CN105846018B - 基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于基片集成非辐射介质波导的帯通滤波器电路，是在共面波导到槽线的过渡电路和三层基片集成非辐射介质波导构成的三层电路基础上，在基片集成非辐射介质波导的中心介质条带上通过缝隙耦合理论来实现。由于中心介质条带处的表面电流较强，合理设计通孔的大小和位置，可以实现通带为0.8GHz、频率选择性良好的帯通滤波器。本发明能顺利实现基于基片集成非辐射介质波导的帯通滤波器，实现了基于微波毫米波混合多层电路的集成，有利于毫米波频段电路和器件的设计，制作工艺简单，成本低廉。

Description

基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器

技术领域

本发明涉及一种基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器，属于微波技术领域。

背景技术

随着现代无线通信技术的快速发展，频谱资源日益紧缺，使得微波电路的研究和应用朝毫米波和更高频段拓展。而非辐射介质波导在结构弯曲和不连续处有着较小的辐射损耗和泄露损耗，这一特性使其成为毫米波频段电路设计中的重要元件。

可是，传统的非辐射介质波导在应用到毫米波电路设计时存在下述两个问题：

1、传统非辐射介质波导在制作工艺上步骤繁杂，需要将上下两块金属板分别粘贴到介质条两侧；而且非辐射介质波导的介质条高度与工作波长相关，导致频率增加到一定水平后，工艺精度难以满足传统非辐射介质波导的制作；

2、平面电路结构在毫米波电路设计中同样有着重要的作用，而非辐射介质波导作为一种非平面电路结构，需要设计一种转换电路，实现其到平面电路的转换。

为了十分方便地使用非辐射介质波导，设计混合集成平面与非平面电路，必须提出一种易于加工制作的非辐射介质波导结构，并在此结构基础上，通过在提出一种过渡电路上，提出一种基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器，顺利实现基于微波毫米波混合多层电路无源器件的实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，是在改进的共面波导到槽线的过渡电路集成到基片集成非辐射介质波导基础上，通过缝隙耦合理论实现了一个带通滤波器，仍形成了一个三层的微波毫米波电路结构。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

本发明提供一种基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，包括顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、顶层金属层、底层金属层，顶层介质板、中间层介质板和底层介质板同轴堆叠放置；顶层介质板的长度小于中间层介质板和底层介质板、宽度小于或等于中间层介质板和底层介质板；

顶层金属层设置在顶层介质板的上表面，底层金属层设置在底层介质板的下表面；在顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，沿长边方向对折线预留一条中心介质条带，在中心介质条带的两侧对称设置阵列式空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导；其中，顶层金属层的一对短边与顶层介质板的一对短边之间分别保留相同宽度不设置金属层，底层金属层与顶层金属层在底层介质板的下表面的投影重合；

中间层介质板与顶层介质板的未重叠区域，在中间层介质板的两端分别从短边向内设置一个共面波导到槽线的过渡电路，且两个共面波导到槽线的过渡电路关于中间层介质板短边方向对折线对称，其中，共面波导的中心导带由中间介质板的短边开始、沿长边方向对折线向内延伸设置，共面波导的金属接地板中靠近中间层介质板短边方向对折线的边沿与顶层金属层在中间层介质板上的投影的边沿重合；

中间层介质板的上表面，在槽线靠近基片集成非辐射介质波导的一端设置第一三角形渐变结构，以调整槽线宽度、实现阻抗匹配；在两个共面波导到槽线的过渡电路靠近基片集成非辐射介质波导的一端分别向内设置第二三角形渐变结构，以将共面波导到槽线的过渡电路接入基片集成非辐射介质波导；

底层介质板下表面，从底层金属层的一对短边开始，分别向内开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配，其中，梯形槽关于长边方向对折线对称；

基片集成非辐射介质波导的中心介质条带上，还并排设置有四个空气通孔，以实现介质条带上传输能量的耦合，其中，四个空气通孔关于该带通滤波器的中心对称。

作为本发明的进一步优化方案，共面波导到槽线的过渡电路由中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线、第一和第二金属条带、金属通孔构成，其中，中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线均设置在中间层介质板的上表面，中心导带的末端处设置与其垂直相交的金属支节，中心导带与金属支节的两侧分别设置第一、第二金属接地板，第一、第二金属接地板之间存在间隙，第一金属接地板与中心导带之间存在间隙，第二金属接地板与中心导带、金属支节之间均存在间隙，金属支节及其与第二金属接地板之间的间隙构成共面波导的开路支节，开路支节中远离相应中间介质板的短边的边沿与前述中间介质板的短边之间的距离小于中心导带的长度，第一、第二金属接地板之间的间隙构成槽线；第一、第二金属条带均设置在中间层介质板的下表面，且第一、第二金属条带均垂直于中心导带且位于开路支节与前述中间介质板的短边之间，每条金属条带的两端均设置有连通金属条带与第一和第二金属接地板的金属通孔，其中，紧靠开路支节的金属通孔与开路支节相切。

