基于S‑型互补螺旋线的半模基片集成波导带通滤波器

摘要

本发明公开了一种基于S‑型互补螺旋线的半模基片集成波导带通滤波器，主要解决滤波器选择性差，带宽窄，插入损耗大等技术问题。本发明在微带介质基板的上下表面分别设计电路结构，上表面包括对称的两条微带馈线和金属矩形面，在金属矩形面中设有相互对称的4条L型槽线，微带介质基板下表面在L型槽线所在对应面积位置上设有一对纵向对称的S‑型互补螺旋线结构，其中互补螺旋线结构单元在横向上旋转对称。本发明这种新型结构的半模基片集成波导带通滤波器，电路上下对应，单元左右上下对称，采用共面波导过渡结构馈电。仿真和实验证明本发明提高了滤波器带外频率选择性，带宽较宽，插损小，可用于要求体积小，重量轻的无线通信系统中。

说明书

技术领域

本发明属于电子器件技术领域，特别涉及半模基片集成波导带通滤波器，具体是 一种新型的基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器，可用于无线通 信系统射频前端。

背景技术

随着现代无线通信系统的发展与创新，微波毫米波系统向着小型化、高集成度、 低成本的方向迅速发展。低损耗、高品质因素和大功率容量的波导结构，由于其优良 的性能得到了广泛的应用，然而其尺寸和体积过大，难以适用于对小型化和集成度高 的场合；而传统微带结构虽然辐射较大，但是由于其尺寸小和加工简单，能够满足很 多电路对体积及集成度的要求。

为了实现无线通信系统对滤波器小型化和高性能的要求，基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide,SIW)在这样的背景下产生和发展起来。基片集成波导结构是基于 微带介质基板的新型平面结构，融合了波导和微带结构两者的优点，具有较低辐射、 小尺寸、高品质因素、易于集成等特点。为了更好地实现基片集成波导的小型化，洪 伟教授及其团队于2005年研究出了半模基片集成波导(Half-mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW)，这种结构能够使得原有尺寸减少几乎一半。

因此，基于以上HMSIW的优越性能，近些年国内外很多研究机构和学者都展开 了对于HMSIW带通滤波器的研究，根据“Zhang,Q.L.,Wang,B.Z.,Zhao,D.S.,andWu, K.:A Compact Half-Mode Substrate Integrated Waveguide Bandpass Filter With Wide Out-of-Band Rejection,IEEE Microw.Wirel.Compon.Lett.,2016,26,(7),pp.501-503”所 提出的基于电磁带隙(EBG)结构的左右手半模基片集成波导带通滤波器，该滤波器通 过在左右手半模基片集成波导结构上加载电磁带隙结构在通带低频处引入了传输零 点，扩展了阻带范围，但是该滤波器带宽较窄，矩形系数较差。根据“Huang,Y.m.,Shao, Z.H.,Jiang,W.,Huang,T.,and Wang,G.A.,:Half-mode substrate integrated waveguide bandpass filter loaded with horizontal–asymmetrical stepped-impedance complementary split-ring resonators,Electron.Lett.,2016,52,(12),pp.1034-1036”所提出的基于阶梯阻 抗型-互补开口谐振环结构的半模基片集成波导带通滤波器，该滤波器将传统的阶梯 阻抗结构(SI)与传统的互补开口谐振环(CSRR)相结合，可以有效提高CSRR的等效电 感和电容，从而降低滤波器的谐振频率，但是该滤波器带外抑制较差，且带宽较窄。

综上，在半模基片集成波导结构上加载互补开口谐振环、缺陷地(DGS)、电磁带 隙等传统结构可以实现不同类型的滤波器，这些结构可以在半模基片集成波导截止频 率附近产生一个通带，但是在所产生的通带高低频处没有传输零点或者只有一个传输 零点，因此，基于传统结构设计半模基片集成波导带通滤波器具有带宽较窄，带外频 率选择性较差，插损大等问题。

