CN113097670B - 内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，滤波器包括半模基片集成波导，半模基片集成波导包括介质基板总成，介质基板总成包括第一金属层和与第一金属层相对设置的第二金属层，第一金属层和第二金属层通过多个金属通孔连接，多个金属通孔形成通孔阵列以使得介质基板总成内部形成基片集成导行电磁波结构，第一金属层上蚀刻有双内旋式开环谐振结构，双内旋式开环谐振结构包括对称设置的两个端点，两个端点同时向环内部螺旋延伸以使得双内旋式开环谐振结构的各个边部均至少包括2条蚀刻线。本发明所提供的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，能够实现现有滤波器小型化的同时解决其工作频率固定不可调节的问题。

Description

内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器

技术领域

本发明涉及基片集成波导技术领域，具体涉及一种内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器。

背景技术

传统微波***通常利用金属波导来传输电磁波。因为金属波导结构拥有较高的品质因数，因此具有运行功率容量高的同时损耗较低的优点。但是金属波导体积偏大、加工成本高，在现代微波***中存在集成问题。因而在此基础上，基片集成波导技术获得了发展。然而由于基片集成波导是基于金属波导发展的，因此继承了传统金属波导辐射损耗低、随介电常数改变而改变工作频率以及体积偏大等特性，考虑到小型化问题，又提出半模基片集成波导，以便于集成到平面微波电路中。

当在半模基片集成波导上表面加载互补开环谐振结构时(互补开环谐振结构的电尺寸较小，比较广泛的应用于实现微波器件小型化方面)，可实现信号线与地之间电位不等，以此产生倏逝模谐振来形成通带。一般此通带位于半模基片集成波导结构的截止频率以下，因此实现了结构的小型化。但是，基于传统互补开环谐振结构的滤波器通带中心频率较高且固定不可调，同时传输零点不可重构，这些问题都有待改善。

发明内容

本发明的目的在于提供一种内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，以实现现有的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器小型化的同时解决其工作频率固定不可调节的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

本发明提供一种内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，所述集成波导包括介质基板总成，所述介质基板总成包括第一金属层和与所述第一金属层相对设置的第二金属层，所述第一金属层和所述第二金属层上均设置有多个金属通孔，所述第一金属层和所述第二金属层通过所述金属通孔连接，所述第一金属层上蚀刻有双内旋式开环谐振结构，所述双内旋式开环谐振结构包括对称设置的两个端点，所述两个端点同时向环内部螺旋延伸以使得所述双内旋式开环谐振结构的各个边部均至少包括2条蚀刻线。

可选择地，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器还包括位于所述第一介质基板和所述第二介质基板之间的金属线，所述金属线沿与所述金属通孔的连接方向垂直的方向设置，所述介质基板总成还包括两个金属盲孔，两个所述金属盲孔贯穿所述第一介质基板，所述金属线的两个端点分别与位于所述介质基板总成两端的两个所述金属盲孔连接。

可选择地，所述介质基板总成包括第一介质基板和第二介质基板，所述第一金属层铺设于所述第一介质基板的上表面，所述第二金属层铺设于所述第二介质基板的下表面，多个所述金属通孔自所述第一金属层依次穿过所述第一介质基板和所述第二介质基板后与所述第二金属层连接。

可选择地，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器还包括频率影响介质，所述第二介质基板远离所述第二金属层的一面上开设有用于容纳所述频率影响介质的凹槽。

可选择地，所述频率影响介质构造为液晶。

可选择地，沿所述金属通孔的连接方向，所述液晶的填充厚度与所述第二介质基板的厚度相等。

可选择地，沿所述金属通孔的连接方向，所述第二介质基板的厚度大于所述第一介质基板的厚度。

可选择地，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器包括多个双内旋式开环谐振结构，多个所述双内旋式开环谐振结构通过蚀刻于所述第一金属层上的槽线分隔。

可选择地，沿垂直于所述金属通孔的连接方向，所述液晶的填充宽度不小于所述双内旋式开环谐振结构的宽度。

本发明具有以下有益效果：

1、第一金属层和第二金属层通过多个金属通孔连接，从而限制电磁波于基片集成导波结构中进行传播；

2、双内旋式开环谐振结构与金属线之间交叉耦合，实现滤波器传输零点可重构；

3、双内旋互补开环谐振结构使等效电感电容增大，造成滤波器工作频率降低，实现微波器件电尺寸的小型化；

4、液晶因其介电常数可由电压偏置调控，实现工作频率可调。

附图说明

图1为本发明所提供的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器的三维分层示意图；

图2为本发明所提供的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器的双内旋式开环谐振结构的结构示意图；

图3为本发明所提供的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器的俯视图；

图4为本发明所提供的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器的液晶的介电常数取2.74-5.44时的S参数图。

