CN217983616U - 一种半模SSPPs基片集成波导滤波器及卫星通信集成电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种半模SSPPs基片集成波导滤波器及卫星通信集成电路。半模SSPPs基片集成波导滤波器包括：介质基板及金属贴片；所述金属贴片包括矩形区和连接在所述矩形区两侧的带状区；所述矩形区的下边开设有若干槽单元，所述若干槽单元沿半模长度方向的边缘周期性排列作为人工表面等离激元传输器；其中，每一所述槽单元具有蜿蜒形槽。本实用新型是通过周期性排列的蜿蜒形槽构成蜿蜒形SSPPs结构，为SSPPs高次模的有效约束和传播提供了新的解决方案。同时，将该结构嵌入到基片集成波导中，组成带通滤波响应，与传统SSPPs基片集成波导结构相比，可实现了更大的高频截至频率调节范围，与基础模式相比，带宽更宽。

Description

一种半模SSPPs基片集成波导滤波器及卫星通信集成电路

技术领域

本实用新型涉及滤波器技术领域，更具体地，涉及一种半模SSPPs基片集成波导滤波器及卫星通信集成电路。

背景技术

表面等离激元是一种原本仅存在于光学频段的能量传播现象。直到2004年，为了在微波、毫米波频段模拟光波段的表面等离激元，英国帝国理工学院Pendry爵士及合作者在金属表面上通过设计人工周期介质孔阵列结构，有效降低了人工金属表面的等离子体频率，从而构建出微波和毫米波频段的人工表面等离激元（Spoof Surface PlasmonPolaritons，SSPPs）。SSPPs主要有一下几个优点：第一，由于结构化的表面等离子体频率远低于金属本身的等离子体频率，因此具有较小的损耗；第二，可以通过改变金属表面的结构参数来灵活控制SSPPs的色散特性，进而获得可调控、可重构、智能化的电路、器件或天线。利用上述优点，各种涵盖微波频段，太赫兹频段的基于SSPPs特性的器件被研究和报道出来，包括SSPPs滤波器，SSPPs天线，SSPPs功分器等。

有研究者结合利用SSPPs的低通特性和基片集成波导的高通特性实现了带通滤波功能，如中国实用新型专利CN109149031A公开了基于半模基片集成波导和人工表面等离激元的带通滤波器，包括介质基板，介质基板两面中间具有矩形金属涂层，两端具有梯形金属涂层和微带线，覆有矩形金属涂层的介质基板的上侧具有一排金属通孔，构成半模基片集成波导。矩形金属涂层下侧具有周期性凹槽，构成人工表面等离激元传输器，全模下的周期单元结构如图1所示的Structure A。梯形金属涂层为微带线-半模基片集成波导的转换结构。

与之前的基片集成波导带通滤波器相比，该种方法可以单独调节带通响应的高频和低频截至频率，简化了超宽带滤波器的设计流程。但是传统结构还存在以下几个问题：

1.虽然SSPPs的高次模式与基次模式相比，可以支撑更宽的带宽，但是由于传统结构的高次模式色散曲线比较靠近Lightline的色散曲线，导致会产生高次模式辐射，故传统一般的结构无法对高次模式能量进行约束和有效传播；

2.同样尺寸的SSPP传输线基模比传统的微带传输线传输模式，损耗偏高；且SSPP高次模比基模损耗更高。

实用新型内容

基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种半模SSPPs基片集成波导滤波器及卫星通信集成电路。

为了解决上述技术问题，本实用新型采用了如下所述的技术方案：

一种半模SSPPs基片集成波导滤波器，其包括：介质基板及形成在所述介质基板的一侧表面上的金属贴片；所述金属贴片包括矩形区和连接在所述矩形区两侧的带状区；所述矩形区的下边开设有若干槽单元，所述若干槽单元沿半模长度方向的边缘周期性排列作为人工表面等离激元传输器；其中，每一所述槽单元具有蜿蜒形槽。

在本实用新型中，所述蜿蜒形槽具有相互连接的槽开口段和槽延伸段，所述槽延伸段为开口环状缝。

在本实用新型中，所述开口环状缝沿着矩形形状延伸形成。

在本实用新型中，所述槽开口段为矩形缝。

在本实用新型中，每一所述槽单元的长度L1为2.8~3.2mm，宽度W1为0.8~1.2mm；所述蜿蜒形槽的槽缝宽度W2为0.08~0.12mm，槽缝长度L2为3.5mm以上。