发明内容

本发明目的在于针对上述已有技术的不足，提供一种结构紧凑、插入损耗小、频 率选择性好的半模基片集成波导带通滤波器。

本发明是一种基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器，包括微 带介质基板，微带介质基板的上表面为金属矩形面，微带介质基板的底面为全覆盖微 带介质基板的金属接地板面，微带介质基板边缘一侧设有均匀金属化过孔，金属矩形 面的两端对称的接有微带馈线，其特征在于：金属矩形面位于微带介质基板的上表面 中间位置，该金属矩形面的长度与两条微带馈线的长度之和为微带介质基板的长度， 且该金属矩形面与微带介质基板等宽；在金属矩形面上设有4条L型槽线，这4条L 型槽线横纵均对称，其中纵对称线是关于金属矩形面的纵向中心线，横对称是关于金 属矩形面的横向中心线向下位移m毫米，其中L型槽线的长边为横向布线，L型槽线 的短边为纵向布线；4条L型槽线的长边从金属矩形面的左右边缘向内延伸；2条L 型槽线连同L型槽线长边之间的金属部分组成输入、输出共面波导过渡结构，共面波 导过渡结构的金属层部分均与微带馈线相连，且微带馈线从共面波导过渡结构的金属 层部分边沿向外延伸至微带介质基板的边沿；微带介质基板的金属接地板面刻蚀一对 纵向对称的S-型互补螺旋线结构，其中纵对称线是关于金属接地板面的纵向中心线； S-型互补螺旋线结构中包括一对呈旋转对称的互补螺旋线结构和以及一段倾斜连接 线，互补螺旋线结构和的横向对称线是关于金属接地板面的横向中心线向下位移m 毫米；S-型互补螺旋线结构与S-型互补螺旋线结构结构相同；金属接地板面上的一对 S-型互补螺旋线结构的布线位置与金属矩形面上的L型槽线结构的位置上下对应。

基于现有技术存在的问题，本发明提出了一种新型的S型-互补螺旋线结构，并在 它的基础上设计了一种半模基片集成波导带通滤波器，本发明可用于无线通信系统 中。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.本发明在微带介质基板上表面加载4条L型槽线，同时在微带介质基板下表面 加载新型的S-型互补螺旋线结构，S-型互补螺旋线结构的布线与L型槽线结构的位置 上下对应，基于新型的S-型互补螺旋线结构设计的半模基片集成波导设计的滤波器在 通带的高低频处分别产生一个传输零点，改善了滤波器的矩形系数，提高了滤波器的 频率选择特性。

2.本发明在微带介质基板下表面采用S-型互补螺旋线结构构成的缺陷单元获得通 带谐振特性，通带的中心频率仅由缺陷单元决定，尺寸小，结构紧凑，易于分析。

3.本发明通过采用共面波导过渡结构提高了滤波器通带内的性能，减小了带内插 损，且共面波导过渡结构相比于选用渐变传输线作为过渡结构的滤波器尺寸更小。

4.本发明通过调节S-型互补螺旋线结构与金属化过孔的距离，改变金属化过孔与 S-型互补螺旋线结构之间的耦合，实现通带带宽的调谐，满足无线通信的多方面需求。

5.本发明采用了半模基片集成波导结构，使滤波器的尺寸进一步减小，同时便于 调试和设计。

6.本发明能根据实际需求进行自适应改进，通过改变新型螺旋线的长度、半模基 片集成波导的尺寸来调节滤波器的工作频段，从而满足不同的应用需求，设计简单灵 活。

附图说明

图1为本发明的结构图；

图2为图1的正面结构图；

图3为图1的底部结构图；

图4为本发明S参数仿真和实测结果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：

实施例1

目前，通过在半模基片集成波导结构上加载互补开口谐振环、缺陷地(DGS)、电 磁带隙等传统结构可以实现不同类型的滤波器，这些结构可以在半模基片集成波导截 止频率附近产生一个通带，但是在所产生的通带高低频处没有传输零点或者只有一个 传输零点，因此，基于传统结构设计半模基片集成波导带通滤波器的插损较大，带宽 较窄，带外频率选择性较差等。针对上述问题，本发明经过研究与创新提出了一种新 型的S型-互补螺旋线结构，并以S型-互补螺旋线结构为基础设计了一种半模基片集成 波导带通滤波器，本发明可用于无线通信系统中。

