CN115513622B - 一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器，包括集成波导矩形基板，所述集成波导矩形基板包括介质基片，所述介质基片的上下表面设置有金属铜层，所述集成波导矩形基板上还设置有第一金属化通孔，上表面的金属铜层包括QMS IW腔体和源负载传输线；所述QMS IW腔体包括第一QMS IW等腰直角三角形腔体和第二QMS IW等腰直角三角形腔体；所述第一QMS IW等腰直角三角形腔体和所述第二QMS IW等腰直角三角形腔体上设置有槽线谐振器结构；下表面的金属铜层包括网格型慢波网络；所述集成波导矩形基板还包括螺栓型慢波网络；所述网格型慢波网络和螺栓型慢波网络用于增加电流路径，获得低频段的谐振；以进一步实现滤波器的小型化。

Description

一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器
技术领域
本发明涉及集成波导滤波器技术领域，具体而言，涉及一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器。
背景技术
随着5G/6G商业化的时代到来，其对全景无线通信系统各个组成部分的需求强烈。带通滤波器作为射频前端的重要组成部分，其小尺寸、高质量和易于集成的要求越来越高。为了设计具有小型化和高阻带的带通滤波器，其中一种方式是通过设计带通滤波器的谐振腔来实现，然而传统的基片集成波导(SIW)谐振腔占据的面积相对较大，带外抑制较差，在实际中应用有限。
有鉴于此，本说明书提出了一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器，以进一步实现滤波器的小型化和高阻带。
发明内容
本发明的目的在于提供一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器，包括集成波导矩形基板，所述集成波导矩形基板包括介质基片，所述介质基片的上下表面设置有金属铜层，所述集成波导矩形基板上还设置有第一金属化通孔，下表面的金属铜层包括网格型慢波网络；所述集成波导矩形基板还包括螺栓型慢波网络；所述网格型慢波网络和螺栓型慢波网络用于增加电流路径，获得低频段的谐振；上表面的金属铜层包括QMSIW腔体和源负载传输线，所述QMSIW腔体用于形成谐振腔，所述源负载传输线用于调节通带并馈入信号；所述QMSIW腔体包括第一QMSIW等腰直角三角形腔体和第二QMSIW等腰直角三角形腔体；所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体上设置有槽线谐振器结构；所述槽线谐振器结构用于降低谐振频率，增加阻带范围。
进一步的，所述螺栓型慢波网络由NxN个螺栓型慢波单元构成。
进一步的，所述螺栓型慢波单元为圆形贴片和第二金属化通孔构成的一体结构，所述圆形贴片的半径小于所述网格型慢波网络中的圆环的内径，并与所述圆环之间形成环形槽；所述第二金属化通孔与所述圆形贴片沿轴线连接，所述第二金属化通孔连接所述圆形贴片的一端与上表面的金属铜层接触。
进一步的，所述槽线谐振器结构在所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体的斜边中点端接开路，另一端分别在所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体内部进行短接。
进一步的，所述QMSIW腔体为矩形，由拼接所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体得到，在所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体之间形成的拼接缝设置所述贴片电容。
进一步的，所述网格型慢波网络由NxN个网格型慢波单元直接连接构成。
进一步的，所述网格型慢波单元为内设圆环的正方形框架结构，从圆环上取等距四个点与正方形框架结构沿中垂线进行连接。
进一步的，所述QMSIW腔体还包括贴片电容，所述贴片电容使得滤波器耦合具有可调性。
进一步的，所述源负载传输线包括源负载结构、微带线过渡结构和微带线。
