基于矩形微同轴结构的W波段滤波功分器

技术领域

本发明属于通信技术领域，具体是涉及到一种基于矩形微同轴结构的W波段滤波功分器。

背景技术

滤波器和功率分配器(以下简称功分器)都是射频通信系统的重要无源器件。滤波器对射频信号具有选择通过的作用，经常用在混频电路和倍频电路中；功分器能将一路射频信号分成多路信号。在射频通信系统中，滤波器和功分器常常一起使用，例如天线的馈电网络。如果把滤波器和功分器作为分立的器件应用于微波电路中，将不可避免地造成系统尺寸的增大。因此，一体化的设计理念被提出，即将功分器和滤波器集成到单一器件的设计中，这可以显著提高射频通信系统的集成化程度。

随着射频通信技术的快速发展，频谱资源日益缺乏，致使众多民用和军用通信系统的应用频率不断向高频发展。W波段的通信系统已成为当下研究的热点。W波段一般是指75-110GHz，属于短毫米波范畴。W波段通信系统在高速卫星通信、精密探测与成像和气象雷达等领域的应用表现出了较为明显的优势。随着频率的升高，电磁信号波长不断减小，致使应用在该频段的射频无源器件的设计难度增加。而基于传统波导结构的器件设计，其结构尺寸往往较大，无法满足系统小型化和集成化的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种能缩小器件的体积，同时保持着良好的性能的基于矩形微同轴结构的W波段滤波功分器。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下，一种基于矩形微同轴结构的W波段滤波功分器，包括金属外壁和金属内芯，所述金属内芯悬置于金属外壁围合而成的腔体内，所述金属外壁与金属内芯同轴设置；所述金属内芯包括依次连接的功率分配结构、滤波谐振结构和阻抗匹配结构，所述功率分配结构与输入端连接，所述阻抗匹配结构与输出端连接。

更具体的，所述金属外壁和金属内芯均为轴对称结构。

更具体的，所述输出端口包括第一输出端口和第二输出端口。

更具体的，所述功率分配结构包括过渡结构和分支线结构，两个所述分支线结构分别垂直地连接过渡结构的两端。

更具体的，所述滤波谐振结构的两端设有均外部耦合结构，滤波谐振结构包括至少两个互相连接的二分之一波长谐振结构，相邻的两个所述二分之一波长谐振结构上至少设有一个内部耦合结构，所述内部耦合结构设于两个外部耦合结构之间。

更具体的，所述外部耦合结构和内部耦合结构均贯穿二分之一波长谐振结构，且两端分别与金属外壁的内侧壁连接。

更具体的，所述阻抗匹配结构为四分之一波长传输线。

更具体的，所述金属外壁上有周期性的开窗结构。

更具体的，所述金属内芯通过周期分布的介质支撑条与金属外壁连接。

更具体的，所述金属外壁的长度为4.59mm，宽度为2.695mm，高度为0.5mm。

本发明的有益效果是，基于一种3D矩形微同轴传输结构，将滤波结构和功分结构一体化设计，使器件具有滤波功能和功率分配功能，能缩小器件的体积，实现了小型化，同时保持着良好的性能，有利于W波段射频通信系统小型化、集成化。

附图说明

图1为本发明其中一实施例的结构示意图；

图2为图1所示的金属外壁的结构示意图；

图3为图1所示的金属内芯的结构示意图；

图4为图1所示的实施例的S参数仿真结果示意图。

在图中，1、输入端；2、输出端；21、第一输出端口；22、第二输出端口；10、金属外壁；101、开窗结构；11、金属内芯；111、五十欧姆传输线；112、过渡结构；113、分支线结构；114、外部耦合结构；115、二分之一波长谐振结构；116、内部耦合结构；117、阻抗匹配结构；12、介质支撑条。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明：

