CN116345093A - 一种x波段siw非整数维度超结构滤波器及其设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种X波段SIW非整数维度超结构滤波器及其设计方法。本发明采用基片集成波导作为传输线，上下两层基片集成波导作为耦合腔，通过在双层SIW耦合腔中间的公共金属层引入非整数维度超结构作为耦合结构。相对于利用切比雪夫等原型设计的SIW滤波器，只占用一个谐振腔面积，就可以得到更好的性能，有效地减小了滤波器的体积，提供了一种新的路径，且其选择性更好。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体涉及一种X波段SIW非整数维度超结构滤波器及其设计方法。
背景技术
随着科技发展进步，微波技术逐渐向小型化，集成化发展。相比于传统波导结构，基片集成波导在尺寸上显著减小，结构近似平面易于集成，同时也兼具微带元件的特点。
目前存在的利用切比雪夫或巴特沃斯原型等构成的SIW滤波器，虽然性能可以做到较好，但仍然存在体积相对较大的问题；还有利用交叉耦合方式设计的SIW滤波器，也存在体积较大的问题，不利于实现小型化，以及选择性较差的问题。
此外，还有人提出采用多层结构，利用混合耦合的方式，对SIW滤波器进行设计，这种采用多层结构设计的滤波器，很大程度上减小了滤波器的体积，而且结构简单，易于实现。但是对于耦合结构的使用，目前大多使用传统的是矩形条或圆柱形结构，选择性较差。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有SIW滤波器存在小型化不佳以及性能相对不足的问题，本发明提供了一种X波段SIW非整数维度超结构滤波器及其设计方法，利用非整数维度超结构作为上下层波导的耦合孔，采用双层SIW耦合腔结构。相比于现有的SIW耦合滤波器，只占用一个谐振器的面积，但却可以得到更好的滤波效果，体积更小，易于实现器件的小型化。其次，利用非整数维度超结构作为耦合结构，相对于传统的矩形条或者圆形耦合结构，选择性更好，可以得到更好的滤波效果。
一种X波段SIW非整数维度超结构滤波器，包括主基片集成波导、副基片集成波导和非整数维度超结构。
所述主基片集成波导的主模H面与副基片集成波导的主模H面相互适应平行设置，主基片集成波导和副基片集成波导采用相同的两排金属化通孔，即厚度方向上主、副基片集成波导的两排金属化通孔重合连通。主、副基片集成波导之间采用公共金属层，副基片集成波导作为上层，主基片集成波导作为下层。
所述副基片集成波导在传输方向(Y轴方向)上的两端口，还分别设有垂直于传输方向的两排封腔金属化通孔，封腔金属化通孔贯通副基片集成波导的金属层和介质层，直至公共金属层(不贯通公共金属层)。封腔金属化通孔的直径、以及其相邻金属化通孔的间距，与构成SIW传输线的金属化通孔尺寸一致，副基片集成波导的四排金属化通孔整体连线构成一个矩形；即副基片集成波导的四周均由一排金属化通孔围成，对副基片集成波导进行了封腔。这样做的目的是为了在副基片集成波导形成一个谐振腔，使得从主基片集成波导耦合到副基片集成波导的电磁波可以在副基片集成波导谐振。此外，通过公共金属层实现主基片集成波导与副基片集成波导相互隔离，构成金属层-介质层-公共金属层-介质层-金属层的层间结构。
所述非整数维度超结构是将公共金属层去除一个非整数维度图形的贯通区域；非整数维度图形的中心点与公共金属层的中心点重合。非整数维度图形的基础图形为一个正多边形或圆，正多边形的边长数量为偶数且大于3，正多边形存在两组对边分别与基片集成波导的传输方向平行和垂直，以非整数维度基础图形与基片集成波导的传输方向垂直的两条对边作为缩进边，从缩进边的中点处以非整数维度做向非整数维度基础图形中心点方向内缩n阶构成非整数维度图形，n为非整数维度图形的维度阶数n≥1(即向非整数维度基础图形的中心点方向内缩一次算一阶)，内缩边长为1/22na，a为正多边形的边长或圆的半径。
主、副基片集成波导通过公共金属层上的超结构(非整数维度图形的贯通区域)，来实现电磁波从主基片集成波导耦合到副基片集成波导，主基片集成波导作为微波的主通道，副基片集成波导作为取样通道，超结构作为耦合通道。