进一步的，所述N为10。
本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：
本说明书中的一些实施例通过设置网格型慢波网络和螺栓型慢波网络可以增加电流路径，以改变基片材料的介电常数(ε)和磁导率(μ)，从而降低波导传播
Figure SMS_1
进而可以获得低频段的谐振。通过三维阻抗网络双面加载，两个慢波结构表现出强烈的慢波效应，可使横向尺寸减小，从而获得良好的小型化效果。
本说明书中的一些实施例通过蚀刻上表面的金属铜层，可以得到一端接开路，另一端接短路的槽线谐振器结构，使得整个滤波器可以在低频范围的谐振以及抑制其他高次模的谐振激励，获得高阻带。
本说明书中的一些实施例通过加载电容贴片，使得滤波器可以通过改变自身电容大小，来调控QMSIW腔体中部缝隙之间的耦合强度，从而使滤波器耦合具有可调性。
附图说明
图1为本发明一些实施例提供的一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器的示例性示意图；
图2为本发明一些实施例提供的上表面的金属铜层的示例性示意图；
图3为本发明一些实施例提供的下表面的金属铜层的示例性示意图；
图4为本发明一些实施例提供的螺栓型慢波单元和网格型慢波单元的示例性示意图；
图5为本发明一些实施例提供的滤波器的等效电路图的示例性示意图；
图6a为本发明一些实施例提供的未加载慢波结构的单位长度电感的二维传输线模型的示例性示意图；
图6b为本发明一些实施例提供的加载慢波结构的单位长度电感的二维传输线模型的示例性示意图；
图7a为加载本发明一些实施例提供的槽谐振器和/或慢波网络的回波损耗示意图；
图7b为加载本发明一些实施例提供的槽谐振器和/或慢波网络的传输损耗示意图；
图标：1-介质基片，2-上表面的金属铜层，3-下表面的金属铜层，4-第一QMSIW等腰直角三角形腔体，5-第二QMSIW等腰直角三角形腔体，6-第一金属化通孔，7-槽线谐振器结构，8-贴片电容，9-源负载结构，10-微带线过渡结构，11-微带线，12-网格型慢波网络，13-网格型慢波单元，14-第二金属化通孔，15-圆形贴片，16-环形槽。
具体实施方式
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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
图1为本发明一些实施例提供的一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器的示例性示意图。
如图1所示，本说明书中提出的滤波器包括包括集成波导矩形基板，集成波导矩形基板包括介质基片1，介质基片1的上下表面设置有金属铜层，集成波导矩形基板上还设置有第一金属化通孔6，第一金属化通孔6贯穿集成波导矩形基板。其中，上下表面的腔体为大小相等，形状相同，位置上下对应的矩形。例如，正方形。介质基片为Taconic TLX-6，相对介电常数为2.65，介质损耗角正切为0.0022，厚度均为1.016mm，表面金属均为铜，厚度均为0.035mm。可以通过各种可行的方式对金属铜层进行处理，得到如图1所示的集成波导矩形基板。
图2为本发明一些实施例提供的上表面的金属铜层的示例性示意图。
如图2所示，上表面的金属铜层2包括QMSIW腔体和源负载传输线。QMSIW腔体用于形成谐振腔，源负载传输线用于调节通带并馈入信号。如图2所示，QMSIW腔体为矩形，QMSIW腔体包括第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5。通过拼接第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5得到QMSIW腔体和拼接缝。
在一些实施例中，可以采用标准印刷电路板工艺，在矩形基板上对应的位置通过QMSIW矩形切割，得到两个QMSIW等腰直角三角形腔体。其中，两个QMSIW等腰直角三角形腔体上覆有导体(如，铜层)。在一些实施例中，在第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5远离源负载传输线的直角边的上、下表面金属的重叠区域加工第一金属化通孔阵列。
