一种W波段E面波导滤波器

技术领域

本发明涉及滤波器领域，具体是一种W波段E面波导滤波器。

背景技术

近几年随着5G/6G无线通讯技术的快速发展，毫米波通信得到广泛的应用与发展。一般而言，人们研究的毫米波主要包括3mm、6mm和8mm波长的电磁波，其中3mm和8mm波长的电磁波分别对应微波频域划分中的W波段和Ka波段；同时W波段和Ka波段的电磁波由于在大气中衰减较小被称为大气的窗口。作为大气窗口之一的W波段电磁波由于其波长短，频带宽，频谱资源丰富，一直以来都受到人们高度的重视和研究者对其广泛的应用与研究。滤波器作为一种选频器件在通信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。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波段滤波器的设计中。然而，传统的W波段波导滤波器基本采用的是金属腔体进行设计；同时设计者为了提高波导滤波器的选择特性，采用腔体之间的交叉耦合进行设计。虽然腔体之间的交叉耦合技术提高了波导滤波器的选择性，但其体积也随着加大了，同时加工难度和加工成本都增加了。

为了克服传统波导滤波器体积大、加工成本高、笨重等缺陷，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。然而，当今新兴W波段通信系统正持续对W波段滤波器的性能、尺寸、成本等要素提出着更大的挑战和更苛刻的要求，但传统的E面金属膜片波导滤波器具有体积大、选择性差、加工成本高、加工难度大的缺点，已经不能完全满足现代卫星通信的要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有滤波器不能完全满足现代卫星通信的要求，为了解决该问题，本发明提供一种W波段E面波导滤波器，其能够满足现代卫星通信的要求。

本发明的内容为一种W波段E面波导滤波器，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，金属箔层有第一谐振单元、上接地层和第二谐振单元，第一谐振单元关于凹槽的中心分别沿横向和纵向对称，第二谐振单元关于凹槽的中心分别沿横向和纵向对称。

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，第一横条和第三横条分别与第二纵条的两端连接，第二横条与第二纵条垂直交叉连接。

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，第一箔条和第二箔条分别为开口相对的C形箔条，C形箔条有依次连接的第二纵向箔条、第一横向箔条、第一纵向箔条、第二横向箔条和第三纵向箔条。

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。

本发明的有益效果是，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，能够满足现代卫星通信的要求。

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和介质基板的结构示意图；

附图3为本发明的下接地层和介质基板的结构示意图；

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，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9为本发明的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为本发明的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11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、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E面波导滤波器，包括下盒体4和上盒体5，下盒体4的上部与上盒体5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，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通过下盒体4与上接地层8连接，第一谐振单元7关于凹槽的中心分别沿横向和纵向对称，第二谐振单元9关于凹槽的中心分别沿横向和纵向对称。介质基板2可以为厚度0.127mm的Rogers5880基板。将印刷有第一谐振单元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5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5，构成波导滤波器的金属屏蔽盒，起到高通滤波器的作用。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5的材质均可以采用铜，并在表面镀金处理。

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。

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73、第二横条75和第三横条74，三个纵条分别为第一纵条72、第二纵条76和第三纵条71，第一纵条72和第三纵条71分别与第二横条75的两端连接，第一横条73和第三横条74分别与第二纵条76的两端连接，第二横条75与第二纵条76垂直交叉连接。第一横条73和第三横条74关于第二横条75对称，这种结构引进第一箔条和第二箔条和第一谐振单元7之间相互耦合，减少本发明的体积；可以将厚度为0.017mm的第一谐振单元7印刷在介质基板2上，并将介质基板2插入凹槽内，并与上盒体5通过螺钉进行组合。

第一谐振单元7为直线型小型化谐振单元，第一谐振单元7与第二谐振单元9沿y轴的间距为0.1mm；第二横条75沿y轴的长度为1.65mm，沿x轴的宽度为0.1mm，第一横条73和第三横条74沿y轴的长度均为0.96mm，沿x轴的宽度为0.1mm。第二横条75与第一横条73和第三横条74的间距均为0.1mm；第二纵条76沿y轴的宽度为0.1mm，沿x轴的长度为0.3mm，第一纵条72和第三纵条71沿y轴的宽度为0.1mm，沿x轴的长度为0.9mm，第一横条73和第三横条74与第一纵条72和第三纵条71的间距均为0.375mm。

本发明去除第二谐振单元后，改变第一横条73和第三横条74沿y轴的长度L4，其在仿真软件HFSS中S21的仿真结果如图8所示。从仿真结果可以看出，去除第二谐振单元的下盒体4和上盒体5，并通过螺钉进行组合的金属屏蔽盒，相当于一个低通滤波器的作用，在滤波器的上阻带产生一个传输零点，改变第一横条73和第三横条74的长度可以改变传输零点的谐振频率，第一横条73和第三横条74的长度增加，传输零点的谐振频率往低频移动；同时改变第三纵条71、第一纵条72和第二纵条76的长度和宽度，也都可以改变传输零点的谐振频率。本发明改变第一横条73和第三横条74沿y轴的长度，其在仿真软件HFSS中S21的仿真结果如图9所示，根据该结果，选定第一横条71和第三横条73的长为1.09mm。宽为0.1mm。从仿真结果和结构能够发现，第一谐振单元7不仅结构简单和紧凑，同时加工难度低，设计灵活，其非常适合低成本、重量轻、性能优异、结构简单和紧凑的W波段E面波导滤波器的设计。

