基于矩形微同轴结构的W波段带通滤波器

基于矩形微同轴结构的w波段带通滤波器
技术领域
1.本发明属于滤波器技术领域，具体是涉及到一种基于矩形微同轴结构的w波段带通滤波器。


背景技术：

2.随着通信技术的不断发展，人们着眼于应用在更高频率的通信系统。w波段一般是指75-110ghz，属于短毫米波范围。由于应用在较高的频率范围，w波段通信系统具有较大的传输带宽。此外，根据毫米波在大气中的传输特性，94ghz附近的电磁波位于传输损耗较小的“大气窗口”，所以w波段通信系统大多工作在94ghz附近。w波段通信系统的应用领域较多，当前主要需求集中在高速卫星通信、精密探测与成像和气象雷达等领域。该系统具有以下的优势：可使用的频带宽，提高了通信系统的信道容量；多普勒频率响应大，提高了成像精度和探测精度；可以实现小型化和高度的集成化。滤波器是通信系统中的重要无源器件，它能对电磁信号进行选择通过，对杂波信号进行有效的抑制，进而保证整个通信系统高效稳定的工作，所以对于高性能的滤波器设计是十分必要的。基于传统工艺(包括印制电路板和数控机加工)设计加工的w波段带通滤波器往往难以实现小型化，这阻碍了w波段系统小型化和集成化的设计。
3.随着加工工艺的不断发展，先进的mems(微电子机械系统)制造工艺已经广泛应用在射频无源器件的加工中。基于mems工艺设计加工的滤波器可以在实现小型化的同时保持着良好的性能。如中国专利cn113131111b(w波段带通滤波器)中公开了一种以3d矩形同轴结构为基础的w波段带通滤波器，其采用二分之一波长谐振结构，谐振结构之间的内部耦合结构为贯穿金属内芯并和内腔上下两壁相连接的金属圆柱，谐振结构与馈线之间的外部耦合结构与内部耦合结构类似，，它们均可以等效为一个接地电感，通过调整内部耦合结构和外部耦合结构金属圆柱的大小可以分别调整内部耦合和外部耦合的强弱；虽然其体积远远小于基于传统波导结构的器件体积，但是还存在进一步优化的空间，以减小器件尺寸。


