CN114335955A - 基于hmsiw-sspp混合模式的不等分带通滤波功分器 - Google Patents

基于hmsiw-sspp混合模式的不等分带通滤波功分器 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于HMSIW‑SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器。本发明HMSIW‑SSPP复合传输线一端与微带馈线相连接，另一端与人工表面等离激元金属条带及半模基片集成波导传输结构相连接；半模基片集成波导传输结构与HMSIW‑SSPP复合传输线及人工表面等离激元金属条带相垂直，构成T型传输网络。本发明通过激励HMSIW‑SSPP混合模式实现带通滤波特性，提供空间利用率。利用半模基片集成波导传输结构与人工表面等离激元金属条带不同的信号耦合能力构建非均匀功分特性。利用缺陷地结构改善带外抑制性能，具有小型化、低串扰、高效、宽带特性。

Description

基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器
技术领域
本发明属于新型人工电磁材料领域，涉及一种基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，结合半模基片集成波导(HMSIW)与人工表面等离激元(SSPP)模式实现不等分功分特性与带通滤波特性的集成化设计。
背景技术
基片集成波导(substrate integrated waveguide，SIW)技术是一种集成于介质基片中的具有低插损低辐射等特性的新的导波结构。低损耗介质基板上加载金属化通孔阵列，在介质基板上实现类似金属波导的传输特性。基于基片集成波导的毫米波器件及电路具有高Q值、高功率容量、易集成等优点。同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所以这种结构可以利用PCB或LTCC工艺精确的实现，并可与微带电路实现无隙集成。与传统波导形式的微波毫米波器件的加工成本相比，基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量生产。近几年，在对基片集成波导结构传输特性充分研究的基础上，实现了高性能的滤波器、双工器、定向耦合器、功分器、天线阵列等以及多种有源器件。半模基片集成波导(half-mode SIW，HMSIW)是基片集成波导小型化结构设计的探索成果之一。在基片集成波导的基础上截取一半的结构，半模基片集成波导拥有和基片集成波导类似的工作性质以及更小的体积，适用于小型化器件设计上。
人工表面等离激元(surface plasmon polaritons，SSPP)是利用具有特定结构的超材料(Metamaterials)人工表面单元在微波及太赫兹波段所激励起的全新电磁波模式。该模式的电场沿周期结构表面法向方向呈指数衰减，具有很强的近场束缚性，可被应用于突破衍射极限及构建各种高度集成的元件和电路。人工表面等离激元高效激励的实现，大大促进了人工表面等离激元在工程应用中的发展。包括高效传输线、多波段及宽带滤波器、功分器、天线、定向传输、慢波局域束缚、功率放大器、混频器等一系列基于人工表面等离激元的有源、无源器件相继被提出。但目前基于人工表面等离激元的功分器设计尺寸过大，严重制约了其实际应用前景。
缺陷地结构(defected ground structure，DGS)是一种具有慢波特性和单极点阻带特性结构。在金属面上蚀刻特定结构的缝隙单元，改变金属表面电流分布，引入传输零点，从而改变整体结构的传输特性。缺陷地结构是微波电路研究的热点之一，在天线和微波器件改进设计等方面得到了广泛的应用。
发明内容
本发现的目的是针对现有技术的不足，提供一种基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，具体为一种尺寸更紧凑、滤波效率高、带内功率分配稳定的不等分带通滤波器。在半模基片集成波导结构上周期蚀刻槽型结构，激励兼具HMSIW模式高通特性及SSPP低通特性的HMSIW-SSPP混合模式，实现高效带通传输特性。分别构建人工表面等离激元与半模基片集成波导出射端口。利用人工表面等离激元与导播模式不同的近场耦合强度，实现出射端口处非均匀功率分配。同时在结构背面蚀刻缺陷地结构，实现更高效的带外抑制特性。
