CN110085955A - 超宽带isgw带通滤波器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了超宽带ISGW带通滤波器，其包括上层介质板、下层介质板以及设置在上层介质板和下层介质板之间的间隔介质板；上层介质板上表面印刷有第一金属层，下表面印刷有圆形金属贴片，圆形金属贴片上设有第一金属过孔，形成人工磁导体结构，下层介质板上表面印刷有第二金属层，第二金属层上设有两对T型缝隙和两个矩形缝隙，第二金属层两端分别连接实现阻抗匹配的过渡渐变线和馈电微带线，下表面印刷有接地的第三金属层，第二金属层的两侧和中间分别设有周期性排列的第二金属过孔和第三金属过孔。本发明能够有效抑制空间辐射和平面波，并实现高集成度和小型化。
Description
技术领域
本发明涉及滤波器技术领域，特别是涉及超宽带ISGW带通滤波器。
背景技术
随着无线通信技术的发展，频谱资源的日益紧缺，微波带通滤波器越来越受到重视。由于无线通信***向着高性能方向发展，因而对***中滤波器的性能提出了更高的要求。
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是由介质基板、上下金属面、金属化通孔组成的类波导结构，同时还兼有体积小、造价低、易于加工和集成的优异特性，这使其在滤波器的设计中得到广泛应用。在SIW滤波器的设计中，在其上下金属面开缝隙以形成阻带和在SIW结构中放置金属化通孔构成谐振腔是SIW滤波器设计的两个重要方法。但在SIW结构的上下金属面开缝隙的方法容易产生辐射损耗和平面波问题。近些年提出的集成基片间隙波导(Integrated Substrate Gap Waveguide,ISGW)可用来封装微波电路，有效地抑制了空间辐射和表面波，具有制造简单、损耗低、结构稳定、传输性能好以及工作带宽较宽的特性。
但是，目前现有技术还没有使用ISGW来实现自封装的宽带带通滤波器，目前的带通滤波器容易产生辐射损耗和平面波问题。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供超宽带ISGW带通滤波器，能够有效抑制空间辐射和平面波，并实现高集成度和小型化。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供超宽带ISGW带通滤波器，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一金属层(11)，所述上层介质板(1)上设有三行周期性排列的第一金属过孔(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有两行周期性排列的圆形金属贴片(13)，所述两行圆形金属贴片(13)分别通过位于外侧的两行第一金属过孔(12)与第一金属层(11)连接，所述第一金属过孔(12)和圆形金属贴片(13)的排列方向与三维参考坐标系中的Y轴平行；所述下层介质板(3)的上表面印刷有第二金属层(31)、连接第二金属层(31)两侧的过渡渐变线(32)以及与过渡渐变线(32)连接的馈电微带线(33)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第三金属层(34)，所述第二金属层(31)的两侧边缘设有周期性排列的第二金属过孔(35)，所述第二金属层(31)的中部设有周期性排列的第三金属过孔(36)，所述第二金属过孔(35)和第三金属过孔(36)的排列方向与Y轴平行，所述第二金属层(31)上设有沿与Y轴平行的方向间隔设置的两对形状相同的T型缝隙(37)，每一对T型缝隙(37)均关于第三金属过孔(36)的排列方向对称，所述两对T型缝隙(37)沿Y轴方向的两侧分别设有形状相同的矩形缝隙(38)；其中，所述过渡渐变线(32)的宽度从与馈电微带线(33)连接的一侧到另一侧逐渐变大。
优选的，所述中间的一行第一金属过孔(12)位于所述上层介质板(1)的Y轴方向上的中心线上。
优选的，所述第三金属过孔(36)位于所述第二金属层(31)的Y轴方向上的中心线上。
优选的，所述两个矩形缝隙(38)的长度为波导波长长度的一半。
优选的，所述上层介质板(1)的介电常数高于间隔介质板(2)和下层介质板(3)，所述间隔介质板(2)和下层介质板(3)的介电常数相同。