第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5上设置有槽线谐振器结构7；槽线谐振器结构7用于降低谐振频率，增加阻带范围。在一些实施例中，槽线谐振器结构7在第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5的斜边中点端接开路，另一端分别在第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5内部进行短接。其中，槽线谐振器结构7为镂空结构。
如图2所示，在一些实施例中，槽线结构可以在A点接开路，分别沿QMSIW等腰直角三角形腔体的斜边的中垂线到达B1点和B2点；然后沿靠近源负载传输线的直角边到达C1点和C2点；最后，沿斜边向着斜边中点到达D1点和D2点。
本说明书中的一些实施例通过槽线谐振器结构在QMSIW等腰直角形腔的斜边中点端接开路，另一端在腔体内部进行短接，使得其可以充当四分之一波长谐振器。
在一些实施例中，QMSIW腔体还包括贴片电容8，贴片电容8使得滤波器耦合具有可调性。在一些实施例中，QMSIW腔体为矩形，由拼接第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5得到，在第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5之间形成的拼接缝设置贴片电容8。
如图2所示，贴片电容8可以设置在靠近源负载传输线且紧贴槽线谐振器结构7的位置。
在一些实施例中，源负载传输线包括源负载结构9、微带线过渡结构10和微带线11。
如图2所示，源负载传输线可以从第一QMSIW等腰直角三角形腔体4和第二QMSIW等腰直角三角形腔体5的锐角处引出。在一些实施例中，源负载传输线可以为弯曲结构。例如，“土”字形状弯曲。
在一些实施例中，输入端和输出端的微带线均为50Ω微带传输线。过度结构可以为梯形微带过渡结构。
在一些实施例中，集成波导矩形基板还包括螺栓型慢波网络。螺栓型慢波网络用于增加电流路径，获得低频段的谐振。在一些实施例中，螺栓型慢波网络由NxN(N为大于等于1的正整数)个螺栓型慢波单元构成。例如，螺栓型网络由10×10个非直接连接的“螺栓”形单元构成。关于螺栓型慢波单元的更多内容，参见图4及其相关描述。
图3为本发明一些实施例提供的下表面的金属铜层的示例性示意图。如图3所示，下表面的金属铜层包括网格型慢波网络12。
网格型慢波网络12用于增加电流路径，获得低频段的谐振。在一些实施例中，网格型慢波网络由NxN(N为大于等于1的正整数)个网格型慢波单元13直接连接构成。图3中网格型慢波网络12中的黑色部分为导体(如，铜层)，白色部分为镂空。图3中除网格型慢波网络的其他部分为导体(如，覆有铜层)。关于网格型慢波单元的更多内容，参见图4及其相关描述。
如图3所示，网格型网络可以由10×10个直接连接的镂空型圆环“田字”单元构成。网格型网络通过排列镂空型圆环“田字”单元将相邻矩形铜层的四边连接起来，使介质基板下表面金属整体达到电气连接。
图4为本发明一些实施例提供的螺栓型慢波单元和网格型慢波单元的示例性示意图。
如图4所示，网格型慢波单元可以为内设圆环的正方形框架结构，从圆环上取等距四个点与正方形框架结构沿中垂线进行连接。螺栓型慢波单元可以为圆形贴片15和第二金属化通孔14构成的一体结构，圆形贴片15的半径小于网格型慢波网络中的圆环的内径，并与圆环之间形成环形槽16；第二金属化通孔14与圆形贴片15沿轴线连接，第二金属化通孔14未连接圆形贴片15的一端与上表面的金属铜层2接触。其中，螺栓型慢波单元中的第二金属化通孔14和圆形贴片15为“螺栓”状的实心一体结构。
每个螺栓形单元的圆环贴片均加载在网格型圆环田字单元中间，上述每个设定形状螺栓型结构均不与设定形状网格型结构直接相连。所述每个螺栓形单元为下表面铜层加载的金属圆形贴片与金属化通孔的组合，二者共同构成下表面螺栓型阵列加载区域。在一些实施例中，每个螺栓形单元之间距离需小于四分之一导波波长。