本发明包括介质基板、位于介质基板正面的第一和第二微带馈线、HMSIW-SSPP复合传输线、人工表面等离激元传输条带、半模基片集成波导传输结构及位于介质基板背面的金属接地面和缺陷地单元；
所述第一微带馈线包括特性阻抗为50Ω的金属条带M0及宽度渐变的匹配金属条带M1；金属条带M1一端与金属条带M0相连接，另一端与HMSIW-SSPP复合传输线相连接。
所述第二微带馈线包括特性阻抗为50Ω的金属条带M7及宽度渐变的匹配金属条带M6；金属条带M6一端与金属条带M7相连接，另一端与半模基片集成波导传输结构相连接。
所述HMSIW-SSPP复合传输线包括金属条带M2、周期金属化通孔阵列、人工表面等离激元开槽单元，金属条带M2一端与第一微带馈线相连接，另一端与半模基片集成波导传输结构及人工表面等离激元条带相连接。所述金属条带M2一侧设置有人工表面等离激元开槽单元，另一侧设置有周期金属化通孔阵列；金属条带M2的一端接金属条带M1，金属条带M2的另一端接半模基片集成波导传输结构。
所述半模基片集成波导传输结构传输方向与HMSIW-SSPP复合传输线传输方向相垂直；半模基片集成波导传输结构包括金属条带M3和设置在金属条带M3上的周期金属化通孔阵列。半模基片集成波导传输结构上设置的周期金属化通孔阵列与金属条带M2上设置的周期金属化通孔阵列呈垂直排布。金属条带M3一端接半模基片集成波导传输结构一端，金属条带M3另一端接第二微带馈线的金属条带M6。
所述人工表面等离激元传输条带传输方向与HMSIW-SSPP复合传输线传输方向相同。人工表面等离激元传输条带包括金属条带M4、金属条带M5以及人工表面等离激元开槽单元。金属条带M4一端与金属条带M5相连，金属条带M4一侧设置有人工表面等离激元开槽单元；人工表面等离激元开槽单元沿传输方向周期排列，槽深呈渐变分布。
介质基板背面为金属接地面B0，表面蚀刻有两个缺陷地单元。
进一步的，所述的金属条带M2上的人工表面等离激元开槽单元在靠近微带馈线一端的若干周期呈槽深渐变分布，另一端的若干周期呈均匀槽深分布。
所述的HMSIW-SSPP复合传输线能够同时激励器HMSIW模式及SSPP模式，从而实现高效带通滤波特性。
通过改变半模基片集成波导结构宽度及人工表面等离激元周期开槽单元深度，可以独立调控带通特性的上、下截止频率。
进一步的，人工表面等离激元条带中金属条带M4包括宽度渐变的金属条带及蚀刻于金属条带边缘沿传输方向周期排列，槽深呈渐变分布的人工表面等离激元开槽单元。
利用人工表面等离激元更强的近场束缚能力，在能量从HMSIW-SSPP复合传输线传输至半模基片集成波导传输结构及人工表面等离激元传输条带时，可实现非均匀功率分配。
在背面金属接地面上蚀刻特定结构的缺陷地结构，可以显著改善带通滤波特性的高频带外抑制性能。
作为优选，所述的金属条带M2上沿传输方向周期排列了四个人工表面等离激元开槽单元，前两单元为槽深渐变的匹配过渡单元，后两单元为槽深均匀的人工表面等离激元模式传输单元。
作为优选，所述的人工表面等离激元条带中金属条带M4沿传输方向周期排列了三个深度渐变的人工表面等离激元开槽单元。
作为优选，所述半模基片集成波导传输结构中心位置与人工表面等离激元传输条带中第一个开槽单元对齐，实现功率分配比为1:3的不等分功分特性。
作为优选，所述的缺陷地单元为双C型缺陷地结构，排布于人工表面等离激元开槽单元中间位置。，改善不等分带通滤波功分器高频端带外抑制。
本发明提出的基于HMSIW-SSPP复合模式不等分带通滤波功分器具有上、下截止频率动态可调的特性，具有更大的带宽调控范围、更低损耗特性。在有限尺寸范围内同时构建带通滤波及不等分功分特性，提升了系统集成度。背面加载了缺陷地结构，带外抑制得到了大幅度改善具有便于加工、成本低等特点。
附图说明
图1为本发明的正面结构示意图；
图2为本发明的背面结构示意图；
图3为缺陷地单元的结构示意图；
图4为保持半模基片集成波导宽度不变，改变人工表面等离激元开槽单元槽深时HMSIW-SSPP复合单元色散特性对比图；
图5为保持人工表面等离激元开槽单元槽深不变，改变半模基片集成波导宽度时HMSIW-SSPP复合单元色散特性对比图；
图6为本发明的S参数仿真结果
具体实施方式
如图1所示，一种基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，包括介质基板、位于介质基板正面的第一和第二微带馈线、HMSIW-SSPP复合传输线、人工表面等离激元传输条带、半模基片集成波导传输结构及位于介质基板背面的金属接地面和缺陷地单元；