请一并参阅图1-3，本实施例提供的基于矩形微同轴结构的W波段滤波功分器，包括金属外壁10和金属内芯11，为了更清楚的展示它们结构和相对位置，图1中将金属外壁10设置为半透明。所述金属内芯11悬置于金属外壁10围合而成的腔体内，所述金属外壁10与金属内芯11同轴设置，金属外壁10和金属内芯11共同构成矩形微同轴结构，金属内芯11悬置在金属外壁10形成的空气腔中，金属内芯11和金属外壁10之间填充的是空气，这就减少了此种结构的介质损耗；所述金属内芯11包括依次连接的功率分配结构、滤波谐振结构和阻抗匹配结构，所述功率分配结构与输入端1连接，所述阻抗匹配结构与输出端2连接，所述输出端口2包括第一输出端口21和第二输出端口22，所述滤波功分器包含三个端口，分别是输入端1、第一输出端口21和第二输出端口22，三个端口的阻抗均匹配到50欧姆。

单个滤波器或功分器的输入和输出一般需要匹配到标准的50欧姆传输结构，但功分结构或滤波结构的端口阻抗一般不是50欧姆，因此在滤波器或功分器中需要分别设计阻抗匹配结构；在滤波功分器的设计中，将功分结构和滤波结构的阻抗匹配情况同时考虑，通过结构设计巧妙的将两种结构结合在一起，起到滤波功分的效果，减少不必要匹配结构，进行实现滤波功分器的一体化和小型化。

使用时，射频信号从输入端1输入，由功率分配结构将一路射频信号等幅等相的分成两路信号，滤波谐振结构对射频信号进行选择通过，阻抗匹配结构起到滤波谐振结构和五十欧姆传输线之间的匹配作用，基于一种3D矩形微同轴传输结构，将滤波结构和功分结构一体化设计，使器件具有滤波功能和功率分配功能，能缩小器件的体积，实现小型化，同时保持着良好的性能，有利于W波段射频通信系统小型化、集成化。

更具体的，所述金属外壁10和金属内芯11均为轴对称结构。

更具体的，所述输出端2包括第一输出端口21和第二输出端口22。

更具体的，所述功率分配结构包括过渡结构112和分支线结构113，两个所述分支线结构113分别垂直地连接过渡结构112的两端，过渡结构112连接有五十欧姆传输线111；功率分配结构能够起到功分器的作用，将一路射频信号等幅等相的分成两路信号，过渡结构112的横截面大于五十欧姆传输线111，并且与两个所述分支线结构113垂直。

更具体的，所述滤波谐振结构的两端均设有外部耦合结构114，滤波谐振结构包括至少两个互相连接的二分之一波长谐振结构115，相邻的两个所述二分之一波长谐振结构115上至少设有一个内部耦合结构116，所述内部耦合结构116设于两个外部耦合结构114之间；外部耦合结构114用于加强滤波谐振结构与功率分配结构、阻抗匹配结构的耦合，内部耦合结构116用于二分之一波长谐振结构115之间的耦合；外部耦合结构114始终为两个，二分之一波长谐振结构115及内部耦合结构116的数量均可进行调整，以满足不同的使用需求。

更具体的，所述外部耦合结构114和内部耦合结构116均贯穿二分之一波长谐振结构115，且两端分别与金属外壁10的内侧壁连接；外部耦合结构114和内部耦合结构116可对金属内芯11进行支撑，使得金属内芯11悬置于金属外壁10内。

在本实施例中，所述滤波谐振结构能够起到滤波器的作用，对射频信号进行选择通过，其包括两个外部耦合结构114、两个二分之一波长谐振结构115和一个内部耦合结构116，所述外部耦合结构114和内部耦合结构116均为圆柱体，它们贯穿所述二分之一波长谐振结构115，且上表面和下表面与金属外壁10的上下腔壁贴合。所述外部耦合结构114直径的大小，决定着滤波谐振结构外部耦合的强弱；所述内部耦合结构116直径的大小，决定着滤波谐振结构内部耦合的强弱。所述二分之一波长谐振结构115是一段带有九十度弯折的传输线，其长短决定着滤波谐振结构的通带范围。可以理解的是，外部耦合结构114和内部耦合结构116还可以为多棱柱。

