CN118213729A - 一种半模基片集成人工表面等离激元双工器 - Google Patents
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Abstract
一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，属于微波技术领域。由两个半模基片集成人工表面等离激元滤波器以及一个T型结组成。滤波器通过在半模基片集成波导上设计人工表面等离激元结构实现滤波功能；半模基片集成波导由金属层和介质基板构成，金属层位于基板上下侧，通过金属化通孔连接。至少一侧金属层设人工表面等离激元开槽结构阵列；人工表面等离激元开槽结构位于金属层没有金属化通孔一侧边缘，排列方向与金属化通孔排列方向平行；两个滤波器共用一排金属通孔，两个滤波器的输入端通过T型结的微带线连接在一起，微带线到半模基片集成波导的过渡方式采用凹槽过渡。设计灵活、尺寸小、通带内传输插损低、通带外抑制性能强、端口隔离度高。
Description
技术领域
本发明属于微波技术领域，具体是涉及一种半模基片集成人工表面等离激元双工器。
背景技术
无线通信系统的快速发展为功能设备提出越来越多的要求。为了满足市场需求，不同类型的性能良好的功能设备得到广泛的研究。微波双工器是卫星通信系统中不可或缺的组成部分，广泛应用于通信、测量和控制以及军事电子对抗，在整个系统中发挥着至关重要的作用。微波双工器不仅具有传统滤波器的特点，还具有隔离接收和发射电路的功能，这使得收发器系统可以共享一个公共天线，有利于简化系统。传统微带线结构具有体积小、结构简单、造价低的优势，但在高频率特别是毫米波频段，微带电路存在电磁波泄漏和传输损耗大的问题。相比之下，金属波导在高频段具有低插损、低辐射、高品质因数等优点，但体积大、加工困难、造价昂贵。因此，需要研究一种新型微波双工器，既具有微带线的体积优势，又具有金属波导的高性能和低损耗特点，以提高双工器的性能和可靠性。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)技术是一种新型的微波和毫米波集成电路技术，通过将金属化介质板上的波导结构和微带线结构结合起来，形成一种新的传输线。SIW技术具有低损耗、高品质因数、小尺寸和高可靠性的特点，因此在无线通信、卫星通信、雷达、毫米波通信等领域得到广泛应用。半模基片集成波导(Half ModeSubstrate Integrated Waveguide,HMSIW)技术是在SIW技术基础上发展而来的，相比之下，HMSIW在保持了优良电性能的同时尺寸缩小约一半，从而进一步实现微波、毫米波系统的小型化。
表面等离激元是一种在金属和电介质交界面上传播的电磁波，由于具有近场增强的特性，电磁波在垂直于界面的方向上存在指数衰减。为了在低频率下模拟表面等离激元，人工表面等离激元(SpoofSurface Plasmon Polaritons,SSPPs)的概念被引入。在《Mimicking surface plasmons with structured surfaces》一文中，Pendry等人首次提出人工表面等离激元，并证明结构化金属表面可以支持SSPPs模式。在此基础上，人们研究周期性的超薄金属层的共形人工表面等离子体波导结构，实现了人工表面等离激元波导由立体结构向平面结构的转变，并达到与平面电路和系统的兼容性。近来，平面型人工表面等离激元滤波器因在微波与太赫兹集成电路与系统中具有重要应用而受到广泛关注。通过结合HMSIW的高通滤波特性和SSPPs的低通滤波特性，可以设计出具有良好滤波响应的带通滤波器，将两个滤波器通过设计好的T型结进行连接进而可以实现双工器。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述不足，提供一种半模基片集成人工表面等离激元双工器。运用人工表面等离激元理论，构成两个中心频率不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器，再通过T型结连接，在微波与太赫兹波段实现具备宽通带、低损耗、带外抑制水平高兼具小型化、平面化的双工器。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其主体结构由两个不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器以及T型馈电网络组成；半模基片集成人工表面等离激元滤波器通过在半模基片集成波导上设计人工表面等离激元结构，以实现滤波功能；半模基片集成波导采用半模设计，体积是传统基片集成波导的二分之一，由金属层和柔性介质基板构成，金属层分别位于柔性介质基板的上下两侧，通过金属化通孔连接；柔性介质基板通过弯曲变形，用于共形传输人工表面等离激元电磁波；至少一侧金属层设有人工表面等离激元金属开槽结构阵列，该结构设在没有金属化通孔的一边，人工表面等离激元金属开槽结构排列方向与金属化通孔的排列方向平行；两个不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器共用一排金属通孔，两个滤波器的输入端通过T型馈电网络连接在一起。
