CN114725634B - 一种共置有sspp材料的siw的可调超宽带滤波器 - Google Patents

Abstract

一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，涉及带通滤波器领域。设有高频介质基板，在高频介质基板的两表面设有相同的金属结构；所述金属结构从左至右依次为左微带线、左微带线过渡部分，左SIW‑SSPP过渡部分、SIW‑SSPP带通滤波器单元传输结构、右SIW‑SSPP过渡部分、右微带线过渡部分、右微带线；过渡部分和带通滤波器单元传输结构设矩形环状缝隙，SIW由两列短路金属过孔实现，整个滤波器同时具有左右对称性和上下对称性。将SIW波导的腔体快波模式和SSPP慢波模式组合，具有线性相移、超宽带、可调谐、低插损、高度集成化的特点。可在5G通信、成像***、车载雷达通信、室内通信等领域应用。

Description

一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器

技术领域

本发明涉及带通滤波器领域，具体是涉及一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器。

背景技术

超宽带(Ultra-Wideband，UWB)技术具有低功耗、高速率、保密性高等优点，在近距离通信和多设备协同业务领域极具优势，现已成为无线个人局域网领域的主要技术。超宽带滤波器是射频前端***中的核心器件，对整个UWB通信***的性能都有重要影响，在成像***、车载雷达通信、室内通信具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。

超宽带滤波器技术的蓬勃发展，设计方法层出不穷，但主要的技术可以分为以下两种：1.混合微带/共面波导法，该方法充分利用微带线的上下表面，可以精简电路结构与***的同时满足传输线间的强耦合，但是存在阻带特性不好的特点。2.微带多模谐振器法，该方法则是利用通带范围内的多模谐振实现宽带传输，但是该方法存在边带不够陡峭、矩形系数低等问题。

人工表面等离激元(SpoofSurface Plasmon Polaritons,SSPP)是一种在微波频段实现沿金属表面传播的与光频表面等离激元(Surface Plasmon Polaritons，SPP)类似的表面波，整体呈现低通特性，在截止频率附近具有近场增强、表面受限、深亚波长等特点。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)是近年来提出的一种新型波导结构，可应用于微波以及毫米波波段。因其低辐射，低插损，高功率容量等特性得到了广泛的应用，结构上能够实现有源和无源器件的集成设计，从而实现微波毫米波器件的小型化。

发明内容

本发明目的在于提供能够在超宽带范围内实现低插损、高质量通信传输的带通滤波器，创新地将SSPP和SIW结合，并通过调整参数实现传输频带可调控的一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器。通带范围内传输系数保持平稳，整个通带的波纹系数小于0.5dB。此外整个滤波器的通带特性可以通过开槽宽度加以调控，实现滤波器工作带宽的可调谐。

本发明设有高频介质基板，在高频介质基板的两表面设有相同的金属结构；所述金属结构从左至右依次设有左微带线、左微带线过渡部分，左SIW-SSPP过渡部分、SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构、右SIW-SSPP过渡部分、右微带线过渡部分、右微带线；

所述左微带线是一段上下表面一致的矩形金属导体，用于和外设SMA转接头焊接，将射频信源信号转换为高频介质基板上的电磁分布及信号输出；

所述左微带线过渡部分是一段上下表面一致的梯形金属导体，用于实现微带线到SIW-SSPP单元之间的模式转换与动量匹配；

所述左SIW-SSPP过渡部分是由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的两个边长渐增的矩形环状缝隙组成，用于将微带线中的信号引入到SIW波导中形成腔体模式，同时引入表面边长递增的矩形环状缝隙能够有效地产生SSPP模式；

所述SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的四个边长不变的矩形环状缝隙组成，用于传输SIW腔体模式和SSPP慢波模式形成的混合模式；

所述右SIW-SSPP过渡部分与左SIW-SSPP过渡部分结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布，用于延续SIW腔体模式的同时减弱SSPP慢波模式的作用；

所述右微带线过渡部分与左微带线过渡部分结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布，用于是将SIW的腔体模式转换为微带线传输模式；

所述右微带线与左微带线一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布，用于和外设SMA转接头焊接，将介质板上的电磁分布转化为射频信源信号并传入其他射频器件。

所述左微带线和右微带线作为馈电结构。

所述左微带线过渡部分和右微带线过渡部分均为梯形。

所述SIW波导每侧采用两列短路金属过孔。

所述SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构是由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的四个边长不变的矩形环状缝隙组成。

