基于枝节环形谐振器和腔体谐振器的间隙波导滤波器

1.本发明属于微波技术领域，涉及一种间隙波导滤波器，具体涉及一种基于枝节环形谐振器和腔体谐振器结构的间隙波导滤波器，可用于射频无线通信系统等领域。


背景技术：

2.通信系统中，滤波器被广泛应用于信道选择、滤去镜频干扰、衰减噪声、频分复用以及在高性能的振荡、放大、倍频和混频等通信系统电路中，是射频无线通信系统中必不可少的部分。因此对于应用于微波、毫米波频带的滤波器的研究具有很重要的现实意义。
3.近些年来，随着通信技术的飞速发展，对毫米波频段的无线系统需求不断增加，基于传统微波传输线所设计的器件在实现低损耗、高集成度、低成本和高稳定性方面都面临着挑战。传统的空心金属矩形波导具有低损耗、高品质因数的优点，但存在体积大，难以与射频电路集成的局限。微带线虽然具有易集成的优点，但是在毫米波频段，微带线易产生辐射损耗、表面波，造成传输效率降低且对相邻电路造成电磁干扰；为解决这个问题，通常采用金属腔体来屏蔽微带电路。间隙波导技术应运而生，间隙波导具有抑制表面波和空间辐射的能力，完全适用于封装的毫米波电路系统，间隙波导可通过印制电路板(printed circuit board，pcb)进行加工，同时具备间隙波导传输准tem模、抗电磁干扰和抑制表面波等优点，同时具有很好的集成性。
4.例如，2021年tao xiu等学者在ieee microwave and wireless components letters期刊volume.31,no.11,nov.2021上发表论文“design of a compact and low-loss e-band filter based on multilayer groove gap waveguide”中，提出了一种多层槽隙结构的间隙波导滤波器，由一层金属板和两层人工磁导体组成，其通过采用在中间层人工磁导体的金属板开槽的方式来构成一个谐振腔，该开槽结构实现了两条传输路径的交叉耦合，只产生了两个传输零点，导致该间隙波导滤波器的带外选择性较低，这限制了间隙波导滤波器在微波领域的应用。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出了一种基于枝节环形谐振器和腔体谐振器的间隙波导滤波器，旨在提高间隙波导滤波器的带外选择性。
6.为实现上述目的，本发明包括自上而下依次层叠的电磁封闭结构1、微带谐振结构2和人工磁导体3；所述电磁封闭结构1包括第一介质板11和印制在其上表面的金属板12；所述电磁封闭结构1与人工磁导体3能够对微带谐振结构2产生的电磁场进行封闭，以降低其损耗；
7.所述微带谐振结构2，包括印制在第二介质板21上表面的枝节环形谐振器22能够与其耦合的和两条阶梯阻抗微带线23，以及印制在其下表面与两条阶梯阻抗微带线对应的两条l型微带线24，每条阶梯阻抗微带线与其对应的l型微带线通过金属化通孔25连接；所述人工磁导体3，其中心位置设置有腔体谐振器4，用于实现谐振滤波特性。
8.上述间隙波导滤波器，所述第二介质板21和第一介质板11，均采用矩形介质板材。
9.上述间隙波导滤波器，所述枝节环形谐振器22，位于第二介质板21两条长边中点的连线aa'上。
10.上述间隙波导滤波器，所述两条阶梯阻抗微带线23，位于第二介质板21两条长边中点的连线aa'的两侧，该两条阶梯阻抗微带线23连线aa'的一端分别与枝节环形谐振器22的两个枝节实现耦合。
11.上述间隙波导滤波器，所述两条l型微带线24，其纵向臂的自由端分别通过金属化通孔25与对应的两条阶梯阻抗微带线靠近连线aa'的一端连接，该两条l型微带线24横向臂的自由端实现耦合。
12.上述间隙波导滤波器，所述人工磁导体3，包括磁导体介质基板31、印制在磁导体介质基板31上表面周期性排布的多个第一金属贴片32和下表面的金属地板33；所述多个金属贴片的中心位置镂空有矩形容纳空间；所述金属地板33通过金属化通孔与每个金属贴片连接。
13.上述间隙波导滤波器，所述第一金属贴片32的形状为矩形。
14.上述间隙波导滤波器，所述腔体谐振器4，包括印制在磁导体介质基板31上表面的第二金属贴片41，该第二金属贴片41位于人工磁导体3中的矩形容纳空间内，并通过金属化通孔与金属地板33连接。
15.上述间隙波导滤波器，所述第二金属贴片41的形状为矩形。
16.上述间隙波导滤波器，所述腔体谐振器4，位于磁导体介质基板31板面的中心位置。
17.本发明与现有技术相比，具有以下优点：
18.1.本发明通过枝节环形谐振器的自身谐振特性产生两个传输零点，l型微带线自由端的相互耦合产生一个传输零点，同时微带谐振结构的传输路径和腔体谐振器的传输路径形成了交叉耦合产生一个传输零点，共产生的四个传输零点加宽了阻带范围并加强了阻带抑制水平，有效地提高了间隙波导滤波器的带外选择性。
