CN116937091B - 一种sspp与siw混合电路的可重构带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，包括:自上而下依次设置的顶层金属、中间介质层以及底层金属，其中顶层金属和底层金属的电路结构由第一微带线、周期金属槽SSPP波导、第一锥形连接过渡结构、SIW金属周期波导、第二锥形连接过渡结构、第二微带线依次排序组成，其中顶层金属的周期金属槽SSPP波导上设有周期金属条，变容二极管连接周期金属条和周期金属槽SSPP波导，利用变容二极管把金属条与金属带之间相连接，达控制通带的上截止频率以增大滤波器的通带带宽，以及达到电响应变化实现可重构动态可调的效果。
Description
技术领域
本发明涉及带通滤波器领域，特别涉及一种SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，通过二极管控制通带的上截止频率，达到电响应变化实现可重构动态可调以及增大滤波器的通带带宽的效果。
背景技术
近年来，随着微波通信的快速发展，新一代智能超表面技术正式提出。传统的无线通信器件升级换代，低损耗、可重构等特点愈发重要，滤波器也成了通信系统中重要组成部分，基站、集成电路等设备要求更为严格。即使传统的微带线滤波器有大量的应用，但具有高损耗、高成本以及不能够实现重构等缺陷。而带通滤波器（Bandpass Filter）是一种电子器件或电路，用于选择特定频率范围内的信号，并将该范围内的信号通过，同时阻止或削弱其他频率的信号，其相较于传统的微带线滤波器而言的话具有更宽的频带宽范围，更好的通带和阻带特性且还可以具有重构性，因此目前对于带通滤波器的需求越来越多。
人工表面等离子体（Spoof surface plasmon polaritons，SSPP）是一种与自然界中的表面等离子体极为相似但实际上是人工构造的电磁波模式，可利用特殊的金属结构来模拟自然表面等离子体的现象，这使SSPP逐渐成为热门研究领域；而基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）是一种微波和毫米波射频（RF）电路结构，它将传统的波导和微带线技术相结合，以实现高频段中的电磁波传输和射频器件集成，SIW的核心思想是将波导的特性集成到微带线的基片中，从而在微型尺寸内实现了波导的性能。
目前市面上有相关于结合SSPP和SIW电路结构的带通滤波器，比如厦门大学于2022年4月29日申请的CN114725634B提供了一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其上的金属结构包括左微带线、左微带线过渡部分，左SIW-SSPP过渡部分，SIW-SSPP带通滤波器单元传输部分，右微带线过渡部分，右微带线，该专利方案将SIW波导的腔体快波模式和SSPP慢波模式组合，以实现超宽带滤波的效果，然而该带通滤波器存在无法根据实际复杂电路需求进行动态调节的缺陷；
北京邮电大学于2022年10月13日申请的CN1115588831A提供了一种阻带可调谐的镂空领结胞元等离子体激元带通滤波器，该方案中的金属电路顶板包括第一共面波导传输线，第一波转换过渡区域，镂空领结胞元组，第二波转换过渡区域和第二共面波导传输线，其在镂空领结胞元组中间的设定数量个镂空领结胞元的上下两端截断并添加电容连接，该专利方案虽然可以实现动态调节低频截止频率、通带内阻带的宽带以及频率，然而该带通滤波器用来调节阻带频率的范围，目的是将该带通滤波器用于制作开关，且其提到的二极管是控制谐振器来实验阻带频率调控，不能实现频带拓宽。
发明内容
本方案提供了SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，通过在周期金属带SSPP上加入周期金属条并利用变容二极管把金属条与金属带之间相连接，达控制通带的上截止频率以增大滤波器的通带带宽，以及达到电响应变化实现可重构动态可调的效果。
为实现以上目的，本申请方案提供了一种SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，包括:自上而下依次设置的顶层金属、中间介质层以及底层金属，其中顶层金属和底层金属的电路结构由第一微带线、周期金属槽SSPP波导、第一锥形连接过渡结构、SIW金属周期波导、第二锥形连接过渡结构、第二微带线依次排序组成，其中顶层金属的周期金属槽SSPP波导上设有周期金属条，变容二极管连接周期金属条和周期金属槽SSPP波导。
在一些实施例中，周期金属槽SSPP波导包括金属波导主体和设置在金属波导主体上的周期性梯度金属槽，周期金属条设置在周期性梯度金属槽的一侧且变容二极管连接周期金属条和周期性梯度金属槽，且周期金属槽SSPP波导为反对称的周期性梯度金属槽结构，周期性梯度金属槽左右两侧的金属波导主体不对称设置，这样的好处在于可利用变容二极管控制通带的上截止频率以增大滤波器的通带带宽。
