CN117855781A - 一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及微波技术领域，具体涉及内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，包括介质基片、上、下表面金属层、缺陷微带结构及电容增强型慢波半模介质集成谐振腔，缺陷微带结构与慢波半模介质集成谐振腔结构相连，慢波半模介质集成谐振腔包括加载于上表面的两个叉指互补开口环及下表面的慢波网络，两个叉指互补开口环通过耦合槽线耦合；叉指互补开口环由互补开环谐振结构及蚀刻在其内部的多条交叉槽线构成。本发明结合叉指互补开口环和电容增强型慢波网络，可实现谐振频率的降低，并通过缺陷微带结构和源‑负载耦合增加传输零点，在与传统介质集成波导滤波器相同的频率下，可实现小型化、宽阻带的特点，且在带外抑制性能上有良好表现。

Description

一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器

技术领域

本发明涉及微波技术领域，具体而言，涉及一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器。

背景技术

介质集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)又叫基片集成波导，是一类优质的导波结构。介质集成波导滤波器由于其优异的性能，诸如高Q值、低插损、易与平面电路集成等特点，在过去二十年受到了较多关注，取得了一些研究成果，并且基于介质集成波导技术的滤波器及其他微波器件已在相关无线系统初步得到应用。随着通信技术的不断发展，将进一步增加对滤波器需求，并且对其性能提出更高的要求，如要求更小的体积、具有较宽阻带抑制性能、高选择性等。

近些年基于介质集成波导的滤波器设计多是采用分数模式小型化技术(例如：四分之一、八分之一等等)与多层基片结构小型化技术的结合，例如公开号为CN112952322A的中国发明公开了以下技术方案：顶层介质基片、底层介质基片及设置在二者之间的中间金属层。中间层金属层为正方形状，其两个对角蚀刻有第一L形槽，及长度小于第一L形槽的第二L形槽。实现了在工作带宽内满足插入损耗、回波损耗、带外抑制等技术指标要求，发挥了四分之一模折叠介质集成波导以及双模滤波器的优势，与此同时也极大地减小了滤波器的尺寸。虽然减小了滤波器的尺寸，然而多层介质板的应用一方面增加了微波器件的厚度，另一方面也加大了加工过程的复杂程度和加工成本。

因此需要探索在不增加微波器件厚度、加工复杂度和加工成本条件下进一步减小微波器件的尺寸，以便于与其他元件的集成。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，通过结合叉指互补开口环和电容增强型慢波网络，可实现谐振频率的降低，并通过缺陷微带结构增加传输零点，在与传统SIW滤波器相同工作频率下，可实现小型化、宽阻带的特点，且在带外抑制性能上有良好表现，以解决背景技术中所指出的问题。

本发明的实施例通过以下技术方案实现：一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，包括介质基片，所述介质基片包括上表面金属层、下表面金属层以及缺陷微带结构，还包括电容增强型慢波半模介质集成谐振腔，所述缺陷微带结构与所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔相连，所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔包括加载于上表面金属层的两个叉指互补开口环以及加载于下表面金属层的电容增强型慢波网络，两个所述叉指互补开口环通过设置在二者之间的耦合槽线耦合；

其中，所述叉指互补开口环由互补开环谐振结构以及蚀刻在互补开环谐振结构内部的多条交叉槽线构成；

所述电容增强型慢波网络由N个蚀刻在下表面金属层的外围环槽、内部金属贴片以及与内部金属贴片相连并连接至交叉槽线的金属化通孔的组合构成，N为大于等于1的正整数。

根据一种优选实施方式，两个所述叉指互补开口环及其连接的缺陷微带结构关于耦合槽线左右镜像对称。

根据一种优选实施方式，所述金属贴片为八边形金属贴片，所述外围环槽为八边形环槽。

根据一种优选实施方式，所述金属化通孔连接于金属贴片的中心位置。

根据一种优选实施方式，所述电容增强型慢波网络中各组合呈周期性排布设置。

根据一种优选实施方式，所述电容增强型慢波网络中各组合之间的距离小于四分之一导波波长。

根据一种优选实施方式，所述缺陷微带结构由“L”型馈电传输线以及微带传输线构成，其中，所述“L”型馈电传输线一端与电容增强型慢波半模介质集成谐振腔相连，另一端与微带传输线相连。