附图标记说明

1-第一金属层；2-第二金属层；3-金属通孔；4-双内旋式开环谐振结构；41-蚀刻线；5-第一介质基板；6-第二介质基板；7-液晶；8-槽线；9-金属线；10-微带线；11-金属盲孔。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，本发明所示用的术语“第一”、“第二”等是为了区分一个要素和另一个要素，不具有顺序性和重要性。术语“上”“下”以本发明中图1的上下位置为基准；术语“内”“外”表示物体的表面轮廓相对的内和外。在下面的描述中，当涉及到附图时，除非另有解释，不同的附图中相同的附图标记表示相同或相似的要素。上述定义仅用于解释和说明本公开，不应当理解为对本公开的限制。

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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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。

实施例

本发明提供一种内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，参考图1和图2所示，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器包括介质基板总成，所述介质基板总成包括第一金属层1和与所述第一金属层1相对设置的第二金属层2，所述第一金属层1和所述第二金属层2通过多个金属通孔3连接，多个金属通孔3形成通孔阵列从而生成等效电壁，以使得所述介质基板总成内部形成基片集成导波结构，所述第一金属层1上蚀刻有双内旋式开环谐振结构4，所述双内旋式开环谐振结构4包括对称设置的两个端点，所述两个端点同时向环内部螺旋延伸以使得所述双内旋式开环谐振结构4的各个边部均至少包括2条蚀刻线41。

本发明具有以下有益效果：

通过上述方案，即通过本发明所提供的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，一方面，第一金属层1和第二金属层2通过多个金属通孔3连接，从而限制电磁波于基片集成导波结构中进行传播；另一方面，双内旋式开环谐振结构4中至少2条蚀刻线41的存在，能够使得其自身的等效电容电感增大，因而存在更低的谐振频率，从而能够使得内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器小型化，从而进一步解决现有技术中内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器频率较高且固定不可调节的问题。

除此之外，本发明还具有以下有益效果：

双内旋式开环谐振结构与金属线9之间交叉耦合，实现滤波器传输零点可重构；液晶7因其介电常数可由电压偏置调控，实现工作频率可调。

这里需要说明的是，蚀刻线41数量越多，双内旋式开环谐振结构4的工作频率越低，相反的，其消耗也会越高，因此，本领域技术人员在选择蚀刻线41的数量时，应当结合本发明及实际情况，权衡工作频率和损耗之间的关系进行设计，本发明不做具体限制。

可选择地，参考图1所示，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器还包括位于所述第一介质基板5和所述第二介质基板6之间的金属线9。所述金属线9沿与所述金属通孔3的连接方向垂直的方向设置，所述介质基板总成还包括两个金属盲孔11，两个所述金属盲孔贯穿所述第一介质基板5，所述金属线9的两个端点分别与位于所述介质基板总成两端的两个所述金属盲孔11连接。

这里需要说明的是，通过金属线9给液晶7加上直流偏置电压，用于对液晶7进行调控。金属线9长度不超过介质基板长度，且无法通过第一介质基板5伸出，因此，两个金属盲孔11分别穿过第一介质基板5与金属线9的两个端点连接，从而通过金属盲孔11给金属线9进行加压。

可选择地，参考图1所示，所述介质基板总成包括第一介质基板5和第二介质基板6，所述第一金属层1铺设于所述第一介质基板5的上表面，所述第二金属层2铺设于所述第二介质基板6的下表面，多个所述金属通孔3自所述第一金属层1依次穿过所述第一介质基板5和所述第二介质基板6后与所述第二金属层2连接。

可选择地，参考图1所示，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器还包括频率影响介质，为了避免让频率影响介质直接与第一金属层1接触，从而使得频率影响介质通过双内旋式开环谐振结构4漏出介质基板总成，从而影响在第一金属层1上蚀刻双内旋式开环谐振结构4，所述第二介质基板6远离所述第二金属层2的一面上开设有用于容纳所述频率影响介质的凹槽。具体地，本发明对于频率影响介质的具体构造不做限制。此外，本领域技术人员也可根据实际情况设计凹槽的大小高度等。

可选择地，在本发明所提供的实施例中，参考图1所示，所述频率影响介质构造为液晶7。最好是直流电压偏置型液晶7，这样，当在液晶7上加载一定直流偏置电压后，液晶7颗粒由异向排列转变为垂直排列或平行排列，从而改变介电常数，从而实现频率调节。

可选择地，在本发明的实施例中，当在液晶7上加载一定直流偏置电压后，使得液晶7的介电常数控制在2.74-5.44之间，而介质基板的介电常数为4.38，由于介电常数会影响电磁波，使得电磁波趋向于介电常数较高的地方，因此为了增大液晶7的介电常数和介质基板的介电常数的差异，沿所述金属通孔3的连接方向，所述液晶7的填充厚度与所述第二介质基板6的厚度相等。