本发明是一种基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器，参见图 1，本发明基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器包括微带介质基 板1，微带介质基板1的上表面为金属矩形面2，微带介质基板1的底面为金属接地板面 3，微带介质基板1及附带的金属矩形面2和金属接地板面3共为一体，其共同的边缘一 侧设有均匀金属化过孔4，等效于金属矩形波导的窄壁，上述这些结构组成半模基片 集成波导。金属矩形面2的左右两端对称的接有微带馈线5，用于连接SMA接头，给滤 波器馈电，其中左侧的微带馈线5为输入微带馈线，右侧的微带馈线5为输出微带馈线， 参见图1。本发明中的金属矩形面2位于微带介质基板1的上表面中间位置，该金属矩 形面2的长度与两条微带馈线5的长度之和为微带介质基板1的长度，且该金属矩形面2 与微带介质基板1等宽。在金属矩形面2上设有4条L型槽线6，这4条L型槽线6横纵均对 称，其中纵对称线是关于金属矩形面2的纵向中心线，横对称是关于金属矩形面2的横 向中心线向下位移m毫米，其中L型槽线6的长边为横向布线，L型槽线的短边为纵向 布线，如果说金属矩形面2是长×宽构成的矩形面，则这4条L型槽线的“L”长边与金 属矩形面2的长边平行，“L”短边与金属矩形面2的宽边平行。4条L型槽线6的“L” 长边从金属矩形面2的左右边缘向内延伸；微带介质基板1的四个角均设为绝缘面。金 属矩形面2中的横向对称的2条L型槽线6连同L型槽线长边之间的金属部分组成输入、 输出共面波导过渡结构，其中，左侧横向对称的2个L型槽线6连同L型槽线长边之间的 金属部分组成输入共面波导过渡结构61，右侧横向对称的2个L型槽6线连同L型槽线长 边之间的金属部分组成输出共面波导过渡结构62，参见图2。本发明中两个共面波导 过渡结构的金属层部分均与微带馈线5相连，且微带馈线5从共面波导过渡结构的金属 层部分边沿向外延伸至微带介质基板1的边沿，左侧微带馈线5作为滤波器的输入端， 右侧微带馈线5作为滤波器的输出端，反之亦然。

本发明中微带介质基板1的金属接地板面3刻蚀一对纵向对称的S-型互补螺旋线 结构，即左侧的S-型互补螺旋线结构7和右侧的S-型互补螺旋线结构8，参见图3， 其中纵对称线是关于金属接地板面3的纵向中心线。左侧S-型互补螺旋线结构7中包 括一对呈旋转对称的互补螺旋线，其中位于上方的互补螺旋线71和位于下方的互补 螺旋线73通过一段倾斜连接线72连接，右侧S-型互补螺旋线结构8的构成和连接关 系与左侧S-型互补螺旋线结构7完全相同，只是两者相互对称。上下旋转对称的互补 螺旋线71和73的横向对称线是关于金属接地板面3的横向中心线向下位移m毫米。 金属接地板面3上设有的位于左侧S-型互补螺旋线结构7和位于右侧S-型互补螺旋 线结构8的布线位置与金属矩形面2上的L型槽线结构的位置上下对应。

本发明在微带介质基板上表面刻蚀4条L型槽线，同时在微带介质基板下表面刻蚀 新型的S-型互补螺旋线结构，S-型互补螺旋线结构的布线与L型槽线结构的位置上下 对应，基于上述结构设计的一种新型的半模基片集成波导带通滤波器在通带的高低处 各产生了一个传输零点，改善了滤波器的矩形系数，提高了滤波器的频率选择特性。 同时，基于上述结构实现了带通滤波器的低插损、小尺寸的优越性能。