更具体的，所述阻抗匹配结构117为四分之一波长传输线；所述滤波谐振结构的后面连接有阻抗匹配结构117，它是一段带有九十度弯折的四分之一波长传输线，起到滤波谐振结构和五十欧姆传输线111之间的匹配作用。

更具体的，金属外壁10的结构如图2所示，金属外壁10上有周期性的开窗结构101，金属外壁10将金属内芯11的四周包裹起来。

本实施例所使用的基本结构为矩形微同轴结构，采用的是铜基MEMS工艺，需要多层叠加最终形成3D的同轴结构，每层的厚度有一定的限制，这在设计中需要进行考虑。具体工艺流程可以分为以下几步，首先将光刻胶旋涂在衬底上形成一层牺牲层，然后采用标准光刻的方式在牺牲层上制作所需的结构，接着采用电化学沉积的方法在表面沉积铜生成结构层并进行平坦化处理，重复上述几步直到完全形成所需的3D结构，最后通过剥离液将牺牲层去除，形成3D微同轴结构。矩形微同轴结构的基本结构和加工技术与传统的微带结构不同；微带结构传输的为准TEM模电磁波，而矩形微同轴结构传输的为TEM模电磁波，微带结构的加工技术已经较为成熟，并且广泛应用，在实际的生产制造中基本没有技术壁垒；然而加工矩形微同轴结构的铜基MEMS技术作为一种新兴的技术，虽相对复杂，但可以进一步实现器件的小型化，并且具有较高的加工精度。

由于微带结构和矩形微同轴结构的电磁传播性能不同，所以设计方法也不能简单的进行套用，矩形微同轴结构由金属内芯和金属外壁构成，这与将微带结构进行简单封装起到的频率响应不同，微带结构随着频率的增加会表现出较大的传输损耗，因此不合适W波段射频器件的设计。

矩形微同轴结构为一种3D结构，微带结构可以被认为是一种平面结构，因此在设计时，矩形微同轴结构将多出一个设计维度。此外，器件结构的设计必须考虑加工工艺的技术标准，为了剥离液更好的去除牺牲层，基于铜基MEMS工艺的矩形微同轴结构加工要求在金属外壁上加入周期性的开窗101，需要指出的是开窗结构的加入是加工工艺的要求而并不是射频器件设计的需要；然而开窗结构的加入会对射频器件的性能产生影响，所以开窗结构的位置不是随意而定的，需要避开电磁信号较为敏感的位置，从而降低开窗结构对射频器件性能的影响；开窗的数量不宜过多也不宜过少，过多会增大辐射损耗，过少会使牺牲层去除不干净。基于3D矩形微同轴传输结构，将滤波器和功分器进行一体化设计，并采用先进的铜基MEMS工艺进行制备，最终实现器件的体积远远小于基于传统波导结构的器件体积，同时保持着良好的性能，有利于W波段射频通信系统小型化、集成化的设计。

更具体的，所述金属内芯11通过周期分布的介质支撑条12与金属外壁10连接；为了提升金属内芯11在金属外壁10内的稳定，介质支撑条12贯穿金属内芯11，两端插入金属外壁10的腔壁中，介质支撑条12的数量应在能够支撑起金属内芯11的情况下尽可能少，这可以减少介质支撑条带来的电磁能量损耗，在本实施例中，质支撑条12与金属外壁10的底面平行。

本实施例中的谐振结构为二分之一波长谐振结构，这种设计是为了能够和功分结构一体化设计，不需要产生缝隙，便于加工，此外，将二分之一波长谐振结构和四分之一波长传输线进行了直角转弯，这是出于整体结构紧凑化和小型化的考虑，所述金属外壁10的长度L为4.59mm，宽度W为2.695mm，高度H为0.5mm。

如图4所示，对本发明所述的W波段滤波功分器特性进行仿真。所述W波段滤波功分器的通带的中心频率为94.94GHz，3-dB带宽为3.8GHz，输出端口1和输出端口2在通带内的最小插入损耗为-4.6dB，两个输出端口处的电磁信号的幅度差小于0.1dB，这表明两路输出信号的一致性良好，输入端口的S11参数在通带内小于-15dB，这表明输入端口处匹配良好。

以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。