所述人工表面等离激元金属开槽结构采用长柄扇形金属开槽，所述长柄扇形金属开槽的柄长范围为1～3mm，扇形半径范围为1～2.5mm，扇形圆心角范围为30～90°；相邻两个长柄扇形金属开槽之间的距离为2～4mm。
所述人工表面等离激元金属开槽结构阵列，以中间长柄扇形金属开槽为对称轴向两边对称布置，且纵向尺寸按比例因子缩放，从两端向中间依次增大。
本发明中，每个滤波器金属化通孔与没有金属化通孔一侧边缘的距离为有效宽度，所述有效宽度的范围为5～15mm。
本发明中，两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器两端设有微带传输线，微带线与基片集成波导的连接处，采用尺寸更小的凹槽过渡方案，所述凹槽包含两端狭缝，靠近微带线的一段狭缝与传输方向平行，靠近基片集成波导的一段狭缝与传播方向垂直。所述靠近微带线的一段狭缝的长度t1为1.1mm，靠近基片集成波导的一段狭缝长度t2为1mm，开槽宽度k为0.3mm。
本发明中，所述T型馈电网络由一条主微带线和两条分支线相连而成，称为T型结，两条分支线通过一次弯折后与两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器相连。T型馈电网络主微带线和两条分支线的宽度Wt为1.54mm，主微带线的长度Lt1为3～10mm；支线一的两段长度Lt2为0.67mm，Lt4为9.10mm；支线二的两段长度Lt3为9.97mm，Lt5为10.70mm；所述T型馈电网络两条分支线的弯折处微带线为直角弯曲45°外斜切，切角长度sj为2.31mm。
两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器输出端微带线长度Lt6长度为3～10mm。
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
1、本发明提出的半模基片集成人工表面等离激元带双工器通过基片集成波导上的周期性排列的长柄扇形金属开槽结构传输人工表面等离激元电磁波，其色散曲线的渐近频率较低、对电磁场束缚性能较强。
2、本发明采用柔性基板，通过弯曲变形，能够用于共形传输人工表面等离激元电磁波。
3、本发明基片集成波导部分采用半模设计，基片集成波导(SIW)的工作模式是TE10模，沿传播方向的轴平面电壁可以将SIW对称分成两个部分，而不会对TE10模电磁场产生任何影响，在此基础上就可以得到半模基片集成波导(HMSIW)。且外加人工表面等离激元结构设计在基片集成波导之上，极大减小了双工器的体积。
4、本发明的两个半模基片集成人工表面等离激元双工器，其两个带通滤波器共用一排金属通孔，采用背靠背的方式布置，进一步减小了双工器的体积。
5、本发明的两个半模基片集成人工表面等离激元双工器，其带通滤波器馈电方式，从微带线到半模基片集成波导采用凹槽过渡，相比较传统的梯形过渡方案，可以节省空间占用。
6、本发明提出的半模基片集成人工表面等离激元双工器性能优异，对于第一通带，S11低于-13dB，S21高于-1.2dB，对于第二通带，S11可达-25dB，S31高于-0.8dB。在通带外S21、S31均低于-27dB，输出端口的隔离度大于21dB。符合现代通信系统的性能要求。
7、本发明提出的半模基片集成人工表面等离激元双工器，其所述T型结连接所述第一带通滤波器的部分，其长度约为所述第二带通滤波器的波长的1/4；所述T型结连接所述第二带通滤波器的部分，其长度约为所述第一带通滤波器的波长的1/4；每个带通滤波器分别在另一个带通滤波器的中心频率处开路。
8、本发明提出的半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器传输特性主要取决于长柄扇形的结构尺寸和半模基片集成波导的有效宽度以及T型结长度，通过调整长柄扇形的结构尺寸和半模基片集成波导的有效宽度，可以改变双工器的工作频率。对不同中心频率，通过调整T型结与带通滤波器连接部分的长度，就可以满足两个通带的隔离度需求，降低传统双工器设计的复杂度，具有广泛的适用性。