在一些实施例中，周期性梯度金属槽由平行间隔设置的金属槽条组成，且周期性梯度金属槽中的金属槽条的高度自第一微带线至第二微带线的方向呈现变高后不变后再变低的梯度变化趋势，相邻金属槽条之间形成的金属槽的深度也过渡变化，这样的好处在于有利于电磁波的平稳过渡传输，实现过渡转换。
在一些实施例中，位于顶层金属的SIW金属周期波导包括SIW波导主体，设置在SIW波导主体上方的上排通孔和下排通孔，以及刻蚀在上排通道和下排通孔之间的矩形波导；位于底层金属的SIW金属周期波导包括SIW波导主体以及设置在SIW波导主体上方的上排通孔和下排通孔。这样的好处在于通过调节上排通孔和下排通孔之间的间距实现下截通频率的调节，通过矩形波导使其具有上截止特性并配合变容二极管实现可控调节。
在一些实施例中，SIW金属周期波导中的矩形波导包括间隔平行间隔的多个矩形槽，矩形槽的高度自第一微带线至第二微带线的方向经历变高、不变和变低的变化趋势，这样设计的好处在于有利于电磁波能量聚集在等离子波导周围，降低传输损耗。
相较现有技术，本技术方案具有以下特点和有益效果：
该SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器通过锥形的微带线使混合电路中传播波之间实现了有效耦合转换，利用SSPP与SIW混合优势实现带通滤波器的超宽带的调控，可重构的截止频率为16.89GHz-19.86GHz，且利用变容二极管把金属条与金属带之间相连接，达控制通带的上截止频率以增大滤波器的通带带宽，实现频带带宽为6GHz和9.84GHz调节，带外抑制可达30dB，可应用于5G通信系统中滤波、选频、降噪等领域，且结构易于制作、低损耗、易集成、低成本。
附图说明
图1是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的结构示意图，图1中的（a）是正面图，图1中 （b）是背面。
图2是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的实物图。
图3是周期金属槽SSPP波导的结构示意图。
图4是SIW金属周期波导的结构示意图。
图5是SIW金属周期波导的色散曲线图，图5中的（a）是SIW金属周期波导不同h色散曲线图，图5中（b）是加载不同电容C时色散曲线图。
图6是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的S21参数图， 图6中中的（a）是滤波器不同h时S21参数图，图6中的（b）是滤波器加载不同电容C时S21参数图。
图7是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的电场分布图 ，图7中的（a）是频率为8.2GHz的电场分布图，图7中的（b）是频率为13.8GHz电场分布图，图 7中的（c）是频率为19.2GHz的电场分布图。
图8是滤波器仿真与实验测试对比图。
图中的附图标记：第一微带线-11、周期金属槽SSPP波导-12、金属波导主体121、周期性梯度金属槽122、金属槽条1221、第一锥形连接过渡结构-13、SIW金属周期波导-14、SIW波导主体141、上排通孔142、下排通孔143、矩形波导144、矩形槽1441、第二锥形连接过渡结构-15、第二微带线-16、周期金属条-20，变容二极管-30。
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所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本领域技术人员应理解的是，在本发明的揭露中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”等指示的方位或位置关系是基于附图所示的方位或位置关系，其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，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
可以理解的是，术语“一”应理解为“至少一”或“一个或多个”，即在一个实施例中，一个元件的数量可以为一个，而在另外的实施例中，该元件的数量可以为多个，术语“一”不能理解为对数量的限制。
如图1所示，图1是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的结构示意图，图1中（a）是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的正面的示意图，图1中（b）是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的背面的示意图；图2是SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的实物图。
