具有带通滤波功能的间隙波导

1.本发明属于微波器件技术领域，尤其涉及一种具有带通滤波功能的间隙波导。


背景技术：

2.目前，在微波、毫米波以及太赫兹频段，广泛采用金属腔体结构制作高性能的微波器件，尤其是滤波器件。但现有金属腔体结构存在与平面电路集成困难、组成结构件的电接触性能要求高的缺点。间隙波导技术作为一种新的电磁波传输和屏蔽结构形式，其非接触特性可以有效弥补这些缺点，为微波、毫米波和太赫兹器件设计提供便利。间隙波导技术实现方式主要有脊间隙波导、槽间隙波导和基片集成间隙波导等形式，本发明采用了槽间隙波导技术。金属腔体带通滤波器作为通信和雷达系统的关键器件，常见实现形式为在金属波导内部对称加载多阶感性膜片或容性膜片结构，滤波器通带低频截止频率要高于金属波导的截止频率，导致滤波器宽度尺寸受限。此外，滤波器的带宽越宽、带外抑制效果越好，则所需要的滤波器阶数越高，滤波器的长度也就越长。这种滤波器需要探针或者鳍线等过渡结构才能与微带线、共面波导等平面电路集成。这使得滤波器和过渡结构对加工和装配精度要求都很高，不利于系统集成和大规模生产。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种具有带通滤波功能的间隙波导。
4.本发明所采用的技术方案是：本发明的具有带通滤波功能的间隙波导，包括上层盖板、中间介质板和下层底板，上层盖板、中间介质板和下层底板依次固定连接；
5.所述中间介质板包括第一中间介质板和第二中间介质板，第一中间介质板和第二中间介质板结构相同，且对称设置；层盖板的下表面设置有阶梯脊结构、第一金属柱和第二金属柱；所述上层盖板的上表面为长方形结构，阶梯脊结构沿上层盖板中轴线对称设置，所述中轴线与上层盖板的长边平行；第一金属柱平行设置在两个阶梯脊结构之间，第一金属柱的表面为长方形结构。第二金属柱周期性排列在阶梯脊结构和第一金属柱的两侧，形成第二金属柱阵列，且第二金属柱位于上述上层盖板中轴线两侧；第一中间介质板包括金属地板、中间介质材料层和位于上表面的共面波导和共面波导-间隙波导过渡结构，中间介质材料层内部嵌入有金属化通孔，共面波导的一端与中间介质板的边缘对齐，另一端连接共面波导-间隙波导过渡结构，所述共面波导-间隙波导过渡结构的宽度逐渐变宽，邻近中间介质板另一端时，共面波导-间隙波导过渡结构的宽度保持不变，共面波导-间隙波导过渡结构的另一端与中间介质板的另一端对齐。共面波导-间隙波导过渡结构与阶梯脊结构连接，形成共面波导-间隙波导过渡结构。
6.进一步的，所述阶梯脊结构至少为三级阶梯结构。
7.进一步的，第二金属柱的高度高于第一金属柱。
8.进一步的，阶梯脊结构和第一金属柱的两侧分别设置有两列第二金属柱。
9.进一步的，位于中轴线两侧且相邻的两个第二金属柱表面为台阶结构，共面波导-间隙波导过渡结构与阶梯脊结构相连接时，共面波导-间隙波导过渡结构覆盖在第二金属柱较低的台阶面上。
10.进一步的，共面波导-间隙波导过渡结构的厚度等于或略大于第二金属柱表面台阶的高度。
11.进一步的，周期性排列的第二金属柱作为间隙波导电磁带隙结构的理想磁导体pmc(perfect magnetic conductor)表面，下层底板的上表面作为间隙波导电磁带隙结构的理想电导体pec(perfect electric conductor)表面，共同构成间隙波导电磁带隙结构；将电磁波束缚在内部，形成间隙波导，有效减少了空间辐射损耗。间隙波导的宽度和长度决定了带通滤波器件的低频截止特性，利用间隙波导的低频截止特性可以有效减小滤波器件的宽度。
12.平行设置的第一金属柱作为滤波电磁带隙结构的pmc表面，下层底板的上表面作为滤波电磁带隙结构的pec表面，共同构成完整的滤波电磁带隙结构。第一金属柱的尺寸和间距决定了间隙波导的高频阻带特性。同时，这种结构具有慢波特性，可以有效减小滤波器件的长度。增加pmc表面中长方形金属凸起结构的数目，可进一步改善高频阻带的抑制性能和阻带带宽。
13.下层底板采用简单的平面设计可以有效减小加工复杂度，提高与上层盖板和中间介质层的装配可靠性。上层盖板和下层底板的非接触特性可以保证中间介质层被紧紧地固定在指定位置，实现金属腔体与平面电路集成。
14.本发明的有益效果是：
15.1、使间隙波导具有了带通滤波功能，可以在一些情况下替代传统滤波器；
16.2、解决了金属腔体器件与平面电路集成困难和组成结构件之间的电接触性能要求高的问题；
17.3、利用间隙波导的低频截止特性实现低频阻带，可以实现比传统滤波器设计所需的更窄的宽度；
