JP7468937B2 - 印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタに関し、ミリ波伝送技術分野に用いることができる。

マイクロ波システムでは、フィルタの設計において、マイクロストリップ構造形態が広く採用されている。マイクロストリップ線は、構造が簡単であり、加工しやすく、コストが安いものの、動作周波数がミリ波周波数帯に上昇すると、損失が大きく、電力容量が低いという弊害を露呈した。これは、放射波、漏れ波、表面波を含むマイクロストリップ線の迷放射に由来し、周波数が高いほど問題が顕著になる。同様に、矩形導波は、構造が簡単であり、機械的強度が大きく、損失が低く、電力容量が大きいという利点があるものの、ミリ波周波数帯で動作する場合にも、サイズが小さすぎ、加工難易度が高く、組み立てが難しいなどの問題が避けられない。金属パッケージの使用は、放射線漏れを効果的に除去することができるが、追加の金属パッケージは、フィルタの体積を大幅に増加させる。そのため、ミリ波伝送通信の高レート、低損失の要件を満たすために、新しい平面横電磁伝送導波路が必要とされている。

近年、新型電磁材料の発展に伴い、人工磁気導体構造の研究及び応用は、現在のマイクロ波分野の注目点の一つとなっている。人工磁気導体構造は、通常、誘電体基板上に周期的に配列された金属パッチ、金属ビア及び金属接地板からなり、その電磁バンドギャップ特性は、マイクロストリップ放射損失を低減でき、マイクロ波集積回路、マイクロ波印刷アンテナ、マイクロ波高エネルギー加速器、無線周波受動デバイスなどの全体的な性能を明らかに向上させることができる。一方、印刷リッジギャップ導波路は、人工磁気導体に基づく低分散信号伝送導波路として、空気ギャップ中の電磁波を金属リッジ線に沿って伝播させることができ、また準ＴＥＭモードを伝播させ、放射漏れを抑制することができ、ミリ波通信伝送に広く応用される見通しがある。

ミリ波周波数帯の従来のマイクロストリップ回路の高損失の問題を解決するために、印刷リッジギャップ導波路に基づくミリ波無線周波受動デバイスの多くの研究が行われている。印刷リッジギャップ導波路は、人工磁気導体構造とマイクロストリップフィルタ構造を１層の誘電体に集積することによって、人工磁気導体と理想電気導体が境界で発生する仮想磁壁を利用して、電磁波が他の方向で遮断状態にあり、マイクロストリップ伝送線共振器の上の空気ギャップに沿ってしか伝播できない。伝統的な損失性誘電体に対して、空気ギャップで伝播することは、誘電体損失を大幅に低減し、これにより、伝送特性が向上する。これにより、ミリ波周波数帯における従来のマイクロストリップフィルタの全体的な性能向上を実現するための実行可能な考え方が提供される。従来のマイクロストリップ印刷技術に比べて、印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタは、損失がより低く、伝送性能がより良く、一体性が強く、他のマイクロ波及びミリ波回路とのシステム集積が容易であり、開発が急がれている。

従来技術に存在する上述の問題に対して、本発明の目的は、印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタを提案し、ミリ波伝送通信の高レート、低損失の要求を満たし、加工しやすく、性能が安定し、システム集積しやすい利点がある。

上述した発明の目的を達成するために、本発明は、以下の技術手段を採用する。

印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタであって、
下層の誘電体基板の上面に設置されたマイクロストリップフィルタ構造、上部の金属カバープレート、及び中間層に位置し、空気ギャップを安定化するための給電誘電体層を含み、
前記マイクロストリップフィルタ構造は、入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器を含み、
前記入力ポートは、結合スロットを介して第１次半波長伝送路共振器と結合し、
前記出力ポートは、結合スロットを介して第２次半波長伝送路共振器と結合し、
２つのＴ型共振器は、入力ポート、出力ポート及び２つの半波長結合伝送路共振器が位置する直線の両側に位置し、それぞれ結合スロットを介して背中合わせに第１次、第２次半波長伝送路共振器と結合する。

好ましくは、前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器は、いずれも、周期的に配列されて接地板に接続された金属ビアが接続され、前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器の４周には、人工磁気導体ユニットが配置されている。