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可以印刷在介质基板2上，第一上接地层81和第二上接地层82关于第一谐振单元7对称，这种结构能够更好的保证介质基板2与上盒体5的下表面接触，进而保证其通过上盒体5实现良好接地的效果。

所述的第二谐振单元9有第一箔条和第二箔条，第一谐振单元7位于第一箔条和第二箔条之间，第一箔条和第二箔条分别为开口相对的C形箔条，C形箔条有依次连接的第二纵向箔条93、第一横向箔条91、第一纵向箔条94、第二横向箔条92和第三纵向箔条95。C形箔条为直线型小型化C型谐振单元。第一箔条和第二箔条关于介质基板2的中心对称，第一纵向箔条94沿x轴的长度为0.88mm，沿y轴的宽度为0.1mm；第一横向箔条91和第二横向箔条92沿x轴的长度均为0.1mm，沿y轴的宽度均为0.1mm；如图7所示，本发明去除第一谐振单元后，第二纵向箔条93和第三纵向箔条95的长度S0在不同的数值时，传输系数(S21)随频率(Frequency)变化后的结果。本发明改变第二纵向箔条93和第三纵向箔条95的长度S0，其传输系数(S21)随频率(Frequency)变化后的结果如图10所示。根据图7和图10得到的结果，选定第二纵向箔条93和第三纵向箔条95沿x轴的长度均为0.16mm，沿y轴的宽度为0.1mm。第一箔条和第二箔条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。

本发明的滤波器在下阻带产生两个传输零点，改变第二纵向箔条93和第三纵向箔条95沿x轴的长度可以改变两个传输零点的谐振频率，第二纵向箔条93和第三纵向箔条95的长度增加，两个传输零点的谐振频率往低频移动；改变第二谐振单元9中的第二纵向箔条93和第三纵向箔条95的长度，相当于改变第二谐振单元9的等效长度，但第二谐振单元9的整体体积是基本保持不变的，因此本发明所提出的第二谐振单元9结构非常的紧凑；本发明提出的第二谐振单元9设计非常灵活，改变第一箔条和第二箔条之间的距离也可以改变两个传输零点的谐振频率；改变C形箔条的长度和宽度都可以改变两个传输零点的谐振频率；本发明所提出的第二谐振单元9具有加工难度低、设计灵活、结构简单和紧凑等特点，其非常适合新兴毫米波通信系统中低成本、重量轻、性能优异、结构简单和紧凑的W波段E面波导滤波器的设计；本发明为了减小体积，将第一箔条和第二箔条设计在第一谐振单元7的两侧，第一箔条和第二箔条关于第一谐振单元7对称。这样不仅从设计结构上可以减小体积，同时第一箔条和第二箔条与第一谐振单元7之间相互耦合，能够进一步的减小W波段波导滤波器的尺寸。

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可以印刷在介质基板2上，第一下接地层31和第二下接地层32关于第一谐振单元7对称，这种结构能够更好的保证介质基板2与下盒体4的上表面接触，进而保证其通过下盒体4实现良好接地的效果。

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沿x轴的长度均为0.72mm，沿y轴的长度均为3.57mm，沿z轴的深度均为0.15mm。

所述的下盒体4的上表面开设下腔体49，上盒体5的下表面对应开设上腔体57，下腔体49与凹槽相通。上腔体57与下腔体49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57可以是金属腔体。

所述的下盒体4和上盒体5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、51、52、53和54均为螺钉孔，螺钉孔内对应设置螺钉，其用于上下金属矩形波导的固定。47、48、55和56均为销钉孔，销钉孔内对应设置销钉，其用于金属矩形波导的定位。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5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5上分别开设第三销钉孔59、第四销钉孔510和第二空孔58。销钉孔直径均为1.65mm，空孔直径均为3mm。

金属箔条和接地层均可以为铜箔，金属箔条和接地层均可以印刷在介质基板2上，厚度均为0.017mm。

下凹槽49与上凹槽57沿x轴的长度均为1.27mm，沿y轴的长度为均13mm，沿z轴的深度均为1.27mm。

介质基板2沿x轴的长度为2.67mm，沿y轴的长度为3.55mm。

所述上盒体5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。

本发明将1个直线型小型化谐振单元和2个小型化C型谐振单元用在W波段E面波导滤波器结构的设计中，使得本发明结构简单和紧凑，且具有非常好的设计灵活性，加工成本低；同时在带通滤波器的下阻带产生2个传输零点和在其上阻带产生1个传输零点，使得带通滤波器具有高的带外抑制和矩形系数。本发明具备很好的设计自由度，其带宽和中心频率都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W波段波导滤波器电路的应用之中。