根据一种优选实施方式，所述微带传输线上蚀刻有缺陷槽结构。

根据一种优选实施方式，所述缺陷槽结构呈“L”型。

根据一种优选实施方式，所述两个微带传输线蚀刻有所述缺陷槽的一端相互靠近，形成耦合，构成源-负载耦合拓扑。

根据一种优选实施方式，所述微带传输线的阻值为50Ω。

本发明实施例的技术方案至少具有如下优点和有益效果：本发明提出的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，通过结合叉指互补开口环和电容增强型慢波网络，可实现谐振频率的降低，并通过缺陷微带结构增加传输零点，在与传统SIW滤波器相同的工作频率下，可实现小型化、宽阻带的特点，且在带外抑制性能上有良好表现。

附图说明

图1为本发明实施例1提供的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器的上表面二维平面示意图；

图2为本发明实施例1提供的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器的下表面二维平面示意图；

图3为本发明实施例1提供的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器的三维结构示意图；

图4为本发明实施例2提供的八边形单元的结构示意图；

图5和图6为本发明实施例2提供的八边形单元的等效电路；

图7为本发明实施例2提供的内嵌叉指互补开口环和慢波结构同时加载的一阶慢波半模介质集成波导谐振单元反射系数的仿真曲线；

图8为本发明实施例2提供的内嵌叉指互补开口环和慢波结构同时加载的一阶慢波半模介质集成波导谐振单元传输系数的仿真曲线；

图9为本发明实施例3提供的内嵌叉指互补开口环和慢波结构二阶慢波半模介质集成波导滤波器加载缺陷槽结构和馈电传输线之后传输系数的仿真曲线。

图标：1-上表面金属层，2-第一金属化通孔，3-叉指互补开口环，4-八边形单元，5-第二金属化通孔，6-介质基片，7-下表面金属层，8-耦合槽线，9-缺陷槽结构，10-馈电传输线，11-微带传输线，12-八边形金属贴片，13-八边形环槽，14-交叉槽线。

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。

实施例1

参见图1至图3所示，本实施例提供一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器。其中，图1为该内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器的上表面二维平面示意图，图2为下表面二维平面示意图，图3为三维结构示意图。

具体地，本实施例所提供的一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器包括介质基片6，所述介质基片6包括上表面金属层1、下表面金属层7以及缺陷微带结构；进一步地，在本实施例中还包括电容增强型慢波半模介质集成谐振腔，所述缺陷微带结构与所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔相连，所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔包括加载于上表面金属层1的两个叉指互补开口环3以及加载于下表面金属层7的电容增强型慢波网络，上表面金属层1引入一条耦合槽线8，两个所述叉指互补开口环3通过设置在二者之间的耦合槽线8耦合，两个所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔及其连接的缺陷微带结构关于耦合槽线8左右镜像对称。

以下分别对上述提供的介质基片6、叉指互补开口环3以及电容增强型慢波网络的具体结构进行补充说明。

关于介质基片6，在本实施例中，采用标准印刷电路板工艺(PCB)，在介质基片6横向一侧的上、下表面金属层7的重叠区域加工第一金属化通孔2，连接介质基片6的上、下表面金属层7，侧边传统的半模介质集成第一金属化通孔2构成金属电壁。在本实施例的一种优选实施方式中，介质基片6采用Rogers Kappa 438，其相对介电常数为4.38，介质损耗角正切为0.005，厚度为0.508mm，上、下表面金属层7均为铜，厚度均为0.035mm。