9、本发明提出的半模基片集成人工表面等离激元双工器属于扁平化结构，由于基片集成波导与微带传输线存在完美匹配，可用于设计各种微波毫米波甚至太赫兹功分器、耦合器、天线、放大器、混频器等无源及有源电路、器件甚至组件或系统。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。其中，(a)为俯视示意图，(b)为仰视示意图；
图2为本发明的单元结构的示意图。其中，(a)为俯视示意图，(b)为仰视示意图；
图3为本发明的单元结构的色散曲线图。其中，(a)为不同扇形半径范围r对色散的影响，(b)为长柄扇形金属开槽不同柄长l对色散的影响，(c)为不同扇形圆心角θ对色散的影响，(d)为半模基片集成波导不同有效宽度a对色散的影响；
图4为本发明的S参数曲线图。其中，(a)为S21、S31、S11曲线，(b)为S23曲线，其中sim代表仿真得到的结果曲线，mea代表样品实测得到的结果曲线。
图中各标记为：1、基板；2、金属层；3、第一带通滤波器；4、第二带通滤波器；5、T型结；21、长柄扇形金属开槽结构；22、金属化通孔。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请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申请。
一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其主体结构由两个不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器以及T型馈电网络组成；半模基片集成人工表面等离激元滤波器通过在半模基片集成波导上设计人工表面等离激元结构，以实现滤波功能；半模基片集成波导采用半模设计，体积是传统基片集成波导的二分之一，由金属层和柔性介质基板构成，金属层分别位于柔性介质基板的上下两侧，通过金属化通孔连接；至少一侧金属层设有人工表面等离激元金属开槽结构阵列，该结构设在没有金属化通孔的一边，人工表面等离激元金属开槽结构排列方向与金属化通孔的排列方向平行；两个不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器共用一排金属通孔，两个滤波器的输入端通过T型馈电网络连接在一起。
所述人工表面等离激元金属开槽结构采用长柄扇形金属开槽，所述长柄扇形金属开槽的柄长范围为1～3mm，扇形半径范围为1～2.5mm，扇形圆心角范围为30～90°；相邻两个长柄扇形金属开槽之间的距离为2～4mm。
所述人工表面等离激元金属开槽结构阵列，以中间长柄扇形金属开槽为对称轴向两边对称布置，且纵向尺寸按比例因子缩放，从两端向中间依次增大。
本发明中，每个滤波器金属化通孔与没有金属化通孔一侧边缘的距离为有效宽度，所述有效宽度的范围为5～15mm。
本发明中，两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器两端设有微带传输线，微带线与基片集成波导的连接处，采用尺寸更小的凹槽过渡方案，所述凹槽包含两端狭缝，靠近微带线的一段狭缝与传输方向平行，靠近基片集成波导的一段狭缝与传播方向垂直。所述靠近微带线的一段狭缝的长度t1为1.1mm，靠近基片集成波导的一段狭缝长度t2为1mm，开槽宽度k为0.3mm。
本发明中，所述T型馈电网络由一条主微带线和两条分支线相连而成，简称T型结，两条分支线通过一次弯折后与两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器相连。T型馈电网络主微带线和两条分支线的宽度Wt为1.54mm，主微带线的长度Lt1为3～10mm；支线一的两段长度Lt2为0.67mm，Lt4为9.10mm；支线二的两段长度Lt3为9.97mm，Lt5为10.70mm；所述T型馈电网络两条分支线的弯折处微带线为直角弯曲45°外斜切，切角长度sj为2.31mm。
两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器输出端微带线长度Lt6长度为3～10mm。
以下给出一个具体实施例。
参考图1，本实施例中提出一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，包括基板1及其上下两层的金属2，基板1的材料选取Rogers RT5880，介电常数为2.2，厚度为0.508mm，传输损耗角为0.0009。
在本实施例的介质基板1的正面金属层2设有T型结5、第一带通滤波器3、第二带通滤波器4的一侧。介质基板1的背面镀一层铜作为金属地，通过端口与介质基板1正面的微带线连接。第一带通滤波器3设于介质基板1的上半部，第一带通滤波器3的输入端与T型结5的一输出端连接。第二带通滤波器4设于介质基板的下半部，第二带通滤波器4的输入端与T型结5的另一输出端连接。第一带通滤波器3和第二带通滤波器4的输出端各与一段微带线相连接。