本方案提供了一种SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，包括:自上而下依次设置的顶层金属、中间介质层以及底层金属，其中顶层金属和底层金属的电路结构由第一微带线11、周期金属槽SSPP波导12、第一锥形连接过渡结构13、SIW金属周期波导14、第二锥形连接过渡结构15、第二微带线16依次排序组成，其中顶层金属10的周期金属槽SSPP波导12上设有周期金属条20，变容二极管30连接周期金属条30和周期金属槽SSPP波导12。
如图3所示，图3是关于周期金属槽SSPP波导的示意图，关于本方案提供的周期金属槽SSPP波导12：
周期金属槽SSPP波导12包括金属波导主体121和设置在金属波导主体上的周期性梯度金属槽122，周期金属条20设置在周期性梯度金属槽122的一侧且变容二极管30连接周期金属条20和周期性梯度金属槽122，可利用偏置电压调节变容二极管的电容值实现动态可调。
且在一些实施例中，周期金属槽SSPP波导12为反对称的周期性梯度金属槽结构，周期性梯度金属槽122左右两侧的金属波导主体121不对称设置，周期性梯度金属槽122的左右两侧的金属波导主体121为非对称结构。
具体的，周期性梯度金属槽122由平行间隔设置的金属槽条1221组成，且周期性梯度金属槽122中的金属槽条1221的高度自第一微带线11至第二微带线16的方向呈现变高后不变后再变低的梯度变化趋势，对应的，相邻金属槽条121之间形成的金属槽的深度也过渡变化，此时，周期金属条20同部分金属槽条1221相对设置以通过变容二极管30进行连接。
在一些优选实施例中，周期性梯度金属槽122的金属槽条1221自第一微带线至第二微带线的方向区分为第一梯度区间金属槽组，等高区间金属槽组和第二梯度区间金属槽组，其中第一梯度区间金属槽组和第二梯度区间金属槽组内的金属槽条1221的高度呈现梯度递增或者梯度递减的趋势，对应的，第一梯度区间金属槽组中的金属槽的深度呈梯度递增，第二梯度区间金属槽组内的金属槽的深度呈梯度递减，等高区间金属槽组内的金属槽条1221的高度均一且大于第一梯度区间金属槽组和第二梯度区间金属槽组内的金属槽条1221的高度，等高区间金属槽组的金属槽保持均一深度。此时，周期金属条20同等长区间金属槽组中的金属槽条1221一一对应并通过变容二极管30连接。
具体的，周期性梯度金属槽122的第一梯度区间金属槽组内包括5个金属槽条1221，且形成的金属槽的深度依次增加0.3mm；第二梯度区间金属槽组内也包括5个金属槽条1221，且形成的金属槽的深度依次减少0.3mm；等高区间金属槽组中含有13个宽度为0.4mm的等高的金属槽条1221相连接。
如图4所示，图4是SIW金属周期波导14的结构示意图，关于本方案提供的SIW金属周期波导14：
位于顶层金属的SIW金属周期波导14包括SIW波导主体141，设置在SIW波导主体上方的上排通孔142和下排通孔143，以及刻蚀在上排通道和下排通孔之间的矩形波导144；位于底层金属的SIW金属周期波导包括SIW波导主体141以及设置在SIW波导主体上方的上排通孔142和下排通孔143。
顶层金属和底层金属相对设置，顶层金属上的上排通孔142和底层金属上的上排通孔142相同且相对应设置，顶层金属上的下排通孔143和底层金属上的下排通孔143相同且相对应设置。SIW波导主体141的上排通孔142与下排通孔143之间间距调节下截止频率，在SIW波导主体141上刻蚀矩形波导144，使其具有上截止特性，再利用周期金属槽SSPP波导12和周期金属条20加载13个变容二极管20调控上截止频率，构成通带传输。具体的，变容二极管30外加直流电压，调控电压值改变变容二极管30的电容值，电容不同导致截止频率不同。
SIW金属周期波导14中的上排通孔142和下排通孔143间距且相对设置，在一些实施例中，上排通孔142和下排通孔143的通孔半径为0.4mm。
SIW金属周期波导14中的矩形波导144包括间隔平行间隔的多个矩形槽1441，且在一些实施例中，矩形槽1441的高度自第一微带线11至第二微带线16的方向经历变高、不变和变低的变化趋势。换言之，靠近第一微带线11的矩形槽1441的高度朝向第二微带线16的方向逐渐变大，置于中间区域的多个矩形槽1441的高度不变，靠近第二微带线16的矩形槽1441的高度朝向第二微带线16的方向逐渐变短。在一些优选实施例中，SIW金属周期波导14为对称结构。
具体的，SIW金属周期波导14中的靠近第一微带线11的矩形槽1441的高度依次增加0.4mm,置于中间区域包括13个高度为4mm的矩形槽1441，靠近第二微带线16的矩形槽1441的高度依次减少0.4mm，这样设置的好处在于有利于SSPP到SIW之间的电磁波传输从而降低功耗。且SIW金属周期波导14内的矩形槽1441波导连接。