关于叉指互补开口环3，在本实施例中，所述叉指互补开口环3由互补开环谐振结构以及蚀刻在互补开环谐振结构内部的多条交叉槽线14构成。

需要说明的是，同互补开环谐振结构一样，所述叉指互补开口环3同样可以干扰介质集成波导表面电流的分布，产生谐振或者带阻效应。蚀刻的部分可以等效为电容C，内部的金属部分可以等效为两个电感并联，叉指互补开口环3可以等效为电感电容并联电路。所述叉指互补开口环3又因内部的多条交叉槽线14而增强了其等效电容和电感乘积的大小，以此降低了谐振频率。

此外，根据滤波器工作频率的公式可知，所述叉指互补开口环3中，叉指槽线的大小可直接影响谐振频率位置，而根据叉指槽线的根数以及叉指深度影响着其等效电容电感乘积的大小，所以相应地选择叉指槽线的根数、位置以及叉指深度等同于改变等效电路模型中的等效电感和等效电容乘积的大小，可使整个滤波器工作在更低频率。

关于电容增强型慢波网络，在本实施例中，所述电容增强型慢波网络由N个慢波单元构成，所述慢波单元为蚀刻在下表面金属层7的外围环槽、内部金属贴片以及与内部金属贴片相连并连接至交叉槽线14的第二金属化通孔5的组合构成，N为大于等于1的正整数，外围环槽和内部金属贴片并不直接相连，由外围环槽和内部金属贴片构成下表面增强型阵列加载区域。

综上所述，本发明提出的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，通过结合叉指互补开口环3和电容增强型慢波网络，可实现谐振频率的降低，并通过缺陷微带结构增加传输零点，在与传统SIW滤波器相同的工作频率下，可实现小型化、宽阻带的特点，且在带外抑制性能上有良好表现。

实施例2

参见图4所示，本实施例在实施例1所提供的电容增强型慢波网络的基础上进行优化。

具体地，在本实施例中，所述慢波单元为八边形单元4，即所述金属贴片为八边形金属贴片12，所述外围环槽为八边形环槽13。所述电容增强型慢波网络由N个非直接相连的八边形单元4构成，各八边形单元4呈周期性排布设置，且每个所述八边形金属贴片12均加载在八边形环槽13中间，所述第二金属化通孔5连接于金属贴片的中心位置。

进一步地，所述电容增强型慢波网络中各八边形单元4之间的距离小于四分之一导波波长。

为了验证电容增强型慢波网络的性能，本实施例对所提出的八边形单元4进行了仿真，仿真结果参见图5及图6。

图5及图6示出了加载八边形单元4的单位长度电感和并联电容加载的二维传输线模型的等效电路。其中，L_X、L_Z分别为x和z方向的串联电感，C_Y为y方向的并联电容，d为单位长度，r为八边形金属贴片12的半径，L_XZ为八边形单元4的增强电感，h为介质基片6高度，C_h为加载的八边形单元4与上、下表面金属层7之间的电容，L_h为加载的八边形单元4与上、下表面金属层7之间的电感，R_d为上、下表面金属层7和周期性第二金属化通孔5产生的导体损耗以及第二金属化通孔5阵列间的缝隙引起的辐射损耗，R_m为中间介质层所选介质材料的介质损耗。

以下结合图5及图6对本实施例所提供的电容增强型慢波网络的原理进行说明：

慢波集成波导是通过各类加载手段来提升基片材料的等效介电常数(ε)和磁导率(μ)，从而改变波导传播速率。

通过电路分析原理，可以计算出图5中电路的串联阻抗和并联导纳为：

Z_X＝jωL_X,Z_Z＝jωL_Z,Y＝jωC_Y (1)根据相关定理可以推出八边形单元4的串联阻抗和并联导纳为：

Z_X＝jωμ_zd,Z_z＝jωμ_xd,Y＝jωε_yd (2)

