一种双频半封闭超表面腔体滤波器及传输零点控制方法

技术领域

本发明涉及电子技术领域，特别是涉及一种双频超表面腔体滤波器及传输零点控制方法。

背景技术

5G毫米波频段的确定和划分拓展了频谱。随着5G网络的布局完善及6G通信系统的研究开展，滤波器的更高频段低插入损耗、多频、高度小型化和频率选择性设计成为亟待解决的问题，从而能够为更高频段设计、硬件低损耗和集成化设计关键技术提供一定的解决方案。

目前，常用的解决方法有几种，一种是利用脊间隙波导(RGW)技术提出的毫米波低插入损耗(IL)波导带通滤波器。该类滤波器的带宽(BW)拓展主要是通过直接耦合多个单模谐振腔体，因此，RWG滤波器存在体积大、质量重问题；另一种是利用基片集成波导(SIW)技术提出的集成化、小型化毫米波多频带通滤波器。但是，该类滤波器实现多频、宽带响应仍需要耦合多个SIW腔体，这导致插入损耗变大，另外，因波导阻抗大而需要额外过渡匹配电路。

有限传输零点(FTZ)的可控性意义在于增强控制FTZ数量、频率大小的灵活性，从而改善滤波器的频段间抑制差、频率选择性差和矩形系数(K)问题，在没有对波导进行其他设计情况下，例如对SIW波导切缝隙，该滤波器不具备频率选择功能。有研究通过多个谐振腔体的腔模在输入输出端口的耦合关系，得出在通带两侧引入FTZ的方法，然而，多个频段同时工作时，该方法不能实现频段之间更多的FTZ。

另外，可以通过在SIW腔壁上切缝隙等设计方法引入负耦合，设计滤波器的FTZ。这种方法最大优点是实现带外FTZ设计但未扰动带内响应。但是该方法的缺点则在于缝隙的形状设计、尺寸选择复杂，导致频率选择可控性不高且BW较窄。而利用集成基片间隙波导(ISGW)技术封装SIW滤波器，由此设计得到通带两侧具有FTZ，可以改善滤波器矩形系数。但是该方法增大了滤波器的剖面和介质损耗。

由此可见，常用的滤波器确实存在一定的缺陷，一方面是传统集成基片间隙波导(ISGW)和基片集成波导(SIW)腔体滤波器中存在频段之间抑制差和不具备频率选择性问题，另一方面是IW腔体滤波器中存在的辐射损耗的问题，此外，传统金属矩形波导、圆波导等结构还存在体积大、质量重等问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种双频半封闭超表面腔体滤波器及传输零点控制方法，能够在不影响带内响应的功能下，解决传统集成基片间隙波导(ISGW)和基片集成波导(SIW)腔体滤波器中存在的频段之间抑制差和不具备频率选择性问题，解决SIW腔体滤波器中存在的辐射损耗的问题，同时本发明的滤波器还具有带外抑制度高、矩形系数好、结构小型化的特点。

第一方面，本发明实施例提供了一种双频半封闭超表面腔体滤波器，包括：

顺序层叠的上层介质板和下层介质板；

所述上层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述上层介质板的下表面印刷有周期性贴片单元，所述周期性贴片单元的每个贴片上都切割有顺序排列的若干条缝隙，所述周期性贴片单元、所述上层介质板和所述第一金属层共同构成滤波器的上表面；

在所述周期性贴片单元的相邻两侧设置有微带线馈电结构；

所述下层介质板在与所述周期性贴片单元相对应的位置处设置有凹形腔体，所述凹形腔体的四周设置有周期性金属化蘑菇状结构单元，所述周期性金属化蘑菇状结构单元构成所述凹形腔体的腔壁；

所述下层介质板的下表面印刷有第二金属层，所述第二金属层构成所述滤波器的下表面；

所述凹形腔体的相邻两侧在与所述微带线馈电结构相对应的位置处设置有腔体端口，所述腔体端口设置有馈线过孔，所述馈线过孔穿透所述第二金属层。

进一步地，所述周期性金属化蘑菇状结构单元由若干个过孔和相应的金属贴片组成，所述过孔双排平行设置在所述凹形腔体的四周，构成所述凹形腔体的腔壁，所述过孔穿透所述第二金属层，且每个所述过孔的上方均对应设置有所述金属贴片。