实施例2

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1，输入共面波导过渡结构61的上侧L型槽线的“L”长边布线从金属矩形面 2的左侧边沿延伸到位于上方的互补螺旋线71的右侧边缘并与之对齐，L型槽线的“L” 短边布线从L型槽线的“L”长边边缘延伸到位于上方的互补螺旋线71的上侧边缘并 与之对齐，以此类推，每个L型槽线与互补螺旋线的对应结构均是如此。

本发明在金属矩形面上加载4条L型槽线，横向对称的2条L型槽线连同这2 条L型槽线长边之间的金属部分组成共面波导过渡结构，形成的共面波导过渡结构能 够为S-型互补螺旋线结构进行馈电，在滤波器通带两端产生两个传输零点，提高了带 外频率选择性，同时，共面波导过渡结构实现了微带馈线与滤波器之间的阻抗匹配， 提高了通带性能，减小了滤波器的回波损耗。

实施例3

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-2，本发明中上下旋转对称的互补螺旋线包括两层相互嵌套、开口方向相同 的谐振环，以及连接这两个谐振环的一段倾斜连接线。

本例中，本发明采用两层相互嵌套的谐振环以及连接这两个谐振环的一段倾斜线 组成互补螺旋线，互补螺旋线有效增加了S-型互补螺旋线结构的物理长度，减小了 S-型互补螺旋线结构的谐振频率，从而能够有效减小滤波器的物理尺寸，使滤波器结 构更加紧凑，满足现代无线通信系统对小型化器件的要求。

实施例4

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-3，4条L型槽线6横对称是关于金属矩形面2的横向中心线向下位移m毫米，其 中其中m的取值范围为0.6～0.725毫米，m的最佳取值为0.725毫米。本例中，m的取值 为0.725mm，通过仿真证明，该滤波器的通带较平坦，性能较好。

本发明将4条L型槽线6横向对称线沿着金属矩形面的横向对称线向下位移m毫 米，从而能够实现输入输出微带馈线与输入输出共面波导过渡结构之间的阻抗匹配， 减小滤波器的回波损耗，提高滤波器的性能。

实施例5

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-4，S-型互补螺旋线结构7和S-型互补螺旋线结构8与金属化过孔4的距离 用于改变带通滤波器的带宽，S-型互补螺旋线结构7和S-型互补螺旋线结构8与金属 化过孔4圆心的距离范围为0.6～2.2mm，与金属矩形面2下边沿的距离为0.15～0.5mm， 互补螺旋线71和73的距离为1.2mm，两个S-型互补螺旋线结构7和S-型互补螺旋 线结构8的中心距离为12mm。

本发明中左侧的S-型互补螺旋线结构7和右侧S-型互补螺旋线结构8与金属化 过孔4圆心的距离可以改变S-型互补螺旋线结构和金属化过孔之间的耦合强弱，从而 可以有效调谐该带通滤波器的带宽，S-型互补螺旋线结构7和8与金属矩形面2下边 沿的距离用于调整该滤波器的插入损耗，经过大量的实验的和仿真分析，本例中，左 侧的S-型互补螺旋线结构7和右侧S-型互补螺旋线结构8与金属化过孔4圆心的最 佳距离为1.6mm，与金属矩形面2下边沿的最佳距离为0.2mm，其他参数同上。经过 仿真分析，该滤波器通带内的插入损耗最小，回波损耗在20dB以上。

实施例6

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-5，L型槽线6的“L”长边的取值范围为5.0～6.85mm，L型槽线6的“L”短边 的取值范围为1.8～2.2mm，两条横向对称的L型槽线“L”长边之间的距离为2.5mm。

本发明中馈电微带线的宽度为2.5mm，即对应的特性阻抗为50欧姆，实现输入、 输出微带馈线5与半模基片集成波导之间的阻抗匹配，提高滤波器的性能。本例中，L 型槽线6的“L”长边最佳取值为6.85mm，L型槽线6的“L”短边最佳取值为2.1mm， m的取值为0.6mm，左侧的S-型互补螺旋线结构7和右侧S-型互补螺旋线结构8与金属 化过孔4圆心的距离为0.6mm，与金属矩形面2下边沿的距离为0.15mm。本发明中微带 介质基板1的总尺寸为21mm×11mm，尺寸较小，结构紧凑，能够满足很多电路对体积 及集成度的苛刻要求，可用于雷达、航天等无线通信系统中。