18.4、利用电磁带隙结构的慢波特性和频率选择特性，可以有效减小间隙波导的长度并实现高频阻带，阻带特性设计方法简单；
19.5、设计方法简单，加工和装配精度要求比现有波导技术更低，利于系统集成和大规模生产。
附图说明
20.图1是实施例提供的本发明结构示意图；
21.图2是实施例提供的本发明爆炸图；
22.图3是实施例提供的上层盖板的结构图；
23.图4是实施例提供的中间介质层的结构图；
24.图5是实施例提供的本发明滤波特性仿真曲线。
25.图中：1、上层盖板；2、中间介质板；21、中间介质板；22、中间介质板；3、下层底板。4、阶梯脊结构；5、第二金属柱；6、第一金属柱；7、共面波导-间隙波导过渡结构；8、金属地板；9、中间介质材料；10、矩形导体带；11、金属化通孔。
具体实施方式
26.下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。一种具有带通滤波功能的间隙波导，如图1和2所示，包括上层盖板1、中间介质板2和下层底板3，上层盖板1、中间介质板2和下层底板3依次固定连接；具体的可通过螺丝固定在一起。所述中间介质板2包括第一中间介质板21和第二中间介质板22，第一中间介质板21和第二中间介质板22结构相同，且对称设置。
27.如图3所示，上层盖板1的下表面设置有阶梯脊结构4、第一金属柱6和第二金属柱5；所述上层盖板1的上表面为长方形结构，阶梯脊结构4沿上层盖板1中轴线对称设置，所述中轴线与上层盖板1的长边平行，所述阶梯脊结构4至少为三级阶梯结构。
28.第一金属柱6平行设置在两个阶梯脊结构4之间，作为滤波电磁带隙结构的pmc表面，第一金属柱6的表面为长方形结构。
29.第二金属柱5周期性排列在阶梯脊结构4和第一金属柱6的两侧，形成第二金属柱阵列，作为间隙波导电磁带隙结构的pmc表面，且第二金属柱5位于上述上层盖板1中轴线两侧。第二金属柱5的高度高于第一金属柱6。阶梯脊结构4和第一金属柱6的两侧分别设置有两列第二金属柱5，位于中轴线两侧且两邻的两个第二金属柱5表面为台阶结构。上层盖板1设置的电磁带隙结构，用于实现间隙波导封装和带通滤波功能，间隙波导固有的低频截止特性和电磁带隙的带阻特性分别用于实现间隙波导的低频阻带和高频阻带功能。
30.如图4所示，第一中间介质板21包括金属地板8、中间介质材料层9和位于上表面的共面波导10和共面波导-间隙波导过渡结构7，中间介质材料层内部嵌入有金属化通孔11，共面波导10的一端与中间介质板2的边缘对齐，另一端连接共面波导-间隙波导过渡结构7，所述共面波导-间隙波导过渡结构7的宽度逐渐变宽，邻近中间介质板2另一端时，共面波导-间隙波导过渡结构7的宽度保持不变，共面波导-间隙波导过渡结构7的另一端与中间介质板2的另一端对齐。共面波导-间隙波导过渡结构7与阶梯脊结构4相连接，且共面波导-间隙波导过渡结构7覆盖在第二金属柱5较低的台阶面上。共面波导-间隙波导过渡结构7的厚度与第二金属柱5表面台阶的高度相同。
31.共面波导-间隙波导过渡结构7与阶梯脊结构4连接，形成共面波导-间隙波导过渡结构，实现金属腔体结构与平面电路的互连。
32.周期性排列的第二金属柱5作为间隙波导电磁带隙结构的pmc表面，下层底板3的上表面作为间隙波导电磁带隙结构的pec表面，共同构成间隙波导电磁带隙结构。将电磁波束缚在内部，形成间隙波导，有效减少了空间辐射损耗。利用间隙波导的低频截止特性实现滤波功能，比传统滤波器设计所需的宽度更窄。
33.平行设置的第一金属柱6作为滤波电磁带隙结构的pmc表面，下层底板3的上表面作为滤波电磁带隙结构的pec表面，共同构成完整的滤波电磁带隙结构，第一金属柱的尺寸和间距决定了间隙波导的高频阻带特性。同时，这种结构具有慢波特性，可以有效减小波导长度。
34.上盖板1和下层底板3所用材料为硬铝6061，表面做导电氧化处理。间隙波导内侧第一金属柱6的宽度为6.2mm，高度为2mm。中间介质层9材料为rogers ro4350b，相对介电常数为3.66，厚度为0.254mm。
35.图5是本发明实施例具有带通滤波功能的间隙波导的滤波特性仿真曲线。结果表
明通带频率为23.8～30.4ghz，在低频段22.0ghz处抑制度达到-59.6db，在高频段34ghz处抑制度达到-32.3db，通带插入损耗最小为0.6db。
36.本发明具有带通滤波功能的间隙波导可以在电路封装、电路设计、天线设计、雷达系统、通信系统等中应用。