CN201196972Y

CN201196972Y - 基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器

Info

Publication number: CN201196972Y
Application number: CNU2008200310525U
Authority: CN
Inventors: 车文荃; 李超; 邓宽; 王超; 杨立生; 汪磊; 李翠霞
Original assignee: Nanjing University of Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Science and Technology
Priority date: 2008-01-25
Filing date: 2008-01-25
Publication date: 2009-02-18
Anticipated expiration: 2018-01-25

Abstract

本实用新型公开了一种基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器。它包括介质基板，在介质基板上设置两排金属柱，每排中的金属柱以等间距横行连接，便组成衬底集成波导，所述的衬底集成波导的两排金属柱连接微带馈线，该微带线由50欧姆微带线和锥形变换组成，所述的微带馈线以及衬底集成波导设置在介质基板上的表面为金属介质，在衬底集成波导的上表面腐蚀出两排开口谐振环，该两排开口谐振环位于两排金属柱之间。本实用新型的开口谐振环与衬底集成波导相结合，融合了开口谐振环的灵活性和衬底集成波导的小体积，低剖面，轻重量，较高Q值的优点；其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，通过简单的锥形结构就可实现和微带或共面波导馈线的连接。

Description

基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器

技术领域

本实用新型属于一种微波毫米波混合集成电路和毫米波集成电路中的滤波器，特别是一种基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器。

背景技术

微波滤波器是微波工程中重要的微波器件，广泛运用于微波系统中。它对允许通过的频带放行，对不允许的通过的频带截止。常用的滤波器用矩形波导或者微带线来实现。但是传统的设计思路使得滤波器器件的体积大小成为发展的瓶颈。特别是要求比较高的设计中，运用传统的设计思路实现比较困难。我们熟知的矩形波导具有损耗小，承受功率容量大，Q值高等优点，但体积大，难以与平面电路集成，而现代技术的发展则对小型化，集成化具有相当高的要求；微带线则具有体积小，重量轻，易于集成等优点，但是其功率容量小，Q值低，因而在某些方面的应用受到一定的局限。近年来，有学者提出一种新型的波导-衬底集成矩形波导，即通过加工在微带衬底上的两排金属柱，把矩形波导制作到微带衬底上。这种新型传输线融合了矩形波导和微带线的优点，不仅体积小，重量轻，可承受较高的功率门限，而且Q值也较高。目前，已经有一些微波毫米波的无源或者有源器件被设计在这种新型平台上，理论和实验均表明这些器件具有非常突出的特点，兼具矩形波导器件和微带器件的双重优点，如文献1(“Integrated microstrip andrectangular waveguide in planar form，IEEE Microwave Wireless Compon Lett.，vol.11,no.2，Feb.2001，pp.68-70)以及文献2(“Low cost microwave oscillator using substrateintegrated waveguide cavity”，IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.13，No.2，2003，pp.48-50)，在上述文献中，都比较详细地介绍了用衬底集成波导这种新技术来设计新型的微波毫米波有源和无源器件。

同时，近年来，随着对左手材料的研究不断深入，学者们提出了一种新型的结构-开口谐振环(CSRR)。这种新型结构的左手特性十分灵活，具有很好的应用前景。目前这个结构已经被广泛地运用于一些新颖器件的设计，如文献3(“Effective negative-stop-bandmicrostrip lines based on complementary split ring resonators”，IEEE Microwave WirelessComp.Lett.，Vol.14，2004，pp280-282.)在上述文献中详细地介绍了开口谐振环的结构以及开口谐振环与微带线结合使用的无源器件的设计。为此，本发明提出一种新型的基于开口谐振环的衬底集成波导带通滤波器。该带通滤波器的设计结合开口谐振环和衬底集成波导的优点。这种滤波器不但功率容量大，Q值高而且上边频陡峭，对带外杂波的抑制能力很强。

但迄今为止，尚无人使用开口谐振环与衬底集成波导结合设计带通滤波器。为此，本发明提出一种新型的基于衬底集成波导的开口谐振环的带通滤波器结构，即把开口谐振环的结构设计在衬底集成波导的上表面，设计出的滤波器具有带外衰减陡峭的特点，而且体积小，重量轻，易于和其他的平面微波毫米波电路集成，因而可望在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路(MMIC)中获得极大的应用。