技术实现要素：

4.本发明要解决的技术问题是提供一种能实现小型化、辐射损耗小，功率容量高的基于矩形微同轴结构的w波段带通滤波器。
5.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波段带通滤波器，包括金属外壁、金属内芯和介质支撑条，所述金属内芯通过介质支撑条悬置在金属外壁围合而成的腔体内，所述金属内芯为轴对称结构，包括四分之一波长谐振结构和渐变型馈电结构；所述四分之一波长谐振结构包括第二谐振结构，所述第二谐振结构的两端分别连接有第一谐振结构和第三谐振结构，所述第一谐振结构和金属外壁相连接，两个所述四分之一波长谐振结构分布在金属外壁中心的两侧，两个渐变型馈电结构分别设置两个四分之一波长谐振结构的外侧。
6.更具体的，所述渐变型馈电结构包括第二馈电结构，所述第二馈电结构的两端分
别连接有第一馈电结构和第三馈电结构，所述第一馈电结构、第二馈电结构和第三馈电结构呈直线型串联在一起，且垂直于金属外壁轴心线方向的宽度依次递减。
7.更具体的，所述金属外壁、第二谐振结构、第一馈电结构、第二馈电结构和第三馈电结构的轴心线重合。
8.更具体的，两个所述四分之一波长谐振结构之间的间距为0.055-0.065mm；所述四分之一波长谐振结构与渐变型馈电结构之间的间距为0.053-0.063mm；所述第一馈电结构垂直于轴心线方向的宽度为0.263-0.268mm，所述第二馈电结构的宽度为0.198-0.203mm，所述第三馈电结构为50欧姆传输线，宽度为0.176mm；所述第二谐振结构沿轴心线方向的长度为0.34-0.30mm。
9.更具体的，所述介质支撑条呈周期性分布。
10.更具体的，所述介质支撑条贯穿金属内芯，两端与金属外壁连接。
11.更具体的，所述金属外壁上开有周期性分布的开窗。
12.更具体的，所述金属外壁的长度为4.1mm-4.4mm，宽度为0.45mm-0.65mm，高度为0.48mm-0.51mm。
13.本发明的有益效果是，以三维矩形微同轴结构为基础，采用四分之一波长谐振结构进行耦合，不仅能根据需求灵活调整通带位置，而且能进一步缩减器件的尺寸，其具有辐射损耗小，功率容量高的优势，能满足w波段通信系统集成化和小型化的设计要求。
附图说明
14.图1为本发明其中一实施例的结构示意图；
15.图2为图1所示的金属外壁的结构示意图；
16.图3为图1所示的金属内芯的结构示意图；
17.图4为图1所示的实施例的俯视图；
18.图5为图3所示的四分之一波长谐振结构的结构示意图；
19.图6为图3所示的渐变型馈电结构的结构示意图；
20.图7为图1所示实施例的加工分层示意图；
21.图8为图1所示实施例的s参数仿真结果；
22.图9为图1所示实施例的通带位置随谐振器尺寸变化示意图。
23.在图中，10、金属外壁；101、开窗；11、金属内芯；111、四分之一波长谐振结构；1111、第一谐振结构；1112、第二谐振结构；1113、第三谐振结构；112、渐变型馈电结构；1121、第一馈电结构；1122、第二馈电结构；1123、第三馈电结构；12、介质支撑条。
具体实施方式
24.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：
25.请一并参阅图1-6，本实施例提供的基于矩形微同轴结构的w波段带通滤波器，包括金属外壁10、金属内芯11和介质支撑条12，所述金属内芯11通过介质支撑条12悬置在金属外壁10围合而成的腔体内，金属内芯11和金属外壁10之间填充的是空气，能减少此种结构的介质损耗；所述金属内芯11为轴对称结构，包括四分之一波长谐振结构111和渐变型馈电结构112；所述四分之一波长谐振结构111包括第二谐振结构1112，所述第二谐振结构
1112的两端分别连接有第一谐振结构1111和第三谐振结构1113，所述第一谐振结构1111与金属外壁10相连接，使得四分之一波长谐振结构111与电磁信号地相连，能够在滤波器的频率响应中产生一个谐振点；第一谐振结构1111、第二谐振结构1112和第三谐振结构1113呈“u”型分布；两个所述四分之一波长谐振结构111分布在金属外壁10中心的两侧，两个渐变型馈电结构112分别设置两个四分之一波长谐振结构111的外侧，两个四分之一波长谐振结构111之间留有间距w1，调节此间距w1的大小可以改变滤波器内部耦合的强弱；四分之一波长谐振结构111与渐变型馈电结构112之间同样留有间距w2，调节此间距w2的大小可以改变滤波器外部耦合的强弱。
26.本实施例提供的带通滤波器以三维矩形微同轴结构为基础，采用四分之一波长谐振结构进行耦合，不仅能根据需求灵活调整通带位置，而且能进一步缩减器件的尺寸，其具有辐射损耗小，功率容量高的优势，能满足w波段通信系统集成化和小型化的设计要求。