所述高频介质基板两面的金属结构完全一致。

整个滤波器的结构同时具有左右对称性和上下对称性。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、本发明充分利用SIW腔体模式和SSPP慢波模式的特点，将SIW波导的腔体快波模式和SSPP慢波模式组合实现具有线性相移的超宽带带通滤波器。

2、本发明基于基片集成波导(SIW)实现，具有高度集成化的特点，能与其他片上设备协同作用。

3、本发明中的基片集成波导(SIW)由两列短路金属过孔实现，有效减少***损耗，保证信号高质量传输。

4、本发明中SIW-SSPP超宽带带通滤波器的工作频带受到矩形环边直接影响，在不改变滤波器其他参数的情况下，利用环状缝隙边长的变化实现滤波大范围的控制。

5、本发明具有线性相移、超宽带、可调谐、低插损、高度集成化的特点。本发明的超宽带滤波器在5G通信、成像***、车载雷达通信、室内通信等领域具有广阔的应用前景和巨大的市场价值。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成的平面俯视图之一。

图2为本发明实施例的结构组成的平面俯视图之二。

图3为本发明实施例结构组成的立体示意图。

图4为本发明实施例中SIW-SSPP单元结构的色散曲线图。

图5为本发明实施例的回波损耗与传输系数的仿真结果。

图6为本发明实施例的传输系数随受参数W₆影响的变化图

图7为本发明实施例的输入信号包络波形。

图8为本发明实施例在通带内13GHz处的输出信号包络波形。

图9为本发明实施例在通带内20GHz处的输出信号波形。

图10为本发明实施例在通带内26GHz处的输出信号波形。

图11为本发明实施例的相频特性曲线。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参见图1和2，所述一种共置有SSPP材料的SIW的具有线性相移的可调超宽带滤波器设有一个长为L₁＝60mm，宽为12mm≤W₁≤14mm的介电常数_ε＝2.2的FR4高频介质板，所述一段上下表面一致矩形左微带线(1)，其长度为L₂＝5mm，宽度为6mm≤W₃≤7mm；所述一段上下表面一致的梯形左微带线过渡部分(2)，其上底(左侧)与W₃保持一致，下底(右侧)为8～9mm，高度L₃与L₂一致；所述左SIW-SSPP过渡部分(3)是由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的两个边长渐增的矩形环状缝隙组成，SIW波导中的短路金属过孔直径d＝1mm，任何相邻过孔的间距都为2mm≤L₇≤3mm，所有中心矩形缝隙间宽度均为0.15mm≤L₈≤0.25mm，第一个矩形环状缝隙的长度1.25mm≤L₄≤1.35mm，第一个矩形环状缝隙的总宽度1.5mm≤W₄≤1.65mm，第二个矩形环状缝隙的长度1.75mm≤L₅≤1.85mm，第二个矩形环状缝隙的总宽度1.9mm≤W₅≤2mm；所述SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构(4)由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的四个边长不变的矩形环状缝隙组成，该矩形环状缝隙的长度2.2mm≤L₆≤2.25mm，该矩形环状缝隙的总宽度2.5mm≤W₆≤2.6mm；所述右SIW-SSPP过渡部分(5)与左SIW-SSPP过渡部分(3)结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布；所述右微带线过渡部分(6)与左微带线过渡部分(2)结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布；所述右微带线(7)与左微带线(1)结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布；所述SIW-SSPP带通滤波器包括单元传输结构(4)、左SIW-SSPP过渡部分(3)和右SIW-SSPP过渡部分(5)上的矩形环状缝隙的矩形中心相邻间距均为p＝5mm。

参见图3，所述一种共置有SSPP材料的SIW滤波器所采用的高频介质板的厚度0.5mm≤H≤0.6mm。

参见图4，为本发明实施例中SIW-SSPP单元结构的色散曲线图，其中k为相位常数，p为SSPP结构单元的周期，即矩形缝隙矩形中心的相邻间距。不开缝隙下的SIW波导的色散曲线类似于一个矩形波导，具有高通特性，低频截止频率为10.43GHz；不加通孔的SSPP单元具有低通特性，高频截止频率为27.79GHz，而SIW-SSPP单元结构下的色散曲线介于二者中间，说明SIW-SSPP的带通特性正是SIW快波截止特性和SSPP慢波截止特性共同作用的结果。