进一步地，所述微带线馈电结构包括第一馈电微带线和第二馈电微带线，所述第一馈电微带线和所述第二馈电微带线为共面垂直设置；

所述腔体端口包括第一腔体端口和第二腔体端口，所述第一腔体端口与所述第一馈电微带线相对应，所述第二腔体端口与所述第二馈电微带线相对应，在所述第一腔体端口设置有第一馈线过孔和第二馈线过孔，在所述第二腔体端口设置有第三馈线过孔和第四馈线过孔。

进一步地，所述周期性贴片单元为若干个周期性方形贴片按照预设排列组成的矩形结构单元。

第二方面，本发明实施例提供了一种双频半封闭超表面腔体滤波器传输零点控制方法，包括：

获取双频半封闭超表面腔体滤波器的周期性贴片单元的传输线模型；

通过ABCD矩阵将所述传输线模型转换为正向传输参数的表达式；

根据所述正向传输参数的表达式，计算得到传输零点的位置；

通过所述周期性贴片单元的周期参数和所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的缝隙参数，控制所述传输零点的位置；

通过所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的数量，控制所述传输零点的数量。

进一步地，所述获取双频半封闭超表面腔体滤波器的周期性贴片单元的传输线模型的步骤包括：

所述周期性贴片单元中每两个贴片之间存在有贴片电容和贴片电感，每个贴片上的每条缝隙均存在有缝隙电容和缝隙电感；

所述贴片电容和所述贴片电感为并联连接，所述缝隙电容和所述缝隙电感为并联连接，且两个所述并联连接之间为串联连接，构成所述传输线模型。

进一步地，采用如下公式计算所述正向传输参数的表达式：

其中，

[ABCD]为传输矩阵[a

进一步地，所述通过所述周期性贴片单元的周期参数和所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的缝隙参数，控制所述传输零点的位置的步骤包括：

通过所述周期性贴片单元的周期参数，控制所述传输零点的位置；

通过所述周期性贴片单元的每个贴片上的缝隙的缝隙参数，控制所述传输零点的位置，所述缝隙参数包括缝隙长度、缝隙宽度、以及两个缝隙之间的缝隙间距。

进一步地，所述通过所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的数量，控制所述传输零点的数量的步骤包括：

根据每两个耦合的缝隙构成一阶带阻滤波响应，得到所述传输零点的数量；

通过所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的数量，控制所述传输零点的数量，所述传输零点的数量为所述缝隙的数量减去一。

进一步地，在所述通过所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的数量，控制所述传输零点的数量之后还包括：

获取所述双频半封闭超表面腔体滤波器的第一等效电路，所述第一等效电路包括并联连接的腔体端口等效电路、周期性金属化蘑菇状结构单元等效电路、介质腔体等效电路和所述传输线模型；

根据所述周期性金属化蘑菇状结构单元等效电路的抑制寄生谐振模式，生成频率禁止带隙；

根据所述频率禁止带隙和所述介质腔体等效电路，生成频率禁止带隙内具有预设数量的谐振腔模式。

本发明提供了一种双频超表面腔体滤波器及传输零点控制方法，与现有技术相比，本发明实现了毫米波双频带通滤波器，在不影响带内响应的功能下，解决了传统集成基片间隙波导(ISGW)和基片集成波导(SIW)腔体滤波器中存在的频段之间抑制差和不具备频率选择性问题，解决了SIW腔体滤波器中存在的辐射损耗的问题，同时具有带外抑制度高、矩形系数好、易加工、结构小型化和质量轻的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的双频超表面腔体滤波器的结构示意图；