对比公式(1)和(2)，可以得出以下关系：

L_X＝μ_zd,L_z＝μ_xd,C_y＝ε_yd (3)

从公式(3)可以看出，对于平面二维传输线而言，改变L_X会影响z方向的磁导率μ_z，改变L_Z会影响x方向的磁导率μ_x，改变C_Y会影响y方向的介电常数ε_y。因此可以通过增加电流路径来实现滤波器的小型化。

由图5、6两图相比较可以发现，加载的电流路径明显增多，上述加载八边形单元4和第二金属化通孔5便是通过增加电流路径的方式来改变ε和μ的值，从而降低导波传播速率，进而获得更低的谐振频率。基于三维阻抗网络加载，所述的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。

进一步地，为了验证本实施例所提供的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器的性能，本实施例将加载传统互补开环谐振结构的半模介质集成波导、加载叉指互补开口环的半模介质集成波导、同时加载传统互补开环谐振结构和慢波结构的半模介质集成波导以及同时加载叉指互补开口环3和慢波结构的半模介质集成波导以进行比较。

参见图7及图8所示，在加载传统互补开环谐振结构的滤波器的基础上引入慢波结构，可使谐振频率从1.6GHz降到1.3GHz；加载叉指互补开口环3可使工作频率从1.6GHz降到1.1GHz左右；同时加载叉指互补开口环3和慢波结构的半模介质集成波导滤波器的工作频率在0.86GHz附近，且带宽为0.08GHz，在通带范围内，带内插损为1.5dB，回波损耗优于20dB。

综上所述，如果采用传统互补开环谐振结构加载半模介质集成波导来实现工作频率相同的滤波器，在介质基板完全相同的情况下，传统互补开环谐振结构加载半模介质集成波导的相对电尺寸为0.0064，相比之下，叉指互补开口环3和慢波网络加载型半模介质集成波导的相对电尺寸/>为0.0018，实现了72％的相对尺寸缩减。

实施例3

由于一阶内嵌叉指互补开环谐振结构和慢波结构同时加载的半模介质集成波导滤波器的带外抑制性能表现较差，因此本实施例在实施例2的基础上对实施例1所提供的缺陷微带结构进行优化，设计一种二阶内嵌叉指互补开口环3、加载缺陷槽结构9和源负载拓扑结构的半模介质集成波导。

具体地，在本实施例中，所述缺陷微带结构由“L”型馈电传输线10以及50Ω微带传输线11构成，其中，所述“L”型馈电传输线10一端与互补开环谐振结构相连，另一端与50Ω微带传输线11相连。

所述微带传输线上蚀刻有微带缺陷结构，在本实施例的一种优选实施方式中，所述微带缺陷结构为“L”型缺陷槽结构9，所述两个微带传输线11蚀刻有所述缺陷槽的一端相互靠近，形成耦合，构成源-负载耦合拓扑。

需要说明的是，本实施例分别在输入输出端口引入“L”型馈电传输线10调节通带，以及引入“L”型缺陷槽结构9、引入源-负载拓扑结构来增加传输零点，可以在不增加电路尺寸的情况下实现带外抑制程度的提升，最终可以在与传统SIW滤波器的相同截止频率下，实现滤波器的小型化、宽阻带的需求。

以下对缺陷微带结构的原理进行说明：

缺陷槽结构9的开槽间隙电容相当于谐振器的电容，而槽线本身可以近似地看作谐振器的电感，传统缺陷槽结构9可以等效为一个RLC并联谐振电路。其中电阻R为辐射效应和传输损耗。需要说明的是，电阻R、电感L以及电容C的公式如下：

