一种W波段波导滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，具体是一种W波段波导滤波器。

背景技术

近几年随着军民用无线通讯技术的快速发展，毫米波已普遍地应用于雷达与制导、电子对抗、通信、遥感探测、成像等系统中。毫米波滤波器作为一种选频器件在毫米波系统应用中扮演着重要的角色，它的主要功能是进行信号频率的选择与过滤，即使需要的信号频率在信道中进行有效传输，而使不需要的信号频率在信道中得到有效衰减或被抑制，以免造成对有用信号频率的干扰。当今新兴毫米波雷达系统正持续对毫米波滤波器的性能、尺寸、成本等要素提出着挑战和更苛刻的要求。与此同时，随着第五代移动通信和物联网技术的快速发展，毫米波通信技术因其传输速率高、传输容量大、安全性好、抗干扰能力强等特点，正成为无线通信系统发展的方向。因此，W波段因为其超宽的频带资源而被广泛关注。波导滤波器由于其具有高Q值、低损耗及功率容量大等优点而被广泛应用于W波段滤波器的研究。

为了克服传统波导滤波器体积大、笨重的缺陷，在1974年首先由Konishi提出了一种新的波导滤波器实现结构，即E面波导滤波器，该滤波器采用在波导对称面(E面)插入含有多个感性金属条带的金属片，其金属片上的各金属条带宽度及间隔经过理论分析获得。这种E面波导滤波器由于具有损耗小、Q值高、成本低、加工方便及适合批量生产的优越性能，而得到了广泛的应用。但是，随着无线通信技术的快速发展，现代卫星通信和武器装备等空间系统对波导滤波器的体积、重量的要求更加苛刻，普通的E面金属膜片波导滤波器由于具有体积较大和选择性较差的缺点，已经不能完全满足现在卫星通信和武器装备的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有滤波器具有体积较大和选择性较差的缺点，为了解决该问题，本发明提供一种W波段波导滤波器，其体积小和选择性好。

本发明的内容为一种W波段波导滤波器，包括下盒体和上盒体，下盒体的上部与上盒体的下部连接，下盒体的上表面开设凹槽，凹槽内设置介质基板，介质基板上部设置金属箔层，介质基板下部设置下接地层，介质基板上开设通孔，金属箔层有第一谐振单元、上接地层和第二谐振单元，下接地层通过通孔与上接地层连接。

进一步地，所述的第一谐振单元有三个横向的横条和三个纵向的纵条，三个横条分别为第一横条、第二横条和第三横条，三个纵条分别为第一纵条、第二纵条和第三纵条，第一纵条和第三纵条分别与第二横条的两端连接，第二纵条分别与第一横条、第二横条和第三横条连接。

进一步地，所述的上接地层有横向的第一上接地层和第二上接地层，第一谐振单元和第二谐振单元位于第一上接地层和第二上接地层之间。

进一步地，所述的第二谐振单元有纵向的第一箔条和第二箔条，第一谐振单元位于第一箔条和第二箔条之间。

进一步地，所述的下接地层有横向的第一下接地层和第二下接地层，第一下接地层和第二下接地层分别位于凹槽内的两侧。

进一步地，所述的凹槽有第一凹槽和第二凹槽。

进一步地，所述的下盒体的上表面开设下腔体，上盒体的下表面对应开设上腔体，下腔体与凹槽相通。

进一步地，所述的下盒体和上盒体上分别开设数个连接孔，连接孔内对应设置连接件。

进一步地，所述的下盒体上分别开设第一销钉孔、第二销钉孔和第一空孔，上盒体上分别开设第三销钉孔、第四销钉孔和第二空孔。

进一步地，所述的通孔为金属化通孔。

本发明的有益效果是，本发明将设置有第一谐振单元和第二谐振单元的介质基板设置在下盒体和上盒体内，可以减小滤波器的体积。本发明结构简单、设计灵活、性能优异，具备很好的设计自由度，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整各参数大小来达到设计目的，可以被广泛应用于W波段通信系统的各个领域之中。

附图说明

附图1为本发明的结构示意图；

附图2为本发明的金属箔层结构示意图；

附图3为本发明的下接地层结构示意图；

附图4为本发明的下盒体结构示意图；

附图5为本发明的上盒体结构示意图；

附图6为本发明的上盒体和下盒体组合后的结构示意图；

附图7为本发明去除第一谐振单元后，第一箔条和第二箔条在不同长度时，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化的示意图；

附图8为本发明去除第二谐振单元后，传输系数(S11和S21)随频率(Frequency)变化的示意图；

附图9为本发明去除第二谐振单元后，第一横条和第三横条在不同长度时，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化的示意图；