进一步的，所述正多边形为正方形，维度阶数n＝3。
上述X波段SIW非整数维度超结构滤波器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、设计一个X波段的双层SIW耦合腔结构；确定两个基片集成波导的参数：介质基板的相对介电常数εr、厚度t、相邻两排金属化通孔之间的距离w、金属化通孔直径d和同排相邻金属化通孔的孔心距p。
步骤2、设计非整数维度超结构；确定非整数维度超结构的非整数维度基础图形形状和a，非整数维度阶数n；一阶边长长度为a1，向内侧缩进的二阶边长长度为a2，以此类推，n阶边长长度为an…。
步骤3、根据1、2步骤得到的参数搭建非整数维度超结构滤波器模型，通过仿真软件优化其性能，使其在所需频段内得到进一步提升。
综上所述，本发明采用基片集成波导作为传输线，上下两层基片集成波导作为耦合腔，通过在双层SIW耦合腔中间的公共金属层引入非整数维度超结构作为耦合结构。相对于利用切比雪夫等原型设计的SIW滤波器，只占用一个谐振腔面积，就可以得到更好的性能，有效地减小了滤波器的体积。在使用时，本发明器件利用非整数维度超结构作为耦合结构，相对于常用的利用矩形条或者圆形作为耦合结构的滤波器提供了一种新的路径，且其选择性更好。
附图说明
图1是实施例非整数维度基础图形的结构示意图；
图2是实施例非整数维度基础图形结构的S参数示意图；
图3是实施例非整数维度基础图形结构在平行传输方向边的单边内缩结构示意图；
图4是实施例单边内缩平行传输方向结构的S参数示意图；
图5是实施例单边内缩平行传输方向结构的立体示意图；
图6是实施例非整数维度基础图形结构在平行传输方向的对边内缩结构示意图；
图7是实施例对边内缩平行传输方向结构的S参数示意图；
图8是实施例非整数维度基础图形结构在垂直传输方向边的单边内缩结构示意图；
图9是实施例单边内缩垂直传输方向结构的S参数示意图；
图10是实施例非整数维度基础图形结构在垂直传输方向边的对边内缩结构示意图；
图11是实施例对边内缩垂直传输方向结构的S参数示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
一种X波段SIW非整数维度超结构耦合滤波器的设计方法，包括以下步骤：
步骤1、设计一个X波段的双层SIW耦合腔；确定两个基片集成波导的参数：介质基板的相对介电常数εr、介质基板的厚度t、相邻两排金属化通孔之间的距离w、金属化通孔直径d和同排相邻金属化通孔孔心距p。
介质基板厚度t＝0.508mm，介质基板的相对介电常数εr＝2.1，金属化通孔直径d＝0.55mm，同排相邻金属化通孔孔心距p＝0.68mm，相邻两排金属化通孔之间的距离w＝14.28mm。
步骤2、设计非整数维度超结构，确定非整数维度超结构的非整数维度基础图形形状和a。
在本实施例中，采用的是3阶非整数维度，以正方形为例，其边长以1/22na长度向中心点侧缩进；正方形的边长a＝10.35mm，由此得到超结构的尺寸，如表1所示。
将正方形的缩进边以其中点，长度1/22na向正方形的中心缩进，贯穿整个公共金属层并与其等高。理想情况下，可以以这样的规则无限向正多边形的中心缩进，根据表1可以看出，在3阶时向内缩进的正方形的边长已经到达0.7mm，但考虑到实际应用中的加工难度，因此该超结构模型在本实施例中选取3阶为例。
表1：非整数维度超结构的维度阶数
| 阶数n | 1/22n | 1/22na |
| 1 | 0.25 | 2.59mm |
| 2 | 0.0625 | 0.64mm |
| 3 | 0.0156525 | 0.16mm |
图1是本实施例非整数维度基础图形的结构示意图，图2是其相应的S参数示意图。
首先只将平行于传输方向的一条边向正方形的中心缩进，其结构模型如图3所示，对应的S参数示意图仿真如图4，其层间立体结构如图5所示。发现同图1没有做缩进时效果一样。同样的，将平行于传输方向的两条对边向正方形的中心缩进(如图6和图7所示)，同上面效果一样。在平行于传输方向的两条边上做缩进时，电磁波走过的电长度并没有发生变化，因此对它的性能没有影响。此时它只是作为一个耦合孔，把下层的能量耦合到上层，并没有达到滤波的效果。由于靠近铜柱侧的边向中心做缩进，使得感性减弱，因此器件整体磁场减弱、电场增强，也是发生了容感性的变化。