发明内容

本实用新型的目的在于提供一种灵活性强、带外杂波抑制能力强、低剖面，并易于和微带及共面波导等平面电路或系统相连接的基于衬底集成波导的开口环谐振器带通滤波器。

实现本实用新型目的的技术方案为：一种基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，包括介质基板，在介质基板上设置两排金属柱，每排中的金属柱以等间距横行连接，便组成衬底集成波导，所述的衬底集成波导的两排金属柱连接微带馈线，该微带线由50欧姆微带线和锥形变换组成，所述的微带馈线以及衬底集成波导设置在介质基板上的表面为金属介质，在衬底集成波导的上表面腐蚀出两排开口谐振环，该两排开口谐振环位于两排金属柱之间。

本实用新型与现有技术相比，其显著优点在于：(1)开口谐振环与衬底集成波导相结合，融合了开口谐振环的灵活性和衬底集成波导的小体积，低剖面，轻重量，较高Q值的优点。(2)其平面结构易于和其他平面电路或系统连接，通过简单的锥形结构就可实现和微带或共面波导馈线的连接。(3)开口谐振环间距的适当调整可以改善其通带内的回波损耗使其低于20dB，两输出端口的插入损耗低于1.5dB，多个开口谐振环的级联使用使得上边频带外衰减高达50dB。(4)结构简单，制作方便，成本低。

下面结合附图对本实用新型作进一步的详细说明。

附图说明

图1是本实用新型基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器平面示意图。

图2是本实用新型基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器的微带馈线结构示意图。

图3是本实用新型开口谐振环结构示意图。

具体实施方式

结合图1、图2和图3，本实用新型基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，包括介质基板1，在介质基板1上设置两排金属柱，每排中的金属柱5以等间距横行连接，便组成衬底集成波导8，所述的衬底集成波导8的两排金属柱连接微带馈线，该微带线由50欧姆微带线7和锥形变换9组成，所述的微带馈线以及衬底集成波导8设置在介质基板1上的表面为金属介质，在衬底集成波导8的上表面腐蚀出两排开口谐振环3，该两排开口谐振环3位于两排金属柱之间。介质基板1的厚度为0.32λ～0.49λ，介电常数范围为2～15。介电常数为2.65的介质基板1的厚度为0.8mm，50欧姆微带线7线宽为2.1mm，长为1mm～6mm。锥形变换9的宽边为3mm～5.5mm，长度为6mm～9mm。

其中，两排金属柱的金属柱的直径小于0.2λg，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍，两排金属柱之间的间距为0.64～0.96λ。开口谐振环3为两列或两列以上。开口谐振环3的开槽14、15宽度G为0.15mm～0.5mm，被腐蚀掉的环形10、11宽度S与开槽14、15的宽度G相等，开口谐振环的内径R为1mm～5mm。开口谐振环3组成的两行五列阵列中，两行开口谐振环中心的纵向间距均为4mm～8mm，五列开口谐振环中，左边起第一列和第二列中心间距为6mm～9mm，第二列和第三列中心间隔为7mm～12mm，五列结构以第三列为中心对称排列。

实施例：结合图1、图2和图3，本发明基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，包括介质基板1，该介质基板1的厚度为0.8mm，介电常数为2.65。在介质基板1上设置两排金属柱，即形成衬底集成波导8。相邻两金属柱之间的间距为1.8mm(这两排金属柱直径小于0.2λg，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍)；两排金属柱之间的间距为20mm(该两排金属柱2、3之间的间距可以为0.64～0.96λ)，衬底集成波导8长度52.4mm；50欧姆微带线7的线宽为2.1mm，长度为5mm。锥形变换9的宽边为4.5mm，长度为7.75mm。所述的衬底集成矩形波导8的两排金属柱连接微带馈线，该微带馈线由50欧姆微带线7和锥形变换8组成；输入端口4，输出端口6，输入端口4和输出端口6之间的距离为77.9mm。开口谐振环3的开槽14、15宽度为0.3mm，被腐蚀掉的环形10、11宽度开槽14、15相等。开口谐振环3的内径为1.2mm。两行开口谐振环中心的纵向间距均为5mm，五列开口谐振环中，左边起第一列和第二列中心间距为8mm，第二列和第三列中心间隔为10mm。五排结构以第三列为中心对称排列。

