CN114865263A - 一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于射频通信技术领域，具体涉及一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器；该滤波功分器包括：上层基板、中间层基板、下层基板、第一金属层、第二金属层、第三金属层和第四金属层；中间层基板位于上层基板和下层基板之间，第一金属层设置在上层基板上表面，第二金属层设置在中间层基板上表面，第三金属层设置在中间层基板下表面，第四金属层设置在下层基板下表面；中间层基板中部挖空，形成空腔，第二金属层上设置有矩形开槽；在该滤波功分器上设置有金属通孔，金属通孔贯穿第二金属层、中间层基板和第三金属层；本发明通过在金属层开槽处加载电阻，以此消耗输出端口的回波，提升了滤波功分器的隔离性能，实用性高。

Description

一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器
技术领域
本发明属于射频通信技术领域，具体涉及一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器。
背景技术
在微波射频电路中，通常将滤波器与功分器级联使用，以此在实现功率分配的基础上抑制谐波，同时消除非线性器件引起的噪声和干扰。但滤波器与功分器级联有许多不足，例如，该结构的电路体积较大，不利于小型化射频电路系统的实现，同时该结构电路损耗较大，设计成本较高。滤波功分器是集成滤波器与功分器的一体化设计器件，兼具滤波性能与功率分配性能，可有效减小射频电路的尺寸与系统损耗，因此成为实现小型化射频前端的重要实现手段。
基片集成波导是一种新型微波毫米波传输线结构，这类传输线同时继承了平面电路和金属波导的结构特点，具有体积小、集成度高、损耗低、Q值高和成本低的优点。
因此，基于基片集成波导的滤波功分器受到研究人员的关注。为解决低频段频谱资源日益拥挤的问题，毫米波频段得到应用。但是在毫米波频段，应用频率的升高带来了更大的介质损耗，基片集成波导滤波功分器在毫米波频段的应用受到了限制。
现有技术中，有大量的基片集成波导滤波功分器研究成果，但它们大多是针对滤波功分器的多路或者多功能方面。
然而，隔离度是滤波功分器重要性能指标，现有技术少有针对提高基片集成波导滤波功分器隔离度的研究，特别是针对单路耦合滤波功分拓扑结构的滤波功分器。例如，一种现有滤波功分器，如图1所示，其滤波功分器用基片集成波导作为承载传输线，设计方法是输入波通过n个耦合谐振腔来实现n阶切比雪夫滤波，末端再级联一个谐振腔，腔内构造功分器实现功分输出，其利用耦合级联T型结功分结构来实现两路等比例功率分配，但T型结功分结构的输出端口隔离效果差。
综上所述，亟需一种新的基片集成波导滤波功分器以提高基片集成波导滤波功分器隔离度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，该滤波功分器包括：上层基板(1)、中间层基板(2)、下层基板(3)、第一金属层(4)、第二金属层(5)、第三金属层(6)和第四金属层(7)；中间层基板(2)位于上层基板(1)和下层基板(3)之间，第一金属层(4)设置在上层基板(1)上表面，第二金属层(5)设置在中间层基板(2)上表面，第三金属层(6)设置在中间层基板(2)下表面，第四金属层(7)设置在下层基板(3)下表面；中间层基板(2)中部挖空，形成空腔(9)，第二金属层(5)上设置有矩形开槽(14)；在空心基片集成波导毫米波滤波功分器上设置有金属通孔(10)，金属通孔(10)贯穿第二金属层(5)、中间层基板(2)和第三金属层(6)。
优选的，空腔(9)包括小空腔和大空腔，小空腔与大空腔连接。
进一步的，矩形开槽(14)位于大空腔的对称线上。
进一步的，空心基片集成波导毫米波滤波功分器还包括功能金属通孔(12)，该功能金属通孔(12)分别位于大空腔两侧，用于改善输入端口回波损耗。
优选的，矩形开槽(14)左侧跨接有一隔离电阻(15)。
优选的，第二金属层(5)上还设置微带到空心基片集成波导馈电过渡结构；微带到空心基片集成波导馈电过渡结构包括一个输入过渡结构(8)和两个输出过渡结构(11)，输入过渡结构(8)连接在第二金属层(5)左侧，输出过渡结构(11)均连接在第二金属层(5)右侧。
进一步的，输入过渡结构(8)与矩形开槽(14)位于同一直线上。
进一步的，两个输出过渡结构(11)对称设置在矩形开槽(14)两侧。
