基片集成波導－－電子帶隙帶通濾波器的製作方法

2023-05-01 19:35:41

專利名稱：基片集成波導－－電子帶隙帶通濾波器的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種可以應用於微波毫米波電路的設計，亦可用於系統封裝(SOP)、系統晶片(SOC)等高度集成系統中微波毫米波集成電路設計的基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器。
背景技術：
微波毫米波帶通濾波器在迅速發展的通信系統有著大量的應用。隨著寬帶通信系統的快速發展，對具有很寬通帶的濾波器有著迫切的需求。利用傳統的金屬脊波導等結構可以形成寬頻帶微波毫米波帶通濾波器。但是這些形式的濾波器首先很難做到非常寬的相對帶寬(≥50％)，其次這些形式的帶通濾波器體積比較龐大，難以和其他微波毫米波器件集成，第三這些形式的帶通濾波器加工成本比較昂貴，加工精度的要求比較高。為了克服這些困難，需要一種具有很寬帶寬(≥50％)，體積小，重量輕，加工成本低，易於集成的微波毫米波帶通濾波器。

發明內容
本實用新型提供一種既能滿足寬帶或者超寬帶系統中的濾波器需要，又易於將通信系統中微波毫米波電路與微波毫米波高性能濾波器集成在一起的基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器，它具有體積小、易於集成、加工成本比較低廉，頻率選擇性好的優點，尤其適合於大規模生產和微波毫米波集成電路的設計。
本實用新型採用如下技術方案一種基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片的介質基片，在介質基片上設有基片集成波導，該基片集成波導至少由2行金屬化通孔組成，金屬貼片由金屬化通孔連接，在介質基片的地面上設有電子帶隙結構，在介質基片的頂面上設有輸入端和輸出端且分別與同一基片集成波導連接，電子帶隙結構由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元組成，至少有1行同平面緊湊型電子帶隙單元位於基片集成波導內部區域的地面上，用於構成基片集成波導的金屬化通孔分別位於2行同平面緊湊型電子帶隙單元的各個電子帶隙單元內，該2行同平面緊湊型電子帶隙單元分別位於基片集成波導內部區域的同平面緊湊型電子帶隙單元的兩側。
與現有技術相比，本實用新型具有如下優點本實用新型利用在介質基片上的兩排或多排金屬化通孔，形成基片集成波導。本實用新型利用了基片集成波導的高通頻選特性和電子帶隙結構的帶阻特性，將電子帶隙結構緊密的和基片集成波導結合在一起，從而形成了高性能的濾波器，同時器件的體積大為減小。在這種濾波器的結構中，所有的結構都可以利用傳統的PCB或LTCC工藝實現，同時整個結構主要介質基片上的一系列的金屬通孔陣列所構成，從而減少了生產成本，同時有利於這種濾波器在微波毫米波電路設計中的集成；我們設計了一種較好的寬帶輸入輸出耦合結構並將電子帶隙結構緊密地和基片集成波導集成在一起；這種濾波器的實現主要是利用基片集成波導的高通頻選特性和電子帶隙結構的帶阻特性來實現。通過調節基片集成波導和電子帶隙結構的尺寸，可以形成具有很寬頻帶和極好選擇特性的基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器；這種濾波器設計方法簡單，可以通過增加相同電子帶隙結構單元的數目，極大地增加濾波器的頻選特性。本實用新型具體具有如下優點1)這種濾波器將電子帶隙結構(PBG)和基片集成波導(SIW)緊密的集成在一起，器件尺寸比較小，在微波毫米波電路的設計中易於和其他電路集成。這種濾波器可以在介質基片上利用常用的PCB或LTCC工藝實現，濾波器的主體結構均為金屬通孔陣列，結構緊湊，滿足低成本大規模加工的要求；2)能夠在很寬的頻帶範圍內實現高性能的頻率選擇性，設計方法比較簡單，可以通過在輸入端與輸出端之間增加相同電子帶隙結構單元的數目，極大的增加濾波器的頻選特性。