作为本发明的进一步优化方案，阵列式空气通孔中通孔的尺寸和通孔之间的间距根据带通滤波器电路的工作频率确定。

作为本发明的进一步优化方案，第二三角形渐变结构位于基片集成非辐射介质波导中预留的中心介质条带的区域内。

作为本发明的进一步优化方案，第一三角形渐变结构位于顶层介质板与中间层介质板的重叠区域。

作为本发明的进一步优化方案，从底层介质板的一对短边开始分别向内开矩形槽，以稳定电路，其中，矩形槽关于长边方向对折线对称。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明简化了非辐射介质波导的制作工艺，有效抑制基片集成非辐射介质波导在空气通孔处的泄露损耗，放置在中间介质基板上改进的共面波导到槽线的过渡电路集成在介质板的两端，减小了电路之间产生的电磁干扰；多层电路的集成实现了电路的平面化，简化了制作工艺的同时还减小了相应的加工成本；在中心介质条带上并排的四个空气通孔起到了缝隙耦合的作用；同时，本发明采用三层电路结构，充分利用空间，同时制作工艺简单、灵活，可以实现基于基片集成非辐射介质波导带通滤波器电路，为微波毫米波段基于混合集成多层无源器件的设计提供了依据。

附图说明

图1是本发明的三维结构图。

图2是本发明的俯视图和侧视图，其中，（a）是俯视图，（b）是侧视图。

其中，1-中心导带；2-中心导带与金属接地板之间的间隙；3-金属条带；4-金属通孔；5-金属接地板；6-矩形槽；7-第二三角形渐变结构；8-第一三角形渐变结构；9-梯形槽；10-阵列式空气通孔之间的间距；11-阵列式空气通孔的直径；12-底层介质板；13-中间层介质板；14-顶层介质板。

图3是顶层介质板的俯视图。

图4是中间层介质板的俯视图。

图5是共面波导到槽线过渡电路的结构图。

图6是中间层介质板的仰视图。

图7是底层介质板的仰视图。

图8是本发明实施例的仿真和测量的S参数图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

本发明提供一种本发明是一种基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路结构，如图1至7所示，其中改进的共面波导到槽线的过渡电路和基片集成非辐射介质波导集成在同一介质板上；改进的共面波导到槽线的过渡电路集成在整个电路的中间层，通过三角形渐变结构将改进的共面波导到槽线的过渡电路接入基片集成非辐射介质波导，同时在调整过渡电路处的槽线宽度时，也使用三角形渐变来实现阻抗匹配；底层介质板的两端还开了矩形槽，在稳定电路的同时避免了对改进的共面波导到槽线的过渡电路性能的影响；从底层金属层的一对短边开始，分别向内开梯形槽，与中间介质基板处的三角形渐变相吻合，更好的实现过渡处的阻抗匹配。对称放置在介质板的两端的改进的共面波导到槽线的过渡电路尺寸相同，避免了电路之间的电磁干扰。采用缝隙耦合理论，在基片集成非辐射介质波导的中心介质条带上并排打上四个大小和间隙不同的空气通孔，通过合理设计空气通孔的大小和通孔之间的距离，可实现介质条带上传输能量的耦合，形成一个通带性能良好的带通滤波器。

基片集成非辐射介质波导是直接在三层的介质板上实现的，其制作方法是：将三层的介质板及其上下表面的金属层作为传统非辐射介质波导的金属板，介质板的中间区域留出一条中心介质条带，在介质条带两侧设计一系列空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导。其中，空气通孔数量由印刷电路板尺寸决定；空气通孔的直径和间距与电路工作频率相关。

本发明的实施例中，改进的共面波导到槽线的过渡电路所在的介质基板厚为0.635mm、相对介电常数为6.15；三层介质基板的总厚度为6.35mm（底层介质板厚度为2.54mm、中间层为0.635mm、上层为3.175mm），相对介电常数为6.15；中间空气通孔的直径为3.1mm，中间第一空气通孔与第二空气通孔之间的距离为8.9mm，第二空气通孔与第三空气通孔之间的距离为5.5mm。基于基片集成非辐射介质波导能够应用在毫米波段的电路设计中，并且可以混合集成到多层电路中；进一步，本发明提出基于基片集成非辐射介质波导带通滤波器电路，可以有效实现电路的平面化和微波毫米波多层电路的混合集成，相应的仿真结果如图8所示，可以看出实现了通带为0.8GHz，中心频率为14.2GHz的帯通滤波器，其中在过渡带宽内回波损耗较低，可以达到22dB以下，说明了该滤波器具有较好的频率选择性性能。

