CN2807498Y - 基片集成波导——共面波导带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基片集成波导——共面波导带通滤波器，由基片集成波导和共面波导周期结构组成，在基片集成波导上设有输入端和输出端，基片集成波导包括介质基片，在介质基片的上、下表面上分别设有金属贴片，在介质基片上至少还设有2行金属化通孔，上、下表面上的金属贴片由金属化通孔连接，共面波导周期结构至少包括1个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元，且该同平面紧凑型共面波导单元位于基片集成波导之内，本实用新型具有尺寸小，有利于微波毫米波集成电路的设计，整个结构可用传统的PCB或LTCC工艺实现，满足微波毫米波立体集成电路的设计需要；具有非常好的频选特性，设计方法简单，具有很宽的带宽和较低的损耗。

Description

基片集成波导--共面波导带通滤波器

                       技术领域

本实用新型涉及一种可以应用于微波毫米波电路的设计，亦可用于SOP、SOC等高度集成系统中微波毫米波集成电路的设计的基片集成波导--共面波导带通滤波器。

                       背景技术

微波毫米波带通滤波器在迅速发展的通信系统有着大量的应用。随着宽带通信系统的快速发展，对具有很宽通带的滤波器有着迫切的需求。利用传统的金属脊波导等结构可以形成宽频带微波毫米波带通滤波器。但是这些形式的滤波器首先很难做到非常宽的相对带宽(≥50％)，其次这些形式的带通滤波器体积比较庞大，难以和其他微波毫米波器件集成，第三这些形式的带通滤波器加工成本比较昂贵，加工精度的要求比较高。为了克服这些困难，需要一种具有很宽带宽(≥50％)，体积小，重量轻，加工成本低，易于集成的微波毫米波带通滤波器。

                       发明内容

本实用新型提供一种既能满足宽带或者超宽带系统中滤波器需要、又易于将通信系统中微波毫米波电路与微波毫米波高性能滤波器集成在一起的基片集成波导--共面波导带通滤波器，具有体积小、易于集成、加工成本比较低廉，频率选择性高、损耗较低的优点。

本实用新型采用如下技术方案：

一种基片集成波导--共面波导带通滤波器，由基片集成波导和共面波导周期结构组成，在基片集成波导上设有输入端和输出端，基片集成波导包括介质基片，在介质基片的上、下表面上分别设有金属贴片，在介质基片上至少还设有2行金属化通孔，上、下表面上的金属贴片由金属化通孔连接，共面波导周期结构至少包括1个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元，且该同平面紧凑型共面波导单元位于基片集成波导之内。

与现有技术相比，本实用新型具有如下优点：

本实用新型是将基片集成波导的高通频选特性和共面波导周期结构的带阻频选特性紧密的结合在一起，形成了具有很好频选特性的宽带带通滤波器，相对带宽大于50％。在这种滤波器的结构中，基片集成波导和共面波导周期结构紧密的集成在一起，器件尺寸大为缩小。整个滤波器利用传统的PCB或LTCC工艺实现，从而有利于这种滤波器在微波毫米波电路设计中的集成；共面波导周期结构的形式对于整个滤波器的性能非常重要；通过增加周期单元的个数可以很方便地提高器件的频选特性。该滤波器可以工作于非常宽的带宽，同时结构形式简单，易于设计。具体具有如下优点：

1)整个滤波器主要由金属通孔和共面波导周期结构形成，共面波导周期结构和基片集成波导紧密的集成在一起，该滤波器的尺寸比较小，有利于微波毫米波集成电路的设计。整个结构可以利用传统的PCB或LTCC工艺可以实现，满足微波毫米波立体集成电路的设计需要；

2)该滤波器具有非常好的频选特性，具有较低的插入损耗和较高的Q值，这是因为基片集成波导具有较高的Q值，共面波导具有较小的金属损耗和很小的辐射损耗；

3)该滤波器设计方法简单，通过增加共面波导单元的周期数，可以极大地提高滤波器的性能。

4)这种滤波器具有很宽的带宽，能满足很多宽带系统的要求。

5)该滤波器可以工作于高频(大于10GHz)微波电路中，同时具有较低的损耗。

                       附图说明

图1是本实用新型结构主视图。

图2是本实用新型结构后视图。

图3是本实用新型结构A-A剖视图的局部放大图。

图4是对本实用新型的测试结果图，该测试结果包含了两个SMA接头的插损。

                        具体实施方式

一种基片集成波导--共面波导带通滤波器，由基片集成波导和共面波导周期结构组成，在基片集成波导上设有输入端2和输出端3，基片集成波导包括介质基片5，在介质基片5的上、下表面上分别设有金属贴片51、52，在介质基片5上至少还设有2行金属化通孔1，上、下表面上的金属贴片51、52由金属化通孔1连接，共面波导周期结构至少包括1个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元4，且该同平面紧凑型共面波导单元4位于基片集成波导之内，上述金属化通孔可以是2、3、5、8或11行。在本实施例中，共面波导周期结构至少包括2个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元4且排列成行，所采用的底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元4的具体数量可以是2个、3个、5个或更多个。对本实用新型的测试表明：该滤波器具有很宽的带宽，很好的频率选择性，较小的插入损耗。测试对象是利用PCB技术实现了的有11单元超宽带基片集成波导一共面波导周期结构带通滤波器(Wideband SIW-CPW Filter)。该滤波器将基片集成波导和共面波导周期结构紧密地结合在一起，它的尺寸为4.5×3.0cm²。