好ましくは、前記入力ポート、出力ポートは、いずれも、幅の異なる２部分の伝送路を含み、２つの部分の伝送路の幅は、それぞれ、誘電体プレートと空気誘電体に基づいて計算して決定される。

好ましくは、前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器の４周の人工磁気導体ユニットは、誘電体基板上に周期的に配列された金属パッチ、金属ビア及び金属接地板からなる。

好ましくは、前記給電誘電体層の裏面には、入力ポート、出力ポートと位置が重なる給電マイクロストリップ線が印刷されている。

好ましくは、前記給電誘電体層の縁は、入力ポート、出力ポートの２つの異なる幅の伝送路の境界にそれぞれ整列されている。

好ましくは、水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチし、ＰＰネジを用いてフィルタを固定し、３層の誘電体は、垂直方向に隙間なく密着している。

従来技術と比較して、本発明は、以下の技術効果を有する。
１、本発明は、設計構造が簡単であり、加工しやすく、コストが低く、余分なパッケージを節約する。同時に、印刷リッジギャップ導波路の導入により、マイクロストリップ結合共振器バンドパスフィルタ自体がよりコンパクトになり、明らかな相互結合がない場合には、互いに密接に製造することができる。
２、本発明が導入した新しい平面横電磁伝送導波路は、空気ギャップ中で金属リッジ線に沿って電磁波を伝播させることができ、それによって誘電体損失を低減する。金属リッジ線の両側の人工磁気導体構造により、マイクロストリップ線からの放射漏れを抑制し、挿入損失を低減し、Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタの伝送性能を更に向上させることができる。
３、本発明におけるバンドパスフィルタは、２つのＴ型共振器の長手方向の長さを調整することによって、通過帯域外の２つの伝送零点を獲得して調整することができ、より良い周波数選択を実現し、しかもその帯域内挿損、相対帯域幅、帯域内平坦度及び帯域外抑制などの性能は、すべて伝統的なＫａ周波数帯マイクロストリップバンドパスフィルタより優れている。
４、本発明は、同時に加工測定方案を提供する。水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチし、ＰＰネジを用いてフィルタを固定し、テスト結果とシミュレーション結果はほぼ一致する。このフィルタは、構造が簡単であり、サイズが小さく、加工が容易であり、性能が安定であり、一体性が強く、他のマイクロ波及びミリ波回路とのシステム集積が容易であり、将来のミリ波通信伝送応用において広い応用がある。

本発明の実施例における電磁フィルタ構造の平面図である。 本発明の実施例における給電誘電体層の三次元構造図である。 本発明の実施例における人工磁性導体ユニット構造の三次元構造である。 本発明の実施例の３次元構造図である。 本発明の実施例の３次元構造断面図である。 本発明の実施例におけるネジ穴付き電磁フィルタ構造の平面図である。 本発明の実施例におけるネジ穴付き給電誘電体層の平面図である。 本発明の実施例におけるネジ穴付き金属カバープレートの平面図である。 本発明の実施例の加工製造方案の３次元構造図である。 本発明の実施例の加工製造方案の３次元構造断面図である。 本発明の実施例の三層構造の実物図である。 本発明の実施例の実物組立図である。 本発明の実施例における周期的人工磁性導体の電磁波阻止帯分散図である。 本発明の実施例のＳパラメータシミュレーション波形図である。 本発明の実施例のＳパラメータ実測とシミュレーションの比較波形図である。

本発明の目的、利点及び特徴は、以下の好ましい実施例の非限定的な説明によって図示及び説明される。これらの実施例は、本発明の技術方案を適用する典型的な例にすぎず、等価な置換又は等価な変換を行って形成された技術方案は、すべて本発明が要求する保護の範囲内にある。

本発明の実施例は、図１～５に示すように、印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタを開示する。図６～１０は、このフィルタの加工製造方案であり、水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチし、ＰＰネジを用いてフィルタを固定し、３層構造の密着を保証する。

Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタは、マイクロストリップ電磁フィルタ構造３と金属接地板１を含む。マイクロストリップ電磁フィルタ構造３と金属接地板１の中間は、誘電体層２である。マイクロストリップ電磁フィルタ構造の上面は、給電誘電体板４に密着し、下方には金属ビア５が接続される。給電誘電体板４の裏面には、入力ポート、出力ポートと位置が重なる給電マイクロストリップ線６が印刷され、上部金属カバープレート７と空気ギャップ８を形成し、電磁波伝播に用いられる。

