CN114883766B - 一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，属于微波技术领域：包括本体；本体包括位于顶层的第一金属层、位于底层的第二金属层和介质基板层；第一金属层上对称设置有微带线和槽线过渡结构；本体四周设置等间隔距离I排列的过孔；两排过孔排中间部分对应的介质基板层上设置有n×n个间隔距离IV排列尺寸相同的盲孔；由有n×n个盲孔以及两排过孔排构成慢波结构的双模基片集成波导谐振腔；慢波结构的双模基片集成波导谐振腔两侧为对称的TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔，本申请具有低损耗，低辐射，灵活的传输零点，紧凑的尺寸，高功率容量高集成度特点，十分适合用于高集成度，低损耗的通信前端。

Description

一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器

技术领域

本发明属于微波技术领域，涉及一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器。

背景技术

自从基片集成波导这一概念被提出之后，受到了国内外过大学者和工程师的关注，其有介质填充的矩形波导相似，同时具有以下的优点：低插入损耗，易加工，低剖面，易集成化，良好的屏蔽性。同时相比微带结构，基片集成波导滤波器具有高的品质因数和更优异的功率容量。

随着现代无线通信技术的发展，需要不断减小滤波器的尺寸。国内外现有双模基片集成波导滤波器使用传统的矩形谐振腔或圆形谐振腔的两个正交模式实现单腔双模，这类双模基片集成波导谐振腔可以为滤波器提供灵活的传输零点在通带的一侧或两侧，同时和单模基片集成波导谐振腔的尺寸相比有更紧凑的尺寸，一方面，需要不断地减小滤波器的尺寸；另一方面，双模腔的尺寸比单腔的尺寸大很多，在物理结构实现的过程中无法紧凑的组合。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供本发明采用的技术方案是：一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，包括本体；

所述本体包括位于顶层的第一金属层、位于底层的第二金属层和介质基板层；

所述介质基板层设置于所述第一金属层、第二金属层的中间；

所述第一金属层上对称设置有微带线和槽线过渡结构；

所述本体四周设置等间隔距离I排列的过孔；

所述本体中间对称设置有间隔一定距离II的、且由过孔排列组成的过孔排；

所述过孔排存在断开距离III；

两排所述过孔排中间部分对应的所述介质基板层上设置有n×n个间隔距离IV排列尺寸相同的盲孔；

由n×n个盲孔以及两排过孔排构成慢波结构的双模基片集成波导谐振腔；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔的边缘处设置两个对称的金属化调谐通孔；

所述金属化调谐通孔位于所述过孔及所述金属化调谐通孔之间；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔两侧为对称的TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔。

进一步地：所述微带线和槽线过渡结构位于TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔的物理尺寸的中轴线上。

进一步地，所述盲孔为T型盲孔，所述T型盲孔的底端均与所述第二金属层相连接。

进一步地，所述过孔与所述金属化调谐通孔尺寸相同。

进一步地：所述盲孔的尺寸为所述过孔的尺寸的2倍。

进一步地：所述距离I、距离II、距离III、距离IV均由微波的波长决定，所述距离I、距离II、距离III、距离IV为微波的波长的十分之一。

进一步地：所述金属化调谐通孔位于所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔的中轴线上。

本发明提供的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，具有以下优点：

(1)慢波结构的双模基片集成波导谐振腔结构其尺寸紧凑，且与相同频率的单模基片集成波导谐振腔尺寸接近，易于将双模谐振腔作为模块与单模谐振腔组合使用；

(2)通过改变金属化调谐通孔的方式，灵活的控制慢波结构的基片集成波导滤波器的传输零点的位置。

(3)通过在介质基板加载慢波结构的双模谐振腔在减小物理尺寸的同时可以保持较高的品质因数，所述的输入输出端口在同一平面上易于集成化。

因此这种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，具有低损耗，低辐射，灵活的传输零点，紧凑的尺寸，高功率容量高集成度特点，十分适合用于高集成度，低损耗的通信前端。

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，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，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讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的结构示意图，；

图2是本发明的侧视图；

图3是本发明盲孔的品质因数与盲孔高度的关系曲线图；

图4是本发明不存在金属化调谐过孔的频率响应曲线图；

图5是本发明存在金属化调谐过孔的频率响应曲线图。

附图标记：1、慢波结构的双模基片集成波导谐振腔，4、过孔，6、盲孔，7、第一金属层，8、介质基板层，9、第二金属层，21、TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔I，22、TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔II，31、微带线和槽线结构I，32、微带线和槽线结构II，51、金属化调谐通孔I，52金属化调谐通孔II。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。同时，应当清楚，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员己知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任向具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