圖1是本實用新型結構主視圖。
圖2是本實用新型結構後視圖。
圖3是本實用新型結構側視圖。
圖4是對本實用新型實施例的測試結果圖，該測試結果包含了兩個SMA接頭的插損。
圖5本實用新型實施例1的結構後視圖。
圖6本實用新型實施例2的結構後視圖。
圖7本實用新型實施例3的結構後視圖。
具體實施方式
一種基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片21、22的介質基片3，在介質基片3上設有基片集成波導，該基片集成波導至少由2行金屬化通孔1組成，金屬貼片21、22由金屬化通孔1連接，在介質基片3的地面上設有電子帶隙結構，在介質基片3的頂面上設有輸入端2和輸出端5且分別與同一基片集成波導連接，電子帶隙結構由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元4組成，至少有1行同平面緊湊型電子帶隙單元位於基片集成波導內部區域的地面上，用於構成基片集成波導的金屬化通孔分別位於2行同平面緊湊型電子帶隙單元的各個電子帶隙單元內，該2行同平面緊湊型電子帶隙單元分別位於基片集成波導內部區域的同平面緊湊型電子帶隙單元的兩側(如圖2、圖5到圖7所示)。
上述金屬化通孔可以是2、3、5、8或11行。在本實施例中，可以有1、3、4、6、9或12行同平面緊湊型電子帶隙單元位於基片集成波導內部區域的地面上。
對本實用新型的測試表明該濾波器具有很寬的帶寬，很好的頻率選擇性。測試對象是利用PCB技術實現了的有11個單元超寬帶基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器(Wideband SIW-PBG Filter)。該濾波器的尺寸為5.5×4.2cm2。
本實用新型採用如下方法來進行對基片集成波導和同平面緊湊型電子帶隙單元的尺寸的調節首先我們根據矩形波導和基片集成波導之間的關係來調節構成基片集成波導的金屬通孔的直徑和間距cfc=C0/rr---(1.1)]]>上式中fc為常用矩形波導中矩形波導的截止頻率，在設計中取該濾波器的工作頻率範圍內的最低工作頻率，λc為常用矩形波導中矩形波導的截止波長，C0為自由空間中光的傳播數度，μr為矩形波導中介質的磁相對介電常數，εr為矩形波導中介質的電相對介電常數，由該式我們可以求得矩形波導的截止波長。
λc＝2arec(1.2)arec為對應的矩形波導寬邊長度，由(1.2)式我們可以求得所需的矩形波導寬邊長度arec1。
g=1-(c)2---(1.3)]]>λ工作在頻率f時所對應的工作波長，λg為工作在頻率f時矩形波導中的波導波長，當取頻率f為濾波器的最高工作頻率時，由(1.3)式，我們可以求得所需的矩形波導的波導波長λg1，為了最低限度減小基片集成波導側壁的洩漏，我們選取金屬通孔之間的間距VSP小於等於八分之一波導波長λg1，金屬通孔的直徑大於三十二分之一波導波長λg1同時它也小於十六分之一波導波長λg1。
在確定了構成基片集成波導的金屬通孔的直徑和間距以後，我們根據以下關係式來求得構成基片集成波導的兩行金屬通孔之間的間距，亦即基片集成波導的寬度WSIW。
a=arecWSIW=1+2VSPD+1+2-33-1---(1.4)]]>上式中a是歸一化因子，它反映了基片集成波導和矩形波導之間的關係，arec矩形波導之間的關係式，ξ1，ξ2，ξ3分別定義如下
1=1.0198+0.3465WSIWVSP-1.0684,2=-0.1183-1.2729WSIWVSP-1.2010,3=1.0082-0.9163WSIWVSP+0.2152---(1.5)]]>我們使用電磁全波算法(時域有限差分算法)對同平面緊湊型電子帶隙單元構成的電子帶隙結構進行電磁仿真，從而獲得了電子帶隙結構的阻帶頻率，我們經過電磁全波算法對電子帶隙結構進行優化，使得電子帶隙結構的阻帶頻率和該濾波器的上限工作頻率相等，從而獲得了電子帶隙單元的尺寸。
權利要求1.一種基片集成波導--電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片(21、22)的介質基片(3)，在介質基片(3)上設有基片集成波導，該基片集成波導至少由2行金屬化通孔(1)組成，金屬貼片(21、22)由金屬化通孔(1)連接，在介質基片(3)的地面上設有電子帶隙結構，在介質基片(3)的頂面上設有輸入端(2)和輸出端(5)且分別與同一基片集成波導連接，其特徵在於電子帶隙結構由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元(4)組成，至少有1行同平面緊湊型電子帶隙單元位於基片集成波導內部區域的地面上，用於構成基片集成波導的金屬化通孔分別位於2行同平面緊湊型電子帶隙單元的各個電子帶隙單元內，該2行同平面緊湊型電子帶隙單元分別位於基片集成波導內部區域的同平面緊湊型電子帶隙單元的兩側。
專利摘要本實用新型公開了一種基片集成波導－－電子帶隙帶通濾波器，包括雙面覆有分別作為頂面、地面的金屬貼片的介質基片，在介質基片上設有基片集成波導，地面上設有電子帶隙結構，頂面上設有輸入端和輸出端且分別與同一基片集成波導連接，電子帶隙結構由按陣列排列的同平面緊湊型電子帶隙單元組成。本實用新型具有如下優點濾波器將電子帶隙結構(PBG)和基片集成波導(SIW)緊密的集成在一起，器件尺寸比較小，在微波毫米波電路的設計中易於和其他電路集成，滿足低成本大規模加工的要求；能夠在很寬的頻帶範圍內實現高性能的頻率選擇性，設計方法比較簡單，可以通過在輸入端與輸出端之間增加相同電子帶隙結構單元的數目，極大地增加濾波器頻選特性。
文檔編號H01P3/16GK2796132SQ20052007221
公開日2006年7月12日 申請日期2005年6月1日 優先權日2005年6月1日
發明者洪偉, 郝張成, 陳繼新, 吳柯 申請人:東南大學