本発明の実施例におけるマイクロストリップフィルタ構造３は、図１のように、入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器を含む。入力ポートは、結合スロットを介して第１次半波長伝送路共振器と結合する。出力ポートは、結合スロットを介して第２次半波長伝送路共振器と結合する。２つのＴ型共振器は、入力ポート、出力ポート及び２つの半波長結合伝送路共振器が位置する直線の両側に位置し、それぞれ結合スロットを介して背中合わせに第１次、第２次半波長伝送路共振器と結合する。上記４つの共振器は、バンドパスフィルタの通過帯域内に４つの伝送極を導入することに成功した。入出力ポートには、Ｗ１とＷ２の幅を持つ２つの部分の伝送路が含まれる。入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器には、周期的に配列されて接地板に接続された金属ビアが接続され、周囲には人工磁気導体ユニットが配置されている。

本発明の実施例における人工磁気導体ユニットの構造について、図３のように、人工磁気導体の上面は、円形金属パッチ９であり、中間は、誘電体層２であり、下面は、金属接地板１であり、円形金属パッチ９の円心に接続されているのは、金属ビア５である。

本発明の実施例に係るＫａ周波数帯バンドパスフィルタの加工製造方案は、図１０のように、この三層構造の安定性を更に安定させるために、水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチすることによりネジ穴１０を発生させ、ＰＰネジを用いてフィルタを固定する。

中間層の給電誘電体板４の内側縁は、それぞれ入力、出力ポートのうち幅Ｗ１とＷ２の伝送路の境界に整列され、外側縁は、下層の誘電体板から延び、裏面には、入力、出力ポートと位置が重なる給電マイクロストリップ線が印刷され、後期に他のミリ波回路と集積するのに便利である。

下層の誘電体板の上面の電磁フィルタ構造の伝送路インピーダンスは、いずれも５０オームである。入出力ポートにおける幅Ｗ１の伝送路は、誘電体ロジャーズ５８８０を誘電体基板として計算され、幅Ｗ２の伝送路は、空気を誘電体基板として計算された。

電磁フィルタ構造において、誘電体基板、空気ギャップを安定させるための給電誘電体層と上層金属カバー板は、垂直方向に密着した３層構造である。具体的には、本技術案では、３層構造の間に隙間がなく、密着している。

本発明が導入した新しい平面横電磁伝送導波路は、空気ギャップ中で金属リッジ線に沿って電磁波を伝播させることができ、それによって誘電体損失を低減する。金属リッジ線の両側の人工磁気導体構造により、マイクロストリップ線からの放射漏れを抑制し、挿入損失を低減し、Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタの伝送性能を更に向上させることができる。本発明におけるバンドパスフィルタは、その帯域内挿損、相対帯域幅、帯域内平坦度、帯域外抑制及びエコー損失などの性能パラメータは、すべて伝統的なＫａ周波数帯バンドパスフィルタより優れている。本発明は、同時に加工測定方案を提供する。水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチし、ＰＰネジを用いてフィルタを固定し、テスト結果とシミュレーション結果はほぼ一致する。このフィルタは、構造が簡単であり、サイズが小さく、加工が容易であり、性能が安定であり、一体性が強く、他のマイクロ波及びミリ波回路とのシステム集積が容易であり、将来のミリ波通信伝送応用において広い応用がある。