第一微带馈线包括金属条带M0和M1。金属条带M1一侧与金属条带M0相连接，另一侧与HMSIW-SSPP复合传输线相连接。第二微带馈线包括金属条带M6和M7。金属条带M6一侧与金属条带M7相连接，另一侧与半模基片集成波导传输结构相连接。HMSIW-SSPP复合传输线包括金属条带M2、周期金属化通孔阵列V1、人工表面等离激元周期开槽单元S1-S4。金属化通孔阵列V1位于金属条带M2顶端。人工表面等离激元周期开槽单元S1-S4位于金属条带M2下边缘，沿传输方向周期性排列。开槽单元S1、S2槽深呈渐变分布，开槽单元S3、S4槽深呈均匀分布。HMSIW-SSPP复合传输线一侧与第一微带馈线的金属条带M1相连，另一侧沿传输方向与人工表面等离激元传输条带相连接，同时沿传输方向的垂直方向与半模基片集成波导传输结构相连接。
人工表面等离激元传输条带包括金属条带M4、M5以及人工表面等离激元开槽单元S5-S7。金属条带M4一端与金属条带M5相连。开槽单元S5-S7位于金属条带M4下边缘，沿传输方向周期排列，槽深呈渐变分布。半模基片集成波导传输结构包括金属条带M3和周期金属化通孔阵列V2。周期金属化通孔阵列V2位于金属条带M3一侧，距离边缘1mm，且与周期金属化通孔阵列V1呈垂直排布。半模基片集成波导传输结构顶端与第二微带馈线的金属条带M6相连接。
如图2所示，介质基板背面为金属接地面B0，为带有金属通孔(周期金属化通孔阵列V1、周期金属化通孔阵列V2)的金属面。两个缺陷地单元B1和B2蚀刻于金属接地面B0表面，位置分别位于周期开槽单元S2和S3之间以及S3和S4之间。如图3所示，缺陷地由蚀刻出的矩形空腔及对称放置的两个双C型金属臂C1和C2构成。
金属条带M0、M5和M7线宽1.38mm，与金属接地面B0构成特性阻抗为50Ω的微带线。金属化通孔阵列V1距离金属条带M2上边缘间距1mm，下边缘间距7.2mm。通孔半径0.3mm，间距0.8mm，周期数27个。金属化通孔阵列V2距离金属条带M3左边缘间距1mm，右边缘间距7.2mm。通孔半径0.3mm，间距0.8mm，周期数10个。人工表面等离激元周期开槽单元S1-S4及S5-S7分别位于金属条带M2和M4下边缘，沿传输方向周期性排列，排布周期6.25mm，开槽单元S1-S7槽深分别为0.5mm、2mm、3.55mm、3.55mm，宽度均为0.5mm。整个带通滤波功分器长60mm宽27mm，介质基板相对介电常数2.65，厚度1mm。
工作过程：信号经第一微带馈线耦合至半模基片集成波导结构，激励起半模基片集成波导导波模式。再由该导波模式耦合激励起人工表面等离激元模式，经由槽深渐变的周期过渡单元，构成高效宽带的HMSIW-SSPP混合模式，实现带宽可调带通滤波特性。调节半模基片集成波导结构宽度及人工表面等离激元周期开槽深度，可以独立调控器件上、下截止频率。能量由混合模式主电路经由传输及耦合路径传递至人工表面等离激元传输支路及半模基片集成波导传输支路，并连接至出射端口，实现功率分配。通过调整人工表面等离激元传输支路及半模基片集成波导传输支路耦合位置，实现功率分配比为1:3的不等分功分性能。在各支路连接处背面蚀刻缺陷地结构，提升器件高频端带外抑制性能，提高器件抗干扰能力及电磁兼容性能。
所述基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器的HMSIW-SSPP混合单元色散特性如图4和图5所示。图4中，保持半模基片集成波导宽度Ws＝7.2mm不变，改变人工表面等离激元开槽单元槽深，当槽深h分别等于3.35mm(实线)、3.55mm(虚线)和3.75mm(点状线)时，单元高频截止频率分别接近11GHz、10.5GHz和10GHz，且低频截止频率保持不变。
类似的，如图5所示，保持人工表面等离激元开槽单元槽深h＝3.55mm不变，改变半模基片集成波导宽度，当宽度Ws分别等于6.7mm(实线)、7.2mm(虚线)和7.7mm(点状线)时，单元低频截止频率分别接近6.5GHz、6GHz和5.6GHz，且高频截止频率基本保持不变。
图6所示为所述带通滤波功分器的S参数图仿真结果，工作频段为6.5GHz到10GHz。频段内S11始终低于-15dB，S21和S31的值分别为-2.2dB和-7dB。出射端口处功率分配比为1：3。工作频段内功率分配稳定、高效。缺陷地结构的引入，显著改善了高频端带外抑制性能。