19.2.本发明能够通过调节加载环形枝节谐振器的尺寸、l型微带线自由端之间的耦合间距、以及谐振腔的尺寸，实现对滤波器产生的传输零点位置的调节，使得零点的位置更靠近滤波器的通带，进一步提高了间隙波导滤波器的带外选择性。
附图说明
20.图1为本发明的整体结构示意图；
21.图2为本发明的微带谐振结构上表面的结构示意图；
22.图3为本发明的微带谐振结构下表面的结构示意图；
23.图4为本发明的回波损耗|s
11
|和插入损耗|s
21
|的s参数实测图。
具体实施方式
24.下面结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
25.参照图1，本发明包括自上而下依次层叠的电磁封闭结构1、微带谐振结构2和人工磁导体3；所述电磁封闭结构1包括第一介质板11和印制在其上表面的金属板12，所述电磁
封闭结构1与人工磁导体3能够对微带谐振结构2产生的电磁场进行封闭，以降低其损耗，第一介质板采用厚度为0.3mm、介电常数为2.2的rogers 5880板材。
26.所述微带谐振结构2，其结构如图2和图3所示，包括印制在第二介质板21上表面的枝节环形谐振器22和两条阶梯阻抗微带线23，枝节环形谐振器22位于第二介质板21两条长边中点的连线aa'上，两条阶梯阻抗微带线23位于aa'两侧，第二介质板采用厚度为0.3mm、介电常数为2.2的rogers 5880板材，枝节环形谐振器的微带线宽度w1是0.6mm，通过调节枝节环形谐振器的宽度可以调节间隙波导滤波器的工作频带范围，同时在通带左侧与通带右侧各产生一个传输零点，枝节环形谐振器的两段长度l1和l2分别是11.6mm和8mm，调节其长度可以调整上述两个传输零点的位置；两条阶梯阻抗微带线用来与枝节环形谐振器的阻抗进行匹配，阶梯阻抗微带线的两段长度l3和l4分别为14.6mm和1.8mm，两段宽度w2和w3分别为0.8mm和1.2mm，印制在第二介质板下表面与两条阶梯阻抗微带线对应的两条l型微带线24，该两条l型微带线实现耦合，耦合间距g为0.1mm，在通带右侧产生一个传输零点，两条l型微带线的长度皆为6.1mm，宽度皆为0.3mm，通过改变l型微带线的长度与它们之间的间距可以改变该传输零点的位置，l型微带线纵向臂的顶端通过金属化通孔25与对应的每条阶梯阻抗微带线23靠近第二介质板21两条长边中点的连线aa'的一端连接。
27.所述人工磁导体3，其结构如图1所示，包括磁导体介质基板31、印制在磁导体介质基板31上表面周期性排布的多个第一金属贴片32和下表面的金属地板33，磁导体介质基板采用厚度2mm、介电常数为2.2的rogers 5880板材；所述多个矩形贴片的边长为2mm，各相邻金属贴片的间距为0.6mm，多个金属贴片的中心位置镂空有矩形容纳空间；所述金属地板33通过金属化通孔与每个金属贴片连接。
28.所述人工磁导体3，其中心位置设置有腔体谐振器4，腔体谐振器的长度、宽度和高度分别为9.8mm、4.6mm和2mm，腔体谐振器4包括印制在磁导体介质基板31上表面的第二金属贴片41，第二金属贴片41位于多个金属贴片的中心位置镂空的矩形容纳空间的中心位置，第二金属贴片的长度为1.9mm，宽度为2mm；该第二金属贴片41通过金属化通孔与金属地板33连接。
29.本发明的工作原理是：射频信号由微带谐振结构中阶梯阻抗微带线的自由端输入，通过阶梯阻抗微带线与印制在第一介质板上表面的枝节环形谐振器的耦合，将信号传到枝节环形谐振器，将枝节环形谐振器激励起来，产生滤波器的通带，同时在通带的两侧各产生一个传输零点；由阶梯阻抗微带线自由端输入的射频信号，同时通过金属化通孔到达印制在第一介质板下表面的l型微带线，通过两条l型微带线的端耦合，在通带右侧产生了一个传输零点；射频信号在微带谐振结构传输的过程中，微带谐振结构与人工磁导体中心位置设置的腔体谐振器产生耦合，将腔体谐振器激励起来，微带谐振结构与腔体谐振器两条路径之间形成的交叉耦合，在通带的左侧产生一个传输零点；这四个零点的产生，有效提升了该间隙波导滤波器的带外选择性。
30.下面结合实测结果，对本发明的技术效果作进一步说明：
31.1.实验条件和内容：
32.使用矢量网络分析仪n5230c对本发明的回波损耗|s
11
|和插入损耗进行测量，其结果如图4所示。
33.2.实验结果分析：
34.参照图4，本实施例中通带的中心频率为21.2ghz；通带中的最大回波损耗|s
11
|为35.1db，最小插入损耗|s
21
|为0.45db；在通带左侧存在两个传输零点，分别位于19.3ghz和20.15ghz处；通带右侧存在两个传输零点，分别位于21.9ghz和24.95ghz处，共产生了4个传输零点，在18.65ghz到25.7ghz的抑制带宽范围内，最小阻带抑制为17.7db；从图4可以看出，该四个传输零点和宽阻带抑制显著提高了带外选择性。