以下、具体的なシミュレーションと実測例を用いて本発明の技術方案について更に詳細に説明する。

本発明の実施例において、この密着した３層構造の下層は、Ｒｏｇｅｒｓ３００３の誘電体板を用い、その誘電率が３であり、厚さが０．７６２ｍｍのミリ波Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタであり、下層の誘電体板の上面の電磁フィルタ構造が用いた半波長マイクロストリップ共振器は、伝送路のインピーダンスがすべて５０オームである。中間層は、Ｒｏｇｅｒｓ５８８０の誘電体板を用い、その厚さが０．５０８ｍｍの給電誘電体層である。上層は、金属カバープレートであり、厚さが０．０１８ｍｍである。入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器が接続される金属ビアのサイズは、ｒ＝０．１５ｍｍ、ｈ＝０．７６２ｍｍである。入出力ポートのサイズは、Ｗ１＝１．９８ｍｍ、Ｗ２＝１．５８ｍｍである。入力ポートと第１次半波長伝送路共振器との間のギャップは、ｇ１＝０．１８ｍｍであり、出力ポートと第２次半波長伝送路共振器との間のギャップは、ｇ１３＝０．１８ｍｍである。第１次半波長伝送路共振器のサイズは、Ｌ１＝４．０８ｍｍ、Ｗ３＝１．１８ｍｍである。第２次半波長伝送路共振器のサイズは、Ｌ３＝４．１２ｍｍ、Ｗ３＝１．１８ｍｍである。Ｔ型共振器のサイズは、Ｌ２＝４．３ｍｍ、Ｌ４＝２．６ｍｍ、Ｌ５＝２．８６ｍｍ、Ｗ３＝１．１８ｍｍである。第１次半波長伝送路共振器と第２次半波長伝送路共振器とのギャップは、ｇ１２＝１．２６ｍｍである。Ｔ型共振器と半波長伝送路共振器とのギャップは、いずれもｇ１４＝０．５ｍｍである。中間層に位置し、空気ギャップを安定させるための給電誘電体層の裏面にある給電マイクロストリップ線のサイズは、Ｗ２＝１．５８ｍｍである。

図５に示すように、ミリ波Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタの上には、給電誘電体層があり、給電誘電体層は、上部の金属カバープレートとの間に、電磁波の伝播、そして、より多くの誘電体損失を避けるための空気ギャップを形成している。空気ギャップの上には、電磁波の漏洩を防ぐための金属カバープレートである。

実際のモデルでは、図４に示すように、この印刷リッジギャップ導波路に基づくＫａ周波数帯バンドパスフィルタは、密着した３層構造である。図１１、図１２に示す印刷リッジギャップ導波路に基づくＫａ周波数帯バンドパスフィルタの実物図のように、このフィルタは、縁のＰＰネジによって三層構造を補強し、空気ギャップの厳密性を保証し、電磁リークを防止する。中間層の給電誘電体板は、下層誘電体基板から伸びており、他のミリ波回路との集積を容易にするための給電マイクロストリップ線が印刷されている。

図１３は、人工磁気導体構造によって生成される電磁波阻止帯を示し、この構造は、阻止帯周波数帯内に位置する電磁波の伝播を抑制することができる。Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタの動作周波数は、その中にあり、マイクロストリップ伝送路の浮遊放射を効果的に抑制することができ、抑制効果が良好である。図１３は、本発明の周期的人工磁性導体の電磁波阻止帯分散図であり、図１３中の横軸は、動作周波数を表し、縦軸は、伝播定数を表す。

図１４は、Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタのＳパラメータシミュレーション図である。動作帯域幅は、２９．８ＧＨｚから３２ＧＨｚ、帯域幅は、２．２ＧＨｚ、相対帯域幅は、７．３％である。通過帯域全体では、エコー損失は、ほぼ－２０ｄＢより小さく、挿入損失は、－０．８ｄＢ程度であった。２７ＧＨｚと３３ＧＨｚにはそれぞれ１つの伝送零点があり、帯域外抑制は、－３０ｄＢに達し、帯域外抑制性能は、良好である。図１４の横軸は、動作周波数を表し、縦軸は、反射係数Ｓパラメータを表す。

図１５は、Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタのＳパラメータ実測とシミュレーションの比較波形図である。２８ＧＨｚから３２．３ＧＨｚの通過帯域内では、エコー損失は、ほぼ－１５ｄＢより小さく、ほぼ１．１ｄＢ前後であり、帯域内平坦度が良好であり、テスト結果がシミュレーション結果とほぼ一致した。２７ＧＨｚと３３ＧＨｚにはそれぞれ伝送零点があり、帯域外抑制性能が良好である。試験結果は、シミュレーション結果とほぼ一致した。図１５の横軸は、動作周波数を表し、縦軸は、反射係数Ｓパラメータを表す。

以上、本発明は、印刷リッジギャップ導波路に基づくＫａ周波数帯バンドパスフィルタを提案する。このＫａ周波数帯バンドパスフィルタは、構造が簡単で、低断面で、集積しやすい特徴のほか、伝統的なＫａ周波数帯バンドパスフィルタに比べて、追加のパッケージを節約し、誘電損失を大幅に減少し、伝統的なマイクロストリップフィルタ構造の高損失の問題を解決し、それによってミリ波回路の研究に堅固な基礎を築いた。