在本发明的描述中，需要理解的是，方位词如“前、后、上、下、左、右”、“横向、竖向、垂直、水平”和“顶、底”等所指示的方位或位置关系通常是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，在未作相反说明的情况下，这些方位词并不指示和暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位或者以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制：方位词“内、外”是指相对于各部件本身的轮廓的内外。

为了便于描述，在这里可以使用空间相对术语，如“在……之上”、“在……上方”、“在……上表面”、“上面的”等，用来描述如在图中所示的一个器件或特征与其他器件或特征的空间位置关系。应当理解的是，空间相对术语旨在包含除了器件在图中所描述的方位之外的在使用或操作中的不同方位。例如，如果附图中的器件被倒置，则描述为“在其他器件或构造上方”或“在其他器件或构造之上”的器件之后将被定位为“在其他器件或构造下方”或“在其位器件或构造之下”。因而，示例性术语“在……上方”可以包括“在……上方”和“在……下方”两种方位。该器件也可以其他不同方式定位(旋转90度或处于其他方位)，并且对这里所使用的空间相对描述作出相应解释。

此外，需要说明的是，使用“第一”、“第二”等词语来限定零部件，仅仅是为了便于对相应零部件进行区别，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

图1是本发明的结构示意图，；

图2是本发明的侧视图；

一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，包括本体；

所述本体包括位于顶层的第一金属层7、位于底层的第二金属层9和介质基板层8；

所述介质基板层8设置于所述第一金属层7、第二金属层9的中间；

所述第一金属层7上对称设置有微带线和槽线过渡结构即：微带线和槽线结构I31、微带线和槽线结构II32；

所述本体四周设置等间隔距离I排列的过孔4；

所述本体中间对称设置有间隔一定距离II的、且由过孔4排列组成的过孔排；

所述过孔排存在断开距离III；

两排所述过孔排中间部分对应的所述介质基板层8上设置有n×n个间隔距离IV排列的尺寸相同的盲孔6；

由n×n个盲孔以及两排过孔排构成慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1的边缘处设置两个对称的金属化调谐通孔，即金属化调谐通孔I51和金属化调谐通孔II52；

所述金属化调谐通孔I51和金属化调谐通孔II52均位于所述过孔及所述盲孔6之间；所述金属化调谐通孔I51和金属化调谐通孔II52均贯穿介质基板层8且与第一金属层7和第二金属层9相连接；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1两侧为对称TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔，即：TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔I21和TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔II22；

以TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔I21为例，所述TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔的尺寸是用来调节TE₁₀₁模式的谐振频率，达到控制通带内中心的两个谐振频率。TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔I21的尺寸可以根据公式(1)计算：

其中：μ_r是介质基板的相对磁导率、ε_r是介质基板的相对介电常数、c为光在真空中的速度，w₀和l₀表示等效慢波结构双模谐振腔的宽度和长度，m和q分别是沿x轴和z轴方向的模式。

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1的w₁和l₁是用来调节准TE₁₀₂模式和准TE₂₀₁模式的谐振频率，w1和l1越大，则谐振频率越小，w1和l1越小，则谐振频率越大。。

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1的准TE₁₀₂和准TE₂₀₁模式谐振频率位于通带内最低和最高的谐振点处，准TE₁₀₂和准TE₂₀₁模式谐振频率会影响滤波器的传输零点位置。

所述位于第一金属层7和槽线的尺寸决定了基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器的通带宽度，槽线的长和宽决定滤波器的带宽。

所述盲孔6结构会影响双模谐振腔的品质因数(Q_u)、所对应频率下的尺寸。设ε_{reff_SWSIW}是加载了慢波结构的介质基板所对应的相对介电常数、

其中：ε_{reff_SIW}是介质基板所对应的相对介电常数、h上介质基板的厚度、Δh是盲孔的高度；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1的谐振频率f_SWSIW-TEm0q的计算公式为：

其中：μ_r是介质基板的相对磁导率、c为光在真空中的速度，w₁和l₁表示等效慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1的宽度和长度，m和q分别是沿x轴和z轴方向的模式。