技术特征：
1.基于枝节环形谐振器和腔体谐振器的间隙波导滤波器，包括自上而下依次层叠的电磁封闭结构(1)、微带谐振结构(2)和人工磁导体(3)；所述电磁封闭结构(1)包括第一介质板(11)和印制在其上表面的金属板(12)；所述电磁封闭结构(1)与人工磁导体(3)能够对微带谐振结构(2)产生的电磁场进行封闭，以降低其损耗；其特征在于：所述微带谐振结构(2)，包括印制在第二介质板(21)上表面的枝节环形谐振器(22)和能够与其耦合的两条阶梯阻抗微带线(23)，以及印制在其下表面与两条阶梯阻抗微带线对应的两条l型微带线(24)，每条阶梯阻抗微带线与其对应的l型微带线通过金属化通孔(25)连接；所述人工磁导体(3)，其中心位置设置有腔体谐振器(4)，用于实现谐振滤波特性。2.根据权利要求1所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述第二介质板(21)和第一介质板(11)，均采用矩形介质板材。3.根据权利要求2所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述枝节环形谐振器(22)，位于第二介质板(21)两条长边中点的连线aa'上。4.根据权利要求2所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述两条阶梯阻抗微带线(23)，位于第二介质板(21)两条长边中点的连线aa'的两侧，该两条阶梯阻抗微带线(23)连线aa'的一端分别与枝节环形谐振器(22)的两个枝节实现耦合。5.根据权利要求2所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述两条l型微带线(24)，其纵向臂的自由端分别通过金属化通孔(25)与对应的两条阶梯阻抗微带线靠近连线aa'的一端连接，该两条l型微带线(24)横向臂的自由端实现耦合。6.根据权利要求1所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述人工磁导体(3)，包括磁导体介质基板(31)和印制在其上表面周期性排布的多个第一金属贴片(32)以及下表面的金属地板(33)；所述多个金属贴片的中心位置镂空有矩形容纳空间；所述金属地板(33)通过金属化通孔与每个金属贴片连接。7.根据权利要求6所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述第一金属贴片(32)的形状为矩形。8.根据权利要求6所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述腔体谐振器(4)，包括印制在磁导体介质基板(31)上表面的第二金属贴片(41)，该第二金属贴片(41)位于人工磁导体(3)中的矩形容纳空间内，并通过金属化通孔与金属地板(33)连接。9.根据权利要求8所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述第二金属贴片(41)的形状为矩形。10.根据权利要求9所述的间隙波导滤波器，其特征在于，所述腔体谐振器(4)，位于磁导体介质基板(31)板面的中心位置。

技术总结
本发明提出了一种基于枝节环形谐振器和腔体谐振器的间隙波导滤波器，包括自上而下依次层叠的磁场封闭结构、微带谐振结构、人工磁导体和腔体谐振器；微带谐振结构包括第二介质板上表面的枝节环形谐振器；腔体谐振器位于周期性结构的人工磁导体的中心位置。本发明通过微带谐振结构中的枝节环形谐振器，以及人工磁导体中心位置设置的腔体谐振器，增加了滤波器传输零点的个数，从而加宽阻带范围并加强阻带抑制水平，有效地提高了间隙波导滤波器的带外选择性。选择性。选择性。


技术研发人员：丁学智 石增辉 王佳琪 魏峰
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.06.30
技术公布日：2023/9/20