图2是图1中上层介质板的下表面结构示意图；

图3是图1中下层介质板的上表面结构示意图；

图4是图1中下层介质板的下表面结构示意图；

图5是本发明实施例提供的双频超表面腔体滤波器的传输零点的控制方法的流程示意图；

图6是本发明实施例提供的FSS单元结构及电感电容效应图；

图7是图6中FSS单元结构的等效电路示意图；

图8是图6中FSS单元结构的传输系数仿真和计算结果示意图；

图9是本发明实施例提供的周期参数对FTZ位置调控的分析示意图；

图10是本发明实施例提供的缝隙参数对FTZ位置调控的分析示意图；

图11是本发明实施例提供的缝隙间隔对FTZ位置调控的分析示意图；

图12是每个贴片切割有两个缝隙的FSS反射系数和传输系数的仿真结果示意图；

图13是本发明实施例提供的双频超表面腔体滤波器的等效电路示意图；

图14是本发明实施例提供的“点”型缺陷腔体示意图；

图15是本发明实施例提供的“线”型缺陷腔体示意图；

图16是本发明实施例提供的双频超表面腔体滤波器的传输参数的测试示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明第一实施例提出的一种双频超表面腔体滤波器，包括：上层介质板2和下层介质板10，两层介质板为上下顺序层叠，可以通过粘接或者塑料螺丝固定在一起。上层介质板2的上表面印刷有第一金属层1，下表面印刷有周期性贴片单元3。

请参阅图2，周期性贴片单元3是若干个周期性方形贴片按照预设排列组成的矩形结构单元，本实施例中优选的采用3×4的排列方式组成周期性贴片单元3，在每个贴片上都切割有顺序排列的若干条缝隙，本实施例中优选的，切割了三条缝隙，且每条缝隙的长度依次增加，即图2中的4、5和6三条缝隙，在周期性贴片单元3的相邻两侧设置有微带线馈电结构，包括第一馈电微带线7和第二馈电微带线7，并且优选的将微带线馈电结构的特征阻抗设置为50Ω，可以看到第一馈电微带线7和第二馈电微带线7为共面垂直设置。本实施例中的周期性贴片单元3构成了频率选择性超表面FSS，上层介质板2、第一金属层1和FSS就构成了腔体的具有介质间隙的上宽面。

在下层介质板10与周期性贴片单元3相对应的位置处设置有凹形腔体，请参阅图3和图4，在凹形腔体的四周设置有周期性金属化蘑菇状结构单元，周期性金属化蘑菇状结构单元由过孔9和金属贴片8组成，过孔9双排平行设置在凹形腔体的四周，构成凹形腔体的腔壁，每个过孔9的上方均对应设置有金属贴片8，也就是说，下层介质板10沿着X方向和Y方向打有两排周期性金属化蘑菇状结构单元，过孔9的高构成滤波器的纵向即Z方向的四个腔壁，当然也可以沿着横向即X方向和Y方向增加腔体的宽度和长度，来调节滤波器的工作中心频率和截止模式频率，在此两排过孔只是一种优选的方式，并且以X方向和Y方向形成的矩形腔体也只是一种优选方式，实际上对于不规则形状的腔体，也可以应用于本发明提供的滤波器的结构中，具体形状和尺寸可以根据具体情况灵活设置。

在下层介质板10的凹形腔体的相邻两侧设置有腔体端口，即第一腔体端口A和第二腔体端口B，第一腔体端口A和第二腔体端口B在位置上与第一馈电微带线7和第二馈电微带线7分别对应，在两个腔体端口位置也打有两个馈线过孔12，即一共四个馈线过孔12，分别为第一馈线过孔12、第二馈线过孔12、第三馈线过孔12和第四馈线过孔12。也就是说，本发明的馈电微带线由三部分组成，包括馈入腔体部分、端口过孔部分和用于测试的预留焊接探头。

在下层介质板10的下表面还印刷有第二金属层11，过孔9和馈线过孔12均穿透第二金属层11，实际上馈线过孔12也是周期性，只是与过孔9的孔直径不同，即与过孔9的周期不同，第二金属层11构成了滤波器的下表面。

通过上述说明，我们可以得到双频半封闭超表面腔体滤波器的结构特征，实际上，在制作滤波器时，首先要设计的是凹形腔体，可以利用适用于设计ISGW缺陷腔体的基础理论来设计凹形腔体，电磁波在ISGW波导中传播，谐振波长λ，腔体宽边a，窄边b，腔长l。当a＝5b时，谐振频率与腔体尺寸和模式的变化关系式如下所示：