优选的，金属通孔(10)包括外部金属通孔和内部金属通孔；外部金属通孔金属单列排列在空腔(9)周围，内部金属通孔纵向对称分布在空腔(9)外，形成至少两个感性耦合窗(13)。
进一步的，感性耦合窗(13)为由多个金属通孔(10)排列组成的两个对称矩形块。
本发明的有益效果为：本发明设计的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，对比现有技术的滤波功分器，由于其使用传统基片集成波导基板的中间介质会带来较大的介质损耗，因此在毫米波波段，随着频率升高，基片集成波导的介质损耗越来越高。本发明将基片集成波导传输线的中间介质挖空，从而将传输线的中间介质由基板填充材料替换为了空气，进一步降低滤波功分器的损耗；本发明集成设计耦合腔滤波结构与通过金属层开槽构造的Y型结功分结构，实现了滤波和功分两个功能，其中Y型结功分结构的两路隔离仅依靠金属层开槽就可以实现，避免设置额外的金属通孔阵列，设计与制造简单。通过在金属层开槽处加载电阻，以此消耗输出端口的回波，提升了滤波功分器的隔离性能，实用性高。
附图说明
图1为现有的一种滤波功分器电路结构图；
图2为本发明中空心基片集成波导毫米波滤波功分器爆炸示意图；
图3为本发明中空心基片集成波导毫米波滤波功分器的中间层基板俯视图；
图4为本发明中空心基片集成波导毫米波滤波功分器的中间层基板与第二金属层的俯视图；
图5为本发明中空心基片集成波导毫米波滤波功分器的S11、S21和S31仿真结果图；
图6为本发明中空心基片集成波导毫米波滤波功分器的S23仿真结果图。
具体实施方式
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，都属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，如图2、图3所示，所述滤波功分器包括：上层基板1、中间层基板2、下层基板3、第一金属层4、第二金属层5、第三金属层6和第四金属层7；中间层基板2位于上层基板1和下层基板3之间，第一金属层4设置在上层基板1上表面，第二金属层5设置在中间层基板2上表面，第三金属层6设置在中间层基板2下表面，第四金属层7设置在下层基板3下表面；中间层基板2中部挖空，形成空腔9，第二金属层5上设置有矩形开槽14；在空心基片集成波导毫米波滤波功分器上设置有金属通孔10，金属通孔10贯穿第二金属层4、中间层基板2和第三金属层6。
空腔9包括小空腔和大空腔，小空腔与大空腔连接；通过将中间层基板中部挖空，从而将基片集成波导传输线的中间介质由基板填充材料替换为了空气，进一步降低滤波功分器的损耗。
如图4所示，第二金属层5上设置有矩形开槽14和微带到空心基片集成波导馈电过渡结构；微带到空心基片集成波导馈电过渡结构包括一个输入过渡结构8和两个输出过渡结构11，输入过渡结构8连接在第二金属层5左侧，输出过渡结构11均连接在第二金属层5右侧。
三层介质基板和四层金属层叠压在一起，形成滤波功分器本体，滤波功分器本体左侧设置有一个功分输入端口，右侧设置有两个功分输出端口。输入端口和输出端口均设置在微带到空心基片集成波导馈电过渡结构上。
矩形开槽14位于大空腔的对称线上，且矩形开槽14左侧跨接有一隔离电阻15。用金属层开槽来构造Y型结功分结构，并且在开槽处加载电阻，实现了高隔离的二路功分网络。
输入过渡结构8与矩形开槽14位于同一直线上，两个输出过渡结构11对称设置在矩形开槽14两侧。整个器件上下对称，可保证较低的相位差。
金属通孔10包括外部金属通孔和内部金属通孔；外部金属通孔金属单列排列在空腔9周围，内部金属通孔纵向对称分布在空腔9外，形成至少两个感性耦合窗13。感性耦合窗可扩展，包括但不限于两个耦合窗；通过感性耦合窗可以构成耦合腔体滤波结构，滤波功分器可以拓展为n阶，相应的需要n+1个感性耦合窗。优选的，感性耦合窗为5个，通过5个感性耦合窗可以构成5个耦合腔体结构，如图3所示，左起第一个腔为激励腔，激励腔可将微带线的TEM模波转换为空气腔的TE模波，并通过开窗耦合到右边的滤波结构；除去激励腔的滤波结构腔体整体通过耦合开窗形成切比雪夫滤波结构。
感性耦合窗13为由多个金属通孔10排列组成的两个对称矩形块。
空心基片集成波导毫米波滤波功分器还包括功能金属通孔12，该功能金属通孔12分别位于大空腔两侧，用于改善输入端口回波损耗。