（付記）
（付記１）
印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタであって、
下層の誘電体基板の上面に設置されたマイクロストリップフィルタ構造、上部の金属カバープレート、及び、中間層に位置し、空気ギャップを安定化するための給電誘電体層を含み、
前記マイクロストリップフィルタ構造は、入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器を含み、
前記入力ポートは、結合スロットを介して第１次半波長伝送路共振器と結合し、
前記出力ポートは、結合スロットを介して第２次半波長伝送路共振器と結合し、
２つのＴ型共振器は、入力ポート、出力ポート及び２つの半波長結合伝送路共振器が位置する直線の両側に位置し、それぞれ結合スロットを介して背中合わせに第１次、第２次半波長伝送路共振器と結合することを特徴とする印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

（付記２）
前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器は、いずれも、周期的に配列されて接地板に接続された金属ビアが接続され、
前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器の４周には、人工磁気導体ユニットが配置されていることを特徴とする付記１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

（付記３）
前記入力ポート、出力ポートは、いずれも、幅の異なる２部分の伝送路を含み、
２つの部分の伝送路の幅は、それぞれ、誘電体プレートと空気誘電体に基づいて計算して決定されることを特徴とする付記１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

（付記４）
前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器の４周の人工磁気導体ユニットは、誘電体基板上に周期的に配列された金属パッチ、金属ビア及び金属接地板からなることを特徴とする付記２に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

（付記５）
前記給電誘電体層の裏面には、入力ポート、出力ポートと位置が重なる給電マイクロストリップ線が印刷されていることを特徴とする付記１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

（付記６）
前記給電誘電体層の縁は、入力ポート、出力ポートの２つの異なる幅の伝送路の境界にそれぞれ整列されていることを特徴とする付記１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

（付記７）
水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチし、ＰＰネジを用いてフィルタを固定し、３層の誘電体は、垂直方向に隙間なく密着していることを特徴とする付記１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。

Claims (7)

1. 印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタであって、
   下層の誘電体基板の上面に設置されたマイクロストリップフィルタ構造、上部の金属カバープレート、及び、中間層に位置し、空気ギャップを安定化するための給電誘電体層を含み、
   前記マイクロストリップフィルタ構造は、入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器を含み、
   前記入力ポートは、結合スロットを介して第１次半波長結合伝送路共振器と結合し、
   前記出力ポートは、結合スロットを介して第２次半波長結合伝送路共振器と結合し、
   ２つのＴ型共振器は、入力ポート、出力ポート及び２つの半波長結合伝送路共振器が位置する直線の両側に位置し、それぞれ結合スロットを介して背中合わせに第１次、第２次半波長結合伝送路共振器と結合することを特徴とする印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。
2. 前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器は、いずれも、周期的に配列されて接地板に接続された金属ビアが接続され、
   前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器の４周には、人工磁気導体ユニットが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。
3. 前記入力ポート、出力ポートは、いずれも、幅の異なる２部分の伝送路を含み、
   ２つの部分の伝送路の幅は、それぞれ、誘電体プレートと空気誘電体に基づいて計算して決定されることを特徴とする請求項１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。
4. 前記入力ポート、出力ポート、２つの半波長結合伝送路共振器及び２つのＴ型共振器の４周の人工磁気導体ユニットは、誘電体基板上に周期的に配列された金属パッチ、金属ビア及び金属接地板からなることを特徴とする請求項２に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。
5. 前記給電誘電体層の裏面には、入力ポート、出力ポートと位置が重なる給電マイクロストリップ線が印刷されていることを特徴とする請求項１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。
6. 前記給電誘電体層の縁は、入力ポート、出力ポートの２つの異なる幅の伝送路の境界にそれぞれ整列されていることを特徴とする請求項１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。
7. 水平方向に３層の誘電体を延伸してパンチし、ＰＰネジを用いてフィルタを固定し、３層の誘電体は、垂直方向に隙間なく密着していることを特徴とする請求項１に記載の印刷リッジギャップ導波路に基づく４次Ｋａ周波数帯バンドパスフィルタ。