除此之外，参考图1所示，为了提供使得凹槽能够容纳足量的液晶7，并且让液晶7离第一金属层1更近，从而让液晶7更好地影响谐振状态，可选择地，沿所述金属通孔3的连接方向，所述第二介质基板6的厚度大于所述第一介质基板5的厚度。具体地，在本发明中，第一介质基板5的厚度为0.254mm，第二介质基板6的厚度为0.762mm。

此外，在本发明中，参考图1所示，还包括与第一金属层1平行设置且位于同一水平面的微带线10，所述微带线10用于传输电磁波。

可选择地，参考图3所示，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器包括多个双内旋式开环谐振结构4，多个所述双内旋式开环谐振结构4通过蚀刻于所述第一金属层1上的槽线8分隔，并且相邻两个所述双内旋式开环谐振结构4关于所述槽线8对称。这样，表面是对多个双内旋式开环谐振结构4的分隔，实际是通过对多个双内旋式开环谐振结构4分隔后实现对基片集成波导谐振单元的分隔，在内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器物理参数固定的情况下，就需要通过调节槽线8的物理参数来控制相邻两个双内旋式开环谐振结构4间的耦合情况。

可选择地，沿垂直于所述金属通孔3的连接方向，所述液晶7的填充宽度不小于所述双内旋式开环谐振结构4的宽度。

参考图4所示，金属线9与双内旋式开环谐振结构4形成交叉耦合，从而金属线9也参与谐振，并且金属线9的宽度、长度和位置都是决定金属线9与双内旋式开环谐振结构4耦合的重要参数。使原本位于通带右边的两个传输零点变成通带两侧各一个，实现了传输零点的可重构。这里，如图4所示，通带范围为S21大于-3dB的那个区域，传输零点就是S21最小的那个点。

参考图4所示，横轴表示频率(GHz)，纵轴表示散射系数参数(dB)，本实施例的带通滤波器性能良好，中心工作频率可由1.02GHz偏移到1.16GHz，通带内的最小插损为1.59dB，回波损耗小于-12dB，阻带抑制在-40dB以下。由此，本发明所提供的带通滤波器，能够实现频率降低且可以调节，实现传输零点可重构，在内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器结合新结构的平面电路设计和应用中具有巨大的参考价值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，其特征在于，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器包括半模基片集成波导，所述半模基片集成波导包括介质基板总成，所述介质基板总成包括第一金属层(1)和与所述第一金属层(1)相对设置的第二金属层(2)，所述第一金属层(1)和所述第二金属层(2)通过多个金属通孔(3)连接，多个金属通孔(3)形成通孔阵列以使得所述介质基板总成内部形成基片集成导波结构，所述第一金属层(1)上蚀刻有双内旋式开环谐振结构(4)，所述双内旋式开环谐振结构(4)包括对称设置的两个端点，所述两个端点同时向环内部螺旋延伸以使得所述双内旋式开环谐振结构(4)的各个边部均至少包括2条蚀刻线(41)，所述介质基板总成还包括第一介质基板(5)和第二介质基板(6)，所述第一金属层(1)铺设于所述第一介质基板(5)的上表面，所述第二金属层(2)铺设于所述第二介质基板(6)的下表面，多个所述金属通孔(3)自所述第一金属层(1)依次穿过所述第一介质基板(5)和所述第二介质基板(6)后与所述第二金属层(2)连接；

所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器还包括位于所述第一介质基板( 5) 和所述第二介质基板( 6) 之间的金属线( 9) 。所述金属线( 9) 沿与所述金属通孔( 3) 的连接方向垂直的方向设置，所述介质基板总成还包括两个金属盲孔( 11) ，两个所述金属盲孔贯穿所述第一介质基板( 5) ，所述金属线( 9) 的两个端点分别与位于所述介质基板总成两端的两个所述金属盲孔( 11) 连接；

所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器还包括频率影响介质，所述第二介质基板(6)远离所述第二金属层(2)的一面上开设有用于容纳所述频率影响介质的凹槽；

所述频率影响介质构造为液晶(7)。

2.根据权利要求1所述的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，其特征在于，沿所述金属通孔(3)的连接方向，所述液晶(7)的填充厚度与所述第二介质基板(6)的厚度相等。

3.根据权利要求1所述的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，其特征在于，沿垂直于所述金属通孔(3)的连接方向，所述液晶(7)的填充宽度不小于所述双内旋式开环谐振结构(4)的宽度。

4.根据权利要求1所述的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，其特征在于，沿所述金属通孔(3)的连接方向，所述第二介质基板(6)的厚度大于所述第一介质基板(5)的厚度。

5.根据权利要求1所述的内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器，其特征在于，所述内嵌耦合金属线的半模基片集成波导液晶可调滤波器包括多个双内旋式开环谐振结构(4)，多个所述双内旋式开环谐振结构(4)通过蚀刻于所述第一金属层(1)上的槽线(8)分隔。

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