实施例7

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-6，微带介质基板1采用F4BM-2板材，介电常数为2.2，厚度为0.8mm。本例 中，L型槽线6的“L”长边为5mm，L型槽线6的“L”短边为1.8mm，m的取值为0.7mm， 左侧的S-型互补螺旋线结构7和右侧S-型互补螺旋线结构8与金属化过孔4圆心的距离 为2.2mm，与金属矩形面2下边沿的距离为0.5mm。

实施例8

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-7，本例中L型槽线6的“L”长边为6mm，L型槽线6的“L”短边为2.2mm。

本发明采用共面波导过渡结构实现了输入、输出微带馈线与滤波器之间的阻抗匹 配，提升了滤波器通带内性能，减小了插入损耗；同时，采用共面波导过渡结构设计 的滤波器相比于选用渐变传输线作为过渡结构的滤波器尺寸更小，满足了无线通信系 统对小型化器件的要求。

实施例9

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结构同 实施例1-8，下面，给出一个详尽的例子对本发明进一步说明：

针对现有技术的研究现状，本发明提出一种基于S-型互补螺旋线结构半模基片集 成波导带通滤波器，参见图1，本发明主要包括有微带介质基板1，金属矩形面2，金 属接地板面3，均匀金属化过孔4，微带馈线5，L型槽线6，一对S-型互补螺旋线结构7 和8。其中：

微带介质基板1采用双面覆银板，双面覆银板上面设有金属矩形面2，双面覆银 板下面为全覆盖的金属接地板面3，在微带介质基板1、金属矩形面2以及金属接地 板面3的共同一侧的设有均匀金属化过孔4，形成半模基片集成波导结构。在金属矩 形面2上开有4条横纵均对称的L型槽线，见图2，即在金属矩形面2的每条宽边的 设有2条L型槽线，其中，纵对称线是关于金属矩形面2的纵向中心线，横对称是关 于金属矩形面2的横向中心线向下位移m毫米，m的最佳长度为0.725mm；这4条L 型槽线6的长边为横向布线，从金属矩形面2的左右边缘向内延伸，L型槽线的短边 为纵向布线。横向对称的2条L型槽线6连同L型槽线长边之间的金属部分组成输入、 输出共面波导过渡结构，其中，左侧横向对称的2个L型槽线6连同L型槽线长边之 间的金属部分组成输入共面波导过渡结构61，右侧横向对称的2个L型槽6线连同L 型槽线长边之间的金属部分组成输出共面波导过渡结构62；在金属矩形面2每条宽边 设有的2条L形槽线的“L”长边之间的距离为2.5mm；共面波导过渡结构的金属层 部分均与微带馈线5相连，且微带馈线5从共面波导过渡结构的金属层部分边沿向外 延伸至微带介质基板1的边沿，微带馈线5的宽度为2.5mm，即对应的特性阻抗为 50欧姆，实现微带馈线5与半模基片集成波导的阻抗匹配，微带馈线5用于连接SMA 接头接到矢量网络分析仪上进行滤波器的测试。

在微带介质基板1的金属接地板面3刻蚀一对纵向对称的S-型互补螺旋线结构7 和S-型互补螺旋线结构8，其中纵对称线是关于金属接地板面3的纵向中心线；S-型 互补螺旋线结构7中包括一对呈旋转对称的互补螺旋线71和73以及一段倾斜连接线 72，这段倾斜连接线72连接互补螺旋线71和73。互补螺旋线71和73的横向对称线 是关于金属接地板面3的横向中心线向下位移m毫米，其中，互补螺旋线71和互补 螺旋线73均由两层开口方向相同的两个谐振环，以及连接这两个谐振环的一段倾斜 连接线组成。S-型互补螺旋线结构8与S-型互补螺旋线结构7的构成和结构相同。采 用两层谐振环能够增加互补螺旋线的物理长度，降低谐振环的谐振频率，从而能够有 效减小滤波器的尺寸。实际应用中，采用一层谐振环结构也能实现滤波功能，但是所 实现的滤波器性能较差。