用矢量网络分析仪HP8510C测试的结果表明：本发明提出的新型基于衬底集成矩形波导的开口谐振环带通滤波器在其通带内的回波损耗低于20dB，两输出端口的插入损耗低于1.5dB，上边频带外衰减高达50dB。总体积(含微带转换)为77.9mm*28mm*0.8mm。(1)首先，确定TE10和TE20两种模式的截止频率，选定介质基板的特性参数，包括介电常数和衬底厚度。

(2)根据衬底集成波导等效宽度的理论分析公式，确定金属柱的直径以及相邻金属柱的间距。

(3)根据带通通带的下边频率，确定两个端口的宽度，即衬底集成波导的宽度。

(4)根据带通通带的上边频率，确定开口谐振环的相关尺寸。开口谐振环有两个参量：内径和开槽宽度。内径是开口谐振环的内部圆半径。开槽宽度是两个嵌套的环上的开口宽度，并且环的宽度与开槽宽度相等。确定开口谐振环的这两个尺寸就能够确定谐振环的谐振频率。

(5)带通滤波器的实现：带通滤波器＝高通滤波器+带阻滤波器。由衬底集成波导决定高通滤波器；开口谐振环决定带阻滤波器。

(6)采用两排谐振环彼此耦合的结构，以及五排级联的结构，以此来拓展阻带带宽，提高上边频的带外衰减陡度。

(7)本实用新型是为适应微波毫米波混合集成电路与毫米波集成电路的应用而设计的，因而滤波器馈电端特别设计了到微带的转换，也可以由同轴接头直接对沉底集成波导进行激励，以便更好地和其他微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路相连接。

微带变换和衬底集成波导设计在同一介质衬底板上，成为一个整体结构，无需额外的组装以及调试附件，因此非常适合集成化以及批量生产的要求。

Claims

1.一种基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，包括介质基板[1]，在介质基板[1]上设置两排金属柱，每排中的金属柱以等间距横行连接，便组成衬底集成波导[8]，所述的衬底集成波导[8]的两排金属柱连接微带馈线，该微带线由50欧姆微带线[7]和锥形变换[9]组成，所述的微带馈线以及衬底集成波导[8]设置在介质基板[1]上的表面为金属介质，其特征在于在衬底集成波导[8]的上表面腐蚀出两排开口谐振环[3]，该两排开口谐振环[3]位于两排金属柱之间。

2.根据权利要求1所述的基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，其特征在于：介质基板[1]的厚度为0.32λ～0.49λ，介电常数范围为2～15。

3.根据权利要求1所述的基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，其特征在于介电常数为2.65的介质基板[1]的厚度为0.8mm，50欧姆微带线[7]线宽为2.1mm，长为1mm～6mm，锥形变换[9]的宽边为3mm～5.5mm，长度为6mm～9mm。

4.根据权利要求1所述的基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，其特征在于：两排金属柱的金属柱的直径小于0.2λg，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍，两排金属柱之间的间距为0.64～0.96λ。

5.根据权利要求1所述的基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，其特征在于：开口谐振环[3]为两列或两列以上。

6.根据权利要求1所述的基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，其特征在于：开口谐振环[3]的开槽[14、15]宽度G为0.15mm～0.5mm，被腐蚀掉的环形[10、11]宽度S与开槽[14、15]的宽度G相等，开口谐振环的内径R为1mm～5mm。

7.根据权利要求1、5或6所述的基于衬底集成波导的开口谐振环带通滤波器，其特征在于：开口谐振环[3]组成的两行五列阵列中，两行开口谐振环中心的纵向间距均为4mm～8mm，五列开口谐振环中，左边起第一列和第二列中心间距为6mm～9mm，第二列和第三列中心间隔为7mm～12mm，五列结构以第三列为中心对称排列。