附图10为本发明利用HFSS电磁仿真软件最终仿真结果。

在图中，1、金属箔层 2、介质基板 3、下接地层 4、下盒体 5、通孔 6、上盒体 7、第一谐振单元 8、上接地层 9、第二谐振单元。

具体实施方式

如附图1-6所示，一种W波段波导滤波器，包括下盒体4和上盒体6，下盒体4的上部与上盒体6的下部连接，下盒体4的上表面开设凹槽，凹槽内设置介质基板2，介质基板2上部设置金属箔层1，介质基板2下部设置下接地层3，介质基板2上开设通孔5，金属箔层1有第一谐振单元7、上接地层8和第二谐振单元9，下接地层3通过通孔5与上接地层8连接。介质基板2可以为厚度0.127mm的Rogers5880基板。这种结构将设置有第一谐振单元7和第二谐振单元9的介质基板2设置在下盒体4和上盒体6内，可以减小滤波器的体积。设置有第二谐振单元9的下盒体4和上盒体6，构成波导滤波器的金属屏蔽盒，起到低通滤波器的作用。这种结构简单、设计灵活、性能优异，具备很好的设计自由度，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整各参数大小来达到设计目的，可以被广泛应用于W波段通信系统的各个领域之中。下盒体4和上盒体6的材质均可以采用铜，并在表面镀金处理。

所述的第一谐振单元7有三个横向的横条和三个纵向的纵条，三个横条分别为第一横条71、第二横条72和第三横条73，三个纵条分别为第一纵条74、第二纵条75和第三纵条76，第一纵条74和第三纵条76分别与第二横条72的两端连接，第二纵条75分别与第一横条71、第二横条72和第三横条73连接。第一谐振单元7为直线型小型化谐振单元。第一横条71和第三横条73关于第二横条72对称。第一纵条74和第三纵条76关于第二纵条75对称。第一谐振单元7与第二谐振单元9的间距为0.12mm；第二横条72长为1.35mm，宽为0.1mm。本发明去除第二谐振单元后，传输系数(S11和S21)随频率(Frequency)的变化如图8所示。本发明去除第二谐振单元9后，根据第一横条71和第三横条73的长度L

所述的上接地层8有横向的第一上接地层81和第二上接地层82，第一谐振单元7和第二谐振单元9位于第一上接地层81和第二上接地层82之间。第一上接地层81和第二上接地层82均可以为金属箔条，厚度为0.017mm，第一上接地层81和第二上接地层82关于第一谐振单元7上下对称，能够更好的保证介质基板2通过其与上盒体6良好接触。

所述的第二谐振单元9有纵向的第一箔条91和第二箔条92，第一谐振单元7位于第一箔条91和第二箔条92之间。第一箔条91和第二箔条92均可以为金属箔条。将第一箔条91和第二箔条92印刷在介质基板2上，第一箔条91和第二箔条92的厚度为0.017mm。第一箔条91和第二箔条92为均匀阻抗谐振单元，相当于两个半波长谐振单元，在滤波器的上阻带产生两个传输零点，改变第一箔条91和第二箔条92之间的距离、长度和宽度，都可以很好的改变两点零点的谐振频率，此时第一箔条91和第二箔条92的长度小于1/2波导波长。这种结构简单，同时加工难度低，设计灵活。第一谐振单元7位于第一箔条91和第二箔条92之间，第一箔条91和第二箔条92相对于第一谐振单元7对称，这样从设计结构上可以减少W波段波导滤波器的体积，第一箔条91和第二箔条92和第一谐振单元7之间相互耦合，能够进一步的减小W波段滤波器的尺寸。

所述的下接地层3有横向的第一下接地层31和第二下接地层32，第一下接地层31和第二下接地层32分别位于凹槽内的两侧。第一下接地层31和第二下接地层32均可以为金属箔条，第一下接地层31和第二下接地层32印刷在介质基板2上；第一下接地层31和第二下接地层32关于介质基板2中心对称，能够更好的保证介质基板2通过其与下盒体4良好接触。

所述的凹槽有第一凹槽45和第二凹槽46。这种结构便于将介质基板2置入凹槽。第一凹槽45和第二凹槽46可以是金属槽。第一凹槽45和第二凹槽46均倒角，能够使介质基板2更好的安装在第一凹槽45和第二凹槽46内，防止W波段射频信号的泄露。

所述的下盒体4的上表面开设下腔体49，上盒体6的下表面对应开设上腔体67，下腔体49与凹槽相通。下腔体49与上腔体67共同构成标准的矩形波导谐振腔，输入、输出口为标准的WR10(a＝1.27mm，b＝2.54mm)。下腔体49与上腔体67可以是金属腔体。

所述的下盒体4和上盒体6上分别开设数个连接孔，连接孔内对应设置连接件。连接孔可以是螺钉孔、销钉孔等，连接件可以是螺钉、销钉等。图中标号41、42、43、44、61、62、63和64均为螺钉孔，螺钉孔内对应设置螺钉。47、48、65和66均为销钉孔，销钉孔内对应设置销钉。销钉孔直径均为1.65mm，螺钉孔直径均为2mm。