上式中：Z₀为50Ω微带传输线11的特性阻抗，f₀为谐振频率，S₂₁为插入损耗，Δf为S₂₁的-3dB带宽。

由此可知，电容C由缺陷槽结构9的宽度调控，电感L由缺陷槽结构9的长度调控，且缺陷槽结构9的长度越长，传输零点会逐渐向低频移动。因此，通过在输入/输出端口的微带传输线11上各引入一条缺陷槽结构9，并通过调整缺陷槽结构9的长度和宽度等结构参数，可以可控地引入两个传输零点；通过将输入/输出端口的微带传输线11的一端相互靠近，形成耦合，构成源-负载耦合拓扑，也能引入新的传输零点。

综上所述，本实施例所提供的缺陷微带结构不仅可以在不增加滤波器的尺寸的情况下实现宽阻带，还由于具有的良好带隙特性，可以起到较好的谐波抑制的作用。

进一步地，为了验证本实施例所提供的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器的性能，本实施例将一阶内嵌叉指互补开口环3和慢波结构但不加载缺陷槽结构9和源负载传输线的半模介质集成滤波器、二阶内嵌叉指互补开口环3和慢波结构但不加载缺陷槽结构9和源-负载耦合拓扑的半模介质集成滤波器、二阶内嵌叉指互补开口环3和慢波结构并加载缺陷槽结构9和源-负载耦合拓扑的半模介质集成滤波器进行比较。

参见图9所示，二阶内嵌叉指互补开口环3和慢波结构并加载缺陷槽结构9和源-负载耦合拓扑的半模介质集成滤波器在0.95GHz-4.24GHz的阻带内的抑制度优于20dB，即20dB带外抑制带宽可达4.9倍中心工作频率。

综上所述，在二阶内嵌叉指互补开口环3和慢波结构的基础上加载缺陷槽结构9和源-负载耦合拓扑，可以提升带外抑制程度。

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 (10)

1.一种内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，包括介质基片(6)，所述介质基片(6)包括上表面金属层(1)、下表面金属层(7)以及缺陷微带结构，其特征在于，还包括电容增强型慢波半模介质集成谐振腔，所述缺陷微带结构与电容增强型慢波半模介质集成谐振腔相连，所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔包括加载于上表面金属层(1)的两个叉指互补开口环(3)以及加载于下表面金属层(7)的电容增强型慢波网络，两个所述叉指互补开环谐振结构通过设置在二者之间的耦合槽线(8)耦合；

其中，所述叉指互补开口环(3)由互补开环谐振结构以及蚀刻在互补开环谐振结构内部的多条交叉槽线(14)构成；

所述电容增强型慢波网络由N个蚀刻在下表面金属层(7)的外围环槽、内部金属贴片以及与内部金属贴片相连并连接至交叉槽线(14)的金属化通孔的组合构成，N为大于等于1的正整数。

2.如权利要求1所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，两个所述电容增强型慢波半模介质集成谐振腔相连及其连接的缺陷微带结构关于耦合槽线(8)左右镜像对称。

3.如权利要求1所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述金属贴片为八边形金属贴片(12)，所述外围环槽为八边形环槽(13)。

4.如权利要求1所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述金属化通孔连接于金属贴片的中心位置。

5.如权利要求1所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述电容增强型慢波网络中各组合呈周期性排布设置。

6.如权利要求1所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述电容增强型慢波网络中各组合之间的距离小于四分之一导波波长。

7.如权利要求1至6任一项所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述缺陷微带结构由“L”型馈电传输线(10)以及微带传输线(11)构成，其中，所述“L”型馈电传输线(10)一端与电容增强型慢波半模介质集成谐振腔相连，另一端与微带传输线(11)相连。

8.如权利要求7所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述微带传输线(11)上蚀刻有缺陷槽结构(9)。

9.如权利要求8所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述缺陷槽结构(9)呈“L”型。

10.如权利要求7所述的内嵌叉指槽互补开口环的慢波介质集成波导滤波器，其特征在于，所述微带传输线(11)的阻值为50Ω，所述两个微带传输线(11)蚀刻有所述缺陷槽的一端相互靠近，形成耦合，构成源-负载耦合拓扑。