优选的，所述上层介质板(1)采用介电常数为4.6、损耗角正切为0.02、厚度为1.6mm的FR4介质材料，所述间隔介质板(2)采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度为0.304mm的Rogers介质材料，所述下层介质板(3)采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度为0.508mm的Rogers介质材料。
优选的，所述上层介质板(1)、下层介质板(3)和间隔介质板(2)粘合在一起或通过螺钉固定在一起。
优选的，所述上层介质板(1)的厚度大于间隔介质板(2)的厚度，所述上层介质板(1)与间隔介质板(2)的长度和宽度相同。
优选的，所述下层介质板(3)的宽度与上层介质板(1)和间隔介质板(2)的宽度相同，所述下层介质板(3)的长度大于上层介质板(1)和间隔介质板(2)的长度，以裸露出所述过渡渐变线(32)和馈电微带线(33)。
优选的，所述下层介质板(3)的宽度为14.6mm，长度为29.2mm。
区别于现有技术的情况，本发明的有益效果是：通过采用三块介质板构成超宽带ISGW带通滤波器，上层介质板打有周期性排列的金属过孔，上表面有金属层，下表面有圆形金属贴片，形成PMC，下层介质板上表面的金属层上设有4个形状相同的T型缝隙和两个形状相同的矩形缝隙，金属层两端分别连接实现阻抗匹配的过渡渐变线和馈电微带线，下表面印刷接地的金属层，通过这种方式，从而能够有效抑制空间辐射和平面波，并实现高集成度和小型化，具有尺寸小，易集成以及结构稳定等优点，同时具有带外抑制度高、易加工、结构稳定等优点。
附图说明
图1是本发明实施例的超宽带ISGW带通滤波器的结构示意图。
图2是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器的上层介质板的俯视示意图。
图3是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器的上层介质板的仰视示意图。
图4是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器的下层介质板的俯视示意图。
图5是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器的下层介质板的仰视示意图。
图6是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器的下层介质板的等效电路图。
图7是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器的等效电路图。
图8是图1所示的超宽带ISGW带通滤波器在12-22GHz的回波损耗和***损耗的仿真和测试结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参阅图1至图5，本发明实施例的超宽带ISGW带通滤波器包括上层介质板1、下层介质板3以及设置在上层介质板1和下层介质板3之间的间隔介质板2。
上层介质板1的上表面印刷有第一金属层11，上层介质板1上设有三行周期性排列的第一金属过孔12，上层介质板1的下表面印刷有两行周期性排列的圆形金属贴片13，两行圆形金属贴片13分别通过位于外侧的两行第一金属过孔12与第一金属层11连接，第一金属过孔12和圆形金属贴片13的排列方向与三维参考坐标系中的Y轴平行。如图1所示，上层介质板1的上表面位于三维参考坐标系中的XOY平面。在本实施例中，中间的一行第一金属过孔12位于上层介质板1的Y轴方向上的中心线上。每一圆形金属贴片13与其上的第一金属过孔12一起组成了蘑菇型EBG(电磁场带隙)结构，这样，上层介质板1上就形成了周期性排列的蘑菇型EBG结构。
间隔介质板2用于分隔上层介质板1和下层介质板3，使上层介质板1和下层介质板3之间形成间隙。上层介质板1、下层介质板3和间隔介质板2可以粘合在一起或通过螺钉固定在一起。
下层介质板3的上表面印刷有第二金属层31、连接第二金属层31两侧的过渡渐变线32以及与过渡渐变线32连接的馈电微带线33，下层介质板3的下表面印刷有第三金属层34。过渡渐变线32的宽度从与馈电微带线33连接的一侧到另一侧逐渐变大。
第二金属层31的两侧边缘设有周期性排列的第二金属过孔35，第二金属层31的中部设有周期性排列的第三金属过孔36，第二金属过孔35和第三金属过孔36的排列方向与Y轴平行。在本实施例中，第三金属过孔36位于第二金属层31的Y轴方向上的中心线上。第二金属层31通过第二金属过孔35和第三金属过孔36与第三金属层34连接。