参见图5，为本实施例中一种共置有SSPP材料的SIW滤波器的传输特性，滤波器的通带范围为12.40～26.97GHz(S21<－0.5dB)，绝对带宽为14.57GHz，相对带宽达到74％。得益于双列过孔，减少了场泄露引起的损耗，整个通带范围内S21保持平稳状态，整个通带的波纹系数小于0.5dB。滤波器的下边带零点位于5.37GHz处，S11达到-90dB。

参见图6，为本实施例中一种共置有SSPP材料的SIW可调超宽带滤波器的传输特性随着缝隙总宽度W₆变化的曲线。一方面，W₆的变化主要影响着高频SSPP截止频率，随着W₆增加，高频截止频率从26.97GHz快速下降至20GHz。另一方面，W₆的变化也间接影响着SIW的“宽边”的等效波长，对低频截止频率也有所牵制,随着W₆增加，低频截止频率从12.4GHz上升至14.2GHz，进而实现滤波器通带范围的可调谐。

参见图7，是本实施例中滤波器在输入端信号波形，用一组高频载波(图中取为13GHz)与低频包络(100MHz)组成的混合信号模拟通信***中实际的包络信号，100MHz包络调制线的周期为10ns，形成的包络周期为5ns。

参见图8，是本实施例中滤波器在通带内13GHz时的输出端信号波形，包络周期为5.1ns，与输入信号包络周期基本一致，衰减很弱，具有波形保持功能。

参见图9，是本实施例中滤波器在通带内20GHz时的输出端信号波形，包络周期为5.0ns，与输入信号包络周期一致，衰减很小，呈现无色散的波形保持功能。

参见图10，是本实施例中滤波器在26GHz时的输出端信号波形，包络周期为5.0ns，与输入信号包络周期一致，衰减较小，呈现无色散的波形传输。

参见图11，是本实施例中滤波器的相频特性曲线，可以看到其在通带内具有良好的线性相频关系，在通带内不会引起波形失真。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受所述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所做的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本领域的技术人员应该了解本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的范围内。

Claims (6)

1.一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其特征在于设有高频介质基板，在高频介质基板的两表面设有相同的金属结构；所述金属结构从左至右依次为左微带线、左微带线过渡部分、左SIW-SSPP过渡部分、SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构、右SIW-SSPP过渡部分、右微带线过渡部分、右微带线；

所述左微带线是一段上下表面一致的矩形金属导体，用于和外设SMA转接头焊接，将射频信源信号转换为高频介质基板上的电磁分布及信号输出；

所述左微带线过渡部分是一段上下表面一致的梯形金属导体，用于实现微带线到SIW-SSPP单元之间的模式转换与动量匹配；

所述左SIW-SSPP过渡部分是由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的两个边长渐增的矩形环状缝隙组成，用于将微带线中的信号引入到SIW波导中形成腔体模式，同时引入表面边长递增的矩形环状缝隙能够有效地产生SSPP模式；

所述SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的四个边长不变的矩形环状缝隙组成，用于传输SIW腔体模式和SSPP慢波模式形成的混合模式；

所述右SIW-SSPP过渡部分与左SIW-SSPP过渡部分结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布，用于延续SIW腔体模式的同时减弱SSPP慢波模式的作用；

所述右微带线过渡部分与左微带线过渡部分结构一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布，用于是将SIW的腔体模式转换为微带线传输模式；

所述右微带线与左微带线一致，空间上关于整个滤波器结构中心呈对称分布，用于和外设SMA转接头焊接，将介质板上的电磁分布转化为射频信源信号并传入其他射频器件。

2.如权利要求1所述一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其特征在于所述左微带线和右微带线作为馈电结构。

3.如权利要求1所述一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其特征在于所述左微带线过渡部分和右微带线过渡部分均为梯形。

4.如权利要求1所述一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其特征在于所述SIW波导每侧采用两列短路金属过孔。

5.如权利要求1所述一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其特征在于所述SIW-SSPP带通滤波器单元传输结构是由上下表面一致的SIW波导及其结构中心上的四个边长不变的矩形环状缝隙组成。

6.如权利要求1所述一种共置有SSPP材料的SIW的可调超宽带滤波器，其特征在于其结构同时具有左右对称性和上下对称性。

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