一种基于缝隙波导技术的堆叠式高Q双模滤波器的制作方法

本实用新型属于微波技术领域，涉及一种波导谐振腔滤波器，具体涉及一种基于缝隙波导技术的堆叠式高q双模微波滤波器。

背景技术：

由于通信系统频谱日益紧张和高数据率的要求，通信系统的频率不断向高频扩展，随着通信系统频率扩展到毫米波，且频段越来越多，通信系统越来越复杂，低损耗、低成本、小型化等性能成为对毫米波器件的必然要求。双模或多模滤波器的设计以相同的体积实现更高滤波器阶数，获得更好的滤波性能，因此，双模或多模设计对滤波器的小型化和低成本具有重要意义。但是，在多模滤波器设计中，由于多模腔内模式控制以及腔间模式间的耦合作用比较复杂，且多模式对滤波器结构比较敏感，这样就给多模滤波器的设计带来了困难。

在毫米波频段，微带线结构由于辐射损耗和介质损耗大、功率容量低、色散效应严重，不适于毫米波频段的应用；基片集成波导同样有介质损耗大的缺点，且制造工艺较复杂；矩形波导由于传统的中空矩形波导通常由两部分制成并连接在一起，而两种金属结构通常存在电接触不良导致能量泄露、品质因数降低的问题，同时矩形波导也存在带宽较窄和难以集成的问题。

近年来，缝隙波导技术引起了普遍关注。该技术解决了传统矩形波导滤波器的能量经由缝隙泄露的问题，且金属表面粗糙度和金属氧化等因素对缝隙波导结构滤波器的品质因数影响较小。该技术良好地解决了传统矩形波导滤波器应用中存在的问题。与传统形式的传输线相比，缝隙波导还具有传输损耗低、工作频带宽、集成度高、无需封装、可抑制表面波、具有高隔离度等优点。由于缝隙波导的结构和性能特点，使得其在毫米波等高频段通信系统中具有广泛的应用前景和巨大的商业价值。缝隙波导非常有望成为未来毫米波通信系统的重要应用方案之一。

cn105762447的专利，给出了一种双频差分滤波器，该双频差分滤波器同样为堆叠设置的滤波器，但是该专利实际是一种现有常见的siw结构的双频滤波器，siw结构的滤波器会引入介质损耗，无法应用于毫米波或更高频段；且该专利用于实现耦合的开缝为平行于谐振腔对角线的设计，无法灵活进行耦合系数的调整，同时该专利不能实现对多模腔内模式及腔间模式耦合的灵活控制，设计复杂，使得该类型滤波器难以得到广泛应用。

技术实现要素：

（一）本实用新型解决的技术问题

本实用新型的目的在于针对现有技术的不足之处，提出一种基于缝隙波导技术的堆叠式高q双模微波滤波器，该滤波器基于缝隙波导技术具有较高的q值，利用双模实现了小型化，堆叠式的设计使得结构更紧凑，通过底馈开槽相对于谐振腔长边旋转角度可实现腔内激励模式控制，便于实现滤波器的目标拓扑机构，简化了设计，且通过对电耦合与磁耦合分量的灵活控制进而实现在通带两侧引入一对可灵活控制的传输零点使得该滤波器具有选择性强的优点。

（二）本实用新型采用的技术方案

一种基于缝隙波导技术的堆叠式高q双模滤波器，包括上下堆叠固定的底层金属板中间层金属板和顶层金属板，底层金属板和顶层金属板上均固定波导法兰；

底层金属板和中间层金属板上均设置多根环绕设置的金属立柱，环绕设置的金属立柱与其上层的金属层形成一谐振腔；

每层上的金属立柱与上部金属层之间具有空气间隙；

中间层金属板上具有使上下谐振腔能够实现电磁能量耦合的开缝；

底层金属板和顶层金属板均开有长槽，波导法兰上具有与长槽对应的开孔。

金属立柱环绕形成矩形谐振腔，谐振腔的长边和短边长度不同。

底层金属板和顶层金属板的长槽与矩形谐振腔的长边具有预设夹角，所述预设夹角范围绝对值为0°~90°，当夹角范围绝对值为0°时，激励te201模式，夹角范围绝对值为90°时，激励te102模式。