图5为本发明一些实施例提供的滤波器的等效电路图的示例性示意图。如图5所示，Ld为带有金属通孔的QMSIW谐振腔的所提供的增强型电感；Lc和Cc表示中间开缝处的磁耦合和电耦合；带有槽谐振器的QMSIW腔通过并联连接的谐振回路Lr、Cr和Ck(加载的0402贴片电容)；谐振器之间的耦合由Lz和Cz的并联连接整个电路。
图6a为本发明一些实施例提供的未加载慢波结构的单位长度电感的二维传输线模型的示例性示意图。图6b为本发明一些实施例提供的加载慢波结构的单位长度电感的二维传输线模型的示例性示意图。
如图6a和6b所示，Lx，Lz分别为x和z方向的串联电感，C为y方向的并联电容，d为单位长度，通过具体需求设置，r为镂空型圆环“田”字慢波结构的内圆半径，Lxz为镂空型圆环“田”字慢波结构的边长，h为介质板高度，Ch为加载慢波结构的上下金属面之间的电容，Lh为加载慢波结构的上下金属面之间的电感。
慢波集成波导立足于通过各类加载手段来提升基片材料的介电常数(ε)和磁导率(μ)，从而突破波导传播
Figure SMS_2
均限制。通过电路分析原理，可以计算出图6a中电路的串联阻抗和并联导纳为：
ZX＝jωLX，Zz＝jωLz，Y＝jωLy
根据法拉第定理和安培-麦克斯韦定理可以推出单元的串联阻抗和并联导纳为：
ZX＝jωμzd，Zz＝jωμxd，Y＝jωεyd
对比上述公式，可以得出以下关系：
Lx＝μzd，Lz＝μxd，Cy＝εyd
可以看出，对于平面二维传输线而言，改变Lx会影响z方向磁导率μx，改变Lz会影响x方向磁导率μy，改变Cy会影响y方向介电常数εy。因此可以通过增加电流路径来实现滤波器的小型化。
图7a为加载本发明一些实施例提供的槽谐振器和/或慢波网络的回波损耗示意图；图7b为加载本发明一些实施例提供的槽谐振器和/或慢波网络的传输损耗示意图。
由图7a可以看出，加载了槽谐振器和慢波网络的滤波器的谐振点的频率最低，加载了槽谐振器的滤波器的谐振点的频率第二低，加载了慢波网络的滤波器次之，没有加载槽谐振器和慢波网络的滤波器的谐振点最高。因此，加载了槽谐振器和慢波网络的滤波器的小型化程度最好。并且加载槽谐振器和滤波器都有利于滤波器的小型化。
由图7b可以看出，加载了槽谐振器和慢波网络的滤波器在通频带处的S参数最低，且通频带最宽；加载槽谐振器的滤波器次之；未加载槽谐振器和慢波网络的滤波器最差。因此，加载了槽谐振器和慢波网络的滤波器的滤波效果最好，仅加载槽谐振器的滤波器次之，仅加载慢波网络的滤波器优于未加载槽谐振器和慢波结构的滤波器。
本说明书中的一些实施例通过加载镂空型圆环“田”字慢波结构和“螺栓”形金属通孔来增加电流路径从而改变ε和μ的值，降低波导传播
Figure SMS_3
进而可以获得低频段的谐振。基于三维阻抗网络双面加载，所述的两个慢波结构表现出强烈的慢波效应，可使横向尺寸减小，从而获得良好的小型化效果。
本说明书中的一些实施例通过蚀刻上表面的金属铜层，可以得到一端接开路，另一端接短路的槽线谐振器结构。在实际工作中该结构等同于一个槽谐振器，通过选择槽尺寸等同于改变图5中等效电路模型中Lr和Cr的大小，使得整个滤波器可以在低频范围的谐振以及抑制其他高次模的谐振激励，获得高通带。
本说明书中的一些实施例通过加载0402电容贴片Ck，使得滤波器可以通过改变自身电容大小，来调控QMSIW腔体中部缝隙之间的耦合强度，从而使滤波器耦合具有可调性。
通过比较传统四分之一模SIW、慢波结构加载型四分之一模SIW、槽谐振器加载型四分之一模SIW以及带槽谐振器和慢波结构共同加载型四分之一模SIW。可以得到槽谐振器和慢波网络加载型四分之一模SIW的截止频率在0.34GHz附近，且带宽为0.1GHz。在通带范围内，带内插损为0.29dB-0.47dB，回波损耗优于20dB。阻带0.5GHz-4.6GHz内的衰减优于16dB。综上所述，如果采用传统SIW结构来实现截止频率相同的传输线，在介质基板材料完全相同的情况下，传统SIW的物理宽度为240mm。与它们相比，槽谐振器和慢波网络加载型SIW的横向宽度减少约83％，仅有40mm的宽度。槽谐振器和慢波网络加载型SIW的阻带相对于中心频率可达到13倍带外抑制。因此，本说明书中提供的一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器有很好的应用前景。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (8)

