基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器

摘要

本发明披露了一种基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器，包括：在介质基板固定两排金属构件，组成衬底集成波导；该衬底集成波导的两端各连有一微带馈线，微带馈线和衬底集成波导的表面均为金属介质；在衬底集成波导的上表面位于两排金属构件之间腐蚀出m＊n开口谐振环阵列；在衬底集成波导的下表面位于两排金属构件之间且对应于每列开口谐振环腐蚀出一排哑铃形面积体或哑铃形的变形面积。本发明的带通滤波器带外衰减陡峭、体积小、重量轻且功率容量大，易于和其它的平面微波毫米波电路集成，因而有望应用在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路中。

说明书

技术领域

本发明涉及微波毫米波混合集成电路(MMIC，Microwave and Millimeter-wave Integrated Circuits)或毫米波集成电路(MIC)中的微波滤波器，尤其涉及基于衬底集成波导开口谐振环结构的微波带通滤波器。

背景技术

微波滤波器是微波工程中重要的微波器件，它被广泛地运用于微波系统中，用来放行允许通过的微波频带，而截止不允许通过的微波频带。

常用的微波滤波器用矩形波导或者微带线来实现。但是，传统的设计思路常使得滤波器器件的体积大小成为发展的瓶颈。特别是在一些要求比较高的设计中，如果运用传统的设计思路实现起来会比较困难。其中，矩形波导具有损耗小、承受功率容量大以及品质因数Q值高等优点，但由于其体积大，难以与平面电路集成，因而难以满足现代技术发展所需具备的小型化和集成化要求；微带线虽具有体积小、重量轻以及易于集成等优点，但是其功率容量小及Q值低，因而在某些方面的应用受到一定的局限。

近年来，有学者提出一种新型的波导，即衬底集成矩形波导，通过加工在微带衬底上的两排金属柱，把矩形波导制作到微带衬底上。这种新型传输线融合了矩形波导和微带线各自的优点，不仅体积小、重量轻以及可承受较高的功率门限，而且其Q值也较高。目前，已经有一些微波毫米波的无源器件或有源器件被设计在这种新型平台上，并且理论和实验均表明这些器件具有非常突出的特点，兼具矩形波导器件和微带器件的双重优点。例如，在文献1(“Integrated micro-strip and rectangular waveguide in planar form，”IEEEMicrowave Wireless Compon Lett.，vol.11，no.2，Feb.2001，pp.6870)以及文献2(“Low cost microwave oscillator using substrate integrated waveguide cavity”，IEEE Microwave and Wireless Comp.Lett.，Vol.13，No.2，2003，pp.48-50)中，都比较详细地介绍了用衬底集成波导这种新技术来设计新型的微波毫米波有源和无源器件。

近年来，随着对左手材料的研究不断深入，又有学者提出了一种新型的结构，即互补开口谐振环(CSRR，Complementary Split-Ring Resonators，也称镂空开口谐振环)。这种新型结构的左手特性十分灵活，具有很好的应用前景。目前这个结构已经被广泛地运用于一些新颖器件的设计，如在文献3(“Effective negative-stop-band microstrip lines based on complementary split ring resonators”，IEEE Microwave Wireless Comp.Lett.，Vol.14，2004，pp280282.)中，详细地介绍了开口谐振环的结构以及开口谐振环与微带线结合使用的无源器件的设计。

传统的平衡技术主要利用微带线(MSL，Micro-strip Line)或者共面波导(CPW，Co-planar Waveguide)传输线，因此一般需要巴伦(balan)结构，这样不仅增大了电路面积，而且会引入额外的损耗。而双面平行带线(DSPSL，Double-sided Parallel-strip Line)结构，容易实现低阻抗特性，且具有等幅反相的作用。

而迄今为止，尚无人将衬底集成波导开口谐振环与双面平行带线结构结合，设计双层镂空结构的微波带通滤波器。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器，能够进一步增加滤波器的功率容量及缩小其体积。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器，包括：

在介质基板固定两排金属构件，组成衬底集成波导；该衬底集成波导的两端各连有一微带馈线，微带馈线和衬底集成波导的表面均为金属介质；在衬底集成波导的上表面位于两排金属构件之间腐蚀出m*n开口谐振环阵列；在衬底集成波导的下表面位于两排金属构件之间且对应于每列开口谐振环腐蚀出一排哑铃形面积体或哑铃形的变形面积。