本实用新型采用如下方法来进行对基片集成波导和同平面紧凑型共面波导单元的尺寸的调节：

首先我们根据矩形波导和基片集成波导之间的关系来调节构成基片集成波导的金属通孔的直径和间距：

${\mathrm{\λ}}_c\·f_c=C_0/\sqrt{{\mathrm{\μ}}_r{\mathrm{\ϵ}}_r}---\left(1.1\right)$

上式中f_c为常用矩形波导中矩形波导的截止频率，在设计中取该滤波器的工作频率范围内的最低工作频率，λ_c为常用矩形波导中矩形波导的截止波长，C₀为自由空间中光的传播数度，μ_r为矩形波导中介质的磁相对介电常数，ε_r为矩形波导中介质的电相对介电常数，由该式我们可以求得矩形波导的截止波长。

λ_c＝2a_rec                                                 (1.2)

a_rec为对应的矩形波导宽边长度，由(1.2)式我们可以求得所需的矩形波导宽边长度a_rec1。

${\mathrm{\λ}}_g=\frac{\mathrm{\λ}}{\sqrt{1-{\left(\frac{\mathrm{\λ}}{{\mathrm{\λ}}_c}\right)}^2}}---\left(1.3\right)$

λ工作在频率f时所对应的工作波长，λ_g为工作在频率f时矩形波导中的波导波长，当取频率f为滤波器的最高工作频率时，由(1.3)式，我们可以求得所需的矩形波导的波导波长λ_g1，为了最低限度减小基片集成波导侧壁的泄漏，我们选取金属通孔之间的间距VSP小于等于八分之一波导波长λ_g1，金属通孔的直径大于三十二分之一波导波长λ_g1同时它也小于十六分之一波导波长λ_g1。

在确定了构成基片集成波导的金属通孔的直径和间距以后，我们根据以下关系式来求得构成基片集成波导的两行金属通孔之间的间距，亦即基片集成波导的宽度WSIW。

$\stackrel{\‾}{a}\frac{a_{\mathrm{rec}}}{\mathrm{WSIW}}={\mathrm{\ξ}}_1+\frac{{\mathrm{\ξ}}_2}{\frac{\mathrm{VSP}}{D}+\frac{{\mathrm{\ξ}}_1+{\mathrm{\ξ}}_2-{\mathrm{\ξ}}_3}{{\mathrm{\ξ}}_3-{\mathrm{\ξ}}_1}}---\left(1.4\right)$

上式中α是归一化因子，它反映了基片集成波导和矩形波导之间的关系，α_rec矩形波导之间的关系式，ξ₁，ξ₂，ξ₃分别定义如下：

${\mathrm{\ξ}}_1=1.0198+\frac{0.3465}{\frac{\mathrm{WSIW}}{\mathrm{VSP}}-1.0684},{\mathrm{\ξ}}_2=-0.1183-\frac{1.2729}{\frac{\mathrm{WSIW}}{\mathrm{VSP}}-1.2010},{\mathrm{\ξ}}_3=1.0082-\frac{0.9163}{\frac{\mathrm{WSIW}}{\mathrm{VSP}}+0.2152}---\left(1.5\right)$

我们使用电磁全波算法(时域有限差分算法)对同平面紧凑型共面波导单元构成的电子带隙结构进行电磁仿真，从而获得了电子带隙结构的阻带频率，我们经过电磁全波算法对电子带隙结构进行优化，使得电子带隙结构的阻带频率和该滤波器的上限工作频率相等，从而获得了电子带隙单元的尺寸。

Claims (2)

1、一种基片集成波导--共面波导带通滤波器，由基片集成波导和共面波导周期结构组成，在基片集成波导上设有输入端(2)和输出端(3)，其特征在于基片集成波导包括介质基片(5)，在介质基片(5)的上、下表面上分别设有金属贴片(51、52)，在介质基片(5)上至少还设有2行金属化通孔(1)，上、下表面上的金属贴片(51、52)由金属化通孔(1)连接，共面波导周期结构至少包括1个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元(4)，且该同平面紧凑型共面波导单元(4)位于基片集成波导之内。

2、根据权利要求1所述的基片集成波导--共面波导带通滤波器，其特征在于共面波导周期结构至少包括2个底面为金属贴片的同平面紧凑型共面波导单元(4)且排列成行。