1mm；

所述第三谐振腔(R3)的宽度为2.926mm，长度为3.1mm；

所述第四谐振腔(R4)和所述第五谐振腔(R5)的宽度均为6.983mm，长度均为5.9mm。

9.根据权利要求7所述的Ka波段宽阻带滤波功分器，其特征在于，所述第一谐振腔(R1)、所述第四谐振腔(R4)和所述第五谐振腔(R5)的工作模式为TE₁₀₃模式，所述第二谐振腔(R2)、所述第三谐振腔(R3)的工作模式为TE₁₀₁模式。

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