式中，f

然后再设置上层介质板2上的周期性贴片单元3和微带线馈电结构7，以及下层介质板10上的周期性金属化蘑菇状结构单元，并通过调整过孔9的排列和周期来调节滤波器的工作中心频率和截止模式频率，就能够得到本发明实施例提供的双频半封闭超表面腔体滤波器，下面对本发明提供的滤波器具有的特性进行说明。

请参阅图5，基于同一发明构思，本发明第二实施例提供的一种双频半封闭超表面腔体滤波器传输零点控制方法，包括：

步骤S10，获取双频半封闭超表面腔体滤波器的周期性贴片单元的传输线模型。

步骤S20，通过ABCD矩阵将所述传输线模型转换为正向传输参数的表达式。

步骤S30，根据所述正向传输参数的表达式，计算得到传输零点的位置。

步骤S40，通过所述周期性贴片单元的周期参数和所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的缝隙参数，控制所述传输零点的位置。

步骤S50，通过所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的数量，控制所述传输零点的数量。

由于传统集成基片间隙波导(ISGW)和基片集成波导(SIW)腔体滤波器中存在频段之间抑制差和不具备频率选择性的问题，为了解决这些问题，本发明将滤波器的上宽面设计为具有频率选择功能的超表面FSS结构，即为图6所示，本实施例中优选的FSS结构为沿着X方向布局三行，沿着Y方向布局四列，构成周期性结构，并使之与第一金属层1存在一个介质间隙，即上层介质板2的高度参数h

利用传输线模型的ABCD矩阵，就可以得到含有传输零点FTZ的S

其中，

[ABCD]为传输矩阵[a

传输参数S

也就是说，通过本发明设计的FSS结构，就可以计算出传输零点的位置，那么通过调整FSS结构的各个参数，也必然可以对传输零点的位置进行控制。具体步骤如下所示：

步骤S401，通过所述周期性贴片单元的周期参数，控制所述传输零点的位置；

步骤S402，通过所述周期性贴片单元的每个贴片上的缝隙的缝隙参数，控制所述传输零点的位置，所述缝隙参数包括缝隙长度、缝隙宽度、以及两个缝隙之间的缝隙间距。

我们通过周期性贴片单元3的周期参数p'、方形贴片上三条缝隙的长度l

在l

从图9可以看到，周期参数p'会影响到FTZ

进一步地，本发明提供的滤波器还可以通过缝隙的数量来控制传输零点的数量，具体步骤如下所示：

步骤S501，根据每两个耦合的缝隙构成一阶带阻滤波响应，得到所述传输零点的数量；

步骤S502，通过所述周期性贴片单元中的每个贴片上的缝隙的数量，控制所述传输零点的数量，所述传输零点的数量为所述缝隙的数量减去一。

根据分支线耦合原理，将两两耦合的分支线上的电流转换为两两耦合缝隙的互补磁电流。这样就得到了将带通滤波响应转换为带阻的滤波响应，而每两个耦合的分支线构成一阶带通滤波响应，据此每两个耦合的缝隙构成一阶带阻滤波响应，即得到一个FTZ，因此，由缝隙所得的有限传输零点的数量应当为N-1个，N为方形贴片上所切割出的缝隙的数量。

请参阅图12，在贴片上切割了两个缝隙，波段的两个FTZ的频率为FTZ

再结合图8，贴片上切割了三个缝隙，波段的三个FTZ的频率分别为36GHz、44GHz、47.5GHz、三个频段(此时也即有三个FTZ)的S

进一步地，还可以将本实施例提供的滤波器等效为电路模型，并对等效电路进行滤波响应分析，具体步骤包括：

步骤S60，获取所述双频半封闭超表面腔体滤波器的第一等效电路，所述第一等效电路包括并联连接的腔体端口等效电路、周期性金属化蘑菇状结构单元等效电路、介质腔体等效电路和所述传输线模型；