第二金属层31上设有沿与Y轴平行的方向间隔设置的两对形状相同的T型缝隙37，每一对T型缝隙37均关于第三金属过孔36的排列方向对称，两对T型缝隙37沿Y轴方向的两侧分别设有形状相同的矩形缝隙38。两个矩形缝隙38的长度可以为波导波长长度的一半。需要注意都是，本实施例中的T型缝隙37的形状可以不是严格的T字形，而是交叉处略微突出的类T字形。
本实施例的超宽带ISGW带通滤波器中，T型缝隙37可以增强电耦合作用，上层介质板1、第一金属过孔12和金属圆形贴片13组成理想磁导体层，有效减少了空间辐射损耗，抑制了平面波，同时解决了空间谐振的问题。
如图6和图7所示，下层介质板3上表面的第二金属层31中的缝隙之间存在电容C1、C2，其中C1是矩形缝隙38之间的电容，C2是T型缝隙37之间的电容；由于第二金属层31的缝隙周围是第三金属过孔36，第三金属过孔36分别与第二金属层31和下层介质板3下表面的第三金属层34接触存在电感L1、L2，第三金属过孔36和第二金属过孔35以及第三金属层34相连存在电感Lr，第二金属层31上的缝隙与第三金属层34之间存在电容Cr，Ld表示下层介质板3的接地电感，Lc和Cc为基片的输入输出端等效电感电容元件。
该滤波器的中心频率可以根据进行估算，下层介质板3的等效电路是切比雪夫型滤波器，形成的PMC结构使级联的切比雪夫滤波器的各阶电路中并联的电容和电感增加，使切比雪夫滤波器变为椭圆滤波器，并使其通带两侧都具有传输零点，带外衰减更加陡峭。
在本实施例中，上层介质板1的长度和宽度与间隔介质板2的长度和宽度相同，上层介质板1的厚度大于间隔介质板2的厚度，以使电磁场带隙能够覆盖滤波器的通带，提高滤波器的带外衰减陡峭度。下层介质板3的宽度与上层介质板1和间隔介质板2的宽度相同，下层介质板3的长度大于上层介质板1和间隔介质板2的长度，以裸露出过渡渐变线32和馈电微带线33，第二金属层31连接的过渡渐变线32和馈电微带线33使超宽带ISGW带通滤波器的特性阻抗在频率变化时保持稳定，便于集成和测试。
本实施例的超宽带ISGW带通滤波器在实际应用中具有以下特性：
调节下层介质板3两边的矩形缝隙38的尺寸，可以实现对工作带宽的调节，例如，减小矩形缝隙38的长度可以使通带的工作带宽增大，减小矩形缝隙38的宽度可以使通带的工作带宽减小，而不影响中心工作频率；
改变下层介质板3中间位置的第三金属过孔36的直径可以改变各级接地电感，实现对该带通滤波器中心频率的调节，例如，减小第三金属过孔36的直径可以使通带的中心频率向左移动，增大第三金属过孔36的直径可以使通带的中心频率向右移动，而不影响工作带宽；
改变下层介质板3中间位置的相邻两个第三金属过孔36之间的间距可以实现对该带通滤波器中心频率的调节，例如，减小相邻两个第三金属过孔36之间的间距可以使通带的中心频率向右移动，而不影响工作带宽；
调节上层介质板1和间隔介质板2的厚度，可以实现对工作带宽的调节，例如，增大间隔介质板2的厚度，可以增加工作带宽；增大上层介质板1的厚度，可以降低工作带宽。
在实际应用中，上层介质板1的介电常数高于间隔介质板2和下层介质板3，间隔介质板2和下层介质板3的介电常数相同。
为了详细说明本实施例的超宽带ISGW带通滤波器，下面给出一个具体实例。在该具体实例中，上层介质板1采用介电常数为4.6、损耗角正切为0.02、厚度为1.6mm的FR4介质材料，间隔介质板2采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度为0.304mm的Rogers介质材料，下层介质板3采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度为0.508mm的Rogers介质材料。下层介质板3的宽度为14.6mm，长度为29.2mm，超宽带ISGW带通滤波器的外廓尺寸为14.6mm*29.2mm*2.412mm，通过仿真及测试得到测试结果，如图8所示，测试结果表明，滤波器中心频率为17.5GHz，工作带宽为6.51GHz，传输零点分别位于12.9GHz和22.1GHz；在传输通带内***损耗优于1.1dB，回波损耗优于18.3dB，带外抑制达到40dB，图中，S11表示回波损耗，S21表示***损耗。
综上所述，本实施例的ISGW宽频带通滤波器具有以下优点：
1)尺寸小、结构简单、传输性能好；