进一步的，只将垂直于传输方向的一条边向正方形的中心缩进(如图8所示)，从其对应的S参数图9中可以看出，此时由于电长度的变化不是特别大，仍然只是耦合孔的作用。
进一步的，将垂直于于传输方向的两条对边向正方形的中心缩进(如图10所示)，此时电磁波走过的电长度有了明显的变化(如图11所示)，具有明显的滤波效果。相比于没有缩进和其他几种缩进方式的正方形耦合孔，图10向中心缩进的方式可以得到明显的滤波效果，而不是仅仅作为一个耦合孔，把下层电磁波的能量耦合到上层，性能得到改善。
步骤3、根据1、2步骤得到的参数搭建非整数维度超结构滤波器模型，结构如附图10所示。在HFSS中建模分析此时非整数维度超结构滤波器的传输性能，通过HFSS优化其性能，使其在所需频段内得到进一步提升。
通过以上实施例可见，通过在双层SIW耦合腔中间的公共金属层引入非整数维度超结构作为耦合孔，其结构以正方形为例，边长以1/22na长度向中心点侧缩进，相比于单独的一个正方形孔，选择性更好。此外，利用非整数维度超结构作为耦合结构，只占用一个谐振腔的面积，就可以得到较好的滤波效果，其体积更小，结构简单，选择性好。
Claims (3)
1.一种X波段SIW非整数维度超结构滤波器，其特征在于：包括主基片集成波导、副基片集成波导和非整数维度超结构；
所述主基片集成波导的主模H面与副基片集成波导的主模H面相互适应平行设置，主基片集成波导和副基片集成波导采用相同的两排金属化通孔，即厚度方向上主、副基片集成波导的两排金属化通孔重合连通；
所述副基片集成波导在传输方向上的两端口，还分别设有垂直于传输方向的两排封腔金属化通孔，封腔金属化通孔贯通副基片集成波导的金属层和介质层，直至公共金属层；封腔金属化通孔的直径、以及其相邻金属化通孔的间距，与构成SIW传输线的金属化通孔尺寸一致，副基片集成波导的四周均由一排金属化通孔围成一个矩形，对副基片集成波导进行了封腔；
主、副基片集成波导之间采用公共金属层，副基片集成波导作为上层，主基片集成波导作为下层；通过公共金属层实现主基片集成波导与副基片集成波导相互隔离，构成金属层-介质层-公共金属层-介质层-金属层的层间结构；
所述非整数维度超结构是将公共金属层去除一个非整数维度图形的贯通区域；非整数维度图形的中心点与公共金属层的中心点重合；非整数维度图形的基础图形为一个正多边形或圆，正多边形的边长数量为偶数且大于3，正多边形存在两组对边分别与基片集成波导的传输方向平行和垂直，以非整数维度基础图形与基片集成波导的传输方向垂直的两条对边作为缩进边，从缩进边的中点处以非整数维度做向非整数维度基础图形中心点方向内缩n阶构成非整数维度图形，n为非整数维度图形的维度阶数n≥1，内缩边长为1/22na，a为正多边形的边长或圆的半径；
主、副基片集成波导通过公共金属层上的非整数维度图形，来实现电磁波从主基片集成波导耦合到副基片集成波导，主基片集成波导作为微波的主通道，副基片集成波导作为取样通道，超结构作为耦合通道。
2.如权利要求1所述X波段SIW非整数维度超结构滤波器，其特征在于：所述正多边形为正方形，维度阶数n＝3。
3.如权利要求1所述X波段SIW非整数维度超结构滤波器的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、设计一个X波段的双层SIW耦合腔结构；确定两个基片集成波导的参数：介质基板的相对介电常数εr、厚度t、相邻两排金属化通孔之间的距离w、金属化通孔直径d和同排相邻金属化通孔的孔心距p；
步骤2、设计非整数维度超结构；确定非整数维度超结构的非整数维度基础图形形状和a，非整数维度阶数n；
步骤3、根据1、2步骤得到的参数搭建非整数维度超结构滤波器模型，通过仿真软件优化其性能，使其在所需频段内得到进一步提升。
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