本发明的工作原理为：通过金属通孔阵列、第二金属层、第三金属层、n个感性耦合窗与空腔共同构成n-1阶切比雪夫滤波耦合腔体，通过金属通孔阵列、第二金属层、第二层金属层开槽、第三金属层与空腔共同构成Y型功分结构，输入信号经由微带到空心基片集成波导过渡结构馈入到激励腔中，经由n-1个耦合谐振腔实现n-1阶切比雪夫滤波，之后馈入到Y型功分结构，经由两个微带到空心基片集成波导馈电过渡结构实现两路等比例功分输出，在不完全匹配时，两个输出端口会产生反射波，反射波在第二金属层开槽加载的电阻中消耗，从而增强两个功分输出端口隔离度。
在本发明的一些实例中，感性耦合窗为5个，对本发明进行仿真，仿真结果如图5和图6所示，由仿真结果可以看出滤波功分器在Ka波段31.7-32.7GHz频段内，输入回波损耗(S11)优于21dB，插入损耗(S21和S31)优于3.5dB，输出端口隔离度(S23)优于15dB。可以看出本发明的仿真实例具有良好的输入回波损耗、插入损耗与隔离性能。
本发明设计的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，集成设计了耦合腔滤波结构与通过金属层开槽构造的Y型结功分结构，可实现多阶切比雪夫滤波和二路等比例功率分配，整个电路基于空气填充基片集成波导传输线结构，具有较低的插损，其中Y型结功分结构的两路隔离仅依靠金属层开槽就可以实现，避免设置额外的金属通孔阵列，设计与制造简单，并且在开槽处加载电阻，实现了高隔离的二路功分网络，实用性高。
本发明的描述中，需要理解的是，术语“左”、“右”、“上”、“下”、“两侧”、“中部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，包括：上层基板(1)、中间层基板(2)、下层基板(3)、第一金属层(4)、第二金属层(5)、第三金属层(6)和第四金属层(7)；中间层基板(2)位于上层基板(1)和下层基板(3)之间，第一金属层(4)设置在上层基板(1)上表面，第二金属层(5)设置在中间层基板(2)上表面，第三金属层(6)设置在中间层基板(2)下表面，第四金属层(7)设置在下层基板(3)下表面；中间层基板(2)中部挖空，形成空腔(9)，第二金属层(5)上设置有矩形开槽(14)；在空心基片集成波导毫米波滤波功分器上设置有金属通孔(10)，金属通孔(10)贯穿第二金属层(5)、中间层基板(2)和第三金属层(6)。
2.根据权利要求1所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，空腔(9)包括小空腔和大空腔，小空腔与大空腔连接。
3.根据权利要求2所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，矩形开槽(14)位于大空腔的对称线上。
4.根据权利要求2所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，空心基片集成波导毫米波滤波功分器还包括功能金属通孔(12)，该功能金属通孔(12)分别位于大空腔两侧，用于改善输入端口回波损耗。
5.根据权利要求1所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，矩形开槽(14)左侧跨接有一隔离电阻(15)。
6.根据权利要求1所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，第二金属层(5)上还设置有微带到空心基片集成波导馈电过渡结构；微带到空心基片集成波导馈电过渡结构包括一个输入过渡结构(8)和两个输出过渡结构(11)，输入过渡结构(8)连接在第二金属层(5)左侧，输出过渡结构(11)均连接在第二金属层(5)右侧。
7.根据权利要求6所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，输入过渡结构(8)与矩形开槽(14)位于同一直线上。
8.根据权利要求6所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，两个输出过渡结构(11)对称设置在矩形开槽(14)两侧。
9.根据权利要求1所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，金属通孔(10)包括外部金属通孔和内部金属通孔；外部金属通孔金属单列排列在空腔(9)周围，内部金属通孔纵向对称分布在空腔(9)外，形成至少两个感性耦合窗(13)。
10.根据权利要求9所述的一种空心基片集成波导毫米波滤波功分器，其特征在于，感性耦合窗(13)为由多个金属通孔(10)排列组成的两个对称矩形块。
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