2)在通带范围内具有较宽的通带；
3)结构稳定，易集成，易加工；
4)封装结构使滤波器通带两侧都具有传输零点。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，包括上层介质板(1)、下层介质板(3)以及设置在所述上层介质板(1)和下层介质板(3)之间的间隔介质板(2)；
所述上层介质板(1)的上表面印刷有第一金属层(11)，所述上层介质板(1)上设有三行周期性排列的第一金属过孔(12)，所述上层介质板(1)的下表面印刷有两行周期性排列的圆形金属贴片(13)，所述两行圆形金属贴片(13)分别通过位于外侧的两行第一金属过孔(12)与第一金属层(11)连接，所述第一金属过孔(12)和圆形金属贴片(13)的排列方向与三维参考坐标系中的Y轴平行；
所述下层介质板(3)的上表面印刷有第二金属层(31)、连接第二金属层(31)两侧的过渡渐变线(32)以及与过渡渐变线(32)连接的馈电微带线(33)，所述下层介质板(3)的下表面印刷有第三金属层(34)，所述第二金属层(31)的两侧边缘设有周期性排列的第二金属过孔(35)，所述第二金属层(31)的中部设有周期性排列的第三金属过孔(36)，所述第二金属过孔(35)和第三金属过孔(36)的排列方向与Y轴平行，所述第二金属层(31)上设有沿与Y轴平行的方向间隔设置的两对形状相同的T型缝隙(37)，每一对T型缝隙(37)均关于第三金属过孔(36)的排列方向对称，所述两对T型缝隙(37)沿Y轴方向的两侧分别设有形状相同的矩形缝隙(38)；
其中，所述过渡渐变线(32)的宽度从与馈电微带线(33)连接的一侧到另一侧逐渐变大。
2.根据权利要求2所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述中间的一行第一金属过孔(12)位于所述上层介质板(1)的Y轴方向上的中心线上。
3.根据权利要求1所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述第三金属过孔(36)位于所述第二金属层(31)的Y轴方向上的中心线上。
4.根据权利要求1所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述两个矩形缝隙(38)的长度为波导波长长度的一半。
5.根据权利要求1所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述上层介质板(1)的介电常数高于间隔介质板(2)和下层介质板(3)，所述间隔介质板(2)和下层介质板(3)的介电常数相同。
6.根据权利要求5所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述上层介质板(1)采用介电常数为4.6、损耗角正切为0.02、厚度为1.6mm的FR4介质材料，所述间隔介质板(2)采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度为0.304mm的Rogers介质材料，所述下层介质板(3)采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度为0.508mm的Rogers介质材料。
7.根据权利要求6所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述上层介质板(1)、下层介质板(3)和间隔介质板(2)粘合在一起或通过螺钉固定在一起。
8.根据权利要求7所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述上层介质板(1)的厚度大于间隔介质板(2)的厚度，所述上层介质板(1)与间隔介质板(2)的长度和宽度相同。
9.根据权利要求8所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述下层介质板(3)的宽度与上层介质板(1)和间隔介质板(2)的宽度相同，所述下层介质板(3)的长度大于上层介质板(1)和间隔介质板(2)的长度，以裸露出所述过渡渐变线(32)和馈电微带线(33)。
10.根据权利要求9所述的超宽带ISGW带通滤波器，其特征在于，所述下层介质板(3)的宽度为14.6mm，长度为29.2mm。
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