进一步地，位于所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1中轴线上的两个金属化调谐通孔I51和金属化调谐通孔II52可以改变滤波器的传输零点的位置。当存在所述金属化调谐通孔I51和金属化调谐通孔II52时，传输零点位于低频阻带；当不存在所述的金属化调谐通孔I51和金属化调谐通孔II52时，传输零点位于高频阻带。

所述微带线和槽线过渡结构3位于TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔2物理尺寸的中轴线上；所述微带线和槽线过渡结构3的输入输出为50欧姆。

所述盲孔6为T型盲孔，所述T型盲孔的底端均与所述第二金属层相连接；

所述过孔4与所述金属化调谐通孔5尺寸相同；

所述盲孔6的尺寸为所述过孔4的尺寸的2倍。

所述距离I、距离II、距离III、距离IV均由微波的波长决定，所述距离I、距离II、距离III、距离IV为微波的波长的十分之一，精确尺寸需要根据滤波器传输性能进行优化。

所述介质基板层8的相对介电常数为2.2，损耗角正切值为0.0009，介质基板厚度为1.535mm。

本具体实施方式中，通过输入端口50欧姆微带线和槽线结构将能量传输至TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔2内，TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔2中的TE₁₀₁模式被激励并将能力耦合到加载了T型盲孔6的慢波结构的慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1，从而同时平行激励慢波结构的双模基片集成波导谐振腔1中的准TE₁₀₂模式和准TE₂₀₁模式。调谐金属化过孔是否存在取决于所发明的基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器的传输零点的位置：若传输零点的位置位于高频阻带上，则不存在调谐金属化通孔；若传输零点的位置位于低频阻带上，则存在调谐金属化通孔。

图3是本发明盲孔的品质因数与盲孔高度的关系曲线图；基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器中的n×n个相同大小和间距T型盲孔6的高度和个数对双模基片集成波导谐振腔的品质因数的关系曲线。

图4是本发明不存在金属化调谐过孔的频率响应曲线图；基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器不存在调谐金属化通孔5的S参数曲线，该滤波器的中心频率5.8GHz，3dB分数带宽为5.13％，通带内的最大插入损耗为1.64，回波损耗优于20dB，传输零点频率位于高频阻带上，双模腔的尺寸为0.73λ_g×0.74λ_g。

图5是本发明存在金属化调谐过孔的频率响应曲线图；基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器存在调谐金属化通孔5的S参数曲线，该滤波器的中心频率5.8GHz，3dB分数带宽为4.85％，通带内的最大插入损耗为1.85，回波损耗优于20dB，传输零点频率位于低频阻带上,双模腔的尺寸为0.77λ_g×0.77λ_g。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (7)

1.一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：包括本体；

所述本体包括位于顶层的第一金属层、位于底层的第二金属层和介质基板层；

所述介质基板层设置于所述第一金属层、第二金属层的中间；

所述第一金属层上对称设置有微带线和槽线过渡结构；

所述本体四周设置等间隔距离I排列的过孔；

所述本体中间对称设置有间隔一定距离II的、且由过孔排列组成的过孔排；

所述过孔排存在断开距离III；

两排所述过孔排中间部分对应的所述介质基板层上设置有n×n个间隔距离IV排列尺寸相同的盲孔；

由n×n个盲孔以及两排过孔排构成慢波结构的双模基片集成波导谐振腔；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔的边缘处设置两个对称的金属化调谐通孔；

所述金属化调谐通孔位于所述过孔及盲孔之间；

所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔两侧为对称的TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔。

2.根据权利要求1所述的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：所述微带线和槽线过渡结构位于TE₁₀₁模式基片集成波导谐振腔的物理尺寸的中轴线上。

3.根据权利要求1所述的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：所述盲孔为T型盲孔，所述T型盲孔的底端均与所述第二金属层相连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：所述过孔与所述金属化调谐通孔尺寸相同。

5.根据权利要求1所述的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：所述盲孔的尺寸为所述过孔的尺寸的2倍。

6.根据权利要求1所述的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：所述距离I、距离II、距离III、距离IV均由微波的波长决定，所述距离I、距离II、距离III、距离IV为微波的波长的十分之一。

7.根据权利要求1所述的一种基于慢波结构的双模基片集成波导滤波器，其特征在于：所述金属化调谐通孔位于所述慢波结构的双模基片集成波导谐振腔的中轴线上。