另外，在一些优选实施例中，第一微带线11和第二微带线16选择为50Ω微带线，通过50Ω微带线和周期金属槽SSPP波导12之间的连接，周期金属槽SSPP波导12和SIW金属周期波导14之间的连接，以及SIW金属周期波导14和50Ω微带线之间的连接来实现阻抗匹配。
关于第一锥形连接过渡结构13和第二锥形连接过渡结构15：
第一锥形连接过渡结构13连接周期金属槽SSPP波导12和SIW金属周期波导14，且第一锥形连接过渡结构13为高度自第一微带线至第二微带线递增的锥形结构；第二锥形连接过渡结构15连接SIW金属周期波导14和第二微带线16，且第二锥形过渡连接结构15为高度自第一微带线11至第二微带线16递减的锥形结构。
另外，本方案的第一微带线11和周期金属槽SSPP波导12中靠近第一微带体11一侧的金属波导主体121用于将微带线的准TEM模式转换为SPP波导的TM模式；第一锥形连接过渡结构13用于从TM模式转换为TE10模式，第二锥形连接过渡结构15将TE10模式转换为准TEM模式。
本方案提供的该SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器通过锥形的微带线使混合电路中传播波之间实现了有效耦合转换，利用SSPP与SIW混合优势实现带通滤波器的超宽带的调控，变容二极管的电容从0.12pF-0.03pF变动，对应的可重构的截止频率为16.89GHz-19.86GHz，实现频带带宽为6.89GHz到9.84GHz调节，带外抑制可达30dB，可应用于5G通信系统中滤波、选频、降噪等领域，且结构易于制作、低损耗、易集成、低成本。
为验证效果，本方案提供了一具体实施例的SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器如图1所示，该SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的具体参数如下：第一微带线和第二微带线的长度L1=L5=L6=5mm；周期金属槽SSPP波导12中的L2=16.8；第一锥形连接过渡结构和第二锥形连接过渡结构中的L3=L4=10mm，另外，w1=w3=4mm，w2=2mm，w4=1.5mm；第一个梯度（L1和L2部分）用于将微带线的准TEM模式转换为SPP波导的TM模式，第二个梯度（L3部分）用于从TM模式转换为TE10模式，最后一个梯度（L4部分）将TE10模式转换为准TEM模式。
为了实现可重构的性能，本方案在周期金属槽SSPP波导12中加载了变容二极管30，如图3所示是周期金属槽SSPP波导的金属槽条的示意图，图3中b和c代表金属槽的宽度和深度，a是金属条的宽度，其中b=0.6mm,c=1.95mm,a=0.45mm，变容二极管被加载在金属条与金属带之间。
为了计算色散关系和了解SSPP波导的传播特性，本方案使用商业软件CSTMicrowave Studio的特征模式求解器，并将边界条件设定为X轴上的周期性，Y轴和Z轴上的电（Et=0）。
由于混合电路的分析是相对复杂的，故本发明人首先分析SIW金属周期波导的特性，SIW金属周期波导图如图4所示，图4中的两层金属表面和两排金属孔组成，其中r-0.4mm，h=5.1mm，近似于一个矩形波导，利用矩形波导和SIW之间的联系，大大降低了SIW器件设计的复杂性。
本发明人对SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的SIW金属周期波导进行色散测试得到如图5所示的SIW金属周期波导的色散曲线图，图5中的（a）是SIW金属周期波导不同h色散曲线图，图5中（b）是加载不同电容C时色散曲线图，在图5中的（b）中观察到色散曲线随着k/π的增长逐渐偏离光，当加载电容不同时，曲线渐近于不同的截止频率；因此，在不同的电容下可以在SSPP波导上实现各种色散曲线和传播矢量，且随着加载电容的减小，SSPP的色散曲线有向光移动的趋势，利用SSPP的低通特性和SIW的高通特性，当SSPP的截止频率高于SIW的截止频率时，可以实现一个可重构的带通滤波器。从图5（a）中可以看到当等效宽度h选择为5.1mm、4.8mm、4.5mm和4.2mm时，注意到SIW的截止频率随着等效高度的减小而增加。
为了更好地分析SIW中的等效宽度h和SSPP加载电容对传输系数的影响，本发明人设计了一个不同参数的混合电路，有限差分时域（FDTD）被用来计算和分析该滤波器的数值参数。图6(a)显示，通带的下截止频率由SIW等效高度h控制。这里取四个等效高度h的值，分别为5.1mm、4.8mm、4.5mm和4.2mm，它们对应的下截止频率分别为9.64 GHz、10.43 GHz、11.26 GHz和11.98 GHz，它与上述SIW的色散曲线值相吻合。在图6(b)中可以观察到SSPP中变容二极管加载的电容可以独立控制通带的低截止频率，对高截止频率几乎没有影响，本方案给出了四个数据C=0.03pF、C=0.05pF、C=0.08pF、C=0.12pF。在带通滤波器中一般认为传输系数小于-5dB才是有效的，它们的带宽分别为9.84GHz、8.73GHz、7.63GHz和6.89GHz，响应上述曲线，其最佳传输系数分别为0.92dB、-0.96dB、-0.98dB和-0.85dB。
