一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器及其工作方法技术

本发明专利技术涉及一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器及其工作方法，属于射频通信领域，包括器件顶层结构、介质层和接地金属层，器件顶层结构包括馈电传输线、转换结构、以及介质集成波导与改进型人工表面等离激元混合结构；混合结构包括上下各一排、相互平行且尺寸相同的线性金属通孔阵列，在两排金属通孔之间、器件顶层结构的顶层金属板表面刻蚀周期性的人工表面等离激元结构，通过形状设计增加人工表面等离激元结构的等效长度，从而使滤波器的上下限截止频率接近；上下各一排的线性金属通孔阵列贯穿顶层金属板、介质层和接地金属层。本发明专利技术极大的减小了器件的横向尺寸，实现了器件的小型化。实现了器件的小型化。实现了器件的小型化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器及其工作方法


[0001]本专利技术涉及一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器及其工作方法，属于射频通信的滤波


技术介绍

[0002]窄带滤波器是一种能够选择性地过滤掉特定频段信号的电子元件，被广泛应用于通信、雷达、航空航天等领域，以滤除干扰或选取所需信号。随着5G通信技术的发展，窄带滤波器的应用前景正在迅速扩大。在5G基站中，窄带滤波器用于滤除不同频段之间的干扰，以提高信号的信噪比，从而提高数据传输的可靠性和传输速率。
[0003]介质集成波导是一种类似于矩形波导的波导结构，具有成本低、易于集成、功率容量大和损耗低等优点。介质集成波导(SIW)的传播模式与矩形波导极为相似，主模为TE10，具有高通特性。人工表面等离激元(SSPP)是一种典型的表面波结构，具有低通特性。将两者的传输特性相结合，根据不同应用需求调整介质集成波导和人工表面等离激元的结构尺寸，便可以设计出具有一定带宽的滤波器，这种滤波器又称为基于人工表面等离激元和介质集成波导的混合滤波器。
[0004]目前所设计混合滤波器中所采用的人工表面等离激元大多采用矩型槽线周期排列结构，通常采用微带线向混合结构部分馈电。在这种情况下，需要长度逐渐增加的过渡性人工表面等离激元结构来实现微带线向人工表面等离激元表面波传播模式的过渡，增大传输效率，减小传输损耗，结构复杂的同时尺寸较大。此外，受限于器件滤波原理，传统的基于人工表面等离激元的介质集成波导滤波器的上边带截止频率与下边带截止频率相距较远，带宽较宽，难以实现窄带滤波器。
[0005]现有混合滤波器减小带宽所采用的方法是增加器件中人工表面等离激元的槽线的长度，但是增加槽线的长度会显著的增加滤波器的体积，不利于滤波器的小型化和集成化。并且，现有的混合滤波器，受降低上限截止频率的影响，使得滤波器的插入损耗增大，性能降低。