如图1，与T型结相连的第一带通滤波器3和第二带通滤波器4通过共用一排金属通孔22相靠排列。两个带通滤波器中设有长柄扇形金属开槽结构阵列，其包括中间的长柄扇形金属开槽结构21及其两侧间隔对称排列的若干长柄扇形金属开槽结构21。作为示例，本发明的实施例的两个带通滤波器各具有7个长柄扇形金属开槽结构21，以中间的长柄扇形金属开槽结构21为对称轴，两侧的若干长柄扇形金属开槽结构21对称分布。在其他实施例中，长柄扇形结构可以改变柄长、扇形半径和扇形圆心角，金属开槽结构的数量并不固定，可以更多或者更少。
本实施例中的第一带通滤波器3和第二带通滤波器4结构相同，只存在尺寸方面的差异。因此，以第一带通滤波器3为例，长柄扇形金属开槽结构21设在没有金属化通孔22的另一侧，并且其排列方向与金属化通孔22的排列方向平行，从最侧边的长柄扇形金属开槽结构21向中间的长柄扇形金属开槽结构21分布，其纵向的尺寸比例呈梯度增大，相邻两个长柄扇形开槽结构21中心之间的距离不变。
本实施例中，以第一带通滤波器3为例，参考图2，其单元结构尺寸如下：金属化通孔22直径d为0.4mm，相邻两个金属化通孔22的中心之间的距离x为0.8mm，长柄扇形金属开槽线宽s为0.24mm，半模基片集成波导上单元结构的周期宽度p为2.4mm。图3中的图(a)为半模基片集成波导有效宽度a从6mm增加到9mm仿真分析得到的色散曲线，随着a的增加，起始频率减小而截止频率不变。图3中的图(b)为柄长l从1mm增加到3mm仿真分析得到的色散曲线，随着柄长l的增加，起始频率基本不变而截止频率逐渐降低，说明柄长l对滤波器截止频率影响较为明显。图3中的图(c)为扇形圆心角θ从40°增加到48°仿真分析得到的色散曲线，随着扇形圆心角θ的增加，起始频率不变而截止频率逐渐降低，说明可以通过调节扇形圆心角θ来对截止频率进行精确调节。图3中的图(d)为扇形半径r从1mm增加到2.5mm仿真分析得到的色散曲线，随着扇形半径r的增加，起始频率基本不变而截止频率逐渐降低。以上仿真得到的色散曲线说明本申请的实施例的长柄扇形金属开槽结构能够支持人工表面等离激元波的传输，具体体现可以从色散曲线上发现，本申请的实施例提供的具有长柄扇形金属开槽结构21的单元结构色散曲线逐渐平缓，具有较强的慢波效应。利用半模基片集成波导具有高通特性，人工表面等离激元波导具有低通特性，其下、上限截止频率分别取决于半模基片集成波导的有效宽度a和长柄扇形柄长l，扇形半径r和扇形圆心角θ，可以通过调节上述尺寸的大小设计出满足特定带宽要求的带通滤波器，即通过改变基片集成波导的有效宽度a和长柄扇形的柄长l，扇形半径r和扇形圆心角θ调整滤波器的带宽。
本实施例中，为实现人工表面等离激元结构的波矢匹配，长柄扇形金属开槽结构21的纵向尺寸呈梯度渐变增加的分布。过渡段金属开槽相对于中间金属开槽的纵向比例缩放系数由小到大依次为0.3、0.5、0.9。
如图1所示，第一带通滤波器3和第二带通滤波器4的两端与微带线相连接，微带线宽度W1为1.54mm，保证50Ω的端口阻抗。为实现微带线到半模基片集成波导的过渡，连接部分采用凹槽过渡以实现阻抗匹配。所述凹槽包含两端狭缝，靠近微带线的一段狭缝与传输方向平行，靠近基片集成波导的一段狭缝与传播方向垂直。所述靠近微带线的一段狭缝的长度t1为1.1mm，靠近基片集成波导的一段狭缝长度为1mm，开槽宽度s为0.3mm。
本实施例的T型结微带线的宽度Wt为1.54mm，T型结两个支线的弯折处微带线为直角弯曲45°外斜切，切角长度sj为2.31mm。T型结连接第一带通滤波器3的部分，其长度约为第二带通滤波器4的波长的1/4。具体的，Lt2为0.67mm，Lt4为9.10mm；T型结连接第二带通滤波器4的部分，其长度约为第一带通滤波器3的波长的1/4。具体的，Lt3为9.97mm，Lt5为10.70mm。每个带通滤波器分别在另一个带通滤波器的中心频率处开路。通过调整T型结与带通滤波器连接部分的传输线长度，即图1中(Lt2+Lt4)的长度和(Lt3+Lt5)的长度，可以最大程度减小两个滤波器之间的相互作用，从而减小对滤波器回波损耗和插入损耗的影响，实现高隔离度、低插损、高Q值的双工器设计。
由图4中的图(a)的仿真及实测结果可见，本实施例双工器在6.2GHz和8.9GHz两个中心频率处具有通带。第一通带范围为5.7GHz到6.6GHz，通带内的S11低于-13dB，S21高于-1.2dB。第二通带范围为8.3GHz到9.4GHz，通带内的S11低于-20dB，S21高于-0.8dB。带外S21、S31均低于-27dB。图4中的图(b)为双工器两个输出端口之间的隔离度，输出端口的隔离度大于21dB。