总之，本发明的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器在半模基片集成波导结构表面刻蚀人工表面等离激元周期结构实现了带通滤波特性，利用两种结构不同的耦合强度实现了不等分功分特性，加载缺陷地结构改善了带外抑制特性。
本发明利用HMSIW-SSPP混合模式，讲滤波特性与功分特性设计方案有效集成，大大减小了器件总体尺寸，提升了人工表面等离激元器件的集成度与应用前景。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种等同变换，这些等同变换均属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：包括介质基板、位于介质基板正面的第一和第二微带馈线、HMSIW-SSPP复合传输线、人工表面等离激元传输条带、半模基片集成波导传输结构及位于介质基板背面的金属接地面和缺陷地单元；
所述第一微带馈线包括特性阻抗为50Ω的金属条带M0及宽度渐变的匹配金属条带M1；金属条带M1一端与金属条带M0相连接，另一端与HMSIW-SSPP复合传输线相连接；
所述第二微带馈线包括特性阻抗为50Ω的金属条带M7及宽度渐变的匹配金属条带M6；金属条带M6一端与金属条带M7相连接，另一端与半模基片集成波导传输结构相连接；
所述HMSIW-SSPP复合传输线包括金属条带M2、周期金属化通孔阵列、人工表面等离激元开槽单元，金属条带M2一端与第一微带馈线相连接，另一端与半模基片集成波导传输结构及人工表面等离激元条带相连接；所述金属条带M2一侧设置有人工表面等离激元开槽单元，另一侧设置有周期金属化通孔阵列；金属条带M2的一端接金属条带M1，金属条带M2的另一端接半模基片集成波导传输结构；
所述半模基片集成波导传输结构传输方向与HMSIW-SSPP复合传输线传输方向相垂直；半模基片集成波导传输结构包括金属条带M3和设置在金属条带M3上的周期金属化通孔阵列；半模基片集成波导传输结构上设置的周期金属化通孔阵列与金属条带M2上设置的周期金属化通孔阵列呈垂直排布；金属条带M3一端接半模基片集成波导传输结构一端，金属条带M3另一端接第二微带馈线的金属条带M6；
所述人工表面等离激元传输条带传输方向与HMSIW-SSPP复合传输线传输方向相同；人工表面等离激元传输条带包括金属条带M4、金属条带M5以及人工表面等离激元开槽单元；金属条带M4一端与金属条带M5相连，金属条带M4一侧设置有人工表面等离激元开槽单元；
介质基板背面为金属接地面B0，表面蚀刻有两个缺陷地单元。
2.如权利要求1所述的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：所述金属条带M2上的人工表面等离激元开槽单元在靠近第一微带馈线端的若干周期呈槽深渐变分布，另一端的若干周期呈均匀槽深分布。
3.如权利要求1所述的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：所述的人工表面等离激元条带中金属条带M4包括宽度渐变的金属条带及蚀刻于金属条带边缘沿传输方向周期排列，槽深呈渐变分布的周期性人工表面等离激元开槽单元。
4.如权利要求2所述的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：所述的金属条带M2上沿传输方向周期排列了四个人工表面等离激元开槽单元，前两单元为槽深渐变的匹配过渡单元，后两单元为槽深均匀的人工表面等离激元模式传输单元。
5.如权利要求3所述的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：所述的人工表面等离激元条带中金属条带M4沿传输方向周期排列了三个深度渐变的人工表面等离激元开槽单元。
6.如权利要求1所述的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：所述半模基片集成波导传输结构中心位置与人工表面等离激元传输条带中第一个人工表面等离激元开槽单元对齐，实现功率分配比为1:3的不等分功分特性。
7.如权利要求1所述的基于HMSIW-SSPP混合模式的不等分带通滤波功分器，其特征在于：所述的缺陷地单元为双C型缺陷地结构，排布于人工表面等离激元开槽单元中间位置。
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