进一步地，

介质基板的介电常数为2.2，介质基板的厚度为0.508mm±0.020mm；微带馈线由双边平行带线和锥形变换组成，双边平行带线的线宽为1.65mm±0.15mm，双边平行带线的线长为3mm～7mm，锥形变换的锥宽为2.45mm±0.15mm，锥形变换的锥长为2mm～6mm；两个微带馈线构成的一输入端口和一输出端口之间的距离为38.0±0.2mm。

进一步地，

两排金属构件为两排金属柱，金属柱的直径小于0.2λ，每排相邻两个金属柱之间的间距不大于两倍金属柱的直径，两排金属柱之间的排距为0.64λ～0.96λ；λ为带通滤波器的工作波长。

进一步地，

衬底集成波导上表面上腐蚀的两行开口谐振环是方形开口谐振环，开口谐振环的开槽宽度等于被腐蚀掉的环形，均为0.15mm～0.5mm，开口谐振环内部方形的边长为0.5mm～2mm；

或者，衬底集成波导上表面上腐蚀的开口谐振环是圆形开口谐振环，开口谐振环的开槽宽度等于被腐蚀掉的环形，均为0.15mm～0.5mm，开口谐振环内部圆形的直径为0.5mm～2mm。

进一步地，

开口谐振环阵列的行数m取决于改善带内反射的耦合力度要求，开口谐振环阵列的列数n取决于带通滤波器上边频和下边频的陡峭度要求，其中，开口谐振环中心的行距为2mm～4mm，开口谐振环中心的列距为6mm～10mm。

进一步地，

衬底集成波导下表面上腐蚀的哑铃形面积或T形变形面积中，哑铃的铃宽为0.5mm～1mm，铃长为0.9mm～3mm，连杆的杆长为4.2mm～6mm。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种设计基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器的方法，包括：

根据波导模式选定介质基板的特性参数，并确定构成衬底集成波导的金属构件的参数；

根据带通通带的工作频率确定微带馈线的参数；根据带阻滤波器的下边频确定开口谐振环阵列的参量；根据带通滤波器阻带的带宽确定哑铃形面积或哑铃形的变形面积参数。

进一步地，两排金属构件为两排金属柱；根据波导模式选定介质基板的特性参数，并确定构成衬底集成波导的金属构件的参数，具体包括：

根据确定两种波导模式的截止频率选定介质基板的特性参数，包括介电常数为2.2和介质基板的厚度为0.508mm±0.020mm；

根据衬底集成波导等效宽度的理论分析公式确定：金属柱的直径小于0.2λ，每排相邻两个金属柱之间的间距不大于两倍金属柱的直径，两排金属柱之间的排距为0.64λ～0.96λ；λ为带通滤波器工作波长。

进一步地，

微带馈线的参数包括：双边平行带线的线宽为1.65±0.15mm，双边平行带线的线长为3～7mm，锥形变换的锥宽为2.45±0.15mm，锥形变换的锥长为2mm～6mm；两个微带馈线构成的一输入端口和一输出端口之间的距离为38.0±0.2mm；

开口谐振环阵列的参量包括开口谐振环的内边长或内径、开槽宽度以及开口谐振环的行数m和列数n；其中，内边长是方形开口谐振环内部方形的边长，内径则是圆形开口谐振环内部圆形的直径，开槽宽度是两个嵌套的开口谐振环之间的宽度，并且开口谐振环的宽度与开槽宽度相等，均为0.15mm～0.5mm；内边长或所述内径为0.5mm～2mm；行数m取决于改善带内反射的耦合力度要求，列数n取决于带通滤波器上边频和下边频的陡峭度要求。

哑铃形面积或哑铃形的T变形面积参数包括：哑铃的铃宽为0.5mm～1mm，铃长为0.9mm～3mm，连杆的杆长为4.2mm～6mm。

进一步地，该方法还包括：实现微波带通滤波器，具体包括：

在介质基板固定两排金属构件，组成衬底集成波导，该衬底集成波导决定高通滤波器；

该衬底集成波导两端各连有一微带馈线，微带馈线和衬底集成波导的表面均为金属介质；

在衬底集成波导的上表面位于两排金属构件之间腐蚀出m*n开口谐振环阵列，开口谐振环阵列决定带阻滤波器的下边频；在衬底集成波导的下表面位于两排金属构件之间且对应于每列开口谐振环腐蚀出一排哑铃形面积或所述哑铃形的变形面积，哑铃形面积或哑铃形变形面积决定阻带滤波器的带宽。