所述矩形谐振腔的对角设置微扰金属立柱。

所述波导法兰上的开孔为倒角。

所述底层金属板的上部和中间层金属板的下部、中间层金属板的上部和顶层金属板的下部均为凹凸型锲合结构，且锲合处通过螺栓固定。

所述底层金属板、中间层金属板和顶层金属板为金属铝或金属铜。

所述金属立柱为长方体，且相邻金属立柱之间具有设定距离。

通过调整开缝的长度调整电耦合分量，通过调整开缝相对谐振腔中心的偏移及其宽度调整磁耦合分量。

（三）本实用新型的有益效果

（1）本实用新型通过堆叠式的双模设计，使得滤波器实现小型化；

（2）采用缝隙波导技术实现，谐振腔内填充空气，具有较高的无载品质因数，例如可高达4500。

（2）利用波导法兰从底侧和顶侧开槽馈电，当开槽平行于谐振腔短边时，仅激励起te102模式，当所开槽平行于谐振腔长边时，仅激励起te201模式；因此根据开槽与谐振腔两边的夹角，可激励不同模式，实现双模式的灵活控制；

（3）中间层金属板开缝实现电磁混合耦合，电磁混合耦合为能量耦合提供了相位正交的两条路径，从而在通带两侧引入一对传输零点,使得该滤波器具有更强选择性的优点，缝隙的长度决定电耦合强度，而缝隙对谐振腔中心的偏移及其宽度决定了磁耦合强度，电磁耦合强度的灵活控制也使得传输零点位置也实现灵活控制。

附图说明

图1是本实用新型的整体结构三维示意图。

图2是本实用新型的整体结构俯视图。

图3是本实用新型无顶层金属层3的三维示意图。

图4是本实用新型中间层金属层2的俯视图。

图5是本实用新型底层金属层1的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细说明。

参见图1~5，本实用新型提供一种基于缝隙波导技术的堆叠式高q双模滤波器，该双模滤波器包括底层金属板1、中间层金属板2和顶层金属板3，三层金属板上下堆叠设置，且相邻金属层之间具有间隙，间隙内部设置形成谐振腔的多根金属立柱9。该滤波器不同于现有的siw滤波器，该滤波器利用缝隙波导技术，无介质损耗，具有高q性能，能够应用于毫米波或者更好的频段。

如图3所示，金属立柱9固定在底层金属板1和中间层金属板2上，每个金属板上的多根金属立柱9相邻设置，形成上下相邻的两个矩形谐振腔，相邻的金属立柱之间具有间隙。

如图3所示，底层金属层1和中间层金属层2上的金属立柱9与上部金属层之间具有空气间隙8，金属立柱9、空气间隙8和上下两层金属板构成电磁带隙结构。

如图4所示，中间层金属板2上开有开缝11，开缝11连通上下谐振腔，能够实现上下谐振腔的电磁能量耦合。两谐振腔之间能量耦合的方式为混合耦合，通过中间层金属板的开缝实现能量耦合。

开缝11可选择为矩形开缝，其中，通过调整开缝11相对于谐振腔的中心偏移及其宽度，调整磁耦合分量，通过调整开缝11的长度调整电耦合分量，即本实用新型设计时能够灵活控制耦合系数。上述调整时，根据需要在设计时进行调整并实验。

底层金属板1的下部固定标准波导法兰4.2，顶层金属板3的上部固定有标准波导法兰4.1，底层金属板1和顶层金属板3均开有长槽，波导法兰上具有与长槽对应的开孔，开孔优选倒角的开孔，波导法兰的设置，能够分别从底部和顶部利用标准波导法兰进行馈电。

上述矩形谐振腔的长边和宽边的长度不同。底层金属板1和顶层金属板3上的长槽与矩形谐振腔的长边具有事先设定好的预设夹角，该预设夹角范围绝对值为0°~90°，当夹角范围绝对值为0°时，即长槽与谐振腔的长边平行，激励te201模式，夹角范围绝对值为90°时，即长槽与谐振腔的短边平行，激励te102模式；也就是说，长槽绕谐振腔中心从0-90度旋转时，谐振腔内te102模式分量逐渐减小，te201模式逐渐增强，从而实现双模式的灵活控制，在设计时，根据模式需求，选择合适的夹角。

矩形谐振腔的对角设置微扰金属立柱10，本实用新型滤波器的微扰金属立柱10能够分离两个极化简并模式te102和te201。

本实用新型的三层金属板在连接时，底层金属板1的上部和中间层金属板2的下部、中间层金属板2的上部和顶层金属板2的下部均为凹凸型锲合结构，且锲合处通过螺栓固定。如图1所示，底层金属板1和中间层金属板2四角上侧具有凹字形结构，该结构分别与中间层金属板2和顶层金属板3四角下侧的凸字形结构锲合，并预留m3螺孔7，用作中间层金属板2和顶层金属板3的支撑和定位。