为了动态地了解可重构带通滤波器的物理特性，本发明人还讨论了X-Y平面内的近电场（Z-分量），它位于电介质衬底内的中心平面。本发明人在模拟中设置了三个频率的场监视器。
仿真的场分布如图7所示。这三个频率点是上低频阻带、通带和下高频阻带，在SIW的8.2GHz和SSPP波导的19.2GHz分别没有场。从图中可以看出，当频率为8.2GHz时，电磁波不能在SIW部分传播；当频率在13.8GHz时，当它处于通带模式时，电磁波可以正常传播，传输损耗很小；而在频率为19.2GHz时，电磁波在SSPP波导中停止传播。本发明人注意到锥形微带线使混合电路中不同传播波之间实现了有效的耦合和转换，这为确认传输波导的滤波性能提供了一个直观的证明。
测量与仿真结果如图8所示，表明测量结果与仿真结果基本一致，选取电容为0.05pF时，在9.83-18.32GHz的频率范围内，带通滤波器的传输损耗小于3.56dB，上带外抑制最大的抑制深度约45dB，下带外抑制最大抑制深度可达30dB。可知实测结果与仿真结果基本一致，表明该器件在5G通信滤波应用中具有良好的性能。
综上所述，可重构带通滤波器带外抑制效果较好，其传输损耗也小于3.56dB，可根据要求来实现带宽范围，能够应用于高频调制信号以及滤波降噪功能，这给未来5G通信系统提供更多的选择。
本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，其特征在于，包括:自上而下依次设置的顶层金属、中间介质层以及底层金属，其中顶层金属和底层金属的电路结构由第一微带线、周期金属槽SSPP波导、第一锥形连接过渡结构、SIW金属周期波导、第二锥形连接过渡结构、第二微带线依次排序组成；其中顶层金属的周期金属槽SSPP波导上设有周期金属条，变容二极管连接周期金属条和周期金属槽SSPP波导，其中周期金属槽SSPP波导包括金属波导主体和设置在金属波导主体上的周期性梯度金属槽，周期金属条设置在周期性梯度金属槽的一侧且变容二极管连接周期金属条和周期性梯度金属槽，周期性梯度金属槽由平行间隔设置的金属槽条组成，且周期性梯度金属槽中的金属槽条的高度自第一微带线至第二微带线的方向呈现变高后不变后再变低的梯度变化趋势，相邻金属槽条之间形成的金属槽的深度也过渡变化；其中位于顶层金属的SIW金属周期波导包括SIW波导主体，设置在SIW波导主体上方的上排通孔和下排通孔，以及刻蚀在上排通道和下排通孔之间的矩形波导；位于底层金属的SIW金属周期波导包括SIW波导主体以及设置在SIW波导主体上方的上排通孔和下排通孔，SIW金属周期波导中的矩形波导包括间隔平行间隔的多个矩形槽，矩形槽的高度自第一微带线至第二微带线的方向经历变高、不变和变低的变化趋势。
2.根据权利要求1所述的SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，其特征在于，周期金属槽SSPP波导为反对称的周期性梯度金属槽结构，周期性梯度金属槽左右两侧的金属波导主体不对称设置。
3.根据权利要求1所述的SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，其特征在于，第一锥形连接过渡结构为高度自第一微带线至第二微带线递增的锥形结构，第二锥形过渡连接结构为高度自第一微带线至第二微带线递减的锥形结构。
4.根据权利要求1所述的SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，其特征在于，第一微带线和周期金属槽SSPP波导中靠近第一微带体一侧的金属波导主体用于将微带线的准TEM模式转换为SPP波导的TM模式，第一锥形连接过渡结构用于从TM模式转换为TE10模式，第二锥形连接过渡结构将TE10模式转换为准TEM模式。
5.根据权利要求1所述的SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，其特征在于，SIW波导主体的上排通孔与下排通孔之间间距调节下截止频率，在SIW波导主体上刻蚀矩形波导使其具有上截止特性，且利用变容二极管调控上截止频率。
6.根据权利要求1所述的SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器，其特征在于，SSPP与SIW混合电路的可重构带通滤波器的可重构的截止频率为16.89GHz-19.86GHz，实现频带带宽为6GHz和9.84GHz调节。
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