本发明提供的基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器，将开口谐振环结构设计在衬底集成波导的上表面，将镂空的哑铃形及其变形面积设计在衬底集成波导的下表面，由双面平行线结构作为输入端；由此设计出的带通滤波器具有带外衰减陡峭、体积小、重量轻且功率容量大，易于和其它的平面微波毫米波电路集成，因而有望充分地应用在微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路中。

附图说明

图1是本发明的微波带通滤波器中衬底集成波导上表面开口谐振环实施例结构示意图；

图2是本发明的微波带通滤波器中衬底集成波导下表面镂空的哑铃形实施例结构示意图；

图3是图1、图2所示的在双表面上双边平行馈线实施例结构示意图；

图4是图1所示的衬底集成波导上表面方形或圆形开口谐振环实施例结构示意图；

图5是图2所示的衬底集成波导下表面镂空的哑铃形及其变形实施例结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和优选实施例对本发明的技术方案进行详细地说明。以下例举的实施例仅用于说明和解释本发明，而不构成对本发明技术方案的限制。

如图1所示，是本发明提供的基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器的一实施例，包括：

在介质基板(1)固定两排金属柱(5)，每排金属柱(5)以等间距横行排开，组成衬底集成波导(2)；衬底集成波导(2)的两端各连有一微带馈线(4)、(6)，该微带馈线(4)、(6)和衬底集成波导(2)的表面均为金属介质；在衬底集成波导(2)的上表面位于两排金属柱之间腐蚀出两行开口谐振环结构(3)；在衬底集成波导(2)的下表面位于两排金属柱之间且对应于每列开口谐振环(3)腐蚀出一排哑铃形面积(7)，如图2所示。

在上述实施例中，介质基板(1)的厚度为0.32λ～0.49λ，其介电常数范围为2～15；两排金属柱的金属柱的直径小于0.2λ，相邻两金属柱之间的间距不大于金属柱直径的两倍，两排金属柱之间的间距为0.64λ～0.96λ；λ为带通滤波器的工作波长。

开口谐振环(3)为两列或三列或者更多列，具体是多少列，取决于带通滤波器的上边频和下边频的陡峭度要求。上述实施例中开口谐振环(3)为2行，是考虑到改善带内反射的耦合力度而设置的，实际上3行或更多行也是可行的，具体行数取决于改善带内反射的耦合力度是否满足要求。

譬如在上述实施例中，由开口谐振环(3)组成的两行三列阵列，两行开口谐振环中心的纵向间距均为2mm～4mm，三列开口谐振环中，左右两列分别到中心列距离相同，均为6mm～10mm。

为了更清晰地表示出本发明的上述微波带通滤波器实施例结构，以下通过将该微波带通滤波器实施例进行拆分，分别详细地描述各部分的结构。

如图3所示，表示了图1、图2所示的衬底集成波导双表面上平行带线实施例的结构，介质基板(1)上设置的两排金属柱(5)，由此形成了衬底集成波导(8)；该两排金属柱连接微带馈线，该微带馈线由双边平行带线(9)和锥形变换(10)组成。

在上述实施例中，介电常数为2.2的介质基板(1)的厚度为0.508±0.020mm，双边平行带线(9)线宽为1.65±0.15mm，线长为3～7mm。锥形变换(10)的锥宽为2.45±0.15mm，锥长为2mm～6mm。

在上述实施例中，由双边平行带线(9)和锥形变换(10)构成的输入端口(4)和输出端口(6)之间的距离(即图1的左端到右端的距离)为38.0±0.2mm。

当然，上述实施例中两排金属柱(5)也可以用两块嵌入在介质基板(1)中且与该介质基板同高的金属板材替换，作为与金属柱(5)作用相同的金属构件也可构成衬底集成波导(8)，只是在效果上略逊金属柱(5)。

如图4所示，表示了图1所示的衬底集成波导上表面开口谐振环实施例的结构，其中图4(A)是方形开口谐振环，图4(B)是圆形开口谐振环。

在图4(A)所示的方形开口谐振环实施例中，开口谐振环(15)的开槽宽度(16、17)为0.15mm～0.5mm，被腐蚀掉的环形(13、14)宽度与开槽宽度(14、15)相等，方形的开口谐振环内部方形(11)的边长为0.5～2mm。