如图1所示的实施方式中，滤波器的底层金属板1、中间层金属板2和顶层金属板3均为长方体，底层金属板1和中间层金属板2四角上侧设置4个凹字形支柱，中间层金属板2和顶层金属板3四角下侧设置4个凸字形支柱，两者锲合用于支撑和定位，且三层金属板四角预留4个m3的螺孔7用于加固。

上述本实用新型的底层金属板1、中间层金属板2和顶层金属板3优选金属铝或金属铜。

作为本实用新型的一个实施例，上述滤波器的底层金属板1、中间层金属板2和顶层金属板3均为厚度2mm的长方体，底层金属板1和中间层金属板2四角上侧设置4个凹字形支柱，四个凹字形支柱的截面为5mm×10mm的正方形，高度为3.5mm，且四个凹字形支柱中心分别有四个直径为3mm的螺孔7。

中间层金属板2和顶层金属板3四角下侧设置4个凸字形支柱，两者锲合用于支撑和定位，且三层金属板四角预留4个m3的螺孔7用于加固。所述四个凸字形支柱的截面为5mm×5mm的正方形，高度为2mm，且四个凸字形支柱中心分别有四个直径为3mm的螺孔7。

金属立柱9一般为高3mm截面为1mm×1mm的长方体，金属柱之间间隔一般为1mm。

空气缝隙8的高度为0.5mm。

两个谐振腔的宽度均为11.35mm，长度均为11.8mm。

开缝11为0.7mm×9mm的长方形缝隙，且该缝隙中心离腔中心间隔为4.3mm，通过调节缝隙的宽度、长度和偏离中心的距离可调节电磁耦合的强度，且缝隙越长电耦合越大，缝隙偏离腔中心间距越小，宽度约大，磁耦合越大。

谐振腔的对角上分别引入的两个微扰金属立柱10距两腔边的距离分别为0.8mm和0.6mm，该金属立柱截面为0.8mm×0.7mm。

滤波器上部和下部的标准波导法兰四角预留m3的螺孔6；底层金属板和顶层金属板上的长槽开槽尺寸为7.12mm×1.2mm×2mm的长方体，标准波导法在金属板外侧所开槽的两个长边作45度半径为1.178mm的倒角，从而构成标准波导的渐进匹配。

本实用新型的基于缝隙波导技术的堆叠式高q双模微波滤波器，在实现原理上利用了缝隙波导技术的电磁带隙结构，金属立柱9、空气缝隙8与上下金属板构成电磁带隙结构，当频率处于电磁带隙的阻带内（空气间隙小于四分之一波长），电磁波不能传播，利用该电磁带隙结构的阻带设计滤波器，能够使该滤波器具有较高的品质因数，例如可达到4500。

该滤波器通过在谐振腔中引入微扰结构金属立柱10分离te102和te201两个极化简并模式，且利用双模特性实现滤波器的小型化，而三层堆叠式的设计使得结构更为紧凑。

本实用新型利用标准波导法兰从底侧和顶侧开槽馈电，当所开槽平行于谐振腔短边时，仅激励起te102模式，当所开槽平行于谐振腔长边时，仅激励起te201模式，所开槽绕谐振腔中心从0-90度旋转，谐振腔内te102模式分量逐渐减小，te201模式逐渐增强，从而实现双模式的灵活控制。设计时，可预先根据需要设定角度值，使其获得合适的模式。

如图3和图4所示，中间层金属板2的开缝11实现电磁混合耦合，电磁混合耦合为能量耦合提供了相位正交的两条路径，从而在通带两侧引入了一对传输零点使得该滤波器具有更强选择性的优点，开缝11的长度决定电耦合强度，而开缝11对谐振腔中心的偏移及其宽度决定了磁耦合强度，电磁耦合强度的灵活控制也使得传输零点位置也实现灵活控制。

如图5所示，为本实用新型的基于缝隙波导技术的堆叠式高q双模微波滤波器回波损耗和插入损耗的仿真结果，该滤波器通带中心频率为30.077ghz，通带带宽为854mhz，通带内回波损耗小于-20db，通带内插入损耗为0.2db，通带左右各有一个传输零点，使得该滤波器具有较强的选择性。

在本说明书的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型揭露的范围内，可轻易想到的变化或者替换，都应该涵盖在本实用新型的保护范围内。