技术实现思路

[0006]针对目前现有技术上的不足，本专利技术公开了一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的可工作于Ka波段的窄带混合滤波器及其工作方法。
[0007]本专利技术采用如下技术方案：
[0008]一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，自上而下包括器件顶层结构、介质层和接地金属层，器件顶层结构馈电传输线、转换结构、以及介质集成波导与改进型人工表面等离激元混合结构，所述馈电传输线连接器件的输入端口和输出端口，负责滤波器的馈电；
[0009]所述介质集成波导与改进型人工表面等离激元混合结构包括上下各一排、相互平
行且尺寸相同的线性金属通孔阵列，在两排金属通孔之间、器件顶层结构的顶层金属板表面刻蚀周期性的人工表面等离激元结构，通过形状设计增加人工表面等离激元结构的等效长度，从而使滤波器的上下限截止频率接近；上下各一排的线性金属通孔阵列贯穿顶层金属板、介质层和接地金属层，并且所有金属通孔内均电镀金属铜。
[0010]优选的，所述馈电传输线为微带线、CPW或带状线。本专利技术的馈电传输线形式不局限于微带线结构、其它形式的传输线结构如CPW(Coplanar Waveguide共面集成波导)、带状线等在尺寸设计合理的情况下均可以实现馈电功能。
[0011]优选的，转换结构负责馈电传输线与混合结构的过渡，转换结构优选采用锥形转换结构，包括馈电传输线
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混合结构过渡部分和混合结构
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馈电传输线过渡部分，馈电传输线
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混合结构过渡部分采用由宽到窄的改进型锥形转换结构，混合结构
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馈电传输线过渡部分采用由窄到宽的改进型锥形转换结构，两部分对称分布。
[0012]采用此结构可以实现馈电传输线与混合结构部分的良好匹配，增加传输效率，减小插入损耗。采用其它形式的转换结构虽然可以使混合滤波器工作，但会增大插入损耗，降低滤波器的性能。
[0013]传统介质集成波导(SIW)与人工表面等离激元(SSPP)的宽带混合滤波器利用通带内SIW的TE10传输模式和SSPP的表面波实现宽带特性，在整个通带内SIW
‑
SSPP混合结构部分的有效阻抗较小，之前研究报道的基于SIW与SSPP的宽带混合滤波器通常采用展宽型锥形转换结构，用于实现微带线到混合结构部分的过渡，同时，在混合结构部分，除需要线性周期的SSPP槽之外，需要添置长度逐渐增加的SSPP过渡槽，来提升SSPP的传输效率，额外的SSPP过渡槽极大的增加了器件的横向尺寸，这也是目前基于SIW与SSPP在小型化上需要解决的一个难题。
[0014]本专利技术所设计的窄带混合滤波器采用截止频率处的类隐逝波(quasi
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evanescent wave)来实现窄带特性，截止频率处的电磁波进入介质集成波导后仍可以传输一个波长的距离。因此，窄带混合滤波器无需添置长度逐渐增加的SSPP过渡沟槽，在这种情况下，SIW与SSPP沟槽混合结构部分的阻抗增大，传统的展宽形锥形转换结构无法实现微带线到SIW与SSSPP混合结构的阻抗匹配。为了应对这一情况，本专利技术设计的窄带滤波器的微带线
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混合结构过渡部分采用由宽到窄的改进型锥形转换结构来代替传统的锥形转换结构。该结构可以实现微带线与混合结构部分的阻抗匹配，减小信号从微带线进入介质集成波导时的反射损耗。
[0015]优选的，所述人工表面等离激元结构包括N个等离激元单元，每个等离激元的形状为类I形、U型、C型或L型。
[0016]优选的，等离激元的形状为类I形时，由类I形槽结构组成，包括纵向矩形沟槽、两侧纵向短沟槽以及连接纵向矩形沟槽和两侧纵向短沟槽的横向沟槽，纵向矩形沟槽作为主槽，在纵向矩形沟槽的顶端和两侧延伸出的横向沟槽和两侧纵向短沟槽为副槽。
[0017]本专利技术顶层金属板表面刻蚀周期性的人工表面等离激元结构为改进后的类I形槽结构，类I形槽在传统的矩形沟槽的基础上，将矩形槽作为主槽，在矩形槽的顶端和两侧延伸出副槽。不同于传统结构的矩形槽结构，采用类I型改进人工表面等离激元结构的优势在于：副槽长度的存在进一步增加主槽的有效长度，即降低上限截止频率的方式除延长矩形长槽线的长度外，还可以调整两侧副槽线的长度。通过主槽两侧的四个副槽有效增加人工
表面等离激元结构的等效长度，从而使滤波器的上下限截止频率接近，减小滤波器的带宽，实现窄带性能。
[0018]除类I形外，也可以考虑其它可以增加等效长度的人工表面等离激元结构，如U型、C型、L型等结构，其与类I型的不同之处在于副槽的个数和长度。
[0019]优选的，介质集成波导的主要传播模式为TE10模式，其传播常数可以表示为
[0020][0021]其中W
siw
表示介质集成波导的上下两排线性金属通孔圆心之间的间距，ε
r
和μ
r
分别为介质层的相对介电常数和磁导率，k0为自由空间中的波数。
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，其特征在于，自上而下包括器件顶层结构、介质层和接地金属层，器件顶层结构包括馈电传输线、转换结构、以及介质集成波导与改进型人工表面等离激元混合结构，所述馈电传输线连接器件的输入端口和输出端口，负责滤波器的馈电；所述介质集成波导与改进型人工表面等离激元混合结构包括上下各一排、相互平行且尺寸相同的线性金属通孔阵列，在两排金属通孔之间、器件顶层结构的顶层金属板表面刻蚀周期性的人工表面等离激元结构，通过形状设计增加人工表面等离激元结构的等效长度，从而使滤波器的上下限截止频率接近；上下各一排的线性金属通孔阵列贯穿顶层金属板、介质层和接地金属层，并且所有金属通孔内均电镀金属铜。2.根据权利要求1所述的基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，其特征在于，所述馈电传输线为微带线、CPW或带状线。3.根据权利要求1所述的基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，其特征在于，转换结构负责馈电传输线与混合结构的过渡，转换结构优选采用锥形转换结构，包括馈电传输线
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混合结构过渡部分和混合结构
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馈电传输线过渡部分，馈电传输线
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混合结构过渡部分采用由宽到窄的改进型锥形转换结构，混合结构
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馈电传输线过渡部分采用由窄到宽的改进型锥形转换结构，两部分对称分布。4.根据权利要求1所述的基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，其特征在于，所述人工表面等离激元结构包括N个等离激元单元，每个等离激元的形状为类I形、U型、C型或L型。5.根据权利要求1所述的基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，其特征在于，等离激元的形状为类I形时，由类I形槽结构组成，包括纵向矩形沟槽、两侧纵向短沟槽以及连接纵向矩形沟槽和两侧纵向短沟槽的横向沟槽，纵向矩形沟槽作为主槽，在纵向矩形沟槽的顶端和两侧延伸出的横向沟槽和两侧纵向短沟槽为副槽。6.根据权利要求5所述的基于介质集成波导与改进型人工表面等离激元的窄带混合滤波器，其特征在于，介质集成波导的传播模式为TE10模式，其传播常数表示为其中W
siw
表示介质集成波导的上下两排线性金属通孔圆心之间的间距，ε
r
和μ
r
分别为介质层的相对介电常数和磁导...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼飞，李照琳，张葆青，王萌发，李珂，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：