在本实用新型中，所述半模SSPPs基片集成波导滤波器还包括形成在所述介质基板另一侧表面上的接地金属层。

在本实用新型中，所述金属贴片的形成材料为高温超导材料。

在本实用新型中，所述滤波器的带宽为50-80 GHz。

一种卫星通信集成电路，其具有上述的半模SSPPs基片集成波导滤波器。

与现有技术相比，本实用新型有以下有益效果：

本实用新型中，所述若干槽单元沿半模长度方向的边缘周期性排列作为人工表面等离激元传输器；其中，每一所述槽单元具有蜿蜒形槽。即本实用新型是通过周期性排列的蜿蜒形槽构成蜿蜒形SSPPs结构，为SSPPs高次模的有效约束和传播提供了新的解决方案。同时，将该结构嵌入到基片集成波导中，组成带通滤波响应，与传统SSPPs基片集成波导结构相比，可实现了更大的高频截至频率调节范围，与基础模式相比，带宽更宽。将SSPPs高次模场分布特性与半模基片集成波导理论相结合，提出了半模SSPPs基片集成波导滤波器结构，缩小电路面积50%。与传统半模SSPPs基片集成波导滤波器结构相比，该实用新型的半模边缘可以距离其他结构更近。这节省了集成电路整体设计面积。高温超导材料的引入，使得SSPP高次模传输损耗更低。

由于半模基片集成波导的频率响应是高通响应，且可以通过半模基片集成波导的波导宽度来调节控制其高通截至频率，而蜿蜒形SSPPs的频率响应为低通响应，其低通截至频率可以通过调节蜿蜒形槽的有效长度来控制，本实用新型可以实现带通滤波响应。

本实用新型提出的蜿蜒形SSPPs结构的色散曲线如图3所示。可见与传统结构相比，其高次模色散曲线更加远离lightline的色散曲线，这解决了传统结构不能有效约束和传播高次模式的缺点，从而扩大了SSPPs基片集成波导滤波器的带宽。这是SSPPs的高次模式特性第一次在基片集成波导领域的应用。

为了解决SSPP高次模传输损耗偏高的问题。本实用新型采用高温超导材料加工半模基片集成波导版图构成。高温超导材料通过磁控溅射的方式直接镀膜在介质基板上。在该滤波器结构的下方放置激光制冷装置，将整体滤波器冷却到超导状态。从而实现电信号更低损耗通过的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本申请或现有技术中的方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一个简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为传统结构全模下的周期单元结构Structure A；

图2为本实用新型半模SSPPs基片集成波导滤波器的示意图；

图3为本实用新型全模SSPPs基片集成波导滤波器的示意图；

图4为图3周期单元结构Structure B；

图5为周期单元结构Structure A、Structure B的色散曲线，其中横坐标表示传输频率，纵坐标表示色散，其中mode1、mode2为施加不同电磁场模式；

图6为本实用新型基片集成波导的TE10模场分布（实线为电场线，虚线为磁场线）；

图7为本实用新型半模SSPPs基片集成波导滤波器的频率响应仿真结果。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

请参考图2，其示出了一种半模SSPPs基片集成波导滤波器，其包括：

介质基板1；

金属贴片2，其形成在所述介质基板1的一侧表面上；

接地金属层，其形成在所述介质基板1的另一侧表面上；

其中，所述金属贴片2包括：

矩形区3，其下边一侧开设有若干槽单元31，每一所述槽单元31具有蜿蜒形槽311；所述若干槽单元31沿半模长度方向的边缘周期性排列作为人工表面等离激元传输器（即蜿蜒形SSPPs）；

两个带状区4，其分别连接在所述矩形区3的两侧，作为微带波导。

进一步地，所述蜿蜒形槽311具有相互连接的槽开口段3111和槽延伸段3112。所述槽开口段3111位于所述矩形区3的下边边缘，优选地，所述槽开口段3111为矩形缝，可以理解为所述槽开口段3111垂直于所述半模边缘。所述槽延伸段3112为开口环状缝，在一些实施例中，所述开口环状缝为沿着矩形形状延伸形成。

在本实用新型中，每一所述槽单元31的长度L1为2.8~3.2mm，宽度W1为0.8~1.2mm；所述蜿蜒形槽311的槽缝宽度W2为0.08~0.12mm。优选地，槽缝长度L2为3.5mm以上，更优选地为3.5~4.5mm，但并不局限于此，蜿蜒形SSPPs的频率响应为低通响应，其低通截至频率可以通过调节所述蜿蜒形槽311的槽缝有效长度来控制，进而可以实现带通滤波响应，以及实现更大的低频截至频率调节范围。

优选但不局限地，所述介质基板1的相对介电常数为2.5~2.7，如2.65，厚度为0.4~0.6 mm，如0.5mm，损耗角正切为0.002~0.004，如0.003。但可以理解的是，所述介质基板1并不局限于此。

为了解决SSPP高次模传输损耗偏高的问题。本实用新型所述金属贴片2的形成材料采用高温超导材料。具体实现时，高温超导材料通过磁控溅射等沉积方式直接镀膜在所述介质基板1上。在该滤波器结构的下方放置激光制冷装置，将整体滤波器冷却到超导状态，从而实现电信号更低损耗通过的目的。