参见图3，金属接地板面3上的S-型互补螺旋线结构7和S-型互补螺旋线结构8 的布线位置与金属矩形面2上的4条L型槽线6的结构位置上下对应，即，金属矩形 面2左侧的2条L型槽线的长边从金属矩形面2的左侧边缘向内延伸，分别延伸到互 补螺旋线71和互补螺旋线73的右侧边缘，并与之对齐，金属矩形面2右侧的2条L 型槽线的长边从金属矩形面2的右侧边缘向内延伸，分别延伸到互补螺旋线81和互 补螺旋线83的左侧边缘，并与之对齐。

在微带介质基板1的边缘一侧嵌有一排等间距排列的金属化过孔4，金属化过孔4 的直径、间距均相同，且与微带介质基板1等高，金属柱连通了微带介质基板1上表面 的金属矩形面2和下表面的金属接地板面3。

本发明，采用半模基片集成波导结构，结构简单，便于对滤波器进行设计和调试， 同时采用S-型互补螺旋线结构作为滤波器的基本谐振单元，便于调节滤波器的谐振频 率，以满足不同的应用需求。

下面通过仿真和测试对本发明的技术效果进行说明：

实施例10

基于S-型互补螺旋线结构的半模基片集成波导带通滤波器的总体构成和结 构同实施例1-9，设定相对介电常数ε_r＝2.2，微带介质基板厚度为0.8mm，馈线宽度>21|、回波损耗曲线|S₁₁|如图4所示。

从图4可以看出，该滤波器的通带范围为2.4～3.0GHz，相对带宽为22％，实测最 大带内插入损耗为1.2dB，在通带的高低频处分别产生一个传输零点，频率选择性较 好。

本发明能根据实际需求进行自适应改进，通过改变S-型互补螺旋线结构的长度、 介质基板尺寸大小来调节滤波器的工作频段，从而满足不同的应用需求，设计简单灵 活。

图4中，实线为仿真结果，虚线为实测结果，由图4还可以看出，仿真结果和实测 结果一致。仿真和实测结果的统一表明本发明在半模基片集成波导的基础上将S-型互 补螺旋线结构作为滤波器的基本谐振单元，可以方便的调节滤波器的工作频率，同时 共面波导过渡结构提高了滤波器通带性能，通带内更为平坦，插入损耗进一步减小， 矩形系数得到进一步改善，该滤波器可用于要求体积小，重量轻，性能高的无线通信 系统中。

本发明主要解决滤波器选择性差，带宽窄，插入损耗大等技术问题。在互补螺旋 线的基础了设计和提出了一种新型的S-型互补螺旋线结构单元，基于这种新型结构单 元设计了半模基片集成波导带通滤波器，并且采用共面波导过渡结构实现输入、输出 端与滤波器的阻抗匹配。同时，本发明所提出的新型滤波器在通带两端产生了两个新 的传输零点，提高了滤波器的频率选择特性，实现了滤波器的小尺寸，低插损等优越 性能。

本发明公开的基于S-型互补螺旋线的半模基片集成波导带通滤波器，主要解决滤 波器选择性差，带宽窄，插入损耗大等技术问题。本发明在微带介质基板的上下表面 分别设计电路结构，上表面包括对称的两条微带馈线和金属矩形面，在金属矩形面中 设有相互对称的4条L型槽线，微带介质基板下表面在L型槽线所在对应面积位置上 设有一对纵向对称的S-型互补螺旋线结构，其中互补螺旋线结构单元在横向上旋转对 称。本发明这种新型结构的半模基片集成波导带通滤波器，电路上下对应，单元左右 上下对称，采用共面波导过渡结构馈电。仿真和实验证明本发明提高了滤波器带外频 率选择性，带宽较宽，插损小，可用于要求体积小，重量轻的无线通信系统中。