27.更具体的，所述渐变型馈电结构112包括第二馈电结构1122，所述第二馈电结构1122的两端分别连接有第一馈电结构1121和第三馈电结构1123，所述第一馈电结构1121、第二馈电结构1122和第三馈电结构1123呈直线型串联在一起，且垂直于金属外壁10轴心线方向的宽度依次递减，呈阶梯型；渐变型馈电结构112的作用是给所述四分之一波长谐振结构111进行馈电，并匹配到50欧姆传输线。
28.第一谐振结构1111、第二谐振结构1112和第三谐振结构1113的尺寸和滤波器的应用频率相关；在本实施例中，第一谐振结构1111、第二谐振结构1112、第三谐振结构1113均为长方体，面积依次递减。两个所述四分之一波长谐振结构111之间的间距w1为0.055-0.065mm，通过改变两个四分之一波长谐振结构111的间距以改变滤波器内部耦合的强弱。
29.所述四分之一波长谐振结构111与渐变型馈电结构112之间的间距w2为0.053-0.063mm，通过改变四分之一波长谐振结构111和渐变型馈电结构112的间距以改变滤波器外部耦合的强弱。
30.所述第二谐振结构1112沿轴心线方向的长度l1为0.34-0.30mm，通过改变第二谐振结构1112的长度能够改变滤波器的通带位置。
31.在本实施例中，第一馈电结构1121、第二馈电结构1122和第三馈电结构1123均为长方体，宽度依次递减；通过改变渐变型馈电结构112的宽度可以实现阻抗变换和阻抗匹配，所述第一馈电结构1121宽度w3为0.263-0.268mm，所述第二馈电结构1122的宽度w4为0.198-0.203mm，所述第三馈电结构1123为50欧姆传输线，宽度w5为0.176mm。可以理解的是，第一馈电结构1121、第二馈电结构1122和第三馈电结构1123还可以为等腰梯形。
32.更具体的，所述金属外壁10、第二谐振结构1112、第一馈电结构1121、第二馈电结构1122和第三馈电结构1123的轴心线重合，金属内芯11距金属外壁10上下腔壁的距离相等。
33.更具体的，所述介质支撑条12呈周期性分布，介质支撑条12的数量要根据金属内芯11的宽度和长度来制定。
34.更具体的，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，介质支撑条12与金属外壁10的底面平行。
35.矩形微同轴滤波器的制备采用的是铜基mems工艺，其工艺流程包括磁控溅射、旋涂、标准光刻、电化学沉积和化学机械抛光等，具体分为以下几个步骤，首先在硅晶圆上采用磁控溅射的方式沉积金属种子层；然后采用旋涂的方式在衬底上涂覆一层超厚的光刻胶作为牺牲层；接着使用标准光刻工艺光刻出所需的结构图形；之后，利用电化学沉积铜来制作结构层，并将制作完成的结构层进行化学机械抛光和平坦化处理。经过以上几个步骤就完成了矩形微同轴滤波器一层结构的制作。
36.本发明中设计的滤波器需要五层结构，即通过五层结构的叠加形成最终的滤波器结构，如图7所示，从下到上依次是第一层到第五层，当五层结构叠加完成后，需要用剥离液将牺牲层去除。特别地，为了剥离液更好地去除牺牲层，需要在金属外壁10上进行周期性的开窗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101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。
37.更具体的，所述金属外壁10的长度l0为4.1mm-4.4mm，宽度w0为0.45mm-0.65mm，高度h0为0.48mm-0.51mm。与中国专利cn113131111b(w波段带通滤波器)中公开的w波段带通滤波器相比，本发明中采用的是四分之一波长谐振结构，因此在尺寸上更小；四分之一波长谐振结构需要做接地处理，因此将第一谐振结构1111与金属腔壁相连接，两个四分之一波长谐振结构之间的内部耦合强弱由两者之间的缝隙大小所决定，四分之一波长谐振结构与渐变型馈电结构112之间的外部耦合强弱由谐振结构与馈线间的缝隙大小决定，此类耦合结构可以等效为一个串联电容，设计原理与中国专利cn113131111b(w波段带通滤波器)不同。
38.图8是本发明所述滤波器的仿真结果图，此滤波器是一款二阶切比雪夫型滤波器。从s11曲线可以看出，此滤波器具有两个传输极点，并且s11曲线在通带范围内小于-21db，这表明匹配良好；从s21曲线可以看出，此滤波器的中心频点是94ghz，满足w波段通信系统应用的重点频段；其3-db带宽为3.8ghz，并且它在3-db带宽内的最小插入损耗为1.06db，损耗较小。
39.此外，本发明所述滤波器在设计时可以根据需求简单快速的改变通带位置，调整第二谐振结构1112的长度l1即可，如图9所示，滤波器的通带位置随着第二谐振结构1112的减小向高频处移动。
40.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。