本发明基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器充分利用空间，减少了电路之间产生的电磁干扰。这种滤波器结构能够有效抑制基片集成非辐射介质波导在空气通孔处的泄露损耗，集成在中间介质板两端改进的共面波导到槽线的过渡电路，降低了电路之间的耦合和干扰。因此，本发明为微波毫米波频段混合集成多层无源器件的设计提供了依据。本发明还在在基片集成非辐射介质波导的中心介质条带上，采用缝隙耦合理论，打上大小和间隙不同的空气通孔，可以实现介质条带上传输能量的耦合，形成一个具有良好频率选择性的带通滤波器。本发明结构简洁紧凑，通带内性能良好，具有较好的频率选择性，易于加工集成，符合现代无线通信平面化、多层混合集成和高性能的要求。本发明实现了基于微波毫米波混合多层电路的集成，有利于毫米波频段电路和器件的设计，制作工艺简单，成本低廉。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，其特征在于，包括顶层介质板、中间层介质板、底层介质板、顶层金属层、底层金属层，顶层介质板、中间层介质板和底层介质板同轴堆叠放置；顶层介质板的长度小于中间层介质板和底层介质板、宽度小于或等于中间层介质板和底层介质板；

顶层金属层设置在顶层介质板的上表面，底层金属层设置在底层介质板的下表面；在顶层介质板、中间层介质板、底层介质板的重叠区域，沿长边方向对折线预留一条中心介质条带，在中心介质条带的两侧对称设置阵列式空气通孔，从而构成基片集成非辐射介质波导；其中，顶层金属层的一对短边与顶层介质板的一对短边之间分别保留相同宽度不设置金属层，底层金属层与顶层金属层在底层介质板的下表面的投影重合；

中间层介质板与顶层介质板的未重叠区域，在中间层介质板的两端分别从短边向内设置一个共面波导到槽线的过渡电路，且两个共面波导到槽线的过渡电路关于中间层介质板短边方向对折线对称，其中，共面波导的中心导带由中间介质板的短边开始、沿长边方向对折线向内延伸设置，共面波导的金属接地板中靠近中间层介质板短边方向对折线的边沿与顶层金属层在中间层介质板上的投影的边沿重合；

中间层介质板的上表面，在槽线靠近基片集成非辐射介质波导的一端设置第一三角形渐变结构，以调整槽线宽度、实现阻抗匹配；在两个共面波导到槽线的过渡电路靠近基片集成非辐射介质波导的一端分别向内设置第二三角形渐变结构，以将共面波导到槽线的过渡电路接入基片集成非辐射介质波导；

底层介质板下表面，从底层金属层的一对短边开始，分别向内开梯形槽，以与中间层介质板上的第二三角形渐变结构相匹配，其中，梯形槽关于长边方向对折线对称；

基片集成非辐射介质波导的中心介质条带上，还并排设置有四个空气通孔，以实现介质条带上传输能量的耦合，其中，四个空气通孔关于该带通滤波器的中心对称。

2.根据权利要求1所述的基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，其特征在于，共面波导到槽线的过渡电路由中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线、第一和第二金属条带、金属通孔构成，其中，中心导带、第一和第二金属接地板、开路支节、槽线均设置在中间层介质板的上表面，中心导带的末端处设置与其垂直相交的金属支节，中心导带与金属支节的两侧分别设置第一、第二金属接地板，第一、第二金属接地板之间存在间隙，第一金属接地板与中心导带之间存在间隙，第二金属接地板与中心导带、金属支节之间均存在间隙，金属支节及其与第二金属接地板之间的间隙构成共面波导的开路支节，开路支节中远离相应中间介质板的短边的边沿与前述中间介质板的短边之间的距离小于中心导带的长度，第一、第二金属接地板之间的间隙构成槽线；第一、第二金属条带均设置在中间层介质板的下表面，且第一、第二金属条带均垂直于中心导带且位于开路支节与前述中间介质板的短边之间，每条金属条带的两端均设置有连通金属条带与第一和第二金属接地板的金属通孔，其中，紧靠开路支节的金属通孔与开路支节相切。

3.根据权利要求1所述的基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，其特征在于，阵列式空气通孔中通孔的尺寸和通孔之间的间距根据带通滤波器电路的工作频率确定。

4.根据权利要求1所述的基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，其特征在于，第二三角形渐变结构位于基片集成非辐射介质波导中预留的中心介质条带的区域内。

5.根据权利要求1所述的基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，其特征在于，第一三角形渐变结构位于顶层介质板与中间层介质板的重叠区域。

6.根据权利要求1所述的基于基片集成非辐射介质波导的带通滤波器电路，其特征在于，从底层介质板的一对短边开始分别向内开矩形槽，以稳定电路，其中，矩形槽关于长边方向对折线对称。