图4(B)所示的圆形开口谐振环实施例的尺寸与上述方形开口谐振环实施例的尺寸类似。

如图5所示，表示了图1所示的衬底集成波导下表面镂空的哑铃形及其变形实施例的结构，其中图5(A)是哑铃形(即I形)结构，图5(B)是无铃形(即l形)结构，图5(C)是单铃形(即T形)结构。

在图5(A)所示的哑铃形实施例结构中，哑铃(18)的铃宽为0.5mm～1mm，铃长为0.9mm～3mm，连杆(19)的杆长为4.2mm～6mm。

图5(B)所示的l形结构和图5(C)所示的T形结构的尺寸与图5(A)所示的哑铃形(I形)结构尺寸类似。

用矢量网络分析仪HP8510C对本发明的上述微波带通滤波器实施例进行测试的结果表明，该微波带通滤波器的中心频率为9.5G，通带的宽度为2G；在其通带内的回波损耗低于17dB，两输出端口的插入损耗低于0.2dB；滤波器的总体积(含平行带线转换)为37.8mm*20mm*0.508mm。

本发明针对上述实施例，相应地还提供了基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器的设计方法，包括：

步骤1：根据波导模式选定介质基板的特性参数，并确定构成衬底集成波导的金属柱的直径以及相邻金属柱的间距；

在此，根据确定TE10和TE20两种波导模式的截止频率，选定介质基板的特性参数，包括介电常数和衬底(介质基板)厚度。

根据衬底集成波导等效宽度的理论分析公式，确定金属柱的直径、相邻金属柱的间距以及两排金属柱之间的排距。

步骤2：根据带通通带的工作频率确定微带馈线的参数；根据带通通带的上边频(或带阻滤波器的下边频)确定开口谐振环的参量；根据带通滤波器阻带的带宽确定哑铃形面积参数；

微带馈线的参数包括：双边平行带线的线宽、线长，锥形变换的锥宽、锥长，两个微带馈线构成的一输入端口和一输出端口之间的距离。

开口谐振环有两个参量：内边长(或内径)和开槽宽度。内边长是方形开口谐振环内部方形的边长，内径则是圆形开口谐振环内部圆形的直径。开槽宽度是两个嵌套的环之间的宽度，并且环的宽度与开槽宽度相等。确定开口谐振环的上述这两个参量就能够确定谐振环的谐振频率。

底面哑铃形面积参数，由铃长、铃宽以及杆长组成，决定本发明的微波带通滤波器阻带的带宽。哑铃形的l形变形面积参数则有杆长和杆宽；哑铃形的T形变形面积参数类似哑铃形面积参数。

步骤3：实现微波带通滤波器；

根据带通滤波器＝高通滤波器+带阻滤波器，由衬底集成波导决定高通滤波器；开口谐振环决定带阻滤波器的下边频，哑铃形及其变形面积决定了阻带的宽度。

开口谐振环采用两行三列级联的结构，彼此耦合，用于改善带内反射，提高上边频的带外衰减陡度；底面三排的哑铃型结构用于跟开口谐振环配合拓展带阻滤波器的带宽。

本发明是为适应微波毫米波混合集成电路与毫米波集成电路的应用而设计的，可以通过简单的过渡由双平行线结构过渡到微带线结构，也可以由同轴接头直接对衬底集成波导进行激励，以便更好地和其他微波毫米波混合集成电路或者毫米波集成电路相连接。

微带变换和衬底集成波导设计在同一介质衬底板上，成为一个整体结构，无需额外的组装以及调试附件，因此非常适合集成化以及批量生产的要求。

本发明基于衬底集成波导开口谐振环的微波带通滤波器的设计，结合开口谐振环和衬底集成波导的优点，不但功率容量大，Q值高且上边频陡峭，带外杂波抑制能力强，低剖面，并通过简单的锥形结构实现和微带及共面波导等平面电路或系统的连接。底面哑铃型结构的尺寸以及开口谐振环之间位置的适当调整能够改善其通带内的回波损耗，使其低于20dB，并拓展其阻带带宽，输出端口的插入损耗低于1.5dB。另外，本发明的滤波器结构简单，制作方便，且成本低。