步骤S70，根据所述周期性金属化蘑菇状结构单元等效电路的抑制寄生谐振模式，生成频率禁止带隙；

步骤S80，根据所述频率禁止带隙和所述介质腔体等效电路，生成频率禁止带隙内具有预设数量的谐振腔模式。

请参阅图13，对于滤波器的等效电路可以划分为四个部分，分别为腔体端口等效电路、周期性金属化蘑菇状结构单元等效电路、介质腔体等效电路、以及上述的周期性贴片单元的传输线模型。

在腔体端口处由于打了两个馈电过孔12，因此两个馈电过孔12之间的微带线馈电结构7就存在电感L

通过图13可以看到，周期性贴片单元3的两个贴片之间的电路通过与过孔9之间的耦合电容C

请参阅图14，在“点”型缺陷腔体中，在其频率禁止带隙FSG内存在一个谐振腔模式，即GM1，实际上，根据腔体的不同，在频率禁止带隙可以存在多个谐振腔模式。

请参阅图15，在“线”型缺陷腔体内，其频率禁止带隙FSG存在两个谐振腔模式，即GM1和GM2，当然还可以设计出存在多个谐振腔模式的情况，都可以根据本发明实施例提供的方法进行设计，在此将不再一一举例说明。

根据本发明实施例提供的滤波器及其传输零点控制方法，下面来进行滤波器设计和测试，其滤波器的设计参数如下表1所示，需要说明的是，以下设计参数只是用于举例说明而非具体限制，后续将不再一一赘述。

表1滤波器设计参数单位：mm

上层介质板2采用介电常数为2.2、损耗角正切为0.009，厚度0.254mm的RT5880介质材料；下层介质板10采用介电常数为3.36、损耗角正切为0.0027、厚度0.813mm的Rogers介质材料；滤波器整体尺寸为14.02mm*15.76mm*1.076mm。

在FSS为3行×4列布局时，相应的尺寸一般为缝隙的长度都小于其贴片的周期大小，而每个缝隙的宽度都远小于缝隙的长度，具体的尺寸根据滤波器设计要求的不同，可以有多种优化选择。

对按照上述设计参数制作的不含有FSS超表面的双频ISGW腔体滤波器和双频超表面腔体滤波器分别进行传输参数S

请参阅图16，从双频超表面腔体滤波器在工作波段26.59-27.11GHz和33.56-34.47GHz下的S参数的测试结果中可以看到，其中心频率f

与没有FSS超表面的双频ISGW腔体滤波器相比，本发明提供的双频超表面腔体滤波器的带外抑制水平从5dB提高到11dB，两个设计波段之间的FTZ数量从1增加到4。即从FTZ

综上，本发明实施例提供一种双频超表面腔体滤波器及传输零点控制方法，其滤波器包括顺序层叠的上层介质板和下层介质板；所述上层介质板的上表面印刷有第一金属层，所述上层介质板的下表面印刷有周期性贴片单元，所述周期性贴片单元的每个贴片上都切割有顺序排列的若干条缝隙，所述周期性贴片单元、所述上层介质板和所述第一金属层共同构成滤波器的上表面；在所述周期性贴片单元的相邻两侧设置有微带线馈电结构；所述下层介质板在与所述周期性贴片单元相对应的位置处设置有凹形腔体，所述凹形腔体的四周设置有周期性金属化蘑菇状结构单元，所述周期性金属化蘑菇状结构单元构成所述凹形腔体的腔壁；所述下层介质板的下表面印刷有第二金属层，所述第二金属层构成所述滤波器的下表面；所述凹形腔体的相邻两侧在与所述馈电结构相对应的位置处设置有腔体端口，所述腔体端口设置有馈线过孔，所述馈线过孔穿透所述第二金属层。本发明提供的毫米波双频带通滤波器，在通带之间具有FTZ数量、大小可控的通带响应功能，具有良好的频率选择特性和较高的带外抑制水平。在不影响带内响应的功能下，解决了传统集成基片间隙波导和基片集成波导腔体滤波器中存在的频段之间抑制差和不具备频率选择性问题，解决了基片集成波导腔体滤波器中存在的辐射损耗的问题，同时还具有结构稳定、易集成和易加工的特点。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例直接相同或相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。需要说明的是，上述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种优选实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。