一种卫星通信集成电路，其具有上述的半模SSPPs基片集成波导滤波器。本实用新型利用了蜿蜒形SSPPs高次模传播特性的基于基片集成波导的高温超导片上集成滤波器，尤其适用于卫星通信的镜频抑制滤波器。将SSPPs高次模场分布特性与半模基片集成波导理论相结合，不仅提出了半模SSPPs基片集成波导滤波器结构，缩小电路面积50%，而且与传统半模基片集成波导滤波器结构相比，该半模SSPPs基片集成波导滤波器的半模边缘可以距离其他结构（包括但不限于放大器、滤波器、混频器等）更近，器件间距虽然更近但采用本实用新型半模SSPPs基片集成波导滤波器后互相干扰的概率更低，更节省了集成电路整体设计面积，再者高温超导材料的引入，使得SSPP高次模传输损耗更低。

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例

请参考图2、4，其示出了一种半模SSPPs基片集成波导滤波器，其包括：

介质基板1；

金属贴片2，其形成在所述介质基板1的一侧表面上，所述金属贴片2的形成材料为高温超导材料；

接地金属层（图中未显示），其形成在所述介质基板1的另一侧表面上；

其中，所述金属贴片2包括：

矩形区3，其下边一侧开设有若干槽单元31，每一所述槽单元31具有蜿蜒形槽311；所述若干槽单元31沿半模长度方向的边缘周期性排列作为人工表面等离激元传输器（即蜿蜒形SSPPs）；

两个带状区4，其分别连接在所述矩形区3的两侧，作为微带波导。

所述蜿蜒形槽311具有相互连接的槽开口段3111和槽延伸段3112，所述槽开口段3111为矩形缝，所述槽延伸段3112为开口环状缝，所述开口环状缝为沿着矩形形状延伸形成。其中，如图4所示，每一所述槽单元31的长度L1为3mm，宽度W1为0.9mm；所述蜿蜒形槽311的槽缝宽度W2为0.1mm，槽缝长度L2为3mm。全模版图下，上下相对的所述槽单元31之间的距离W0为0.2mm。

所述带状区4与所述矩形区3之间还连接有过渡区5，其用于阻抗匹配。

本实用新型半模SSPPs基片集成波导滤波器的设计流程为：先按照设计要求设计一个全模基片集成波导，而后嵌入所述蜿蜒形SSPPs周期单元结构（如图4所示），获得半模SSPPs基片集成波导滤波器的全模版本设计，如图3所示。再沿上述嵌入SSPPs的全模结构的横向对称线进行切割，留下一半的设计，并仿真计算优化阻抗匹配，得到最终半模设计；最后在一块纯介质基板1上按照最终半模设计的版图，用磁控溅射方法采用高温超导材料进行镀膜获得金属贴片2。

请查阅图5，是传统结构和本实用新型提出的蜿蜒形SSPPs周期槽单元结构的色散曲线，其中横坐标表示传输频率，纵坐标表示色散。可见与传统结构相比，本实用新型槽单元31结构高次模色散曲线更加远离lightline，这解决了传统结构不能有效约束和传播高次模式的缺点，从而扩大了SSPPs基片集成波导滤波器的带宽。

请查阅图6，是本实用新型基片集成波导的TE10模场分布（实线为电场线，虚线为磁场线）。

请查阅图7，是本实用新型提出半模SSPPs基片集成波导滤波器实施例的频率响应仿真结果。可见该实施例的频率响应为带通响应，所设计的带通滤波器的3dB通带范围(S11<-10dB ，S21>-3 dB)为50-80 GHz。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，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，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

显然，以上所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例，附图中给出了本申请的较佳实施例，但并不限制本申请的专利范围。本申请可以以许多不同的形式来实现，相反地，提供这些实施例的目的是使对本申请的公开内容的理解更加透彻全面。尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来而言，其依然可以对前述各具体实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等效替换。凡是利用本申请说明书及附图内容所做的等效结构，直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理在本申请专利保护范围之内。

Claims (9)

1.一种半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，其包括：介质基板及形成在所述介质基板的一侧表面上的金属贴片；所述金属贴片包括矩形区和连接在所述矩形区两侧的带状区；所述矩形区的下边开设有若干槽单元，所述若干槽单元沿半模长度方向的边缘周期性排列作为人工表面等离激元传输器；其中，每一所述槽单元具有蜿蜒形槽。

2.根据权利要求1所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，所述蜿蜒形槽具有相互连接的槽开口段和槽延伸段，所述槽延伸段为开口环状缝。

3.根据权利要求2所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，所述开口环状缝沿着矩形形状延伸形成。

4.根据权利要求2所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，所述槽开口段为矩形缝。

5.根据权利要求1至4任一所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，每一所述槽单元的长度L1为2.8~3.2mm，宽度W1为0.8~1.2mm；所述蜿蜒形槽的槽缝宽度W2为0.08~0.12mm，槽缝长度L2为3.5mm以上。

6.根据权利要求1所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，所述半模SSPPs基片集成波导滤波器还包括形成在所述介质基板另一侧表面上的接地金属层。

7.根据权利要求1至4任一所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，所述金属贴片的形成材料为高温超导材料。

8.根据权利要求1所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器，其特征在于，所述滤波器的带宽为50-80 GHz。

9.一种卫星通信集成电路，其特征在于，其具有如权利要求1-8任一所述的半模SSPPs基片集成波导滤波器。

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