为了便于下盒体4和上盒体6与其它器件的连接，所述的下盒体4上分别开设第一销钉孔411、第二销钉孔412和第一空孔410，上盒体6上分别开设第三销钉孔69、第四销钉孔610和第二空孔68。销钉孔直径均为1.65mm，空孔直径均为3mm。

所述的通孔5为金属化通孔。金属化通孔能够更好的保证介质基板2与其他部件的连接，进而有利于抑制寄生模的产生。

所述的上接地层8和下接地层3上分别对应开设连接孔，连接孔与通孔5对应重合。连接孔能够保证上接地层和下接地层更好的连接。连接孔和通孔5均可以为多个，多个连接孔沿长度方向在上接地层8和下接地层3上均匀排列，多个通孔5与连接孔对应重合，连接孔可以为金属化通孔，连接孔能够进一步的保证上接地层和下接地层更好的连接；在实际设计中，若金属化通孔的直径太小，则实际加工不易实现；若金属化通孔的直径太大，则会导致W波段射频信号的泄漏，进而导致W波段E面波导滤波器的插损过大，因此，连接介质基板2上下表面的金属化的通孔5和连接孔直径均设置为0.3mm，相邻之间的通孔5和相邻之间的连接孔沿y轴的间距为0.5mm，沿x轴的间距为1.97mm。

本发明为了减少紧凑型和多传输零点的滤波器的体积，将第一箔条91和第二箔条92设计在第一谐振单元7的两侧，这样不仅从设计结构上可以减小滤波器的体积，同时第一箔条91和第二箔条92和第一谐振单元7之间相互耦合，能够进一步的减小W波段滤波器的尺寸。

以本发明结构中心为原点，介质基板2的短边为x轴，即纵向，长边为y轴，即横向，按照右手法则确定z轴，建立三维坐标系，本发明结构分别关于y轴对称。

金属箔条和接地层均可以为铜箔，金属箔条和接地层印刷在介质基板2上，厚度均为0.017mm。这种设计能够使得结构紧凑，介质基板2能够安装在第一凹槽45和第二凹槽46中，同时也能够保证下接地层3与下盒体4的上表面良好接触。接地层沿x轴的长度为0.7mm。若下接地层3沿x轴的长度太短，则不能保证介质基板2能够很好的与下盒体4的上表面良好接触，同时安装难度也非常大；若下接地层3沿x轴的长度太长，不仅会加大介质基板2的体积，同时有可能在上盒体6和下盒体4闭合的过程中，对介质基板2挤压导致介质基板2变形；上接地层8和下接地层3共同作用，能够保证介质基板2与上盒体6和下盒体4组合成的腔体实现良好的接触，进而抑制W波段E面波导滤波器高次模的产生。

下凹槽49与上凹槽67沿x轴的深度均为1.27mm，沿y轴的长度为均13mm，沿z轴的深度均为1.27mm。

销钉孔直径均为1.65mm，螺钉孔直径均为2mm，空孔直径均为3mm。

介质基板2沿x轴的长度为2.67mm，沿y轴的长度为3.21mm。

所述上盒体6和下盒体4沿x轴的长度均为19mm，沿y轴的长度均为13mm，沿z轴的长度均为9.5mm。

上述尺寸均结合了实际的电路设计理论和仿真结果，同时根据设计加工精度设计而确定的，这样既保证了设计的准确性，同时也保证了实际加工的可行性。

第一谐振单元7位于第一箔条91和第二箔条92的正中间，第一谐振单元7与第二谐振单元9沿y轴的间距为0.12mm；如图7所示，发明去除第一谐振单元7后，第一箔条91和第二箔条92的长度L0在不同的条件下，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化后的结果，根据该示意图，选定第一箔条91和第二箔条92的长为1.07mm。宽为0.1mm。第一箔条91和第二箔条92与相邻的凹槽侧壁沿y轴的距离均为0.61mm，这样设计是为了保证本发明的回波系数更好，进而使得本发明具有更小的插入损耗。

第一凹槽45和第二凹槽46沿x轴的长度均为0.72mm，沿y轴的长度均为13mm，沿z轴的深度均为0.15mm。

本发明结构性能优异，结构简单，设计灵活，加工成本低。本发明将新型的直线型小型化谐振单元和两个均匀阻抗谐振单元用在W波段E面波导滤波器结构的设计中，使得在滤波器的上阻带产生2个传输零点和在其下阻带产生1个传输零点，使得滤波器具有高的带外抑制和矩形系数。本发明滤波器结构具备很好的设计自由度，可以根据不同应用的需求，通过合理地调整各参数大小来达到设计目的，所以很容易被推广到各领域的毫米波射频电路应用之中。