1.一种四分之一模慢波基片集成波导滤波器，包括集成波导矩形基板，所述集成波导矩形基板包括介质基片，所述介质基片的上下表面设置有金属铜层，所述集成波导矩形基板上还设置有第一金属化通孔，其特征在于，
下表面的金属铜层包括网格型慢波网络；所述网格型慢波网络由NxN个网格型慢波单元直接连接构成；网格型慢波单元为内设圆环的正方形框架结构，从圆环上取等距四个点与正方形框架结构沿中垂线进行连接；螺栓型慢波单元为圆形贴片（15）和第二金属化通孔（14）构成的一体结构，圆形贴片（15）的半径小于网格型慢波网络中的圆环的内径，并与圆环之间形成环形槽（16）；第二金属化通孔（14）与圆形贴片（15）沿轴线连接，第二金属化通孔（14）未连接圆形贴片（15）的一端与上表面的金属铜层（2）接触；其中，螺栓型慢波单元中的第二金属化通孔（14）和圆形贴片（15）为“螺栓”状的实心一体结构；
所述集成波导矩形基板还包括螺栓型慢波网络；所述网格型慢波网络和螺栓型慢波网络用于增加电流路径，获得低频段的谐振；所述螺栓型慢波网络由NxN个螺栓型慢波单元构成；每个螺栓形单元的圆环贴片均加载在网格型圆环田字单元中间，上述每个设定形状螺栓型结构均不与设定形状网格型结构直接相连；每个螺栓形单元为下表面铜层加载的金属圆形贴片与金属化通孔的组合，二者共同构成下表面螺栓型阵列加载区域；
上表面的金属铜层包括QMSIW腔体和源负载传输线，所述QMSIW腔体用于形成谐振腔，所述源负载传输线用于调节通带并馈入信号；所述QMSIW腔体包括第一QMSIW等腰直角三角形腔体和第二QMSIW等腰直角三角形腔体；
所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体上设置有槽线谐振器结构；所述槽线谐振器结构用于降低谐振频率，增加阻带范围。
2.根据权利要求1所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述螺栓型慢波单元为圆形贴片和第二金属化通孔构成的一体结构，所述圆形贴片的半径小于所述网格型慢波网络中的圆环的内径，并与所述圆环之间形成环形槽；所述第二金属化通孔与所述圆形贴片沿轴线连接，所述第二金属化通孔连接所述圆形贴片的一端与上表面的金属铜层接触。
3.根据权利要求1所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述槽线谐振器结构在所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体的斜边中点端接开路，另一端分别在所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体内部进行短接。
4.根据权利要求3所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述QMSIW腔体为矩形，由拼接所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体得到，在所述第一QMSIW等腰直角三角形腔体和所述第二QMSIW等腰直角三角形腔体之间形成的拼接缝设置贴片电容。
5.根据权利要求1所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述网格型慢波单元为内设圆环的正方形框架结构，从圆环上取等距四个点与正方形框架结构沿中垂线进行连接。
6.根据权利要求1所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述QMSIW腔体还包括贴片电容，所述贴片电容使得滤波器耦合具有可调性。
7.根据权利要求1所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述源负载传输线包括源负载结构、微带线过渡结构和微带线。
8.根据权利要求1所述的四分之一模慢波基片集成波导滤波器，其特征在于，所述N为10。
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