本申请的实施例提出的半模基片集成人工表面等离激元双工器使用两个半模基片集成人工表面等离激元滤波器与T型结相结合，实现两个高隔离度、高带外抑制、低插损的通带；两个滤波器采用共用一排金属通孔的设计，降低双工器的整体尺寸；通过尺度变换，放大、缩小单元及长柄扇形结构尺寸，能够用于微波、毫米波或太赫兹波段的人工表面等离激元电磁波的传输。本发明的半模基片集成人工表面等离激元双工器具有设计灵活、尺寸小、通带内传输插损低、通带外抑制性能强、端口隔离度高的优点，在微波毫米波及太赫兹电路、器件与系统中具有广泛的应用前景。
以上描述本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于其包含两个不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器以及T型馈电网络；半模基片集成人工表面等离激元滤波器通过在半模基片集成波导上设计人工表面等离激元结构，以实现滤波功能；半模基片集成波导采用半模设计，体积是传统基片集成波导的二分之一，由金属层和柔性介质基板构成，金属层分别位于柔性介质基板的上下两侧，通过金属化通孔连接；柔性介质基板通过弯曲变形，用于共形传输人工表面等离激元电磁波；至少一侧金属层设有人工表面等离激元金属开槽结构阵列，该结构设在没有金属化通孔的一边，人工表面等离激元金属开槽结构排列方向与金属化通孔的排列方向平行；两个不同的半模基片集成人工表面等离激元滤波器共用一排金属通孔，两个滤波器的输入端通过T型馈电网络连接在一起。
2.如权利要求1所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述人工表面等离激元金属开槽结构采用长柄扇形金属开槽。
3.如权利要求2所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述长柄扇形金属开槽的柄长范围为1～3mm，扇形半径范围为1～2.5mm，扇形圆心角范围为30～90°；相邻两个长柄扇形金属开槽之间的距离为2～4mm；所述人工表面等离激元金属开槽结构阵列以中间长柄扇形金属开槽为对称轴向两边对称布置，且纵向尺寸按比例因子缩放，从两端向中间依次增大。
4.如权利要求1所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器，每个滤波器金属化通孔与没有金属化通孔一侧边缘的距离为有效宽度，所述有效宽度的范围为5～15mm。
5.如权利要求1所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器两端设有微带传输线，微带线与基片集成波导的连接处，采用尺寸更小的凹槽过渡方案，所述凹槽包含两端狭缝，靠近微带线的一段狭缝与传输方向平行，靠近基片集成波导的一段狭缝与传播方向垂直。
6.如权利要求5所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述靠近微带线的一段狭缝的长度t1为1.1mm，靠近基片集成波导的一段狭缝长度t2为1mm，开槽宽度k为0.3mm。
7.如权利要求1所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述T型馈电网络由一条主微带线和两条分支线相连而成，称为T型结，两条分支线通过一次弯折后与两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器相连。
8.如权利要求7所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述主微带线和两条分支线的宽度Wt为1.54mm，主微带线的长度Lt1为3～10mm；两条分支线的支线一的两段长度Lt2为0.67mm，Lt4为9.10mm；支线二的两段长度Lt3为9.97mm，Lt5为10.70mm。
9.如权利要求7所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述两条分支线的弯折处微带线为直角弯曲45°外斜切，切角长度sj为2.31mm。
10.如权利要求1所述一种半模基片集成人工表面等离激元双工器，其特征在于所述两个半模基片集成人工表面等离激元带通滤波器的输出端微带线长度Lt6长度为3～10mm。
Priority Applications (1)
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